激光原理与技术期末考试卷(2007-09).pdf

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1、1基本概念题(选做 5 小题，每小题 5 分)251.1 激光器一般包括哪三个基本单元？各单元的主要作用是什么？1.2 试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别1.3 激光器的主要泵浦方式有哪些？各举一典型激光器实例。1.4 激光具有哪些基本特性？试举3 个应用实例，并说明各自应用了激光的哪方面特性。1.5 何谓烧孔效应？何谓兰姆凹陷？1.6 何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？1.7 在粒子反转数密度 n 大于 0 时，在激光腔中一定能产生自激振荡吗?为什么？2. 综合思考题(选做 2 小题，每小题 15 分)302.1 何谓介质的吸收截面？现有红宝石样品一块，试设计一

2、实验方案测量该样品的吸收截面，列出实验所需的设备和元器件。2.2 选模复合腔如图所示，M1、M2、M3 为全反镜，M4 为部分反射镜。(1)试分析其选模原理和条件；(2)如腔内增益介质振荡线宽为 osc, 为了获得单纵模输出，l1、l2 应如何选择？2.3 (1) 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？简要说明它们在实现粒子数反转过程中的特点；(2)试列出二能级系统的速率方程组（设能级简并度f1=f2） 。(3)分析二能级系统能否实现粒子数反转。3. 计算题(选做 3 小题，每小题 15 分)453.1 What would be the output intensity of a heli

3、um-neon laser operating at 632.8 nmif ithas a small-signal gainof 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99%and 98%, a gain-medium length of 0.2 m, and essentially no scattering losses.3.2 A Nd:YVO4 laser operating in a pulsed mode at 1.06 m is placed in a cavity withmirrors of 95% at

4、each end of the laser. The scattering losses are determined to be0.4% per pass. If the laser produces output pulses of 200- s duration in a beam ofdiameter 6 mm and if the small-signal gain is measured to be 20% per pass, whatwould be the energy of the pulses emerging from the laser?3.3 Nd3+ ions ar

5、e doped into YAG at a 1% atomic concentration, which corresponds toadensity of Nd atoms of 1.38 1026 per cubic meter in the laser rod. If all of theseatoms were instantly pumped to the upper laser level and then began to radiate, whatwould be the radiated energy per cubic meter and the average power

6、 per cubic meterradiated from this material at the emission wavelength of 1.06 m? if the powerradiated from one cubic centimeter could be concentrated into a spot 1 mm indiameter, what would be the intensity(power/m)3.4 长度为 10 cm 的红宝石棒置于长度为22 cm 的光谐振腔中，红宝石694.3 nm谱线的自发辐射寿命 s4ms,均匀加宽线宽为 2105 MHz,，光腔单

7、程损耗 =0.2。求：(1) 阈值反转粒子数密度 nt；(2) 当光泵激励产生反转粒子数密度 n = 1.25 nt 时，有多少个纵模可以振荡(红宝石折射率为 1.76); (3) 假设红宝石棒的横截面为 1cm2, 其中 Cr3+ 离子浓度为 21019 cm-3，采用调 Q 技术获得 T = 10 ns 的巨脉冲输出，试估算理想情况下可获得的激光脉冲能量和峰值功率。3.5 一内腔式 He-Ne 激光器腔长 L = 500 mm， F = 1500 MHz，在一定的泵浦功率下，测得最大增益系数gmax = 210-4 mm-1，忽略腔内其它损耗。试问(1)要产生激光振荡，输出端的透过率不得超

8、过多少? (2) 若输出端的透过率 T =0.1 时，腔内有可能形成多少个纵模振荡?4. 创意题：试以任何表现形式（注意别违反考场纪律）最有效、最大限度地展示你对这门课理解的程度（深度、广度） （选做题）附加分1基本概念题(选做 5 小题，每小题 5 分)251.1 激光具有哪些基本特性？试举3 个应用实例，并说明各自应用了激光的哪方面特性。1.2 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？就两系统各举一典型实例.1.3 何谓调 Q 技术？调 Q 技术有哪些主要实现方法？1.4 对于线宽为 的洛仑兹函数和高斯函数， - 0为多大时，这两个函数值相等？在什么频率范围内，洛仑兹函数值大于高斯函数值？

9、1.5 试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别。1.6 何谓有源腔和无源腔？为什么激光的谱线总是有一定的宽度？1.7 小信号增益系数和大信号增益系数有何不同，如何区分？小信号的增益系数对激光输出功率有什么影响？2. 综合思考题(选做 2 小题，每小题 15 分)302.1 一均匀加宽的连续激光器，腔长为 L，工作物质为三能级系统，其长度为 l，折射率 1， 两反射镜的光强反射率分别为r1 = 1， r2 I2)。(1)试分别画出反转粒子数按速度 vz 的分布曲线 n(vz)，并标出烧孔位置及烧孔深度。(2)试问有效泵浦功率或气体的气压变化，对分布曲线 n(vz)有何影响？2.3 选模复合腔

10、如图所示，M、M1、M2 为全反镜，M3 为部分透射镜。(1)试分析其选模原理和条件；(2)如腔内增益介质振荡线宽为 osc, 为了获得单纵模输出，l1、l2 应如何选择？3. 计算题(选做 3 小题，每小题 15 分)453.1 What would be the output intensity of a helium-neon laser operating at 632.8 nmif ithas a small-signal gainof 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99%and 97%, a gain-me

