2006-2007试卷1

2006--2007一、填空题1.激光不同于一般光源的特性是、和、。2.气体激光器典型的类型包括、。3.从光子的相干性及光波模式与光子状态的关系可证明一个光子态在六维相空间占有的等效于该光模在波矢空间占有的。4.光的受激辐射放大的前提条件是，用以实现该条件的方法是。5.光谐振腔的作用是、。6.光学开腔的非选择损耗有、，而选择损耗主要是、。7.横摸选择的主要依据的原理是。8.菲涅耳数和光腔的损耗直接相关。9.由腔和模之间的一般关系可知，腔的时间常数指。10.共轴球面腔的稳定性条件是。11．He-Ne激光器CO2激光器1．高的单色性、高的相干性、高的方向性、高亮度2．光子在腔内的平均寿命3．相格空间体积元4．实现粒子数反转泵浦(或激励)5．费涅耳数小于16．傍轴7．反射不完全引起的损耗吸收、散射等其他损耗几何损耗衍射损耗8．衍射损耗9．损耗不同10．自发辐射11．He-Ne激光器CO2激光器1.光谐振腔的模式按场分布沿光轴方向分为、。2.按泵浦方式的不同，激光器一般可分为、。3.光放大器中噪声的主要来源是。4.烧孔效应是具有谱线的工作物质所特有现象。5.气体激光器的均匀加宽机制是、。6.纵摸选择的主要依据的原理是。7.球面镜的反射矩阵是球面镜对光线的变换矩阵。8.在菲涅耳—基尔霍夫衍射积分的解中，本征值（传输因子）表征了自再现模的传输特性，其中实部和虚部分别反映和。9.光谐振腔的横模在垂直与光轴的截面光场分布随阶次有不同的样式，一般用波腹表示，用波节表示。10.波导光谐振腔的工作原理与普通开腔的差别是以为特征的。11.具有波导光谐振腔的典型激光器有、。12.按激活介质的不同，有代表性的典型激光器一般可分为及、、。二、选择题1.对一个光学谐振腔中激光的模式表述正确的是（D）A不同模式有不同的频率B不同纵模有相同的频率C不同纵模的同一横模有相同的频率D同一纵模的不同横模有相同的频率2.不具有波导光谐振腔的激光器是（B）A气体激光器B固体激光器C半导体激光器D光纤激光器3.Q调制技术实际上不是调制激光器谐振腔中（D）A光腔的损耗B光模的增益C光腔的Q值D光模的Q参数4.横摸选择的方法不包括（B）A调整光腔损耗B调整腔长C微调腔镜D小孔光阑选模5.不能用于表征高斯光束全部特性的参数是（C）A光腔的曲率半径、腔长、波长和束腰位置B光腔的共焦参数和腰斑位置C光腔的特定位置的光斑半径D光腔的特定位置的Q参数6.光谐振腔中的自再现模是（A）A各种存在的横模B唯一存在的横模C各种存在的纵模D唯一存在的纵模7.对光谐振腔中的自再现模表述正确的是（A）A不受衍射损耗的影响B不受几何损耗的影响C不受反射损耗的影响D不受透射损耗的影响8.与菲涅耳数不相关的参量是（D）A激光波长B激光频率C反射镜半径D反射镜曲率半径9.对共焦腔高斯光束的特性表述正确的是（A）A能量集中在光轴附近B光斑半径随距离变化C等相位面类似球面D光腔镜面上场分布无变化10.气体激光器的特点是（A）A单色性好B方向性好C谱线宽度小D泵浦效率高1.对非稳腔表述不恰当的是（C）A模体积大B发散损耗大C输出效率低D衍射损耗低2.对光束衍射倍率因子表述不恰当的是（B）A描述激光光束的空域质量B描述激光光束的相干性C描述激光光束的衍射极限D描述激光光束的发散特性3.有效菲涅耳数指的是（B）A光腔的实际菲涅耳数B腔镜的实际菲涅耳数C光腔等价共焦腔的实际菲涅耳数D腔镜的菲涅耳数的均值4.圆形镜共焦腔模式在镜面上的分布TEMmn模中m表示（C）Ax方向上的波节数By方向上的波节数C幅角方向上的节线数D径向的节线圆数5.对共焦腔模式起主要作用的损耗类型是（B）A几何损耗B衍射损耗C发散损耗D透射损耗6.