激光原理与技术实训
课程设计说明书
题目激光原理与技术课程设计
系(部) 电子与通信工程系
专业(班级) 10光电信息工程
姓名
学号
指导教师
起止日期2012年12月30日—2013年1月6日
10级激光原理与技术课程设计任务书
目录
摘要：5 1.声光效应实验：6
1.3.1超声驻波场中光衍射的实验观察 6
1.3.2 观察超声驻波场的像，测量声波的传播速度。 7
1.3.3 超声驻波衍射光强的测量衍射效率7
1.3.4 衍射光强分布的测量光栅常数8
3.ND：YAG激光器调腔实验11
4.ND：YAG激光器调Q实验17
5.ND：YAG激光器倍频实验20
6.晶体的电光效应实验22
7 总结与体会：25 8注意事项：25参考文献25
摘要：
在本次课程设计中，我们做了以下几个实验：晶体的电光效应实验、声光效应实验、YAG激光器调腔实验、Y AG激光器调Q实验、Y AG激光器倍频实验和氦氖激光器调腔及其性能研究实验。在试验中，我们了解了LN晶体的一次电光效应特性和电厂对晶体的作用机理。知道了布拉格衍射的实验条件和特点，并通过对声光器件衍射效率和带宽等的测量，加深了对其概念的理解。熟悉了固体激光器的装配和调试方法和其主要性能。了解了氦氖激光器的结构和工作原理及其调谐技巧。从实验的结果来看，大体符合理论的结果，但由于试验中的误差，也有一些结果不太精确。
关键词：电光效应声光效应Y AG 氦氖激光器
1.声光效应实验：
1.1实验目的：
一．观察声光相互作用现象。
二．知道布喇格衍射的实验条件和特点。
三．通过对声光器件衍射效率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。
四．学会测量声光偏转和声光调制曲线。
1.2实验原理：
声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“位相光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长λs。与普通光栅相比，其不同在于不存在不透光部分，每一部分都有光透过，但其折射率不同。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。这就是声光效应。
1.3实验内容与步骤：
1.3.1超声驻波场中光衍射的实验观察
一．按照图7塔好光路；
二．开启激光电源，点亮激光器；
三．令激光束垂直于声光介质的通光面入射，观察屏上的光点，可观察到三个光点，它们分别由透射光以及声光介质两个通光面反射并进一步经激光器输出镜反射的光线形成，如图8所示，当
此三个光点在观察屏上处于与声传播方向相同的一条直线上即可，这时可认为入射光已垂直于
声传播方向。(但如果反射回来的光又进入激光器，会引起激光器工作不稳定。)
四．开启声光调制器驱动源，观察衍射光斑，同时调节阻抗匹配磁芯，令衍射最强，观察衍射光斑形状。
五．改变声光调制器的方位角，观察不同入射角情况下的衍射光斑。
1.3.2 观察超声驻波场的像，测量声波的传播速度。
一．在图9中移开透镜，重复实验内容(一)的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。
二．如图9安上透镜和光阑，改变透镜与调制器之间的位置，用光阑限定声光调制器前表面入射光斑的尺寸。
三．当入射光充满通光面时，数出衍射条纹的数目N，利用下式计算声光介质中的声速Ⅴ。
四．V=df/2N
五．式中d=2.5mm 是光斑直径，f=10MHz为超声波的频率。
1.3.3 超声驻波衍射光强的测量衍射效率
一．如图10搭好实验仪器，重复实验内容（一）的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。
二．移开观察屏，用激光功率计测出入射光强
0I
三．利用光阑分别让0，±1，±2，±3…级衍射光打到激光功率计的光敏面上，测出各级衍射光
的强度
m I ，衍射效率为
I I m m =
η
四．改变驱动电压，测出对应的衍射效率，作出各级光的衍射效率与驱动电压的关系曲线。
1.3.4 衍射光强分布的测量 光栅常数
一．1、如图11搭好实验仪器，重复实验内容（一）的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。 二．2、将光强分布测量系统置于导轨另一端。
三．3、用适当的光阑测量各点上的光强，绘出光强分布曲线。 四．4、读出声光调制器距光阑的距离。
五．5、利用光栅公式求出光栅常数。并与实验内容（二）进行比较，求出声波传播速度。 激光波长635nm 。
1.3.5 衍射光强波形的测量
六．重复实验内容（一）的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。
七．如图12，用光电接收器分别接收不同级衍射光，改变驱动功率，用示波器观察调制光强波形。
八．分析驱动功率与衍射光强波形的关系。
1.4实验结果：
2．氦氖激光器调腔及其性能研究实验
2.1实验目的：
一．了解He－Ne激光器的结构和工作原理；
二．掌握He－Ne激光器的调谐技巧；
三．研究He－Ne激光器的工作电流、腔长、腔型与其输出特性的关系。
2.2实验原理：
氦氖激光器因激光管中充有按一定比例混合的氦气和氖气而得名。输出633nm的红色激光是由氖原子的两个激发态之间的受激辐射产生的。氦原子作为一种辅助气体，在将氖原子激发到高能级并实现两个能级间的粒子数反转起着重要作用。
2.3实验内容与步骤：
2.3.1激光器的安装与谐振腔的调谐：
搭制实验光路，用一束半导体激光对系统进行准直，调整半内腔激光器的反射镜，使反射镜尽量垂直于毛细管，减少光在腔内的传输损耗，产生激光。观察反射镜失调对激光的影响。
（A）激光器的安装
将导轨放置在一个稳定坚固的平台上。
将He-Ne 激光器及四维调整架放置在导轨的一端，布氏窗朝向导轨的另一端，锁紧滑块上的两个螺钉，使激光器与导轨紧固连接。
将半导体激光器（LD）及二维调整架放置在导轨的另一端，激光束指向He-Ne激光器，锁紧滑块上的螺钉，将半导体激光器固定在导轨上，并将电源线插入功率指示计上LD插孔。
紧靠LD放置小孔光阑屏并锁紧滑块上的螺钉。
在小孔光阑屏与He-Ne激光器之间放置一个滑块用以放置He-Ne激光器的反射镜。
将He-Ne激光器的高压电源线与He-Ne激光器的电源可靠连接。
在确定He-Ne激光电源开关处于“关”状态后，将功率指示器和激光电源与220V电源相连。
(B)激光器的调试
激光器的调试主要是调整He-Ne激光器与反射镜的相对位置关系，只有当谐振腔的两个反射镜均以激光器毛细管相垂直时，激光才有可能产生，本实验的调试过程主要是用一束半导体激光作为基准，用自准直的方法使激光谐振腔达到谐振条件，产生He-Ne激光。
本实验装置采用半内腔结构，一个全反射镜与激光工作物质构成一体，并在出厂前已调至同毛细管垂直。
1）打开功率指示计的电源，LD发出激光。
调整LD的高度和方向，同时调整小孔屏的高度和位置，使通过小孔的激光可打在He-Ne激光器的布氏窗中心区域。
前后滑动小孔屏，并注意光斑在布氏窗上的位置，并反复调整LD和小孔光栏屏方向和位置，以使小孔屏在前后滑动的过程中，光斑始终位于布氏窗片的中心区域。这时LD激光束基本上与导轨平行，我们将以这条激光束作为基准来调整谐振腔。在实验过程中这个基准不应再变动。
通过激光器的玻璃外壳，我们会看到这束LD激光是否进入了毛细管（这时He-Ne激光器光源应处于“关”状态，以便于观察）。调整布氏窗这端的二维调整架，使LD光束进入毛细管，这时我们应可在小孔光阑屏上看见从He-Ne激光管的另一端反射镜反射回来的光，一般为环形，尽量使之明亮。
反复调整He-Ne激光管前后端的两个二维调整架，小孔光栏屏上的反射光的强度和形状也随之变化，尽量使这个环形光斑变小、变强并成为一个亮点重合于小孔。此时可认为毛细管基本与LD 激光束（基准）相重合，全反射镜与LD激光束垂直。
在He-Ne激光器与小孔光阑屏之间的滑块上，装置He-Ne激光器的另一个反射镜和二维精密调整架，调整反射镜架的高度使LD光斑落在反射镜的中心位置上，锁紧反射镜架和滑块。
调整反射镜架上的两个调整螺钉，使该反射镜反射回小孔屏上的光斑落于小孔中心。
用脱脂棉和丙酮擦拭布氏窗（视清洁程度而定，不必每次都做）。
打开He-Ne激光电源，激光管亮。调整电流到5.5mA左右。（不可过大以免损坏激光管和电源）。
这时应有He-Ne激光输出。如没有，请仔细调整反射镜上的两个调整钉，直到有He-Ne激光输出为止。
将功率计探头放入光路，探测He-Ne激光器的输出功率，反复仔细的微调反射镜上的两个调整螺钉，以使功率达到最大。激光腔的调试即告完成。
2.3.2 He-Ne激光器输出功率与电流的关系曲线的测定
1）如前所述，调好激光器使输出功率最大。
