1、0607激光原理與技術(shù)A答案2006-2007學(xué)年第1學(xué)期?激光原理與技術(shù)?A卷試題答案1 .根本概念題選做6小題,每題5分301.1 試就你所了解的知識(shí),對(duì)激光器進(jìn)行科學(xué)分類(lèi).按工作介質(zhì)分：氣體激光器、固體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器等按工作方式分：脈沖激光器pulsedlaser、連續(xù)?敗光器c.wlaser固定波長(zhǎng)輸出、波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光器按任一方式對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)均可得分,答案是多樣的1.2 激光器一般包括哪三個(gè)根本單元各單元的主要作用是什么激光器三個(gè)根本組成單元各自的作用描述方式可以不一樣泵浦源：提供輸入能量,使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布n?0增益介質(zhì)：對(duì)入射光產(chǎn)生放大作用.光子諧振腔：選模、儲(chǔ)能

2、,形成光振蕩變激光放大器為激光振蕩器.1.3 對(duì)于線寬為加洛侖茲函數(shù)和高斯函數(shù),I丫-丫0I為多大時(shí),這兩個(gè)函數(shù)值相等在什么頻率范圍內(nèi),洛侖茲函數(shù)值大于高斯函數(shù)值IV-V0|=0.75?寸,洛侖茲函數(shù)與高斯函數(shù)值相等；I丫-丫0|>0.75?時(shí),洛侖茲函數(shù)大于高斯函數(shù)值.1.4 三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的主要區(qū)別是什么就兩系統(tǒng)各舉一典型實(shí)例.三能級(jí)系統(tǒng)與四能級(jí)系統(tǒng)的主要區(qū)別是：前者基態(tài)與激光下能級(jí)共享,因而閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為n/2,而后者的激光下能級(jí)抽空速率很快,閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度近似為激光上能級(jí)的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2t.典型的三能級(jí)系統(tǒng)激光器為紅寶石激光器,典型四能級(jí)系統(tǒng)激光器為

3、Nd:YAG激光器.1.5 何謂燒孔效應(yīng)何謂蘭姆凹陷燒孔效應(yīng)主要指非均勻加寬介質(zhì)中,由于頻率1的強(qiáng)光入射引起的反轉(zhuǎn)集居數(shù)的飽和現(xiàn)象.即在頻率為1,光強(qiáng)為I?1的強(qiáng)光作用下,使表觀中央頻率處在1±(1+I?1/Is)1/2?H/2范圍內(nèi)的粒子產(chǎn)生受激輻射,因此在n?J線上形成一個(gè)以1為中央,寬度約為(1+I?1/Is)1/2?H的“燒孔,這種現(xiàn)象稱為燒孔效應(yīng).(均勻加寬介質(zhì)的空間燒孔效應(yīng)：當(dāng)頻率為q的強(qiáng)激光振蕩時(shí),它在腔內(nèi)沿軸線方向的分布形成駐波場(chǎng),波腹處光強(qiáng)最大,波節(jié)處光強(qiáng)最小.腔內(nèi)的增益系數(shù)不同,波腹處光強(qiáng)大,用去的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)多,造成增益系數(shù)下降也大.波節(jié)處增益系數(shù)下降少.我們稱這

4、種反轉(zhuǎn)粒子1數(shù)密度或增益系數(shù)在腔內(nèi)軸線上具有某種分布的現(xiàn)象為空間燒孔效應(yīng).)蘭姆凹陷是指非均勻加寬介質(zhì)激光器的輸出功率P隨頻率變化曲線在中央頻率0處的凹陷.即非均勻加寬工作物質(zhì),中央頻率處,增益雖然大,但參與光放大的粒子數(shù)少,在輸出曲線上,中央頻率附近功率低,形成凹陷.1.6 試辨析激光振蕩器、激光放大器和激光器的區(qū)別激光振蕩器：可以構(gòu)成一臺(tái)激光器激光放大器：可以是一段增益介質(zhì)激光器：可以由一個(gè)激光振蕩器構(gòu)成,也可由一個(gè)振蕩器和一個(gè)或數(shù)個(gè)放大器構(gòu)成.1.7 何謂有源腔和無(wú)源腔如何理解激光線寬極限和頻率牽引效應(yīng)有源腔與無(wú)源腔的區(qū)別在于有無(wú)增益介質(zhì)(工作物質(zhì),泵浦均可).激光線寬極限：激光輸出中有