对旁轴光线的往返矩阵表述不恰当的是（D）A在腔内一次往返的总变换矩阵B是四个变换矩阵的乘积C与光线的初始坐标无关D与光腔的稳定性无关7.三能级系统和四能级系统激光器的主要差别是（D）A三能级系统无亚稳态能级B三能级系统易实现集居数反转C四能级系统无亚稳态能级D四能级系统易实现集居数反转8.激光器速率方程不能解释的物理现象是（D）A模式竞争现象B谱线加宽现象C烧孔效应D物质的相互作用9.纵摸选择的原理是（B）A不同纵摸的损耗差异B不同纵摸的增益差异C不同纵摸的衍射损耗差异D不同纵摸的饱和增益差异10.对光放大器的增益G表述不恰当的是（A）A通过单位长度工作物质后光强增长的倍数B输出与输入光强之C通过工作物质后光强增长的倍数D输出与输入功率之比三、名词解释1.受激辐射增益饱和2.无源谐振腔Q值线型函数3.ASE烧孔效应4.注入锁定模式竞争1．为受激吸收跃迁的反过程。处于高能级E2上的一个原子,在频率为ν的辐射场激励下,辐射出一个能量为hν的同频光子并向E1能级上跃迁的过程。2．Q=2πν×腔内储藏的能量/单位时间损耗的能量光腔的损耗越大，δ越大，τR越短，Δνc越宽，Q值越小3．ASE（放大的自发辐射）是一种由自发辐射诱发的受激辐射占主导的过程，没有正反馈的光振荡（无谐振腔），属相干辐射。但其特性介于激光与荧光之间的过渡状态。4．强光Iν1入射,将使表观中心频率大致在范围内的粒子有饱和作用，由于反转居数的减少，其增益系数将小于小信号益系数在增益曲线上形成一个以ν1为中心的孔。1、集居数反转指的是物质在外界向物质提供能量从而使物质处于非热平衡状态时物质高能级的集居数大于低能级集居数。2、光束衍射倍率因子2M定义为实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积除以基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积。3、考虑原子能级E2、E1具有一定的宽度，以及实际中各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率(E2-E1)/h附近一个很小的频率范围内。称为谱线加宽。4、在非均匀加宽介质中，单模输出功率P和单模频率qv的关系曲线中在0vvq处，曲线有一凹陷称作兰姆凹陷其原因是0vvq时反转集居数减少了即烧孔面积减少了所以输出功率P0下降到某一极小值，P－qv关系曲线于0v处出现兰姆凹陷。5、调Q技术即使谐振腔损耗δ按规律变化，开始使δ较高此时阈值高从而不产生激光振荡，于是亚稳态上粒子数积累到较高水平，在适当时刻将δ突然降低阈值也突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射急速增大，输出巨脉冲。6、电磁场受谐振腔约束，于是在空间有限范围内将只能存在于一系列分立的本征状态中，场的每一个本征态将具有一定的振荡频率和一定的空间分布。于是我们称光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为腔的模式。从光子的观点来看，激光模式也就是腔内可能区分的光子状态。包括横模和纵模。7、根据光束几何逸出损耗的高低，开腔又分为稳定腔、非稳腔和临界腔。其意义在于减少激光振荡模式和提供正反馈放大。8、四能级系统的速率方程为，cQRcLQ222111HsIIE2E3E0E1S32S21A21W21W12S10W03A30S30)(303230303ASnWndtdn3232121202111222)(),()(SnSAnNnggndtdnl3030301010AnWnSndtdnnnnnn3210在有源腔中，由于增益物质的色散使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做频率牵引。