激光原理与技术习题一

1《激光原理与技术》习题一班级序号姓名等级一、选择题1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm-1=eV。（A）1.24×10-7(B)1.24×10-6(C)1.24×10-5(D)1.24×10-42、若掺Er光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm，则产生该波长的两能级之间的能量间隔约为cm-1。（A）6000(B)6500(C)7000(D)100003、波长为λ=632.8nm的He-Ne激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz。谐振腔长度为50cm。假设该腔被半径为2a=3mm的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为个。（A）6(B)100(C)10000(D)1.2×1094、属于同一状态的光子或同一模式的光波是.(A)相干的(B)部分相干的(C)不相干的(D)非简并的二、填空题1、光子学是一门关于、、光子的科学。2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从统计分布。3、设掺Er磷酸盐玻璃中，Er离子在激光上能级上的寿命为10ms，则其谱线宽度为。三、计算与证明题1．中心频率为5×108MHz的某光源，相干长度为1m，求此光源的单色性参数及线宽。2．某光源面积为10cm2，波长为500nm，求距光源0.5m处的相干面积。3．证明每个模式上的平均光子数为1)/exp(1kThv。2《激光原理与技术》习题二班级姓名等级一、选择题1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm，等于W。（A）1×10-6(B)1×10-3(C)30(D)-302、激光器一般工作在状态.(A)阈值附近(B)小信号(C)大信号(D)任何状态二、填空题1、如果激光器在=10μm输出1W连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是。2、一束光通过长度为1m的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物质的增益系数为。三、问答题1、以激光笔为例，说明激光器的基本组成。2、简要说明激光的产生过程。3、简述谐振腔的物理思想。4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？四、计算与证明题1、设一对激光能级为2E和1E(设g1=g2)，相应的频率为(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为2n和1n，求(a)当ν=3000MHz，T=300K时，21/?nn(b)当λ=1μm，T=300K时，21/?nn(c)当λ=1μm，21/0.1nn时，温度T=？2、设光振动随时间变化的函数关系为（v0为光源中心频率），试求光强随光频变化的函数关系，并绘出相应曲线。其它,00),2exp()(00ctttviEtE3《激光原理与技术》习题三光线传输的矩阵描述班级姓名得分一、选择题1．如选取透镜的两个焦平面作为入射面和出射面，透镜焦距为f，该光学系统的传输矩阵为。（A）1101f（B）010ff（C）010ff（D）10112．如某光学系统的两个参考平面为一对物-像共轭平面，则该光学系统的ABCD变换矩阵四个元素中，必有。（A）A=0（B）B=0（C）C=0（D）D=0二、填空题1．当光线顺序通过变换矩阵分别为T1,T2,…,Tm的m个光学元件组成的光学系统时，前一元件的出射光线作为后一元件的入射光线，分别以第一个元件的入射面和最后一个面的出射面为参考平面，此光学系统的传输矩阵为。2．反演对称光学系统对光线的变换作用与光学系统的使用方向无关，这样，反演对称光学系统的正向变换矩阵与反向变换矩阵。