2）将He-Ne激光器泵浦电源的电流调至最低，将功率指示器探头置于He-Ne激光器输出端。
3）逐步等间隔改变工作电流，记录相应电流下He-Ne激光器的输出功率（注意在大电流时，工作时间不可过长。）
4）作出输出功率与电流的关系曲线，总结其规律。
2.3.3腔长对He-Ne激光器输出特性影响的研究
1）松开反射镜架滑块上的螺钉，移动反射镜，在适当位置上重新锁紧，以改变谐振腔的腔长和腔型。
2）重复谐振腔调整中的必要步骤，并观察不同位置时光斑的形状、大小，光束的发散角、功率、纵模（使用F-P扫描干涉仪）和增益曲线，以了解腔长、腔型和横模、纵模、光斑直径、发散角、功率、阈值等之间的相互关系。
2.5实验结果：
氦氖激光器调腔及其性能研究
腔长一定L=33cm
工作电流I/（mA）） 4 5 6 7 8
输出功率P/（uW）51 76.5 87 93 90
工作电流一定I=8mA
腔长L/（cm ） 27 、 28.5 、 33、 38 输出功率P/（uW ）160 、116 、 90、 73
3.Nd ：YAG 激光器调腔实验
3.1实验目的：
一．掌握固体激光器的装配和调试方法； 二．熟悉脉冲固体激光器的主要性能； 三．学会选取最佳输出耦合条件。
3.2实验原理：
1．Nd 3+：YAG （掺钕钇铝石榴石）晶体的光谱及物化特性：
Nd3+：YAG 晶体是以钇铝石榴石晶体（简称YAG ，分子式为Y3Al3O12）为基质，掺杂适量的三价
稀土元素钕离子（Nd3+）构成的，其中Nd3+置换YAG 中的部分钇离子（Y3+），晶体呈淡紫色。Nd3+是激活离子，从提高工作物质的增益来看，其浓度应越大越好，但由于Nd3+的半径（1.323 A ）大于Y3+的
半径（1.281 A ），将Nd3+掺入Y AG 中有结构上的困难，其浓度过大会造成材料的缺陷，因此Nd3+的掺杂浓度通常严格控制在0.5%~1.5%。一般Nd3+的含量为1%左右（即100个Y3+中约有一个被Nd3+所取代），即Nd3+的密度约为1.38×1020cm-3。Nd3+：YAG 属于立方晶体系，是各向同性晶体，在实际生产过程中是将Al2O3、Y2O3和Nd2O3按一定比例放入单晶炉中溶化，沿着籽晶[111]或[001]方向拉制而成的。Nd3+：YAG 的物理和化学性质主要取决于YAG 的性质，具有良好的导热性能和很大的硬度。
Nd3+：YAG的激活离子Nd3+的能级图如图1所示。在常态下4I9/2为基态，4F7/2+4S3/2，
4F5/2+2H9/2，4F3/2等为激发态，Nd3+处在4I11/2和4I13/2的离子数近于零。
Nd3+：YAG的吸收谱如图2所示。它有五条主要吸收带，这些吸收带的中心波长分别是0.53μm、0.58μm、0.75μm、0.81μm和0.87μm，其中0.81μm的吸收带较强。在各激发态中，Nd3+在4F3/2能级上的寿命较长（约230μs），称之为亚稳态，也是激光的上能级。Nd3+其余的激发态的寿命都很短，而不稳定，迅速地无辐射跃迁到4F3/2上，故在亚稳态上能够积累更多的粒子。在实现激光跃迁时主要有三条谱线：4F3/2→4I9/2的中心波长为0.946μm，4F3/2→4I11/2为1.064μm，4F3/2→4I13/2为1.32μm和1.34μm。4I11/2和4I13/2能级上的粒子很不稳定，很快驰豫到基态4I9/2上，故在4I11/2和4I13/2上的粒子数基本上为零。因此在4I3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2之间较容易实现粒子数的反转分布。其中1.06μm的荧光谱线最强，在激光振荡过程中由于粒子数竞争，4F3/2→4I11/2的跃迁几率最大，可以抑制其它谱线的振荡，这样就构成了激发态→亚稳态（激光上能级
4F3/2）→激光下能级4I11/2的四能级系统。由于四能级系统的激光下能级通常是空的，故上能级只要有少量的粒子就可达到粒子数的反转分布状态。因此，四能级系统的激光振荡阈值较三能级系统低很多。
2．固体激光器基本结构
本实验所用的实验装置如图3所示，其中Nd3+：YAG激光器为长脉冲固体激光器，主要包括如下三个部分：
工作物质
本实验选用Nd3+：YAG激光晶体棒为工作物质。为了保证激光器的高效稳定运转，所用Nd3+：YAG 激光棒应具有如下特性：
光学均匀性好，无气泡、条纹等；
两端面的平行度误差小于10″，端面平面度小于1/2光圈；
棒的侧面要打毛以利于均匀吸收泵浦光的能量和减少寄生振荡；
两端面镀增透膜，以防自激振荡的产生；
棒的长度与直径之比在10：1~20：1之间选取
图1 Nd3+：Y AG晶体的能级结构
图2 Nd 3+：YAG 晶体在300K 时的吸收谱
全反膜
图3 长脉冲Nd 3+：YAG 激光器装置示意图
激光谐振腔
通常选用平行平面腔，它是由两个镀有干涉介质膜层的光学玻璃片（也称为膜片或腔镜）组成的，其中一个腔镜是全反射镜，镀1.064μm 的全反射膜（反射率应大于99.9%），另一个膜片镀对1.064μm 的光有一定反射率的部分反射镜。对镀膜的玻璃基片的光学要求与对激光棒的精度要求相同，其形状和大小可根据使用要求而定。平行平面腔可以看作是曲率半径为无穷大的球面腔，满足g1g2=1，属于介稳腔。平行平面腔的特点是调整精度高、模体积大，需要仔细调整激光谐振腔。 泵浦源系统
泵浦源系统的作用是为工作物质达到粒子数反转分布提供必要的能量，并控制激光器按使用要求正常运转。它主要由泵浦光源、聚光腔和电气系统组成。
目前常用的泵浦光源有惰性气体灯（氙灯、氪灯）、卤化物灯、半导体激光器等。其中氙灯和氪灯不仅辐射强度和辐射效率高，而且具有较宽的发射谱带，并与Nd3+：YAG 等吸收谱有较好的匹配，通常脉冲激光器选用氙灯，连续激光器则选用氪灯。半导体激光泵浦固体激光器是近年来发展起来的一种新型激光器件，其利用输出波长与激光晶体的某一吸收峰对应的半导体激光作为泵浦源，具有体积小、效率高的优点。对于Nd3+：YAG 晶体，泵浦光波长一般选808nm 。本实验中选用脉冲氙灯对激光棒进行泵浦，其一般由灯管、充入的气体和电极所构成，结构如图3所示。灯管是由耐高温、机械性能和透光性能好石英玻璃制做的。如果在石英玻璃中掺入适量的铈，还可吸收小于0.30μm 的紫外光，并能产生0.40~0.60μm 的荧光，可大大减小工作物质的热效应，提高泵浦效率。灯的电极通常是用钍钨、钡钨、铈钨等制成。灯管和电极之间用过渡玻璃直接封接或气泡封接，管内充入适量的氙气。
泵浦灯的工作过程是：先给贮能电容器充电至某一电压、此电压应大于灯的点火电压，小于其自闪电压。然后用一个万伏以上的脉冲高压触发之，使其内部气体电离，在灯两电极间的电场作用下，正负离子沿相反方向做加速运动，又激发和电离其它原子，进而形成雪崩式电离。灯内的阻值瞬间由原来的无穷大突然变得很小，造成导电通道，贮能电容器通过灯管内放电，使灯发出闪光。灯的触发方式有两种：外触发式――脉冲高压通过绕在灯管上的触发丝来触发泵浦灯；内触发式――脉冲高压直接通过灯的电极来触发泵浦灯。为了提高转换效率和泵浦灯的使用寿命，常采用预燃或准预燃方式。预燃式电源的结构如图4所示。
V 0
V 1
V 2
图4 预燃式电源原理示意图
电气系统的作用是为光泵提供能量，控制整机按设计要求正常运转，其主要部分就是贮能电容器的充、放电回路和触发电路，或再加上控制回路、乃至预燃和调制电路等。在图4所示的预燃式电源中包括了充放电电路、预燃电路和触发电路，灯一经触发，它便可维持其小电流（约100~200mA ）辉光放电。然后控制开关元件（通常采用可控硅）按要求重复工作，而不需要再行触发。此类装置必须配备冷却系统。 聚光腔的作用是将脉冲氙灯发出的，对工作物质激光上能级实现粒子数反转分布有贡献的光波，有效地会聚到工作物质上，以提高泵浦效率。本实验采用脉冲氙灯侧面泵浦激光晶体，因此对侧面泵浦所用的聚光腔作以简介。这种聚光腔的种类较多，如单椭圆柱面腔、双椭圆柱面腔、相交圆柱面腔和紧包腔等。为了提高聚光效率，在腔内反射面抛光后需镀上高反射膜层（如镀金、银、铝等金属膜），或采用具有高反射率的陶瓷或聚四氟乙烯。本实验装置采用聚四氟乙烯紧包腔。 3．激光器的运转特性
在脉冲氙灯发出的泵浦光的作用下，Nd3+：YAG 晶体被激发，可实现粒子数反转分布，并产生受激辐射。腔内产生的光子在激光器谐振腔的作用下往返得到放大，腔内光子数急剧增加。当腔内的增益能够补偿由于腔镜的透射、衍射及工作物质的吸收、散射等因素所造成的损耗时，就可以形成激光振荡。此条件称为激光器的阈值条件，或称为临界振荡条件。理论上可以推导阈值增益系数应满足如下条件：
R l i th a v G 12121ln )(+≥
（1）
其中)
(21v G th 为阈值增益系数， i 是腔内除去输出损耗外的其它腔内损耗系数，R 为输出腔镜的反射率，l 为工作物质的长度。可见，实现粒子数反转分布并不一定能形成激光振荡，还必须满足阈值条件。理论分析得到，四能级系统脉冲激光器的阈值能量为 1
