第一章作业（激光技术）答案
2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个1／4波片，（1）它的轴向应如何设置为佳? （2）若旋转1／4波片，它所提供的直流偏置有何变化?
答：（1）. 其快、慢轴与晶体主轴x 轴成450角（即快、慢轴分别与x?、y?轴平行）。
此时，它所提供的直流偏置相当于在电光晶体上附加了一个V 1/4的固定偏压(E x?和E y?的附加位相差为900)；使得调制器在透过率T=50%的工作点上。
（2）. 若旋转1／4波片，会导致E x?和E y?的附加位相差不再是900；因而它所提
供的直流偏置也不再是V 1/4。当然调制器的工作点也偏离了透过率T=50%的位置。
3.为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z 切割的KDP 晶体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。试问：(1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x 和y 轴取向应如何? (2) 若λ=0.628μm ，n 。＝1.51，γ63＝23.6×10—12m ／V ，计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较之。
解：(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号，则把晶体x 和y 轴逐块旋转90安置，z 轴方向一致（如下图），
(2).四块晶体叠加后，每块晶体的电压为：
v 966106.2351.1210628.0412n 41V 41V 123-663302'2
=?????=?==-γλλλ 而单块晶体得半波电压为：
v 3864106.2351.1210628.02n V 123-6
63302
=????==-γλλ 与前者相差4倍。
4．试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏光、椭圆偏光和自然光)，并指出是根据什么现象? 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制?为什么？
解：（1）实验装置：偏振片和白色屏幕。
a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如有两次消光现象，则
为线偏振光。
b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强有两次强弱变化
（但无消光现象发生）；则为椭圆偏振光。
c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强没有变化；则为
自然光（或圆偏振光）。区分二者也不难，只需在偏振片前放置一个四分之一
波片（可使圆偏振光变为线偏振光，可出现a 的现象）即可。（这里自然光却
不能变成线偏振光）
x y z x y z x y z x y z
（2）自然光得不到调制。原因是自然光没有固定的偏振方向，当它通过电光晶体后没有固定的位相差；因而不能进行调制。
第一章补充作业：
a. 电光调制：利用光电效应将信息加载于激光的一种物理过程称之为电光调制。激光通
过加有电场的晶体，使一个随时间变化的电信号转变成光信号。即使传递的
（电）信息通过光波的强度、相位变化体现出来。
b. 声光调制：利用声电效应将信息加载于激光的一种物理过程称之为声光调制。调制信
号是以电信号(调辐)形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化
的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成
为“携带”信息的强度调制波。
c. 磁光调制：利用磁光效应把欲传递的信息转换成光载波的强度(振幅)等参量随时间的变
化。与电光调制、声光调制所不同的是，磁光调制是将电信号先转换成与之
对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到
改变光强度等参量的目的
d. 直接调制：是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管LD或半导
体二极管LED)，从而获得已调制信号。由于它是在光源内部进行的，因此
又称为内调制，它是目前光纤通信系统普通使用的实用化调制方法。
e.空间光调制器：可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率[A(x,y)＝A0T(x,y)]或者是
形成随坐标变化的相位分布[A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]] 或者是形成随
坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是一种对光波的空间分布进
行调制的器件。它的英文名称是Spatial Light Modulator(SLM)。
第2章作业（激光技术--蓝信鉅，103页）
1．说明利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理，并简单说明调Q脉冲形成过程中各参量随时间的变化。
答：（1）利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理：
因为激光物质上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，为使上能级积累大量的粒子，就可以在激光器开始泵浦初期，设法将激光器的阈值调的很高，抑制激光振荡的产生，使激光上能级的反转粒子数大量积累，当粒子数达到最大时，然后突然调低阈值，这样，积累在上能级的粒子便雪崩式的跃迁到低能级，在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲。
（2）脉冲形成过程中各参量随时间的变化：
以腔内损耗突变时记为t＝0，在此之前只是准备了初始粒子数密度Δn i，t=0时，泵浦功率将耗尽，粒子反转数Δn达到最大值Δn i，受激光子数为零，即Φ=Φi=0，经过一段时间受激辐射占优势时，雪崩过程开始形成，Φ开始急剧增长，Δn开始剧减，这一过程一直持续到Δn=Δn t（阈值），此时腔内光子数达到最大值Φm。光子在腔内的寿命为t c，每个光子的能量为hν，则激光的峰
值功率P m =h νΦm /2t c 。（此题画出各参数随时间变化示意图然后分析各参数变化亦可）
3．有一带偏振棱镜的电光调Q YAG 激光器，试回答或计算下列问题：
(1)画出调Q 激光器的结构示意图，并标出偏振镜的偏振轴和电光晶体各主轴的相对方向。
(2)怎样调整偏振棱镜的起偏方向和晶体的相对位置才能得到理想的开关效果?
(3)计算l ／4波长电压V λ/4 (l ＝25mm ，n 0＝n e ＝1.05, γ
63=23.6×10-12…?m ／
V)。
解：（1）调Q 激光器的结构示意图
(2)欲使偏振器的电光调Q 器件得到理想开关效果的关键是必须严格使棱镜的起偏方向与电光晶体的x 轴或y 轴方向一致，这样才可以保证起偏方向与电光调制晶体的感应主轴x ?轴或y ?轴方向成45度角。在电光晶体加电压的情况下，调节棱镜和晶体的相对方位，直到激光不能振荡为止。
（3）两偏振光出射时的相位差，
V n 633
02γλπ
φ=?，令2/πφ=?得到4/λV ，
()V n V 3123663304
/1069987.9106.2305.141006.14?=????==--γλλ
5．当频率f s =40MHz 的超声波在熔凝石英声光介质（n=1.54
）中建立起超声透反镜 全反镜 氙灯 电光晶体 偏振器
偏振镜的偏振轴和电光晶体各主轴的相对方向
场 (v s =5.96×105cm/s)时，试计算波长为λ=1.06μm 的入射光满足布拉格条件的入射角θ。
解：根据布拉格方程有
00231.0/1040/1096.554.121006.122sin 654=??????=
==
-s s cm cm f nv n s s s B λλλθ
所以：0132.0=B θ
6．一个声光调Q 器件(L ＝50mm ，H ＝5mm)是用熔融石英材料做成，用于连续YAG 激光器调Q 。已知激光器的单程增益为0．3，声光器件的电声转换效率为40％，求
(1)声光器件的驱动功率P S 应为多大?