3．反演对称光学系统变换矩阵的对角元素相等，且对应的行列式的值为。三、计算题1.焦距为10cm的正透镜与焦距为10cm的负透镜相距5cm，求两个透镜组成的光学系统的变换矩阵、等效焦距、主平面H2与H1以及焦点的位置，并作出相应的光路图。（分别以两个透镜为参考平面）4《激光原理与技术》习题四光学谐振腔稳定性与模式班级序号姓名得分一、选择题1．共焦腔在稳区图上的坐标为。(A)(-1,-1)(B)(0,0)(C)(1,1)(D)(0,1)2．腔的品质因数Q值衡量腔的。（A）质量优劣（B）稳定性（C）存储信号的能力（D）抗干扰性3．今有一球面腔R1=2m,R2=-1m,L=0.8m.该腔为。（A）稳定腔（B）非稳定腔（C）临界腔（D）不能确定二、填空题1、设某固体激光器谐振腔长50cm，固体激光介质棒长30cm，其折射率为1.6，其本征纵模的频率间隔为。2、设某激光器谐振腔长50cm，反射镜面半径为2cm，光波波长为400nm，则此腔的菲涅耳数为。3、设激光器谐振腔两反射镜的反射率为R1=R2=R=0.98，腔长L=90cm，不计其它损耗，则腔内光子的平均寿命为。设v=5×1014Hz（即630nm），则激光腔的Q值为。三、证明题与计算题1．试证明共焦腔是稳定腔。2．设激光器谐振腔长1m，两反射镜的反射率分别为80%和90%，其它损耗不计，分别求光在腔内往返2周，以及t=10-8秒时的光强是初始光强的倍数。3．假设激光腔内存在电磁场模式的电场为：tjttruEtrEc2exp)(),(0，式中tc为腔内光子寿命。试求：1）电场的傅立叶变换；2）发射光的功率谱；3）谱线宽度。5《激光原理与技术》习题五班级序号姓名等级一、选择题1、TEM00高斯光束的强度图为。（A）(B)(C)(D)2、某单模光纤FP腔的输出特性如右图，该腔的自由谱宽为GHz。（A）10(B)20(C)40(D)50二、填空题1、激光腔镜的衍射效应起着“筛子”的作用，它将腔内的筛选出来。2、FP腔的往返传输矩阵为。三、计算与综合题1．某高斯光束入射到焦距为f的薄透镜，该薄透镜位于入射高斯光束的光腰处，如图所示。求输出光束光腰位置及其光斑的大小。2．为了测试某光纤FP腔的1.55μm波段透射特性，需要一台1.55μm波段的宽激光光源，可是实验室没有专用的相关波段光源，请同学们提出两种可行的解决方案。《激光原理与技术》习题六6班级序号姓名等级一、选择题1、YAG激光器是典型的系统。（A）二能级(B)三能级(C)四能级(D)多能级2、自然加宽谱线为。（A）高斯线型(B)抛物线型(C)洛仑兹线型(D)双曲线型3、某谱线的均匀加宽为10MHz，中心频率所对应的谱线函数的极大值为。（A）0.1μs(B)10-7Hz(C)0.1s(D)107Hz二、填空题1、一个模内即使没有光子，但仍具有一定的能量210，这称为零点能。当有n个光子时，该模具有的能量为。2、线型函数归一化条件的数学表达式是。3、均匀加宽的特点是所有原子对于均匀加宽的贡献，原子不可区分。4、聚光腔的作用是。三、计算与综合题1、分别求频率为vvv2101和vvv2201处的自然加宽线型函数值（用峰值gmax表示）2、某洛仑兹线型函数为1220109)(vvavg（s），求该线型函数的线宽v及常数a。3、考虑谱线加宽之后，原子（或粒子）的跃迁可用下式描述dvvvgBndtdnvst),(021221请解释闪灯泵浦激光器效率不高的原因，指出提高光泵浦效率的途径，试举例说明。7《激光原理与技术》习题七班级序号姓名等级一、选择题1、多普勒加宽发生在介质中。（A）固体(B)液体(C)气体(D)等离子体2、多普勒加宽谱线中心的光谱线取值为。（A）Dvg939.0max(B)Dvg637.0max(C)Dvg5.0max(D)1maxg3、共焦腔基模光腰为。（A）20R(B)R20(C)R20(D)R20二、填空题1、激光器速率方程组是表征和工作物质各有关能级上的随时间变化的微分方程组。2、CO2激光器工作温度为227℃，则谐振腔内辐射场的单色能量密度Ev=，受激辐射跃迁几率W21=。