ηηηηab c L p
R th th
hv V N E ?=
（2）
其中VR 为激活介质的体积；h 为普朗克常数； p 为激光频率；ηL 为电能转换为有效光能的效率；ηc 为聚光腔的聚光效率；ηab 为工作物质的吸收效率，η1是吸收能级向激光上能级无辐射跃迁的量子效率。可见，激光器的阈值能量与很多环节有关。 4．最佳输出耦合条件的选取
所谓最佳输出耦合条件是指在一定输出能量的情况下获得最大激光输出的输出腔镜透过率条件。理论分析得出，最佳透过率Top 应满足下式关系
opt
opt i opt i opt i opt i T T a T a T a T a l v G +---------=
)]1)[ln(1()]1)[ln(1()(22210 （3）
可见，最佳透过率与工作物质的l, 腔内的总损耗 i ，小信号增益系数G0( 21)有关。但这些只是定性的分析，在实际应用中，除凭经验粗略选取外，必须通过实验来确定。在要求不严格的情况下，Nd3+：YAG 的连续器件的透过率一般选为5%~20%，脉冲器件的透过率一般选为50%~80%。 5．固体激光器的模式匹配技术
图5是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。
图 5 端面泵浦的激光谐振腔形式
如图 所示，则平凹腔中的g 参数表示为：
1111,L g R =-
= 22
1L
g R =-
（4） 根据腔的稳定性条件，
1201g g <<时腔为稳定腔。故当
2L R <时腔稳定。
同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为：
0w =
（5）
R1为平面，R2，L 已知。由此可以算出
0w 大小。
所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该0w ≤，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易
获得基模输出。
3.3实验内容与步骤： 1．激光器的装调
(1)连接好所有电缆（除晶体高压），插上电源插头，检查电源输出正极接线端子（POS ）和负极接线端子（NEG ）是否连接正确。确定水泵及其控制线连接完好。
(2)仔细调节与Nd:YAG 激光器同轴的He-Ne 激光器，使He-Ne 激光通过激光棒两个端面中心，如图8所示。为了保证激光器的调整精度，He-Ne 激光器应距Nd ：YAG 激光器2米以上。若He-Ne 激光器不与实验台平行，则需首先调整He-Ne 激光器的高低和俯仰并使其水平。
(3)将全反射和输出镜分别装在调整架上，调节各自的调整架，使He-Ne 光束尽量通过两腔镜的中心，并使He-Ne 光束由全反镜、激光晶体和输出镜反射后到达He-Ne 激光器上的三个反射光点重合。
(4)检查激光器的电源与激光头之间以及激光头和水箱之间的连接是否正确以及激光电源的多圈电位计逆时针旋至最小。一切检查无误后打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。
(5)在水冷系统正常工作的前提下，按下激光器预燃开关，预燃指示灯亮。按下激光器启动开关，“START ”键亮。顺时针方向旋转可变电位器，此时可以看到激光电源显示的电压值逐渐变大。当激光电源显示电压
值达到500V时，用感光相纸在激光器输出镜后接光斑。若此时没有激光输出，继续增大激光电源电压。若激光电源电压增大至850V时仍无激光输出，需要再次微调激光器的全反镜和输出镜（微调！），至使输出激光在感光相纸上打出光斑。
(6)在激光器输出激光后，继续微调激光器的全反镜和输出镜，直到打到相纸上的激光光斑均匀、圆整，然后减小激光器电压至激光器刚能出光，此时注入的泵浦能量为激光器的阈值能量。
输出镜激光晶体全反镜He-Ne激光器
图8 激光器光路调整示意图
2．激光器输出输入曲线的测定：
在激光谐振腔调整完成后，开始测量激光器的输出输入曲线。将激光电源工作状态设定为单次工作，并在激光器输出光路上放置激光能量计。
改变激光电源电压，分别测量激光电源电压为500V、600V、700V、800V和900V时的输出能量值（若时间允许，可间隔50V测量）。每个电压处测量3次并取输出能量的平均值作为输出能量值。
绘出激光器的输入电压－输出能量曲线，或输入能量输出能量曲线（激光器充电电容为100μF）。
3．最佳透过率的测定
(1) 保持激光晶体和全反镜不变，取下输出镜膜片，并换用另一种透过率的输出镜膜片，按上述实验步骤将激光器调整到最佳输出状态（主要是微调输出镜）。改变激光电源的电压，测量激光电源电压为500V、600V、700V、800V和900V时的输出输入曲线。利用同样方法可以测量激光器在其它输出镜透过率情况下的输出输入曲线。
(2) 根据步骤(1)的实验结果，当激光器的输入能量（输入电压）在某一固定值的情况下，激光器的输出能量有一最佳值。分析不同输入电压情况下的最佳透过率。
(3) 关机顺序为：先把手动开关断开，关掉预燃，最后关电钥匙。
4.Nd ：YAG 激光器调Q 实验
4.1实验目的：
一．了解利用晶体线性电光效应实现激光调Q 的原理；
二．熟悉主动和被动调Q 固体激光器的结构，并掌握其调试技术； 三．了解电光晶体的开关效率和延迟特性；
四．掌握调Q 激光器输出能量、脉冲宽度的测量方法。
4.2实验原理：
调Q 技术是获得短脉冲高峰值功率激光输出的重要方法。一般情况下，自由运转的脉冲激光器输出的激光脉冲的脉宽在几百μs ～几ms 之间，峰值功率也较低。为了获得高峰值功率的激光输出，人们发明了调Q 技术。 1、激光器调Q 的概念
激光器的Q 值又称品质因数，是表征激光谐振腔的腔内损耗一个重要参数，其定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比：
=2Q πυ腔内贮存的激光能量
每秒钟损耗的激光能量
（1）
式中0υ为激光的中心频率。 假定腔内贮存的激光能量为E ，光在腔内走一个单程能量的损耗率为γ，则光在一个单程中对应的损耗能量为E γ。如果谐振腔长度为L ,，则光在腔内走一个单程所需时间为nL /c , 其中n 为折射率,c 为光速。因此光在腔内每秒钟损耗的能量为
/E
nL c
γ，Q 值可表示为
22/E nL
Q Ec nL ππυγγλ== （2）
式中00/c λυ=为真空中激光波长。由公式（2）可知，Q 值与损耗率成反比变化，即损耗大Q 值就低，损耗小Q 值就高。
由于固体激光器存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，使振荡不能形成，激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。这时腔内会像雪崩一样以极快的速度建立起极强振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在输出镜端输出一个极强的激光脉冲，其脉宽窄（10-6~10-9s 量级），峰值功率高（大于MW ），通常把这种光脉冲称为巨脉冲。由于调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，因此这种产生巨脉冲的技术被称为调Q 技术，也称为Q 开关技术。 谐振腔的损耗γ一般包括有反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和输出损耗等。用不同的方法去控制不同的损耗就形成了不同的调Q 技术，如控制反射损耗的有转镜调Q 技术和电光调Q 技术，控制吸收损耗的可饱和吸收体调Q 技术、控制衍射损耗的声光调Q 技术、控制输出损耗的透射式调Q 技术等。 本实验主要研究灯泵固体激光器的电光调Q 技术，所用的Q 开关利用晶体的电光效应制成，具有开关速度快、脉冲峰值功率高、脉冲宽度窄、器件输出功率稳定性较好等优点，是一种已获广泛应用的调Q 技术。另外，本实验也简单了解可饱和吸收体调Q 技术。 2、电光调Q 的基本原理
（1）KDP 晶体的纵向电光效应：
本实验所用的电光晶体为KDP 晶体，属于四方晶系42m 晶类，光轴C 与主轴z 重和，未加电场时，在主轴坐标系中KDP 晶体的折射率椭球方程为：
222
2
21o e
x y z n n ++= （3） 其中n o 、n e 分别为寻常光和异常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响，42m 晶
类只有63γ、41γ两个独立的线性电光系数。63γ是电场方向平行于光轴的电光系数，41γ是电场方向垂直于光轴的电光系数。KDP 晶体外加电场后的折射率椭球方程是：