(2)声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率应为多少?
解：（1）声光介质用熔融石英M W ＝1/106，YAG 激光器的波长为1.06 微米，
氦氖激光器的波长为0.633微米。声光介质中超声场的尺寸H ＝5mm ，L=50mm ，衍射效率为1时所需的功率
()W M L H P r w s 4.37126.12
=???? ????? ??=λλ 单程增益为0.3，声光转换效率为40%时，声光器件的驱动功率
()W P 05.284.03.04.37=?=
（2）声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率的大小应该由判据来定，即L ≥ 2L 0。而L 0=λs 2
/λ=v s 2/(f s 2λ);所以
f s ≥ 21/2v s /（L λ）1/2
≥ 21/2 ×5.96×105/（50×10-1×1.06×10-4）
1/2 ≥37MHz
第3章作业（激光技术--蓝信鉅，142页）
3．有一多纵模激光器纵模数是1千个，激光器的腔长1．5m ，输出的平均功率为1w ，认为各纵模振幅相等。
(1) 试求在锁模情况下，光脉冲的周期、宽度和峰值功率各是多少?
(2) 采用声光损耗调制元件锁模时，调制器上加电压V(t)＝V m cos(ωm t)，试问电压的频率是多大?
解：（1）在锁模情况下，光脉冲的周期
)(1011035.12288s c L T -?=??==
每个光脉冲的宽度 1181112 1.5110()211000310
q s N τυ-??===?+?? 光脉冲的峰值功率是平均功率的2N ＋1倍，
max (21
)100011000()P N P W =+=?= （2）电压的调制频率的一半，与相邻纵模的频率间隔相同的时候可实现调制（以确保损耗的变化频率与相邻纵模的频率间隔相同），
88
1014.35
.1210314.3221221?=?????=??=T m πω
4．有一掺钕钇铝石榴石激光器，振荡线宽(荧光谱线中能产生激光振荡的范围) △υosc =12×1010Hz ，腔长L ＝0．5m ，试计算激光器的参量；(1)纵模频率间隔，(2) △υosc 内可容纳纵模的数目；(3)假设各纵模振幅相等，求锁模后脉冲的宽度和周期，(4)锁模脉冲及脉冲间隔占有的空间距离。
解：（1）纵模频率间隔
)(1035.02103288Hz L c q ?=??==?υ
（2）△υosc 内可容纳纵模的数目， 10
8
1210'400310osc q N υυ??===?? （3）锁模后脉冲的宽度
12811118.310()21400310
q s N τυ-?===?+?? 锁模后脉冲的周期
)(103.31035.02298s c L T -?=??==
（4）锁模脉冲占有的空间距离 31220.5 2.510()(21)400
c L
d c m N c τ-?=?===?+ 脉冲间隔占有的空间距离 )(15.0221m c L c
cT d =?===
6．在谐振腔中部L ／2处放置一损耗调制器，要获得锁模光脉冲，调制器的损耗周期T 应为多大? 每个脉冲的能量与调制器放在紧靠端镜处的情况有何差别?
答：要获得锁模光脉冲，调制器的损耗周期T 应为L/c 。
与调制器放在紧靠端镜处相比，每个脉冲的能量约为原来的1/2。
第4章作业（激光技术--蓝信鉅，169页）
1．比较激光荡器和放大器的异同点。
答：激光放大器与激光振荡器基于同一物理过程，即受激辐射的光放大。其主要区别是激光放大器（行波）没有谐振腔。工作物质在光泵浦的作用下，处于粒子数翻转状态，当从激光振荡器产生的光脉冲信号通过它时，由于入射光频率与放大介质的增益谱线相重合，
故激发态上的粒子在外来信号的作用下产生强烈的受激辐射。这种辐射叠加在外来光信号上而得到放大，因而放大器能输出一束比原来激光亮度高得多的出射光束。另外，为了得到共振放大，要求放大介质有足够的翻转粒子数和与输入信号相匹配的能级结构。
3．为什么放大器可以压窄脉冲宽度? 它与锁模压窄脉宽有什么区别?
答：放大器可以压窄脉冲宽度的原理：以一矩形脉冲为例，当矩形脉冲通过放大器时，脉冲各部位获得的增益不同，脉冲的前沿具有最大的增益，而脉冲后面一些部位的增益则随着（t-L/c ）的增加而减小，在（t-L/c ）等于矩形脉宽处增益最小。在脉冲的前沿部位，功率是按指数规律增加，而在后沿，增益趋向饱和。结果就引起脉冲形状变尖，宽度变窄。 与锁模压窄脉宽区别：锁模使各纵模相邻频率间隔相等即固定为c/2L ，使这些各自独立的纵模在时间上同步，它们之间的相位有确定的关系。多个纵模之间会发生功率耦合而不再独立，每个模的功率是所有振荡模提供的，导致输出一峰值功率高，脉冲宽度窄的序列脉冲。
利用锁模压窄脉宽和利用放大器压窄脉宽的原理不同，另外锁模技术利用将能量压缩在极短的时间内释放，可获得极高的峰值功率，能量不一定很大，而放大器得到的激光既具有高功率又具有高能量。
5．一个YAG 激光放大器，△N 0＝6×1017cm -3，σ12＝5×10-23m 2，对一矩形光脉冲放大，已知
光束截面是0．5cm 2，光子能量h υ＝1．86×10-19J ，脉宽为10ns ，能量为50mJ ，若要求
放大到200mJ ，试求放大介质的长度应为多少?
