《激光原理》复习

一.选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分)1.下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件：D。A.qkL22B.qLCq2C.qLq2D.qkL22.下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件：A。（为往返相移）A.lrrGq)ln(,2210B.0,2nqC.0,20nqD.0,20Gq3.下列腔型中，肯定为稳定腔的是C。A.凹凸腔B.平凹腔C.对称共焦腔D.共心腔4.下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关，D。A.单程损耗因子B.腔内光子平均寿命C.Q值与无源线宽D.小信号增益系数5.一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有：A。A.相同横模B.相同纵模C.相同损耗D.相同谐振频率6.下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像A其中ifzq，R为等相位面曲率半径，L为光腰距离透镜距离。A．Fqq11121；B.FRR11121；C.FLL11121；D.FLL111217.关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的？C。A.相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零；B.自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关；C.爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比；D.自发辐射光相干性好。8.入射光作用下，CA.均匀加宽只有部份原子受激辐射或受激吸收；B.非均匀加宽全部原子受激辐射或受激吸收；C.均匀加宽原子全部以相同几率受激辐射或受激吸收；D.非均匀加宽全部原子以相同几率受激辐射或受激吸收。9.饱和光强CA．与入射光强有光B.与泵浦有关；C.由原子的最大跃迁截面和能级寿命决定；D.与反转集居数密度有关。10.下列条件哪一个是激光器稳定振荡条件？AA.tvGIvG),(；B.tGvvG),(00；C.tGvvG),(00；D.tvGIvG),(二.填空题（共20分，共20空，每空1分)1.电光效应是指在外加电场的作用下，晶体的折射率椭球发生变形，使沿特定方向传播的线偏振光折射率发生相应变化。2.KDP晶体沿纵向加电压，折射率椭球感应主轴旋转了45度，如果所加的电压为“半波电压”，则线偏振光偏振方向将旋转90度。3.横向电光调制中，存在自然双折射影响。4.拉曼-纳斯声光衍射产生多级衍射光，布拉格衍射只产生一级衍射光。5.布拉格衍射可用于声光移频和光束扫描；当进行光束扫描时，通过改变超声波的频率来实现偏转。声光调制通过改变超声波的功率来实现。6.调Q就是调制激光器损耗，当反转集居数密度较低时，Q值很低，激光器不能振荡；当反转集居数密度最大时，突然增加Q值，激光器迅速振荡，形成最大功率的巨脉冲。7.电光调Q脉冲能量比较高，但重复频率低；声光调Q脉冲能量比较低，但重复频率比较高。8.锁模激光器输出周期为CL2的脉冲串，脉冲峰值功率正比于模式数目的平方。9.有效光学倍频、光学参量振荡等二阶非线性必须满足相位匹配条件。10.倍频和光学参量振荡基于二阶非线性极化，光学相位共轭基于三阶非线性极化。三、简答题（共10分）1.给出一至二个光子概念实验例子（3分）黑体辐射、光电效应、康普顿散射。2.带偏振器的电光调Q激光器中在电光晶体上加4/电压，为什么不是2/电压？（3分）往返通过。3.倍频对晶体对称性有怎样的要求？（4分）对称性差。四.简述题(共30分)1.简述受激辐射和自发辐射的区别与联系（6分）受激辐射是原子在外界入射光扰动下原子从高能级向低能级跃迁产生的辐射，自发辐射是原子不受外界入射光扰动下从高能级向低能级跃迁所产生的辐射。（2分）受激辐射的光频率、传播方向、偏振方向与入射光完全相同，自发辐射光传播方向、偏振方向是随机的，光频率谱线加宽范围内均匀分布。（2分）分配在一个模式中自发辐射跃迁速率等于相同模式内一个光子扰动所产生的受激辐射速率。2.简述非均匀加宽工作物质“烧孔”现象（6分）频率为1的光入射到非均匀加宽工作物质，只有表观中心频率1'0v附近的原子与光有有效相互作用；表观中心频率远离光频率1v的原子没有有效相互作用。（3分）因此在表观中心频率1'0v附近，由于饱和效应反转集居数密度下降；在表观中心频率远离光频1v，反转集居数密度不变。所以在1'0v附近，增益系数下降，其它频率处增益系数仍为小信号增益，形成一凹陷，称为“烧孔”。（3分）3.简述兰姆凹陷成因（6分）气体多普勒加宽激光器，腔内相反方向传播的两束激光，当激光频率不等于原子中心频率时，两束激光与不同表观中心频率原子相互作用，有两部分原子对激光增益有贡献；当激光频率等于原子中心频率时，两束激光与都与中心频率原子相互作用，只有一部分原子对激光的增益有贡献。（3分）所以当激光频率不等于原子中心频率，但离中心频率不远时，两部分原子对激光的贡献比一部分原子贡献大，因此在激光频率等于原子中心频率出，激光器输出功率比激光频率在中心频率附近低。这个现象称为兰姆凹陷。（3分）4.画出电光强度调制器原理图（4分）5．简述电光调制原理（8分）电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器1P的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器2P的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转045变为感应主轴'x，'y。