222
41632
22()21x y o e
x y z E yz E xz xy n n γγ+++++= （4） 当只在KDP 晶体光轴z 方向加电场时上式变成：
222
632
2021x e
x y z E xy n n γ+++= （5） 经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率：
'
3006312x z n n n E γ=-
'3
006312
y z n n n E γ=- （6）
'z e n n =
当光沿KDP 晶体光轴ｚ方向传播时，在感应主轴x ’, y ’两方向偏振的光波分量由于晶体
在这两者方向上的折射率不同，经过长度为l 的晶体后产生位相差：
3''6322()y x o z n n l n V π
π
δγλ
λ
=
-=
（7）
式中z z V E l =为加在晶体z 向两端的直流电压。
使光波两个分量产生相位差/2π（光程差/4λ ）所需要加的电压为
/23
063
4V n πλ
γ=
（8） KDP 晶体的电光系数126323.610/m V γ-=?。对于 1.06m λμ=、KDP 晶体的/24000V V π=左右。 （2）带起偏器的电光调Q 原理
带起偏器的KDP 电光Q 开关是一种应用较广泛的电光晶体调Q 装置，实验装置如图1所示。KDP 晶体具有纵向电光系数大，抗破坏阈值高的特点，但易潮解，故需要放在密封盒子内使用。通常采用纵向方式，即z 向加压，z 向通光。
带起偏器的Q 开关工作过程如下：Nd ：YAG 棒在氙灯的激励下产生无规则偏振光，通过偏振器后成线偏振光。若起偏方向与KDP 晶体x （或y ）方向一致，并在KDP 上施加一个/4V λ的外加电场。由于电光效应产生的电感应主轴x ’和y ’与入射偏振光的偏振方向成45度角。这时调制晶体起到了一个1/4波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了/2π的位相差，可见往返一次产生的总位相差为π，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90度，不能通过偏振器。这样，在调制晶体上加有1/4波长电压的情况下，由介质偏振器和KDP 调制晶体组成的电光开关处于关闭状态，谐振腔的Q 值很低，不能形成激光振荡。
输出镜小孔Nd:Y AG晶体偏振片电光晶体全反镜He-Ne激光器
图1 带起偏器的KDP电光开关原理图
虽然这时整个器件处在低Q值状态，但由于氙灯一直在对Y AG棒进行抽运，工作物质中亚稳态粒子数便得到足够的积累，当粒子反转数达到最大时，突然去掉调制晶体上的1/4波长电压。即电光开关迅速被打开，沿谐振腔轴线方向传播的激光可自由通过调制晶体，而其偏振状态不发生任何变化，这时谐振腔处于高Q值状态，形成雪崩式激光发射。
欲使带起偏器的Q开关得到理想的开关效果的关键之一是，必须严格保持偏振器的起偏方向与调Q晶体的x轴（或y轴）方向一致，以保证起偏方向与调Q 晶体的感应主轴x′、y′成45°角。简便的调试方法是，在KDP晶体加电压的状态下，转动起偏器和晶体的相对方位，直到激光不能振荡为止。
3、Cr4+:Y AG被动调Q的工作原理
当Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr4+:YAG的透过率较低（初始透过率），随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，Cr4+:Y AG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:Y AG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。
4.3实验内容与步骤：
1、连接好所有电缆，插上电源插头，检查电源输出正极接线端子（POS）和负极接线端子
（NEG）是否连接正确。确定水泵及其控制线连接完好。
2、仔细调节与Nd:Y AG激光器同轴的He-Ne激光器，使He-Ne激光通过激光棒两个端面
中心，如图8所示。为了保证激光器的调整精度，He-Ne激光器应距Nd：Y AG激光器2米以上。若He-Ne激光器不与实验台平行，则需首先调整He-Ne激光器的高低和俯仰并使其水平。
3、将全反射和输出镜分别装在调整架上，调节各自的调整架，使He-Ne光束尽量通过两
腔镜的中心，并使He-Ne光束由全反镜、激光晶体和输出镜反射后到达He-Ne激光器上的三个反射光点重合。
1、打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。确定无误后启动电源，在激光
电源工作电压400V时反复仔细微调输出镜和全反镜，使激光输出最强，此时输出的激光称为静态激光。测量激光器的静态输出特性后关闭激光电源。
2、如图1所示，将介质偏振片插入光路。再插入电光Q开关，调整电光Q开关的俯仰方
位，使电光Q开关的反射像与激光晶体的反射像重合。打开激光电源的钥匙开关，检查水冷系统工作是否正常。确定无误后启动电源，仔细微调两块谐振腔片，使激光器静态激光输出最强。
3、将激光电源改到关门状态进行关门实验。绕光轴转动电光Q开关使激光器输出最小，此
时电光Q开关处于关门状态（低Q值状态）。
4、将激光电源改到调Q状态，测量激光器的动态输出，此时输出的激光为调Q激光，也
称动态激光或巨脉冲激光。反复重复上述过程，使激光器的输出最强。
5、测量激光器的输出特性：改变脉冲泵浦能量，用能量计分别测量几组静、动态输出能量，
并填入下表。
6、将电光晶体和偏振片从激光谐振腔中拿走，加入Cr4＋：Y AG被动调Q晶体，仔细调整
Cr4＋：YAG被动调Q晶体的俯仰位置，使其反射光点与激光晶体反射光点重合，观察输出能量，微调调整架，使激光输出能量最大。
表1 激光器静态和动态输出
10、降低泵浦电压到零，然后从小到大缓慢增加，测量不同电压时激光器输出脉冲的平均能
量。
11、安装光电探测器，取三个不同工作电压，分别测量输出脉冲的脉宽。
12、对不同工作电压下的输出脉冲进行对比，并作简要分析。
13、关机顺序为：先把手动开关断开，关掉预燃，最后关电钥匙。
4.4实验结果：
5.Nd：YAG激光器倍频实验
5.1实验目的：
一．掌握激光倍频技术的基本原理；
二．了解影响激光倍频转换效率的主要因素。
5.2实验原理：
利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，称为倍频技术，或二次谐波振荡。
用非线性材料产生倍频激光的器件称为倍频激光器。一般把入射激光称为基频光，由倍频激光器出来的激光称为倍频光或二次谐波。
光学倍频来源于媒质在基频光波电场作用下产生的二阶非线性极化，当入射光很强时，入射光在晶体材料中感生的电极化强度P可能包含非线性项：
P=X(1)E+X(2)E2
如果微波激射器和激光器分别在＝10m ，＝5×10－1 m 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数 是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数，8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 设一光子的波长＝5×10 －1 m ，单色性 λ λ ?＝10－7 ，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10 －4 m （x 射线）和5×10 －18 m （射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S －1 ，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ 如果受激辐射爱因斯坦系数B 10＝1019m 3s －3w －1 ，试计算在（1）λ＝6m （红外光）；（2）λ＝600nm （可见光）；（3）λ＝60nm （远紫外光）；（4）λ＝（x 射线），自发辐射跃迁几率A 10和自发辐射寿命。又如果光强I ＝10W/mm 2 ，试求受激跃迁几率W 10。 证明，如习题图所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R 的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R 取正（负）值。 习题