解：已知233192232842012610,510510,10,0.510n m cm m s s m στ-----=?=?=?==? 可得到初始光子流密度3
29019485010 5.376101.86100.51010
E I h s υτ----?===?????初 又因能量放大系数4E E G E ==放大
初 由公式()
12012021201
ln 112I n L E G e e I στσστ???=+-??? 将各参数值带入上式，可得到
()
2329823232510 5.37610105106102329814ln 112510 5.3761010L e e ---?????????--??=
+-???????? 由上式可得，
L=0.07888m
第5章作业（激光技术--蓝信鉅，193页）
2．分析利用衍射损耗的不同选基模(TEM 00)的原理。
答：在激光器的谐振腔中有若干个稳定的振荡模，只要某个模的单程增益大于它的损耗，该模式就有可能被激发而起振。谐振腔中有两种不同性质的损耗，一种是与横模阶数无关的损耗；另一种是与横模阶数密切相关的衍射损耗，在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶数的增高，其衍射损耗也逐渐增大。谐振腔对不同阶的横模有不同的衍射损耗的性能是实现横模选择的物理基础，适当选择菲涅尔数N 的值，使之满足
1
)exp()1(1
)exp()1(10210021>->-GL r r GL r r δδ 两式则可以实现单横模选择的目的。
考虑到模式间的竞争，如果各模式的增益相同，因基模的衍射损耗最小，因而在模式
竞增中将占优势。一旦基模首先建立振荡，就会从激活介质中提取能量，而且由于增益饱和效应，工作物质的增益将随之降低，当满足条件
1)exp()1(0021=-GL r r δ时，振荡趋于稳定。此时其它横模将因为不再满足阈值条件被抑制掉，故激光器仍可以单横模运转。
为有效地选择横模，还必须考虑两个问题：一是横模的鉴别能力，即基横模与较高横模的衍射损耗的差别必须足够大，这样才能有效地把两个横模区分开。另外，衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位，达到能与其它非选择性损耗相比拟的程度。
4．钕玻璃激光工作物质，其荧光线宽△λD ＝24.0nm ，折射率n ＝1.50，若用短腔法选单纵模，腔长应为多少?
解：激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽和谐振腔的纵模间隔决定。 如要形成单纵模振荡则满足
nL
c q 2=?υ 且 2/λλυD
d c ?=? 将D λ?=24.0 nm ，n=1.50带入上式可得
L=1.5×10-5 m
5．一台红宝石激光器，腔长L=500 mm ，震荡线宽D v ?=2.4×1010 Hz ，在腔内插入F-P 标准具选单纵模（n=1），试求它的间隔d 及平行平板的反射率R 。
解：（1）如果是单纵模震荡，则在震荡线宽内只有一纵模，即标准具两透过率的极大值间隔
D m v v ?=?
因 nd
c v m 2=? ， n=1 则 m v n c
d D 3108
1025.610
4.2121032-?=????=?= （2）在标准具的自由光谱区，q t m v F v F v ??=??=?2
而 nL
c v q 2=? 所以，405
.0103104.2222810
=??=?=??=??=nL c v v v v v F D q m t m 又因为，
222111p
r F F F += 且 R R F r -=1π 设 50=p F ，由上2式
得
R=0.985
如果直接用401=-=R R
F π
得到的结果是R=0.924
7．为了抑制高阶横模，在一共焦腔的反射镜处放置一个小孔光阑，若腔长L 为1m ，激光波长λ为632．8nm 。为了只让TEM 00模振荡，小孔的大小应为多少?(一般小孔直径等于镜面上基模光斑尺寸的3—4倍,即r/α=3或4)。
解：对于此种谐振腔，要求r α/(λL )=3 ，
将r/α=3代入得：r = [0.3×3λL ]1/2 = 0.75nm
将r/α=4代入得：r = [0.3×4λL ]1/2 =0.87nm
第6章作业（激光技术--蓝信鉅，217页）
1． 比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频的异同点。
答：兰姆凹陷稳频的实质是：以谱线的中心频率υD 作为参考标准，当激光振荡频率偏离υD 时，即输出一误差信号→通过伺服系统鉴别出频率偏移的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长→把激光振荡频率自动的锁定在兰姆凹陷中心处。下图示出了激光输出功率—频率曲线。
反兰姆凹陷稳频即在谐振腔中放入一个充有一个低压气体原子（或分子）的吸收管，它有和激光振荡频率配合很好的吸收线，而且由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小，可以忽略不计吸收线中心频率的压力位移也很小。吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。吸收线在中心处的凹陷，意味着吸收最小，故激光器输出功率(光强)在υ0处出现一个尖峰, 通常称为反兰姆凹陷, 如上图所示，反兰姆凹陷可以作为一个很好的稳频参考点。
兰姆凹陷稳频是利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以其稳定性和复现性就受到局限。反兰姆凹陷稳频是采用外界参考频率标准进行稳频，提高了频率的稳定性和复现性，
2． 分析稳频伺服电路中相敏检波器的工作原理及其作用。
答：选频放大器只是对某一特定频率 f 信号进行有选择性的放大与输出。相敏检波器的作用是将选频放大后的信号电压与参考信号（调制信号）电压进行相位比较得到一个直流电压，此电压的大小与误差信号成正比，它的正负取决于误差信号与调制信号的相位关系，如果二者同相位，从相敏检波器输出一负直流电压，继而经过直流放大、调制升压与整流，馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从而使腔长伸长，
于是激光振荡频率又回反兰姆凹陷
(a)增益管增益曲线
(b)吸收管吸收曲线
(c)激光器输出功率曲线
兰姆凹陷
到υ0处。
3． 在He —Ne 激光器中，Ne 原子的谱线宽度△υD ＝1．5×109Hz ，其谱线中心频率υ0＝4．7
×1014Hz ，如不采用稳频措施，这种激光器的频率稳定度为多少?