5、種線寬由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生,因而是無(wú)法排除的,所以稱它為線寬極限.頻率牽引效應(yīng)：在有源腔中,由于增益介質(zhì)的色散,使得縱模頻率比無(wú)源腔縱模頻率更靠近中心頻率,這種現(xiàn)象叫做頻率牽引效應(yīng).1.8 什么是小信號(hào)增益系數(shù)在其他條件相同情況下,小信號(hào)的增益系數(shù)對(duì)激光輸出功率有什么影響腔內(nèi)光強(qiáng)I?IS時(shí)的增益系數(shù)g0(?)?n0?21(?,?硼做小信號(hào)增益系數(shù).在其他條件相同情況下,g0(?)?gt時(shí),g0(?強(qiáng)大,輸出功率越大；g0(?)?gt時(shí),無(wú)激光輸出.2 .綜合思考題(選彳22小題,每題15分)302.1 如下圖,E2、E1分別為激光的上下能級(jí),(a)間接泵浦,(b)直接泵浦,典型三能級(jí)系統(tǒng),

6、試比擬分析這三種泵浦方式的優(yōu)缺點(diǎn).間接泵浦與直接泵浦的區(qū)別在于前者通過(guò)一個(gè)泵浦能級(jí)實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)的布局；直接泵浦2是氣體激光器的主要泵浦方式；典型三能級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)是激光下能級(jí)為基態(tài)；對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)的分析(主觀題：答案無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn))2.2 設(shè)有兩束頻率分別為?0+?和?0-?光弓雖為I1及I2的強(qiáng)光沿相同方向或相反方向通過(guò)中央頻率為?0的非均勻加寬的氣體增益介質(zhì)(I1>12).(1)試分別畫(huà)出反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度vz的分布曲線n(vz),并標(biāo)出燒孔位置及燒孔深度.(2)試問(wèn)有效泵浦功率或氣體的氣壓變化,對(duì)分布曲線n(vz)W何影響(1)兩束沿相同方向入射(沿Z軸正向),兩束光分別燒孔：I

7、1,?1?0?在vz1?c(?0)/?0?c?/?眥燒孔,孑L深n0(c?)I1?0I1?IS1.1 ?2?0?在vz2?c?/?0處燒孑L,孑L深?n0(?c?)I2?0I2?IS當(dāng)兩束光反向通過(guò)介質(zhì)時(shí)(I1沿Z軸正向不變,I2沿Z軸反向),貝UI2與I1在同一處燒孔：vz2?c(?2?0)/?0?c?/?0?vz1孔深為n0(c?)I1?I2?0(I1?I2)?IS(2)有效泵浦效率的變化影響no,因此影響孔深,即泵浦效率越大,no越大,因而燒孔越深氣壓的變化影響均勻加寬的寬度?H,因而影響孔的寬度,氣壓升高,寬度增大.主觀題：答案無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)1.3 何謂介質(zhì)的吸收截面現(xiàn)有紅寶石樣品一塊,試

8、設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量該樣品的吸收截面,列出實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備和元器件.吸收截面：對(duì)于一能使介質(zhì)產(chǎn)生共振吸收E2-E1=h?勺入射光,處在下能級(jí)E2的一個(gè)原子有效俘獲該入射光的橫截面積為吸收截面12.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：主觀題：答案無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)1.4 試從發(fā)光機(jī)理、能量轉(zhuǎn)換效率、輸出特性、用途等方面將激光器與你熟悉的任一普通光源如白熾燈進(jìn)行比擬分析,激光器與你熟悉的任一普通光源如白熾燈的比擬：主觀題：答案無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光機(jī)理：能量轉(zhuǎn)換效率：3輸出特性：?jiǎn)紊院?方向性好,相干性好/全光譜,無(wú)方向性,非相干用途：醫(yī)療、通信、武器等精密儀器/照明3 .計(jì)算題選彳22小題,每題20分403.1 長(zhǎng)度為10cm的紅寶石棒置

9、于長(zhǎng)度為22cm的光諧振腔中,紅寶石694.3nm譜線的自發(fā)輻射壽命?s4ms,均勻加寬線寬為2X105MHz,光腔單程損耗=0.2.求：(1)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nt;(2)當(dāng)光泵鼓勵(lì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n=1.25?nt時(shí),有多少個(gè)縱?？梢哉袷?紅寶石折射率為1.76);(3)假設(shè)紅寶石棒的橫截面為1cm2,其中Cr3+離子濃度為2?1019cm-3,采用調(diào)Q技術(shù)獲得T=10ns的巨脈沖輸出,試估算理想情況下可獲得的激光脈沖能量和峰值功率.(1)均勻加寬介質(zhì)：?02/?2v2A21(694.3?10?7/1.76)22?202?21?22?2?2cm=4.93?10cm?3114?0?H4?s