激光原理与技术期末总复习 考试题型 ?一. 填空题（20分） ?二.选择题（30分） ?三.作图和简答题（30分） ?四.计算题（20分） 第一章辐射理论概要与激光产生的条件 1、激光与普通光源相比较的三个主要特点：方向性好，相干性好和亮度高 2、光速、频率和波长三者之间的关系： 线偏振光：如果光矢量始终只沿一个固定方向振动。 3、波面——相位相同的空间各点构成的面 4、平波面——波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。 5、单色平波面——具有单一频率的平面波。 6、ε= h v v —光的频率 h —普朗克常数 7、原子的能级和简并度 （1）四个量子数：主量子数n、辅量子数l、磁量子数m和自旋磁量子数ms。 （2）电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态不同。 （3）电子能级：电子在原子系统中运动时，可以处在一系列不同的壳层状态活不同的轨道状态，电子在一系列确定的分立状态运动时，相 应地有一系列分立的不连续的能量值，这些能量通常叫做电子的能 级，依次用E1，E2,…..En表示。 基态：原子处于最低的能级状态成为基态。 激发态：能量高于基态的其他能级状态成为激发态。 （4）简并能级：两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫做简并能级。 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫做简并 度，用g表示。 8、热平衡状态下，原子数按能级分布服从波耳兹曼定律 （1）处在基态的原子数最多，处于越高的激发能级的原子数越少； （2）能级越高原子数越少，能级越低原子数越多； （3）能级之间的能量间隔很小，粒子数基本相同。 9、跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程 （1.）辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象 ①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2－E1而由高能级跃迁至低能级; ②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁至高能级. （2）非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量 10、光和物质相互作用的三种基本过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收
华南农业大学期末考试试卷（B 卷） 2008～2009学年第一学期 考试科目：激光原理与技术 考试类型：（闭卷） 考试时间：120分钟 姓名 年级专业 学号 一.填空题（每空2分，共30分） 1. 设小信号增益系数为0g ，平均损耗系数为α，则激光器的振荡条件为 g o > α 。 2. 相格 是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。 3. 四能级系统中，设3E 能级向2E 能级无辐射跃迁的量子效率为1η，2E 能级向1E 能 级跃迁的荧光效率为2η，则总量子效率为 。。 4. 当统计权重21f f =时，两个爱因斯坦系数12B 和21B 的关系为 B 12=B 21 。 5. 从光与物质的相互作用的经典模型，可解释 色散 现象和 物质对光的 吸收 现象。 6. 线型函数的归一化条件数学上可写成 。 7. 临界腔满足的条件是 g1g2=1 或 g1g2=0 。 8. 把开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的 自再现模 。 9. 对平面波阵面而言，从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅耳半周期 带的数目称为 菲涅耳数 。
10. 均匀加宽指的是引起加宽的物理因素对各个原子是 等同的, 。 11. 入射光强和饱和光强相比拟时，增益随入射光强的增加而减少，称 增益饱和 现 象。 12．方形镜的mnq TEM 模式沿x 方向有 m 条节线，没y 方向有 n 条节线. 二.单项选择题（每题2分，共10分） 1. 关于高斯光束的说法，不正确的是（ ） (A)束腰处的等相位面是平面； (B)无穷处的等相位面是平面； (C)相移只含几何相移部分； (D)横向光强分布是不均匀的。 2. 下列各模式中，和圆型共焦腔的模q n m TEM ,,有相同频率的是（A ） (A)1,,2-+q n m TEM ； (B) q n m TEM ,,2+； (C) 1,,1-+q n m TEM ； (D) 1,1,2-++q n m TEM 。 3. 下列各种特性中哪个特性可以概括激光的本质特性（C ） (A)单色性； (B)相干性； (C)高光子简并度； (D)方向性。 4. 下列加宽机制中，不属于均匀加宽的是（B ） (A)自然加宽； (B)晶格缺陷加宽； (C)碰撞加宽； (D)晶格振动加宽。 5. 下列方法中，不属于横模选择的是（D ） (A)小孔光阑选模； (B) 非稳腔选模； (C) 谐振腔参数N g ,选择法； (D)行波腔法。 三、简答题（每题4分，共20分）
激光原理及技术部分习题解答（陈鹤鸣） 第一章 4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ?应当是多少？ 解：相干长度C c L υ = ?，υ?是光源频带宽度 85 3*10/3*101C c m s Hz L km υ?=== 22 510 8 (/) 632.8*3*10 6.328*103*10/c c c c nm Hz c m s λλυυυυλλλυλ-=??=?=???=?== 第二章 4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？ 解： T k E E b e n 121 2 n -- = 其中1 2**E E c h E c h -= ?=λ ν λ h c h == ?*E （1）
（2） 10 * 425 .121 48 300 * 10 * 38 .1 10 10 *3 * 10 * 63 .6 1 223 6 8 34 ≈ = = = =- - - - - - - e e e n n T k c h b λ （3） K n n k c h b 3 6 23 8 34 1 2 10 * 26 .6 )1.0( ln * 10 * 10 * 8 .3 1 10 *3 * 10 * 63 .6 ln * T= - = - = - - - λ 9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数1 01 .0- =mm α (2) 0 1 01 100 366 0I . e I e I e I I. z= = = =- ? - α 即经过厚度为0.1m时光能通过36.6% 10.解：
激光原理与激光技术习题答案 习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性?λ/λ应为多大？ 解： 1010 1032861000 106328--?=?=λ=λ λ?=.L R c (2) λ=5000?的光子单色性?λ/λ=10-7，求此光子的位置不确定量?x 解： λ=h p λ?λ=?2h p h p x =?? m R p h x 510 1050007 10 2=?=λ=λ?λ=?=?-- (3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、?νc (设n=1) 解： 衍射损耗: 1880107501 106102 262.) .(.a L =???=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-?=??=δ=τ 6 86 8 10113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 19101910 75114321216 8 =?=???=πτ= ν?- 输出损耗: 119080985050212 1.)..ln(.r r ln =??-=-=δ s ..c L c 8 81078210 311901-?=??=δ=τ 6 86810 964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 7510751078214321216 8 =?=???=πτ= ν?- (4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗) 解： MHz Hz .L c q 15010511 2103288=?=??==ν? 11]11501500 []1[=+=+ν?ν?=?q q 005.02 01 .02=== T δ s c L c 781067.610 3005.01 -?=??== δτ MHz c c 24.010 67.614.321 217 =???= = -πτν? (5) 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0.01π，求此激光器的无源腔本征纵模的模式线宽。