11、dium length of 0.4 m, and essentially no scattering losses. (Weassume that the dominant broadening is Doppler broadening and the laser has thesaturate intensity of 15W/cm2)3.2 What would be the threshold inversion density nth for a Nd:YAG laser if it hastwomirrors of reflectivity 99.99% and 50%, a g

12、ain-medium length of 10 cm, andessentially no scattering losses? The laser has a stimulated emission cross section 21 of 2.810-23 m2 .3.3 计算在理想的情况下，长度为10 cm，横截面为 1 cm2 , Cr3+ 离子浓度为 21019cm-3 的红宝石调 Q 激光器可能获得最大光能量是多少？对于具有相同几何尺寸， 含相同离子浓度（Nd3+）的钕玻璃激光器可能获得最大光能量是多少？若巨脉冲宽度为 T = 10 ns，则腔内激光的峰值功率又为多少？红宝石激光器和

13、钕玻璃激光器的输出激光波长分别为 694.3nm 和 1.06 m。3.4 一内腔式 He-Ne 激光器腔长 L = 50 cm， F = 1.5 GHz，在一定的泵浦功率下，测得最大增益系数 gmax = 0.15 m-1 ，忽略腔内其它损耗。试问(1)要产生激光振荡，输出端的透过率不得超过多少? (2) 若输出端的透过率 T = 0.1 时，腔内有可能形成多少个纵模振荡?4. 创意题：试以任何表现形式（注意别违反考场纪律）最有效、最大限度地展示你对这门课理解的程度（深度、广度） （选做题）附加分1基本概念题 (每小题 5 分) 251.1 The active medium an inci

14、dent E. M. wave. The optical resonator part of the induced emission, within a few resonator modes. The energypump pumps energy into the active medium to populate selected levels andto achieve .1.2 任何一个共焦腔与 个稳定球面腔等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔 等价于 个共焦腔，并与 个其他稳定球面腔等价。1.3 腔内有 的腔称为有源腔，在有源腔中，由于 ，使纵模频率比无源腔纵模频率更 中心频率，

15、这种现象称为 现象？1.4 调 Q 技术的目的是 ，其实质是调 ，实现调 Q 的主要方法包括 、等。1.5 A photon with the wavelength of 1 m would have the frequency of Hz, thewave number per centimeter of and the energy E = J whichequivalent to ？ ev. ( h = 6.6256x10-34J.s)2. 综合思考题(选做 3 小题，每小题 15 分)452.1 试分析激光增益介质的荧光线宽和线型(展宽机制)在激光振荡过程中所起的作用2.2 下图(a)

16、、(b)、(c)是激光器运转的三种泵浦方式，E2、E1 分别为激光的上下能级。(1) 试分析比较这三种泵浦方式的特点(优缺点)；(2) 说明各自适用于哪类激光器的泵浦。共 2 页 第 2 页2.3 如右上图所示的一稳定平-凹光学谐振腔，球面镜曲率半径为R，腔长为 L。试证明该腔等价于另一个球面镜腔右下图)：其腔长为 L = l + L, 一腔镜的曲率半径仍为 R，另一腔镜的曲率半径 R2 = l + L(R-L) / l 。2.4 (1) 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？简要说明它们在实现粒子数反转过程中的特点；(2)试列出二能级系统的速率方程组（设能级简并度f1=f2） 。(3)分析

17、二能级系统能否实现粒子数反转。2.5 There are two effects of modes on the gain medium profile, called spectral holeburning (or frequency hole burning) and spatial hole burning. Try to give someexplanation about their formations, the impact upon the gain profile and the modecompetition.3. 计算题(选做 2 小题，每小题 15 分)303.1 W

18、hat would be the output intensity of a helium-neon laser operating at 632.8 nmif it has asmall-signal gain of 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99% and97%,a gain-medium length of 0.3 m, and essentially no scattering losses. (We assume thatthedominant broadening is Doppler broadeni

19、ng and the laser has the saturate intensityof15W/cm2)3.2 长度为 10 cm 的红宝石棒置于长度为20 cm 的光谐振腔中，红宝石694.3nm 谱线的自发辐射寿命 s 4ms, 均匀加宽线宽为 2105 MHz,，光腔单程损耗 =0.2。求：(1) 阈值反转粒子数密度 nt；(2) 当光泵激励产生反转粒子数密度 n = 1.16 nt 时，有多少个纵模可以振荡(红宝石折射率为 1.76); (3) 假设红宝石棒的横截面为 1cm2, 其中 Cr3+ 离子浓度为 21019 cm-3，采用调 Q 技术获得 T =10 ns 的巨脉冲输出，

20、试估算理想情况下可获得的激光脉冲能量和峰值功率。3.3 已知波长为 632.8 nm 的 He-Ne 气体激光器的激光上、下能级的平均寿命近似为210-8 s，设激光管内充气压为250 Pa，饱和光强 Is 为 15 W/cm2，(1) 计算在常温下(T = 300 K)多普勒展宽和均匀展宽的比值 D/ H ；(2) 计算腔内平均光强接近 0 和 15W/cm2 两种情况下，激光器纵模的烧孔宽度；(3) 当腔内平均光强为 15 W/cm2 时，谐振腔腔长需多长才使相邻纵模的烧孔重叠？(计算时取压力加宽系数 = 0.75MHz/Pa)4. 创意题：试以任何表现形式（注意别违反考场纪律）最有效、最大限度地展示你对这门课理解的程度（深度、广度） （选做题）附加分