解：频率稳定度通常系指激光器在连续运转时，在一定的观测时间τ内频率的平均值与该
时间内频率的变化量Δυ之比 614911019.3107.4105.1)()()
()(--?=??=?=?=
υτυττυυτυυS S
4． 一台稳频CO 2激光器，腔长采用环状压电陶瓷(PZT)调节，其长度L 为1m ，灵敏度m
＝2．5×10-4 μm/(V ·cm)，经测定压电陶瓷的最大变化(即腔长的最大调节范围) △L
为0．1μm 。为了使稳频系统能正常工作，需将误差信号放大到多少伏? [提示：m ＝△L ／(V ．L)]
解：因 L
V L m ??= 则 V L m L V 4100105.21.04=??=??=-
华科考研激光原理2002--2015真题 2015年（839） 一、简单 1、激光产生的必要条件？ 2、激光的四种特性？选择一种说明其用途 3、谐振腔的稳区图，并写明稳定腔和非稳腔的位置 4、四能级系统速率方程和图示 二、共焦腔与一般稳定腔的对应计算 三、行波腔的均匀加宽和多普勒加宽的最大输出功率计算 四 2015激光原理（900） 一、简答题 1、△n 大于0，激光器是否能够产生自激振荡？ 2、光学谐振腔的结构和作用 3、共焦腔与一般腔的等价性 4、均匀加宽与非均匀加宽的特点 5、连续激光器从开始振荡到产生稳定输出增益系数的变化情况 6、光学模式以及横模和纵模 二、三能级四能级的本质区别，以及为什么四能级更容易产生粒子数反转
三、三能级能级示意图，速率方程 四、稳定腔，非稳腔，临界腔计算判断(很简单) 五，光线传输矩阵相关的题 2014年 一.解释题 1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15) 2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15) 4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15) 二．解答题 1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。 （1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。 （2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。 （3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ?，横模间隔m υ?,n υ?. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25) 3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。(20) 4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有：
华科复试题目
华科光电考研复试(光电检测技术与应用题) 1、温度变化与自发极化强度有何关系？ 答：晶体的整体温度的微小变化ΔT产生自发极化强度Ps的变化可表示为ΔˉPs=ˉPΔT式中ˉP 为热释电系数矢量，一般有三个分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsi∕dT(单位c∕㎡k) 在与电热释电晶体的自发极化强度Ps轴垂直的表面内出现的束缚电荷面密度等于Ps，晶体内部电荷中和束缚电荷的平均时间て=ε∕r这里ε为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，多数热释电晶体て值在1——1000s之间。 2、热电势探测器能否测量直流信号？为什么？ 答：用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7——15μm，人体辐射为9μm，图中被测物体（或人体）所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为?的红外光照摄热释电晶体，当?>1∕て时，晶体内自由电荷来不及中和表面束缚电荷的变化结果就使在垂直于极化强度Ps的两端面间出现交流电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负载R两端就有交流电压输出，设温度变化率为dT∕dt，极化强度
Ps对时间的变化率为dPs∕dt，电极面积为A，则AdPs∕dt就相当于电路上的电流，于是电压输出与温度变化率成正比。 3、硅光电池为什么使用梳状电池？ 答：梳状电极：大面积光敏面采用梳状电极可以减少光载流子的复合，从而提高转换率，减少表面接触电阻。 4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？ 答：无光照时反向电阻很大（MΩ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。光敏二极管的缺点：暗电流较大为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负
华中科技大学2018年《激光原理》硕士招生考试大纲 一、课程名称： 激光原理与技术 Laser Principle and Technology 二、课程编码： 三、学分与学时：64/4 四、先修课程：量子力学、几何光学、物理光学 五、课程教学目标： 《激光原理与技术》课程是光电子专业本科生的专业基础课，其教学目标是使学生能够掌握本课程的基本理论、基本分析方法和基本技能。初步具备应用所学到的基本理论和方法分析和解决本专业的一般性问题。 六、适用学科专业：高等院校光电子技术、光通讯、光电器件应用物理等本科专业。 七、基本教学内容与学时安排： 第一章绪论（4学时） 一、激光的诞生及发展 二、激光产生的机理 三、激光的特性 四、激光器实例 第二章光线矩阵及高斯光束（10学时） 一、光线的传播 １．光线矩阵 ２．双周期性透镜波导 ３．相同周期性透镜波导 ４．光线在反射镜之间的传播 二、光束在均匀介质中传输 １．均匀介质中的基本高斯光束 ２．ＡＢＣＤ法则 ３．高斯光束在透镜波导中的传输 ４．均匀介质中的高阶高斯光束 三、高斯光束的变换 １．高斯光束通过薄透镜的传输 ２．高斯光束的聚焦、准直和匹配 ３．高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 第三章激光谐振腔（10学时） 一、光学谐振腔的稳定性条件 １．光学谐振腔的稳定性 ２．光学谐振腔的构成与分类 ３．光学谐振腔的作用 二、光学谐振腔的模式 １．光学谐振腔中光波模的谐振频率 ２．光学谐振腔内的多纵模振荡和单纵模的选取 ３．纵模的频率漂移
三、平行平面腔的迭代法 １．开腔衍射理论的分析方法 四、平稳定球面腔 １．对称共焦腔的模式 ２．一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性 ３．一般稳定球面腔的模式 ４．非稳定球面腔 第四章光场与物质的相互作用（8学时） 一、光场与物质相互作用的理论 １．光场与物质相互作用的理论体系 ２．电介质的极化 ３．原子自发辐射的经典模型 二、谱线加宽与线型函数 １．光谱线的频率分布 ２．爱因斯坦辐射系数在谱线加宽时的修正 ３．原子与有谱线线宽辐射场的相互作用 三、均匀加宽和非均匀加宽 四、激光器的速率方程理论 １．三能级速率方程组 ２．四能级速率方程组 第五章连续和脉冲激光器的运行特性（8学时） 一、小信号增益系数 １．增益系数正比于反转粒子数 ２．增益系数与入射光场频率的关系 二、均匀加宽时的增益饱和 １．增益饱和现象及其物理机制 ２．均匀加宽条件下反转粒子数的饱和 ３．均匀加宽条件下的大信号增益 三、均匀加宽时的增益饱和 １．非均匀加宽条件下反转粒子数的饱和 ２．非均匀加宽条件下的大信号增益 四、连续激光器的稳态工作特性 １．激光器的阈值条件 ２．稳态工作时的腔内光强 ３．连续激光的输出功率和最佳透过率 文章来源：文彦考研