（B21=6×1020m3/Js2，λ=10.6μm）三、计算与综合题1、某脉冲激光介质中发光粒子的浓度为n=5×1012cm-3，介质棒长度为L=20cm，横截面面积为A=2mm2，输出光频率为v=4×100THz，假设可将所有发光粒子全部激发到激光上能级，求在一次脉冲过程中输出的能量。如脉冲宽度为τ=5μs，求平均输出功率。2、画出四能级激光系统的能级图，并导出其速率方程组。8《激光原理与技术》习题八班级序号姓名等级一、选择题1、某激光器输出功率与泵浦功率之间的关系如右图。则该激光器的斜效率为:。(A)40%(B)50%(C)75%(D)80%2、某激光器输出功率与泵浦功率之间的关系如上题图。则该激光器的泵浦阈值功率为W。(A)2.5(B)5(C)10(D)153、自发辐射爱因斯坦系数A21与激发态E2能级的平均寿命之间的关系是。（A）21A(B)121A(C)2/21A(D)eA/214、阈值条件是形成激光的。(A)充分条件(B)必要条件(C)充分必要条件(D)不确定5、在粒子数反转分布状态下，微观粒子满足。(A)费米分布(B)高斯分布(C)波尔兹曼分布(D)负温度分布6、对同一种介质，小信号增益系数随而变。(A)谱线宽度(B)激发功率(C)粒子数密度(D)自发辐射几率二、填空题1、在连续工作状态下，激光腔内光子数密度N随时间的变化可表示为。2、小信号情况下，反转粒子数n及增益系数与无关，与泵浦几率成正比。增益系数与入射光的频率有关。三、计算与综合题1、氦氖激光器有下列三种跃迁，即3S2-2P4的632.8nm，2S2-2P4的1.1523μm和3S2-3P4的3.39μm的跃迁。求400K时它们的多普勒线宽，分别用GHz、μm、cm-1为单位表示。为了得到632.8nm的激光振荡，常采用什么办法？9《激光原理与技术》习题九班级序号姓名等级一、多项选择（5个备选答案中至少2个正确）1、自发辐射具有下列性质（ＡＢＣＤＥ）A各向同性B单色性不好C非相干的D频率范围宽E无确定偏振2、原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光具有（ＡＣＤＥ）.A频率B发散角C量子状态D偏振E传播方向3、光谱线加宽是由下列因素引起的（ＡＢＣＤＥ）A原子碰撞B激发态有一定寿命C热运动D多普勒效应E温度变化4、在连续运转激光器稳定状态（ＤＥ）A增益系数随泵浦功率增加B增益系数随光强增加而减小C小信号增益系数随光强增加D小信号增益系数随泵浦功率增加E增益系数等于阈值增益系数5、光谱线均匀加宽对应下列说法（ＡBＣＥ）A大量原子集体具有一定的寿命B大量原子集体中的原子相互碰撞C大量原子以同一线型发射D发射线型为高斯线型E发射线型为洛伦兹线型二、填空题1、某激光器输出功率与泵浦功率之间的关系如右图。则该激光器的泵浦阈值功率为W。2、非均匀加宽工作物质中反转粒子数的饱和行为会产生“烧孔”效应。当入射光频率为v2时，将使中心频率在范围内的粒子有饱和作用，在)(vn曲线上形成一个以v2为中心的孔，孔的深度为，孔的宽度为。三、计算与综合题1、若红宝石被光泵激励，求激光能级跃迁的饱和光强。（请将解答写在反面）2、长度为10cm的红宝石棒置于长度为20cm的光谐振腔中，红宝石694.3nm谱线的自发辐射寿命3410ss，均匀加宽线宽为5210MHz。光腔单程损耗0.2。求(1)阈值反转粒子数tn；(2)当光泵激励产生反转粒子数1.2tnn时，有多少个纵模可以振荡？(红宝石折射率为1.76)10《激光原理与技术》习题十班级序号姓名等级1、设某激光的小信号峰值增益系数为maxG，阈值增益系数为tG。令激发参量tGGmax，试证明：对于非均匀加宽工作物质来说，其振荡线宽与荧光线宽之间的关系为Doscvv2lnln。2、试画图说明模式竞争过程3、什么叫模式的空间竞争？为了在均匀激光器中实现单模运转，可以采用什么措施？4、连续激光器稳定工作时的增益系数是否会随泵浦功率的提高而增加？为什么？5、CO2激光器谐振腔长L=0.8m，放电管直径d=20mm，输出镜透射率T=0.04，其它往返损耗率为a=0.