大学激光原理试卷及答案 - 图文

激光原理 课程考试题(A) （ 年 月 日） 7. 画出激光四能级结构图？写出四能级结构的速率方程？说明为什么三能级激光介质泵浦功率阈值较高？（11分） 答：激光四能级结构图略：（3分）；四能级速率方程为： 一. 问答题：（65分） 系、班 姓 名 座 号 1. 说明激光的基本特性？说明描述激光的时间相干性的两个物理量以及两者之间相互关系？（7分） 答： 激光具有单色性好、方向性好、良好的相干特性以及亮度高的特性。（3分） 由于三能级激光介质下能级为基态，激光发射时，必须将超过总粒子数一半以上的原子激 描述激光时间相干性的物理参量为相干时间τ和相干长度L，两者之间的相互关系为发到激光上能级，因此三能级结构的泵浦功率阈值较大。 （4分） L?c??，上式中c为光速。2. 光与物质存在那三种相互作用？ 激光放大主要利用其中那种相互作用？说明在激光产生过 程中，最初的激光信号来源是什么？（10分） 答：光与物质间相互作用为：自发辐射、受激发射和受激吸收。（3分）激光放大主要利用其中的受激发射（3分）。激光产生过程中，最初的激光信号是激光介质自发辐射所产生的荧光。激S32 光介质自发辐射所产生的沿轴向传播的荧光反复通过激光介质，当增益大于损耗时，这些荧E2 光不断被放大，最后形成了激光发射。（4分） R21 3. 激光三个基本组成部分是什么？（5分） W30 A03 R12 AT21 答：激光基本结构为：激光谐振腔、能量激励源和激光工作物质三部分。 S10 4. 说明均匀增宽和非均匀增宽的区别？说明为什么均匀增宽介质内存在模式竞争？（10分） R1 答：均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献， 所有原子对发射谱线上每一频率的光波都有相同贡献，所有原子的作用相同；非均匀增宽介质发射的不同的光谱E0 频率对应于不同的原子，不同的原子对中谱线中的不同频率有贡献，不同原子的作用不同的（5分）。均匀增宽激光介质发射谱线为洛仑兹线型，中心频率处谱线增益最大，该频率处附激光四能级结构图 近纵模优先起振，由于均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献，中心频率处纵模振荡发射激光将引起激光上能级原子数下降，激光增益曲线形状不变，但整8. 画出声光调Q激光器原理图，说明声光调Q基本原理？（10分） 体下降，当中心频率处纵模增益降低为激光振荡阈值时，该处纵模稳定输出，其它频率的纵答：首先Q开关关闭, 腔内声光晶体衍射产生的损耗高，腔内Q值低，激光振荡阈值高，激光不振荡，上能级聚集大量反转粒子：Q开关迅速开启,腔内损耗迅速下降，Q值急剧升高，模增益都小于阈值，无法振荡。 阈值迅速下降，反转粒子数远大于阈值反转粒子数，上能级聚集大量反转粒子变为峰值功5. 说明激光谐振腔损耗的主要来源？ 率很高的激光脉冲 6. 答：激光谐振腔损耗可以分为：1. 内部损耗：来源为激光介质不均匀所造成的散射以及激光介质本身的吸收损耗(2分)；2. 腔镜损耗：来源为腔镜投射损耗、腔镜的衍射损耗以及腔镜的 吸收损耗。 全反镜 激光介质 输出镜 声光器件-声光Q开关 声光Q开关关闭时 dn1?R1?n2A21?(n2B21?n1B12)?f(ν)?n1A1 dtdn2?W03S32?n2A21?(n2B21?n1B12)?f(ν) dt 激光脉冲 激光介质h?n0Vhcn06.63?10?34?3?1010?1019P阈3＝???650W/cm3 ?4?32?212??212?0.51?10?3?10 系、班 姓 名 座 号 输出镜 声光器件声光Q开关关闭时 全反镜 5． 腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率?0＝5.85?l014Hz，荧光线宽??＝6?l08 Hz，问它可能存在几个纵模?相应的q值为多少？ (设?=1) （9分） 计算题：（35分）（4，5题选作一题） 1． 试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射?＝0.5000?m，?=3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？（8分） 3?108解：纵模间隔为:??q???3?108Hz， 2?L2?1?0.5c??6?108n???2，则可能存在的纵模数有三个，它们对应的q值分别为： 8??q3?10q答：粒子数分别为：n1??h?16.63?10?34?0.5?10?6??2.5138?1018 ?348c6.63?10?3?10? n2?2． 一质地均匀的材料对光的吸收为0.01mm-1、光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几? 9. 设均匀增宽激光介质长度为10 cm，增益系数为G0=0.02 cm-1，内部损耗系数为(2) —光束通过长度为1m的均匀激活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系2光斑面积为0.01cm2的激光束通过该激光介α内?0.002cm?1,求光强为300W/cm、数。（9分） 解（1）根据光在介质内传播公式可得: 质后的激光强度和激光功率？（12分） I(z)1?Az?0.01?100 I(z)?I(0)e??e??0.368 q1??5.0277?1023 ?349h?6.63?10?3?10qc2?L5.85?10146???q?????1.95?10，q＋1=1950001，q－1＝1949999 82?Lc3?10 I(0)e（2）I(z)?I(0)eGz?I(z)?eG?1?2?G?ln2?0.693m?1 I(0)3． 稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R1＝40cm，R2＝100cm，求腔长L的取值范围。（9分） 解:根据谐振腔稳定性判断条件可得: 0?(1?LLLL)(1?)?1?0?(1?)(1?)?1? R1R2401000?L?40cm或100?L?140cm4． 红宝石激光器是一个三能级系统，设Cr3＋的n0＝1019／cm3，?21=3?10-3s，今以波长λ＝0.5100?m的光泵激励。试估算单位体积的阈值抽运功率。（9分） 解：激光器在阈值泵浦功率下泵浦时，泵浦功率主要补偿激光上能级的自发辐射损耗，对于三能级激光介质，其上能级阈值粒子数近似等于激光总粒子数n０的一半，可得： 第 页

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