第一章 电磁波 1. 麦克斯韦方程中 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和 运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场， 而且变化的电场和磁场 也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果? 答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度， 后两个分别表示电场和磁场的散度; （2）由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化 的电场（涡旋电场）,它不是由电荷激发的，而是由随时间变 化的磁 场激发的； ⑶由方程组中的2式可知，在真空中，，J =0，则有 *B 0 0卡 ；这表明了随时间变化的电场会 导致一个随时间变化的磁场； 相反一个空间变化的磁场会 导致一个随时间变化的电场。 这种 交替的不断变换会导致 电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什 么？ 答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子 可视为一个偶 极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成， 偶极矩在平衡位置以高频 激光原理复习题 B 0J .E .B B t E 0 0 t / 0 0
做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请 问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。 5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原 子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中 扮演什么角色？ 答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。 6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也
华科考研激光原理2002--2014真题 2013年 一、简答： 1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。 2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。 3.试写出二能级的速率方程。并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。 4.说出三种粒子跃迁的方式。并给出各自的特点。 5.什么是增益饱和，在激光器增益中的作用。 二、 三、就是那个三个镜的三角环形腔，周版书上的原题，求腔的稳定性。 四、激光模式的匹配。两个平凹腔，分别给出腔长和半径，先计算稳定性，再求透镜放在两腔之间什么地方以及透镜的焦距才能实现两高斯光速的匹配。五、大信号增益。 （1）给出初始光强I0>> 饱和光强Is，和腔长L求输出光强； （2）求极限光输出功率（单位输出面积的）。 2012年 题型：简答题5个，一个10分。计算4个，一个25分。 一、简答： 1，什么是兰姆凹陷，说明形成条件。 2，何为激光模式，解释横模、纵模。
3，反转粒子数密度大于零时，是否能形成稳定振荡，说明理由。 4，非均匀加宽和均匀加宽各有什么特点？ 5，高斯光束有什么特点？ 二、计算： 1、某谐振腔中除两反射镜外所有光学元件的矩阵元是(A B C D)（2*2矩阵），求证其稳定性条件为0 2011年 一、简要回答下列问题 1.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性？ 2.简要描述三能级和四能级系统形成反转粒子数的区别，三能级系统形 成反转粒子数为什么比四能级系统要困难，试举例三能级和四能级激 光器各一种，并说明波长。 3.简述非稳腔的优缺点，画出实共焦望远镜的几何自再现波形。 4.分析均匀加宽固体激光器的模式竞争。 二、求所示谐振腔的稳定性 三、一种三能级系统激光器，其S32=5*106s-1, S21=0, A21=3*102s-1, A31=3*106 s-1, g1=g2, 腔只存在一个谐振模，不计各种损耗： a）求在外界泵浦情况下，该激光器的激光形成过程； b）列出完整的速率方程； c）稳态时，如果介质激光上下能级粒子数相等，则应为多少？ 第1页 哈尔滨工业大学 共4页 二O—O年硕士研究生入学考试试题 考试科目：激光原理报考专业：物理电子学 考试科目代码：[817 ] 是否允许使用计算器：[是] 考生注意：答案务必写在答题纸上，并标明题号。答在试题上无效。 物理常数： 真空中光速c=3x 108[m/s] 普朗克常数h=6.626x 10-34[j?s] 电子电荷e=1.6x 10-19[c] 玻耳兹曼常数k=1.38 X0-23 [J/K] 一?填空(每空2分，共40分，按(1)、(2)……(20)顺序写在答题纸上) 1 ?频率为v温度为T的黑体辐射光源的光子简并度n=[ (1)]，模密度n v= [ (2)] 2. 红宝石激光器常用的发射波长为[⑶]nm ,其激光形成过程包括：Cr3+的受激吸收、 [(4)]、粒子数反转状态的形成、[(5)]、受激发射、在谐振腔的作用下产生激光。 3?增益饱和的物理机制为：当激光腔内光强I v增加时，由于强烈的受激发射导致[⑹] 减小，致使增益系数下降。均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(7)];非均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(8)]。 4?若某激光器的损耗系数为0.1cm-1，贝U达到激光振荡的阈值条件时增益系数G二 第2页[(9) ] cm-1;当四能级系统的受激发射截面为5X10-15cm2时，激光上能级粒子数密 共4页 度阈值n3t?(10) ］cm-3。 5?无源腔损耗描述参数中，光子的平均寿命T R与平均单程损耗因子S 的关系式为：［(11)］，品质因数(Q值)与光子的平均寿命T R的关 系式为：［(12)］ 6. 某高斯光束焦参数为f=1m，将焦距F=1m的凸透镜置于其腰右方l=2m处，计算经透 镜变换后的像光束的焦参数f为［(13)］及其腰距透镜的距离I为［(14)］。 7. 任意一个共焦球面腔与［(15)］个稳定球面腔等价；任一满足稳定性条件的球面腔 ［(16)］等价于某一个共焦腔。 8. 选横模的物理基础是：不同横模的［(17)］损耗不同，高阶横模比基模损耗［(18)］， 以此来抑制高阶横模，而只保留TEM 00模。 9. 激光工作物质的净增益线宽内包含有(2N+1)个纵模，假设各个纵模振幅均相等为E o, 如果锁模输出，其两个主脉冲(极大值)之间的时间间隔为［(19)］，锁模脉冲宽度为［(20)］。 二.简要回答下列问题(每题4分，共40分) 1. 原子的受激发射概念、受激发射系数和受激发射几率之间的关系式。 2. 什么是激光？与荧光光源相比激光有哪些特性？ 3. 三能级系统的缺点。 4. 激光为什么具有很好的单色性？ 5. 原子谱线非均匀加宽的特点、类型和线型。 6. 均匀加宽激光器中模的竞争概念。 7. 简述描述高斯光束的(f，z)参数、(3，R)参数、q参数之间的关系 8. 简述激光行波放大器设计中要重点考虑的几个问题。 9 .声光调Q工作原理。 激光原理复习题 第一章 电磁波 1. 麦克斯韦方程中 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果？ 答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两 个分别表示电场和磁场的散度； (2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场 (涡旋电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的; (3)由方程组中的2式可知，在真空中，, J =0，则有 t E ??=? 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一 个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这种交替的不断变换会导致电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？ 答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为 一个偶极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那 么由此原理产生的光的特点是什么？ 