四、简答题1.为使氦氖激光器的相干长度达到1km，它的单色性应是多少？简述空心波导谐振腔的构成和特征。相干长度cclcc2)(cc所以，2cl对于He-Ne激光器其典型波长为632.8nm故，1090010328.61000108.632cl2.简述爱因斯坦系数A21、B21和B12及其相互间的关系。爱因斯坦系数间的关系热平衡时腔内原子数满足玻耳兹曼分布n2和n1应保持不变(吸收跃迁数=发射跃迁数)1exp1833kThchkTEEffnn121212exp121212212BnBnAn）（）（118211221212133KThvKThveBBffABehvc特例：当f1=f2时有3.简述饱和吸收稳频的工作原理五、作图题1.根据腔模理论对开腔的分类，在稳态图中标出共轴开腔的各种典型类型，并分析判别条件和稳定性。稳定性判据共轴球面镜腔2分非稳定腔：所有的双凸腔、平凸腔平凹非稳腔：R小于腔长双凹非稳腔：R1+R2L凹凸非稳腔：R1L，R1-|R2|L3分临界腔：平行平面腔(R=)共心腔(R1+R2=L)对称共焦腔(R1=R2=L稳定腔)3分4分2.根据腔模理论用稳定性判别条件对共轴开腔分类，并分析稳定性及什么条件下可以利用g参数。六、综合题1.从Q调制技术的工作原理出发分析其特点及调制方法和适用的激光器类型。g21-1g1221112fBfBhnchBA33212182112BB2112WW328cng1g2凸凹非稳区11-1-1平行平面腔共焦腔对称共心腔凹凸非稳区双凹非稳区双凸腔调Q技术是借助某种措施，使腔的损耗α按如下程序变化：在光泵激励开始时，使谐振腔县有高损耗αH，激光器由于阈值太高而不能形成受激振荡，使得上能级的粒子数有可能大量积聚；随着泵浦的继续激励，上能级粒子数逐渐积聚到最佳状况。此时，使腔耗突然急剧下降至低损耗αL，从而增益很大地超过阂值，受激发射迅速地形成和增强。于是在极短的时间内，激光工作物质中的大部分储能迅速转变为光辐射，输出一个强大的激光脉冲，通常称这种激光脉冲为巨脉冲。调节谐振腔的损耗，实际上是调节谐振腔的品质因子Q值，因此，使腔内损耗突变以形成巨脉冲的技术称为调Q技术或Q开关技术。6分2分一、转镜Q开关连续式激光器2分二、染料Q开关被动调Q技术红宝石、YAG或钕玻璃、CO2激光器2分三、声光、电光Q开关脉冲式泵浦激光器2.从锁模技术的工作原理出发分析其特点及调制方法和适用的激光器类型。七、综合题1.某CO2激光器，光腔采用平—凹腔结构，凹面镜的波前曲率半径R＝2m，腔长L＝1m，计算光腔镜面光斑ωS1、ωS2的大小，等价共焦腔的共焦参数f，及高斯光束的腰斑ω0S的大小和位置、发散角θ0。R1=∞只能使用g参数计算g1=1g2=1/22分2分4分2分2分21141212102412112010ggggggggLfsssss与束腰位置重合41212122241211221122LRRLRLLRRLLRRLRLLRRLss22121212402))()((LRRLRRLRLRLs1)2(1))()((22121212122121212fggggggggRLRLLRRLRLRLf220f2.某高斯光束腰斑大小为ω0＝1.14mm，λ＝10.6um。计算与束腰相距30cm、10m、1000m远处的光斑大小ω及波前曲率半径R。ω02=1.3X10-6λ2=112.36X10-18f=0.38529x1031.14mm1.1403mm3.1708mmf2=1.48x105m4.93x105m1.48x104m1.148x103m201fzzfL20202Lf2202220220020)(11zzfzzzzzfzzR24022