10、?H4?4?10?2?10因此nt?/l?21?0.2/(0.1?4.93?10?20)cm?3?4.06?1017cm?31?1.25?H21?(?t?0)/2(2)當(dāng)n?1.25?nt時(shí),即g0(?0)?1.25gt?g0(?0)得至U?osc?2(?t?0)?0.5?H?1?10Hz11c3?1010縱模間隔?q?'?Hz?5.07?108Hz?5.07?102MHz2L2(12?10?1.76)可以起振的模式數(shù)M?osc?1?198(200左右即可)?q(3)理想情況下激光脈沖能量EmaxNnls2?1019?10?16.6256?10?34?3?1010?hc/?hc

11、/?28.63J?9222694.3?10當(dāng)T=10ns時(shí)峰值功率Pmax?Emax/T?28.63/10W?2.863GW?83.2 波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne氣體激光器的激光上、下能級(jí)的平均壽命近似為2?10-8s,設(shè)激光管內(nèi)4充氣壓為250Pa,飽和光強(qiáng)Is為15W/cm2,諧振腔腔長(zhǎng)為60cm,(1)計(jì)算在常溫下(T=300K)多普勒展寬和均勻展寬的比值?D/?H;(2)計(jì)算腔內(nèi)平均光強(qiáng)接近0和12W/cm2兩種情況下,激光器縱模的燒孔寬度；(3)當(dāng)腔內(nèi)平均光強(qiáng)為12W/cm2時(shí),諧振腔腔長(zhǎng)需多長(zhǎng)才使相鄰縱模的燒孔重疊(計(jì)算時(shí)取壓力加寬系數(shù)?=0.75MHz/Pa)(1)常溫下多

12、普勒展寬：?D?7.16?10?勻勻展寬:?73?1087.16?10?1.315?109Hz?9632.8?10?7?H?N?P?所以?D/?H?6.48111(?)?0.75?106?250Hz?2.03?108Hz?8?82?2?102?10(2)燒孔寬度?HI=0時(shí),?H?2.03?108HzI=12W/cm2時(shí),?H?2.72?108Hz,(3)縱模間隔?q?c'2L燒孔重疊時(shí),?q83?10?)m油止匕得至U腔長(zhǎng)L?c/(22?2.7?2810'0.5m53.3 Anargonionlaseroperatingat488.0nmwithagain-r

13、egionlengthof0.3misdeterminedtohaveapopulationdensityof1x1016/m3inupperlaserleveland4X1015/m3inlowerlaserlevel.a)Ifaverylow-powerprobebeamofintensityI0istransmittedintothegainmediumthenwhatwouldbethemeasuredratioofI/I0,whereIistheoutputbeamintensityaftertraversingthemedium?a) WewilluseI?I0e?n?ltodet

14、erminetheratioofI/I0.FromQ3.3,weknown1=4x1015m-3,n2=1x1016m-3andl=0.3m.Consider?no=n2-n1=6x1015m-3,andI0isverylowasweknow,the?21ofAr+loweris2.5x1The6m®.have0?1I?e?21?n?l?exp(2.5?10?16m2)?(0.3m)?e4.5?10?e0.45I05b) Whatwouldbethesmall-signalgaincoefficientofthelaser?Thesmall-signalgaincoefficient

15、ofthelasercanbeobtainedfromg0?(6?1015m?3)?(2.5?10?16m2)?1.5m?1c) Ifthemirrorshavereflectivitiesof99.9%and95%andthescatteringlossesare0.5%perpass(assumenodistributedabsorptionwithinthegainmedium),whatwouldbethethresholdgainofthelaser?Fromgth=?l,weseethatweneedonlythefractionallossperpassandgain-reain

16、glengthltodeterminetheteresholdgainofthelaser.Thefractionallossperpassinthiscasecanbeobtainedfrom?a?a=0.5%,r1=99.9%andr2=95%.Herewehave1ln(r1r2),where210.5%?ln(99.9%?95%)gth?0.103823m?10.3md) Whatwouldbethepoweroutputfromthelaser?Theout-putofthelasercanbeobtainedfromp?1AISTg0/gth?1,whereT=1-r1=0.1%,we2mustfirstdeterminethesaturationintensityIs,fromIs?just,wehaveh?0?21?21andusingthevaluesspecifiedIs?hc?A21?2