答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？ 答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的 产生有关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。 5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中扮演什么角色？ 答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。 6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也被无限放大，这是由于光强的的增加，而翻转粒子数会减少的饱和效应所致。那么在增益系数中这一过程是如何表示的，请说明各个物理量的意义？ 答： , 其中 为小信号增益系数。 为饱和光强。 大信号 增益系数，它是频率的函数 。从式子中看到，光达到饱和时，增益系数就不再增加了。 7激光产生的一个重要条件是要有光学谐振腔。光学谐振腔的作用主要有哪几个？ 答：光学谐振腔具有以下作用：提供光学正反馈；就是说增强光放大作g s I 华中科技大学《激光原理》考研题库及答案 1．试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=3000MHz 的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为： 188346 341105138.210 31063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=）则有：1]300 1038.11031063.6exp[2393412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 18 1221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且202110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918810084.51064.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密 华中科技大学硕士研究生入学考试《激光原理》考试复习大纲 一、课程名称： 激光原理与技术 Laser Principle and Technology 二、课程编码： 三、学分与学时：64/4 四、先修课程：量子力学、几何光学、物理光学 五、课程教学目标： 《激光原理与技术》课程是光电子专业本科生的专业基础课，其教学目标是使学生能够掌握本课程的基本理论、基本分析方法和基本技能。初步具备应用所学到的基本理论和方法分析和解决本专业的一般性问题。 六、适用学科专业：高等院校光电子技术、光通讯、光电器件应用物理等本 科专业。 七、基本教学内容与学时安排： 第一章绪论（4学时） 一、激光的诞生及发展 二、激光产生的机理 三、激光的特性 四、激光器实例 第二章光线矩阵及高斯光束（10学时） 一、光线的传播 １．光线矩阵 ２．双周期性透镜波导 ３．相同周期性透镜波导 ４．光线在反射镜之间的传播 二、光束在均匀介质中传输 １．均匀介质中的基本高斯光束 ２．ＡＢＣＤ法则 ３．高斯光束在透镜波导中的传输 ４．均匀介质中的高阶高斯光束 三、高斯光束的变换 １．高斯光束通过薄透镜的传输 ２．高斯光束的聚焦、准直和匹配 ３．高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 第三章激光谐振腔（10学时） 一、光学谐振腔的稳定性条件 １．光学谐振腔的稳定性 ２．光学谐振腔的构成与分类 ３．光学谐振腔的作用 二、光学谐振腔的模式 １．光学谐振腔中光波模的谐振频率 ２．光学谐振腔内的多纵模振荡和单纵模的选取３．纵模的频率漂移 三、平行平面腔的迭代法 １．开腔衍射理论的分析方法 四、平稳定球面腔 １．对称共焦腔的模式 ２．一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性 ３．一般稳定球面腔的模式 ４．非稳定球面腔 第四章光场与物质的相互作用（8学时） 一、光场与物质相互作用的理论 １．光场与物质相互作用的理论体系 ２．电介质的极化 ３．原子自发辐射的经典模型 二、谱线加宽与线型函数 １．光谱线的频率分布 ２．爱因斯坦辐射系数在谱线加宽时的修正 ３．原子与有谱线线宽辐射场的相互作用 三、均匀加宽和非均匀加宽 四、激光器的速率方程理论 １．三能级速率方程组 ２．四能级速率方程组 第五章连续和脉冲激光器的运行特性（8学时） 一、小信号增益系数 激光原理复习题答案考研 可参考 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020 激光原理复习题 第一章 电磁波 1. 麦克斯韦方程中 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果 答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两 个分别表示电场和磁场的散度； (2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电 场(涡旋电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的; (3)由方程组中的2 式可知，在真空中，,J =0，则有 t E ??=? 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致 一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这种交替的不断变换会导致电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个基于的基本原理是什么 答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视 为一个偶极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么 答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干 光。 5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原子相关的哪个物理量成正比这个物理量在激光的产生过程中扮演什么角色答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。 6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也被无限放大，这是由于光强的的增加，而翻转粒子数会减少的饱和效应所致。那么在增益系数中这一过程是如何表示的，请说明各个物理量的意义 激光原理（2011） 一：简答题 增益饱和，兰姆凹陷，三能级和四能级的差别，这些概念，2011年唯一不同的考题是“各举一个三能级和四能级激光器的例子，并说明它们的中心波长”，二：计算题 1.求一个透镜系统的光线传输矩阵。题目本身就是给出了各个透镜的参数，要 求写出该系统的传输矩阵。相关知识参见杨克成编写的《激光原理》第二章第一节，这道题属于送分型的题目，只要知道反射镜，空气，凸透镜的传播矩阵，利用线性代数的知识进行简单的计算就可拿到满分，最后题目要求算出该系统稳定的条件，公式就是-1<0.5(A+D)<1及0 1，当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够产生自激振荡吗？说明理由。 2、什么是兰姆凹陷。说明形成过程，并说明它有什么作用。 3、高斯光束的基本特征？ 4、何为激光模式。什么是光学模式，请解释横模和纵模的物理含义。 5、何为增益饱和？它在均匀加宽激光器和非均匀加宽激光器的作用是什么？ 计算：共4个，一个25分。 二、一束激光它的波长为6.328um,它的束腰半径为mm ，位于谐振腔的出射镜面上，透镜离镜面的距离为500mm ，光束经透镜后的腰斑直径为2a=5um （1）求谐振腔的参数f ；（2）求光束经聚焦透镜后的聚焦位置； 三、一非稳定虚共焦腔，它的腔长为2米，谐振腔中凸面镜的球面半径为R2为-1米，线度a2为0.5。