2006-2007学年第1学期《激光原理与技术》B卷试题答案 1 .填空题（每题4分）[20] 1.1激光的相干时间T和表征单色性的频谱宽度△V之间的关系 为 1/ c 1.2 一台激光器的单色性为5X10-10,其无源谐振腔的Q值是_2x109 1.3如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm的远紫外光，自发跃迁几率A10等于105S1，该跃迁的受激 辐射爱因斯坦系数B10等于6x1010 m3^2^ 1.4设圆形镜共焦腔腔长L=1m，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz判断可能存在两个振荡频率。 1.5对称共焦腔的1（A D）_1_,就稳定性而言，对称共焦腔是稳定______________ 空。 2.问答题（选做4小题，每小题5分）[20] 2.1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？ 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关: 九'；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 n2t 2 ( C)h 0 ------------------- 。 n t Rut 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔 相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 2.2写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n阈值反转粒子数密 度为n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度n 2t n n ——-;四能级系统的上能级阈值粒子数密度2 n2t n t 。 2.3产生多普勒加宽的物理机制是什么？ 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 2.4均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响? 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都
1.3 如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =
1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。 习题
《激光原理与技术》习题一 班级序号姓名等级 一、选择题 1、波数也常见作能量的单位, 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) 1.24×10-4 2、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) 10000 3、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) 1.2×109 4、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, 而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10cm 2, 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 )/ex p(1-kT hv 。 《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) -30 2、 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 λ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、 一束光经过长度为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g 1=g 2), 相应的频率为ν(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/?n n =
2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1． 填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 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 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同分别对形成的激光振荡模式有何影响 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模
《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) 1.24×10-4 2、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) 10000 3、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) 1.2×109 4、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10cm 2，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 kT hv 。
《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) -30 2、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 λ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g 1=g 2)，相应的频率为ν(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/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？ 2、设光振动随时间变化的函数关系为 （v 0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()(00c t t t v i E t E π
激光原理与激光技术习题答案 《激光原理与激光技术》堪误表见下方 习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性 /应为多大？ 解： 1010 1032861000 106328--?=?=λ=λλ?=.L R c (2) =5000?的光子单色性 /=10-7 ，求此光子的位置不确定量x 解： λ =h p λ?λ =?2h p h p x =?? m R p h x 510 1050007 10 2=?=λ=λ ?λ=?=?-- (3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的、c 、Q 、c (设n=1) 解： 衍射损耗: 1880107501106102 262.) .(.a L =???=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-?=??=δ=τ 6 86810 113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 19101910 75114321 2168 =?=???=πτ= ν?- 输出损耗: 119080985050212 1.)..ln(.r r ln =??-=-=δ s ..c L c 8 81078210 311901-?=??=δ=τ 6 86810 964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 75107510 78214321 2168 =?=???=πτ= ν?- (4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的围所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗) 解： MHz Hz .L c q 15010511 2103288=?=??==ν? 11]11501500 []1[=+=+ν?ν?=?q q 005.02 01 .02===T δ s c L c 7 8 1067.6103005.01-?=??== δτ MHz c c 24.010 67.614.321 217 =???= = -πτν? (5) 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0.01，求此激
