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基本概念題(選做6小題，每題5分)301.1試就你所了解的知識，對激光器進(jìn)行科學(xué)分類。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)激光器c.wlaser固定波長輸出、波長可調(diào)諧的激光器按任一方式對其進(jìn)行分類均可得分，答案是多樣的1.2激光器一般包括哪三個基本單元？各單元的主要作用是什么？激光器三個基本組成單元各自的作用描繪方式能夠不一樣泵浦源：提供輸入能量，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布0n?。增益介質(zhì)：對入射光產(chǎn)生放大作用。光子諧振腔：選模、儲能

2、，構(gòu)成光振蕩變激光放大器為激光振蕩器。1.3對于線寬為?的洛侖茲函數(shù)和高斯函數(shù)，-0為多大時，這兩個函數(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？-0=0.75?時，洛侖茲函數(shù)與高斯函數(shù)值相等；-00.75?時，洛侖茲函數(shù)大于高斯函數(shù)值。1.4三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)的主要區(qū)別是什么？就兩系統(tǒng)各舉一典型實(shí)例.三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)的主要區(qū)別是：前者基態(tài)與激光下能級分享，因此閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為n/2，而后者的激光下能級抽空速率很快，閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度近似為激光上能級的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2t。典型的三能級系統(tǒng)激光器為紅寶石激光器，典型四能級系統(tǒng)激光器為Nd:YAG激光器。1.5何謂燒孔效

3、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I1的強(qiáng)光作用下，使表觀中心頻率處在1(1+I1/Is)1/2?H/2范圍內(nèi)的粒子產(chǎn)生受激輻射，因而在?n()曲線上構(gòu)成一個以1為中心，寬度約為(1+I1/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，它在腔內(nèi)沿軸線方向的分布構(gòu)成駐波場，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。我們稱這種反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度或增益系數(shù)在腔內(nèi)軸線上具有某種分布

4、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心頻率0處的凹陷。即非均勻加寬工作物質(zhì)，中心頻率處，增益固然大，但介入光放大的粒子數(shù)少，在輸出曲線上，中心頻率附近功率低，構(gòu)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：能夠構(gòu)成一臺激光器激光放大器：能夠是一段增益介質(zhì)激光器：能夠由一個激光振蕩器構(gòu)成，可以由一個振蕩器和一個或數(shù)個放大器構(gòu)成。1.7何謂有源腔和無源腔？怎樣理解激光線寬極限和頻率牽引效應(yīng)？有源腔與無源腔的區(qū)別在于有無增益介質(zhì)工作物質(zhì)，泵浦均可。激光線寬極限：激光輸出中有種線寬由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生，因此是無法排除的，所以稱它

5、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)。1.8什么是小信號增益系數(shù)？在其他條件一樣情況下，小信號的增益系數(shù)對激光輸出功率有什么影響？腔內(nèi)光強(qiáng)SII時，0()g越大，輸出功率越大；0()tgg是氣體激光器的主要泵浦方式；典型三能級系統(tǒng)的特點(diǎn)是激光下能級為基態(tài)；對各自的優(yōu)缺點(diǎn)的分析主觀題：答案無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)2.2設(shè)有兩束頻率分別為0+和0-，光強(qiáng)為I1及I2的強(qiáng)光沿一樣方向或相反方向通過中心頻率為0的非均勻加寬的氣體增益介質(zhì)(I1I2)。(1)試分別畫出反轉(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

6、孔深度。(2)試問有效泵浦功率或氣體的氣壓變化，對分布曲線?n(vz)有何影響？1兩束沿一樣方向入射沿Z軸正向，兩束光分別燒孔：I1，10=+，在1000()/zvcc=-=處燒孔，孔深0101()SIcnII?+I2，20=-，在20/zvc=-處燒孔，孔深0202()SIcnII?-+當(dāng)兩束光反向通過介質(zhì)時I1沿Z軸正向不變，I2沿Z軸反向，則I2與I1在同一處燒孔：220001()/zzvccv=-=，孔深為012021()()SIIcnIII+?+2有效泵浦效率的變化影響?no，因而影響孔深，即泵浦效率越大，?no越大，因此燒孔越深。氣壓的變化影響均勻加寬的寬度?H，因此影響孔的寬度，