求： （1）求凹面镜的线度a1； （2）求非稳腔的能量损耗； 四，某在连续激光器腔中有两个模式已经起振，频率分别为v1，v2，且v0 华科考研激光原理2014真题 一.解释题 1. 描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15) 2. 描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3. 增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15) 4. 说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15) 二．解答题 1. 一个折射率为η，厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。（1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。（2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。（3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2.圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q ν?，横模间隔m ν?,n ν?. (2) 若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25) 3.虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ， 由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=, cm a 322=, 若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。(20) 4.某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α( m i G <<α), 试证明有： （20） (提示：I dz dI G i /=-α，s m I I G G /1+= 构造微分方程) s L L m I I I I I L G 00ln -+= 点评： 09,13,14 都考了激光放大器的光强特性。 华科考研激光原理2002--2015 真题 2015 年（839） 一、简单 1、激光产生的必要条件？ 2、激光的四种特性？选择一种说明其用途 3、谐振腔的稳区图，并写明稳定腔和非稳腔的位置 4、四能级系统速率方程和图示 二、共焦腔与一般稳定腔的对应计算 三、行波腔的均匀加宽和多普勒加宽的最大输出功率计算四 2015 激光原理（900） 一、简答题 “、△ n大于0，激光器是否能够产生自激振荡？ 2、光学谐振腔的结构和作用 3、共焦腔与一般腔的等价性 4、均匀加宽与非均匀加宽的特点 5、连续激光器从开始振荡到产生稳定输出增益系数的变化情况 6、光学模式以及横模和纵模 二、三能级四能级的本质区别，以及为什么四能级更容易产生粒子数反转 三、三能级能级示意图，速率方程 四、稳定腔，非稳腔，临界腔计算判断(很简单) 五，光线传输矩阵相关的题2014 年 —一.解释题 1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15) 2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？谱线加宽是怎样影响增益 饱和特性的？(15) 4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15) 二?解答题 1.一个折射率为，厚度为d的介质放在空气中，界面是曲率半径为R的凹面 镜和平面镜。 (1)求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。 (2)求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩 阵。 (3)求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2.圆形镜共焦腔的腔长L=1m (1)求纵模间隔也9q，横模间隔也u m,Au n.⑵ 若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25) 3.虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m,由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为R? - -1m , 2a2 = 3cm ,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。(20) 4.某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L，中心频率的小信号增益为G m，初始光强为I。中心频率饱和光强为I s,腔内损耗系数为=i (—「G),试证明有: 1. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹 陷，称作兰姆凹陷。 2. 反兰姆凹陷：在饱和吸收稳频中，把吸收管放在谐振腔内，并且腔内有一频率为ν1的 模式振荡，若ν1 ≠ν0，购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔。若ν1 ＝ν0 ，刚正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔。若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线，则曲线出现凹陷，激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰。 什么是激光工作物质的纵模和横模烧孔效应？他们对激光器工作模式的影响。 在非均匀加宽工作物质中，频率为v 1的强光只在v 1附近宽度约为I I v s v H 11+?的 范围内引起反转集聚数饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集聚数没有影响。若有一频率V 的弱光同时入射，如果频率V 处在强光造成的烧孔范围之内，则由于集聚数反转的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数。如果频率V 在烧孔范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响，、而仍等于小信号增益系数。所以在增益系数-频率曲线上，频率为v 1 处产生一个凹陷。此现象称为增益曲线的烧孔效应。烧孔效应一般使激光器工作于多纵模和多横模的情况，不利于提高光的相干性但有利于增加光的能量或功率。 20.激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m 的凸面镜和曲率半径为2m 的凹面镜组成，工作物质长0.5m ，其折射率1.52，求腔长L 在什么范围内是稳定腔？ 解：设两腔镜1M 和2M 的曲率半径分别为1R 和2R ，121,2R m R m =-=, 工作物质长0.5l m =，折射率 1.52η= 根据稳定条件判据: 120(1)(1)1L L R R ''<- -<即0(1)(1)1(1)12L L ''<--<- 其中()(2)l L L l η'=-+ 由(1)式解得12m L m '<<，由(2)式得10.5(1)0.171.52 L L L ''=+?-=+ 结合(1)(2)式得 1.17 2.17 m L m << 21.试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。 证明：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示 其往返矩阵为： 华科光电考研复试(光电检测技术与应用题) 1、温度变化与自发极化强度有何关系？ 