一、填空题（20分，每空1分） 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。 2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误！未找到引用源。 ），其值越大，则衍射损耗（愈小）。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误！未找到引用源。 ）。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。 7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。 8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。 9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误！未找到引用源。）S ，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。 二、简答题（四题共20分，每题5分） 1、什么是自再现？什么是自再现模？ 开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F 一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？ 4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。 三、推导、证明题（四题共40分，每题10分） 1、短波长（真空紫外、软X 射线）谱线的主要加宽是自然加宽。试证明峰值吸收截面为π λσ22 = 。
题号一二三四总分阅卷人 得分 得分 2011 ─2012学年 第 2 学期 长江大学试卷 院（系、部） 专业 班级 姓名 学号 …………….……………………………. 密………………………………………封………………..…………………..线…………………………………….. 《 激光原理与技术 》课程考试试卷( A卷)专业：应物 年级2009级 考试方式：闭卷 学分4.5 考试时间：110 分钟相关常数：光速：c=3×108m/s, 普朗克常数h =6.63×10-34Js, 101/5=1.585 一、选择题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 掺铒光纤激光器中的发光粒子的激光上能级寿命为10ms ，则其自 发辐射几率为 。 （A ）100s -1 (B) 10s -1 (C) 0.1s -1 (D) 10ms 2. 现有一平凹腔R 1→∞，R 2=5m ，L =1m 。它在稳区图中的位置是 。(A) (0, 0.8) (B) (1, 0.8) (C) (0.8, 0) (D) (0.8, 1) 3. 图1为某一激光器的输入/输出特性曲线，从图上可以看出，该激光器的斜效率约为 。
(A) 10% (B) 20% (C) 30% (D) 40% 图1 图2 4．图2为某一激光介质的吸收与辐射截面特征曲线，从图上可以看出，该激光介质可用来产生 的激光。
得 分 (A) 只有1532 nm (B)只能在1532 nm 附近 (C) 只能在1530 nm-1560nm 之间 (D) 1470 nm-1570nm 之间均可 A 卷第 1 页共 6 页 5. 电光晶体具有“波片”的功能，可作为光波偏振态的变换器，当晶体加上V λ/2电场时，晶体相当于 。 （A ）全波片 (B) 1/4波片 (C) 3/4波片 (D) 1/2波片 6. 腔长3m 的调Q 激光器所能获得的最小脉宽为 。（设腔内介质折射率为1） （A ）6.67ns (B) 10ns (C) 20ns (D) 30ns 7. 掺钕钇铝石榴石（Y 3Al 5O 12）激光器又称掺Nd 3+:YAG 激光器，属四能级系统。其发光波长为 。 （A ） 1.064μm （B ）1.30μm （C ） 1.55μm （D ）1.65μm 8. 在采用双包层泵浦方式的高功率光纤放大器中，信号光在 中传输。 （A ） 纤芯 （B ）包层 （C ）纤芯与包层 （D ）包层中（以多模） 9. 脉冲透射式调Q 开关器件的特点是谐振腔储能调Q ，该方法俗称 。 （A ）漂白 （B ）腔倒空 (C ）锁模 （D ）锁相 10. 惰性气体原子激光器，也就是工作物质为惰性气体如氩、氪、氙、氖等。这些气体除氙以外增益都较低，通常都使用氦气作为辅助气体，借以 。 (A ）降低输出功率 (B ）提高输出功率 C ）增加谱线宽度 （D ）减小谱线宽度 二、填空题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 在2cm 3空腔内有一带宽为1×10-4μm ，波长为0.5μm 的跃迁，此跃迁的频率范围是 120 GHz 。 2. 稳定球面腔与共焦腔具有等价性，即任何一个共焦腔与无穷多个稳定
08激光原理与技术试卷B
2 华南农业大学期末考试试卷（B 卷） 2008～2009学年第一学期 考试科目：激光原理与技术 考试类型：（闭卷） 考试时间：120分钟 姓名 年级专业 学号 题号 一 二 三 四 总分 得分 评阅人 一.填空题（每空2分，共30分） 1. 设小信号增益系数为0g ，平均损耗系数为α，则激光器的振荡条件为 g o > α 。 2. 相格 是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。 3. 四能级系统中，设3E 能级向2E 能级无辐射跃迁的量子效率为1η，2E 能级向1E 能 级跃迁的荧光效率为2η，则总量子效率为 。。 4. 当统计权重21f f =时，两个爱因斯坦系数12B 和21B 的关系为 B 12=B 21 。 5. 从光与物质的相互作用的经典模型，可解释 色散 现象和 物质对光的 吸收 现象。 6. 线型函数的归一化条件数学上可写成 。 7. 临界腔满足的条件是 g1g2=1 或 g1g2=0 。 8. 把开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的 自再现模 。 9. 对平面波阵面而言，从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅耳半周期 带的数目称为 菲涅耳数 。
3 10. 均匀加宽指的是引起加宽的物理因素对各个原子是 等同的, 。 11. 入射光强和饱和光强相比拟时，增益随入射光强的增加而减少，称 增益饱和 现 象。 12．方形镜的mnq TEM 模式沿x 方向有 m 条节线，没y 方向有 n 条节线. 二.单项选择题（每题2分，共10分） 1. 关于高斯光束的说法，不正确的是（ ） (A)束腰处的等相位面是平面； (B)无穷处的等相位面是平面； (C)相移只含几何相移部分； (D)横向光强分布是不均匀的。 2. 下列各模式中，和圆型共焦腔的模q n m TEM ,,有相同频率的是（A ） (A)1,,2-+q n m TEM ； (B) q n m TEM ,,2+； (C) 1,,1-+q n m TEM ； (D) 1,1,2-++q n m TEM 。 3. 下列各种特性中哪个特性可以概括激光的本质特性（C ） (A)单色性； (B)相干性； (C)高光子简并度； (D)方向性。 4. 下列加宽机制中，不属于均匀加宽的是（B ） (A)自然加宽； (B)晶格缺陷加宽； (C)碰撞加宽； (D)晶格振动加宽。 5. 下列方法中，不属于横模选择的是（D ） (A)小孔光阑选模； (B) 非稳腔选模； (C) 谐振腔参数N g ,选择法； (D)行波腔法。 三、简答题（每题4分，共20分）