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(0z)被分解为沿'x和'y方向的两个分量。（3分）当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，'xE和'yE二分量间就产生了一个相位差。成为椭圆偏振光，再经过检偏正器P2时，只有平行于y轴的光能通过。（3分）1/4波片的作用是将工作点置于斜率最大处。五.计算证明题(每题10分，共20分)1．证明：采用传输矩阵证明任意高斯光束在对称共焦腔中均可自再现。（5分）对称共焦腔往返传播矩阵1001T（2分）自再现变换111112)1(001qqqDCqBAqq2、稳定谐振器的两块反射镜，其曲率半径cmR401，cmR1002，激光波长为nm500.（15分）（1）求腔长L取值范围；（2）选择腔长为cm120，求稳定腔等价共焦腔焦距f；（3）高斯光束束腰位置及束腰半径0；1）求腔长L取值范围；（2）选择腔长为cm120，求稳定腔等价共焦腔焦距f；（3）高斯光束束腰位置及束腰半径0；解：（1）激光稳定性条件1)1)(1(021RLRL得1)1001)(401(0LL，…………………(5分)进一步得cmL400或cmL140100（2）22121212)()())()((RLRLLRRLRLRLf代入后得cmf59.19…………………………………….…(5分)（3）cmRLRLLRLz24)()()(2121mmfw177.0105001059.19092………….……(5分)激光原理试题：一.填空:（每孔1分，共17分）1.通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值高。2.Nd:YAG激光器可发射以下三条激光谱线946nm、1319nm、1064nm。其中哪两条谱线属于四能级结构1319nm、1064nm。3.红宝石激光器属于3几能级激光器。He-Ne激光器属于4能级激光器。4.激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和相干性好5.激光器的基本组成部分激活物质、激光谐振腔、泵浦源。6.激光器稳态运转时，腔内增益系数为阈值增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等.7.调Q技术产生激光脉冲主要有锁模、调Q两种方法。二、解释概念：1.基模高斯光束光斑半径：激光光强下降为中心光强21e点所对应的光斑半径.2.光束衍射倍率因子光束衍射倍率因子=角基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角实际光束束腰半径3.一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系：一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。4.基模高斯光束远场发散角；与束腰半径的关系：答：气体激光器中多普勒加宽烧孔效应：由于腔镜的作用，腔内模Φ1频率1可看成两束沿相反方向传输的行波1、1的迭加。如果1足够强，则分速度为z（001cz）的反转粒子数都会出现饱和效应，~n曲线在对称于νo两侧的1和102处出现两个烧孔。这是同一模式与z运动粒子相互作用的结果，因此二个烧孔是关联的，即同时出现。三、问答题：（共32分，每小题8分）1.画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组2.一两块球面镜组成的直腔，腔长为L，球面镜的曲率半径分别为R1和R2，写出其往返矩阵的表达式。答:往返矩阵为:3．什么是对成共焦腔,计算对成共焦腔g参数.:答:对成共焦腔:R1=R2=L对成共焦腔g参数.:4.画出声光调Q激光器原理图，说明声光调Q基本原理？答：电光晶体两端加一定电压，使沿x方向的偏振光通过电光晶体后，沿轴两方向偏振光的位相差为，电光晶体相当于1/4波片，光束两次通过电光晶体时，偏振方向旋转90°，偏振方向与偏振片检偏方向垂直，光束无法通过检偏片，腔内损耗高，激光无法振荡;突然撤除电压后，损耗迅速下降，上能级反转粒子数迅速转化为激光脉冲输出.5.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）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cL，上式中c为光速。（4分）6.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，这些荧光不断被放大，最后形成了激光发射。（4分）7.激光三个基本组成部分是什么？（5分）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。8.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）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，其它频率的纵模增益都小于阈值，无法振荡。9.说明激光谐振腔损耗的主要来源？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。10.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：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发到激光上能级，因此三能级结构的泵浦功率阈值较大。11.画出声光调Q激光器原理图，说明声光调Q基本原理？（10分）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，阈值迅速下降，反转粒子数