答：晶体的整体温度的微小变化ΔT产生自发极化强度Ps的变化可表示为ΔˉPs=ˉPΔT式中ˉP为热释电系数矢量，一般有三个分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsi∕dT(单位c∕㎡k) 在与电热释电晶体的自发极化强度Ps轴垂直的表面内出现的束缚电荷面密度等于Ps，晶体内部电荷中和束缚电荷的平均时间て=ε∕r这里ε为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，多数热释电晶体て值在1——1000s之间。 2、热电势探测器能否测量直流信号？为什么？ 答：用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7——15μm，人体辐射为9μm，图中被测物体（或人体）所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为?的红外光照摄热释电晶体，当?>1∕て时，晶体内自由电荷来不及中和表面束缚电荷的变化结果就使在垂直于极化强度Ps的两端面间出现交流电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负载R两端就有交流电压输出，设温度变化率为dT∕dt，极化强度Ps对时间的变化率为dPs∕dt，电极面积为A，则AdPs∕dt就相当于电路上的电流，于是电压输出与温度变化率成正比。 3、硅光电池为什么使用梳状电池？ 答：梳状电极：大面积光敏面采用梳状电极可以减少光载流子的复合，从而提高转换率，减少表面接触电阻。 4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？ 答：无光照时反向电阻很大（MΩ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。光敏二极管的缺点：暗电流较大 为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负极从而可以减少负极与正极之间的暗电流。 5、两种高速的光电二极管的结构特点和原理？（PIN、APD） 答：PIN光电二极管结构特点：P层和N层之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导I 增加I区优点：（1）因为I区相对的P区和N区是高阻，在反偏的工作情况下，它承受极大部分电压降，使耗尽区增大，这样展宽了光电转换有效工作区，使灵敏度增大（2）又因为PIN结光电二极管的工作电压是很高的反偏电压，使PIN结的耗尽层加宽，电场强光生电流加速因而大幅度减少了载流子在结构内漂移时间元件的响应速度加快电路特点：反偏电压高 APD光电二极管结构特点：在光照时P+层受光子能量激发的电子从所带电跃迁到导带，在高电场作用下，电子从高速通过P层产生碰撞电离，形成大量新生电子空穴对，并且它们也从电场中获得高能量与从P+层来的电子一起再次碰撞P区的其他原子，又产生大批新生电子 6、光纤传感器种类？ 答：光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器，它是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，既感知信息又传输信息，所以又称传感型光纤传感器。另一类是非功能型传感器，又称NF型光纤传感器，它是利用其他敏感元件感受被测 华中科技大学《激光原理》考研题库及答案 1．试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=3000MHz 的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为： 188346 341105138.210 31063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=）则有：1]300 1038.11031063.6exp[2393412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 18 1221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且202110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918810084.51064.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密 欢迎阅读 激光原理复习题 第一章电磁波 1.麦克斯韦方程中 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中 答：（ (3) 2, 答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶 周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？ 答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4 答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有5 答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转6 g 答：,其中为小信号增益系数。为饱和光强。 大信号增益系数，它是频率的函数。从式子中看到，光达到饱和时，增益系数就不再增加了。 7激光产生的一个重要条件是要有光学谐振腔。光学谐振腔的作用主要有哪几个？ 答：光学谐振腔具有以下作用：提供光学正反馈；就是说增强光放大作用，对产生的激光模式进行控制，使激光具有极好的方向性（沿轴线），使激光具有极好的单色性。 8.光学谐振腔中会有横模和纵模，通常表示为mnp TEM 。请问它的角标中m n p ，，表示的意义分别是什么？ 答：在光学谐振腔中，满足一定的相位关系的波方能够稳定存在。即是π, 9答：相干性强，单色性佳，方向性好，高亮度。第二章1. 答：原子的自发辐射会导致能量损失，因此核外电子的运动可看作阻尼运动。则有 x ++x r 为弹性恢复系数。，为振子固有频率。k m w w =200 γ经典辐射阻尼系数，亦称经典辐射能量衰减率 2. 在外场作用下的原子被极化，其中极化系数的实部和虚部各表示的物理意义 是什么？ 1. 兰姆凹陷:单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线,在单模频率等于0的时候有一凹 陷,称作兰姆凹陷。 2. 反兰姆凹陷:在饱和吸收稳频中,把吸收管放在谐振腔内,并且腔内有一频率为ν1的 模式振荡,若ν1 ≠ν0,购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔。若ν1 =ν0 ,刚正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔。若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线,则曲线出现凹陷,激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰。 什么是激光工作物质的纵模和横模烧孔效应?他们对激光器工作模式的影响。 在非均匀加宽工作物质中,频率为v 1的强光只在v 1附近宽度约为I I v s v H 11+?的 范围内引起反转集聚数饱和,对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集聚数没有影响。若有一频率V 的弱光同时入射,如果频率V 处在强光造成的烧孔范围之内,则由于集聚数反转的减少,弱光增益系数将小于小信号增益系数。如果频率V 在烧孔范围之外,则弱光增益系数不受强光的影响,、而仍等于小信号增益系数。所以在增益系数-频率曲线上,频率为v 1 处产生一个凹陷。此现象称为增益曲线的烧孔效应。烧孔效应一般使激光器工作于多纵模和多横模的情况,不利于提高光的相干性但有利于增加光的能量或功率。 20.激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m 的凸面镜和曲率半径为2m 的凹面镜组成,工作物质长0.5m ,其折射率1.52,求腔长L 在什么范围内是稳定腔? 解:设两腔镜1M 和2M 的曲率半径分别为1R 和2R ,121,2R m R m =-=, 工作物质长0.5l m =,折射率1.52η=(完整版)哈工大激光原理考研试题
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