激光原理及技术部分习题解答（鹤鸣） 第一章 4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ?应当是多少？ 解：相干长度C c L υ = ?，υ?是光源频带宽度 85 3*10/3*101C c m s Hz L km υ?=== 22 510 8 (/) 632.8*3*10 6.328*103*10/c c c c nm Hz c m s λλυυυυλλλυλ-=??=?=???=?== 第二章 4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为 21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？ 解： T k E E b e n 121 2 n --= 其中1 2**E E c h E c h -=?=λ ν λ h c h == ?*E （1） （2）010*425.12148300 *10*38.11010*3* 10 *63.61 2 236 8 34 ≈====--- ----e e e n n T k c h b λ
（3） K n n k c h b 3 6 238341 210*26.6)1.0(ln *10*10*8.3110*3*10*63.6ln *T =-=-=---λ 9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数101.0-=mm α (2) 010010100003660I .e I e I e I I .z ====-?-α 即经过厚度为0.1m 时光能通过36.6% 10. 解： m /..ln .G e .e I I G .Gz 6550314 013122020===?=?
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。由于谐振腔对 光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。半导体激光器的方向性最差。衍射极限θm≈1.22λ D (λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单 色定向亮度。相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C ?V 来表示相干时间。自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2?E1的光子，这个过程称为自发跃迁。 自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21 dt ） sp 1 n2 = ?1 n2dn2 dt （n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁 粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2?E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2?E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这 个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21 dt ） st 1 n2 =?1 n2 dn2 dt 。受激辐射跃 迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收
1.3如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =
1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面 相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。 习题
………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 电子科技大学2010 -2011 学年第2 学期期末考试 B 卷 课程名称：_ 激光原理与技术___ 考试形式：开卷（笔试）考试日期：20 11 年6 月29 日考试时长：120___分钟 课程成绩构成：平时30 %，期中%，实验%，期末70 % 本试卷试题由_____部分构成，共_____页。 （共20分，共10题，每题2分) 一. 选择题（单选） 1、与普通光源相比，下列哪项是激光的优势D 。 A、相干性好 B、发散角小 C、谱线窄 D、以上都是 2、要产生激光下列哪个条件不是必需具备的___D___。 A、实现集居数反转（粒子数反转） B、受激辐射跃迁 C、具有增益介质 D、谐振腔为稳定腔 3、下列谱线加宽方式中，不属于均匀加宽的是 B 。 A、自然加宽 B、多普勒加宽 C、晶格振动加宽 D、碰撞加宽 4、从输出光束特性考虑，一个稳定腔等价于无穷个 A 。 A. 稳定腔 B.临界腔 C. 共焦腔 D. 非稳腔 5、若激光器输出为某一模式的厄米特-高斯光束，且其两个主轴方向上的M2
………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 值为5和3，则该模式可能为 D 。 A 、TEM 01 B 、TEM 11 C 、TEM 31 D 、TEM 21 6、下列腔型中，肯定具有共轭像点的是 C （非稳腔） 。 A 、 B 、 C 、 D 、 7、可以利用下列哪种损耗进行模式选择 B 。 A 、腔镜不完全反射损耗 B 、衍射损耗 C 、材料中的非激活吸收损耗 D 、以上都不对 8、在振幅调制锁模激光器中，若损耗调制器紧贴腔镜放置且腔长为L , 光速为c , 则损耗调制信号的角频率为___C___。 A 、 L c π2 B L c π C 、L c 2π D 、L c 4π 9、KDP 晶体横向电光调制的主要缺点为__C___。 A 、半波电压太高 B 、调制带宽低 C 、存在着自然双折射引起的相位延迟 D 、调制频率较高时,功率损耗比较大
激光原理与激光技术习题答案 习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性 /应为多大 解： 1010 1032861000 106328--?=?=λ=λ λ?=.L R c (2) =5000?的光子单色性 /=10-7 ，求此光子的位置不确定量x 解： λ =h p λ?λ =?2h p h p x =?? m R p h x 510 1050007 10 2=?=λ=λ ?λ=?=?-- (3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=,r 2=。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的、 c 、Q 、 c (设n=1) 解： 衍射损耗: 1880107501106102 262.) .(.a L =???=λ=δ-- s ..c L c 8 81075110318801-?=??=δ=τ 6 86810 113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 19101910 75114321 2168 =?=???=πτ= ν?- 输出损耗: 119080985050212 1.)..ln(.r r ln =??-=-=δ s ..c L c 8 8 1078210311901-?=??=δ=τ 6 86810 964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 75107510 78214321 2168 =?=???=πτ= ν?- (4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=，求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗) 解： MHz Hz .L c q 15010511 2103288=?=??==ν? 11]11501500 []1[=+=+ν?ν?=?q q 005.02 01 .02===T δ s c L c 781067.610 3005.01 -?=??== δτ MHz c c 24.01067.614.321 217 =???= = -πτν?