7、氣壓升高，寬度增大。主觀題：答案無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)2.3何謂介質(zhì)的吸收截面？現(xiàn)有紅寶石樣品一塊，試設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)方案測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：對于一能使介質(zhì)產(chǎn)生共振吸收(E2-E1=h)的入射光，處在下能級E2的一個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：答案無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)2.4試從發(fā)光機(jī)理、能量轉(zhuǎn)換效率、輸出特性、用處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：答案無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光機(jī)理：能量轉(zhuǎn)換效率：輸出特性：單色性好，方向性好，相干性好/全光譜，無方向性，非相干用處：醫(yī)療、通信、武器等

8、精細(xì)儀器/照明3.計(jì)算題(選做2小題，每題20分)403.1長度為10cm的紅寶石棒置于長度為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2105MHz,，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)光泵鼓勵產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度?n=1.25?nt時，有多少個縱模能夠振蕩(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):222722020212122223110/(6

9、94.310/1.76)10444410210HsHvAcm-?=?2cm=4.93因而20317321/0.2/(0.14.9310)4.0610tnlcmcm-?=?=?=?(2)當(dāng)1.25tnn?=?時，即00002011.25()1.25()1()/2tHtggg?=?+-得到1102()0.5110osctHHz?=-=?=?縱模間隔10823105.07105.071022(12101.76)qcHzHzMHzL?=?=?+?能夠起振的形式數(shù)1198oscqM?=+=?200左右即可3理想情況下激光脈沖能量193410max92101016.625610310/28.6322269

10、4.310NnlsEhchcJ-?=?=?=?=?當(dāng)T=10ns時峰值功率8maxmax/28.63/102.863PETWGW-=3.2已知波長為632.8nm的He-Ne氣體激光器的激光上、下能級的平均壽命近似為2?10-8s，設(shè)激光管內(nèi)充氣壓為250Pa，飽和光強(qiáng)Is為15W/cm2，諧振腔腔長為60cm,(1)計(jì)算在常溫下T300K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，諧振腔腔長需多長才使相鄰縱模的燒孔重疊？計(jì)算時取壓力加寬系數(shù)=0.75MHz/Pa。(1)常溫下多普勒展寬

11、:877993107.16107.16101.31510632.810DHz-?=?=?=?均勻展寬:6888111()0.75102502.0310*HNPHzHz-?=?+?=+?=?所以/6.48DH?=2燒孔寬度H=I=0時，82.0310HHz=?=?I=12W/cm2，時，82.7210HHz=?3縱模間隔2qcL?=燒孔重疊時，q?由此得到腔長88310/(2)0.5522.7210Lcmm?=?3.3Anargonionlaseroperatingat488.0nmwithagain-regionlengthof0.3misdeterminedtohaveapopulation

12、densityof11016/m3inupperlaserleveland41015/m3inlowerlaserlevel.a)Ifaverylow-powerprobebeamofintensityI0istransmittedintothegainmediumthenwhatwouldbethemeasuredratioofI/I0,whereIistheoutputbeamintensityaftertraversingthemedium?a)Wewilluse0nlIIe?=todeterminetheratioofI/I0.FromQ3.3,weknown1=41015m-3,n2

13、=11016m-3andl=0.3m.Consider?no=n2n1=6x1015m-3,andI0isverylowasweknow,the21ofAr+loweris2.510-16m2.Thenwehave01211624.5100.450exp(2.510)(0.3)nlIemmeeI-?-?=?=b)Whatwouldbethesmall-signalgaincoefficientofthelaser?Thesmall-signalgaincoefficientofthelasercanbeobtainedfrom01531621(610)(2.510)1.5gmmm-=?=c)I

14、fthemirrorshavereflectivitiesof99.9%and95%andthescatteringlossesare0.5%perpass(assumenodistributedabsorptionwithinthegainmedium),whatwouldbethethresholdgainofthelaser?Fromgth=/l,weseethatweneedonlythefractionallossperpassandgainreainglengthltodeterminetheteresholdgainofthelaser.Thefractionallossperp

15、assinthiscasecanbeobtainedfrom121ln()2arr=-,wherea=0.5%,r1=99.9%andr2=95%.Herewehave110.5%ln(99.9%95%)20.1038230.3thgmm-?=d)Whatwouldbethepoweroutputfromthelaser?Theout-putofthelasercanbeobtainedfrom01/12SthpAITgg=-,whereT=1-r1=0.1%.wemustfirstdeterminethesaturationintensityIs,from02121shI=andusingthevaluesspecifiedjust,wehave3487