固体激光原理与技术综合实验
半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术，以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。
实验一半导体泵浦光源特性测量实验
【实验目的】
1．掌握半导体泵浦激光器的原理
2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法
【实验仪器】
半导体泵浦激光器、激光功率计、机械调整部件
【实验原理】
上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。本实验采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式，如下：（图1）
直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
间接耦合：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下：
a 组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
b 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
c 光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合，优点是结构灵活。
本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如（图 2）所示
LD
激光晶体LD 激光晶体
组合透镜
激光晶体
自聚焦透镜
LD LD 光纤
激光晶体
1.
2.
3.
4.
图 1 半导体激光泵浦固体激光器的常用耦合方式 1.直接耦合 2.组合透镜耦合 3.自聚焦透镜耦合
4.光纤耦合
Nd:YAG
LD
耦合系统电源
TEC 和
散热片
快轴准直光纤微透镜
图 2 本实验LD 光束快轴压缩耦合泵浦简图
【仪器调节步骤】
1、808nm 半导体泵浦光源的I-P 曲线测量
图3 半导体泵浦光源I-P 测试的光路实物图
如实物照片（图3），将808nm 半导体泵浦光源固定于谐振腔光路导轨座的右端，将功率计探头放置于其前端出光口处并靠近，调节其工作电流从零到最大，
依次记录对应的电源电流示数I和功率计读取的功率读数P，填入下表，并且做出I-P曲线，研究阈值关系。
【数据处理】
做出半导体泵浦激光器的I-P曲线并分析。
【问题讨论】
1、观察半导体泵浦激光器的结构，加深了解其原理
【注意事项】
1、功率计使用前先调零；测试完成后将半导体泵浦光源的电流调回至最小。
2、避免用手直接触碰泵浦激光器的出光头，以免静电打坏激光器。
实验二固体激光谐振腔结构调整和模式观察
【实验目的】
1、加深理解固体激光器的原理
2、掌握固体激光器谐振腔的调整方法
【实验仪器】
半导体泵浦激光器、指示激光器、激光晶体、激光输出腔镜、激光功率计、机械调整部件【实验原理】
2、激光晶体
图 3 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图
激光晶体是影响DPL激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续波和脉冲激光运转，以钕离子（Nd3+）作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。其中，以Nd3+离子部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG），由于具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，成为目前应用最广泛的LD泵浦的理想激光晶体之一。Nd:YAG晶体的吸收光谱如（图 3）所示。
从Nd:YAG的吸收光谱图我们可以看出，Nd:YAG在807.5nm处有一强吸收峰。我们如果选择波长与之匹配的LD作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。但是，LD的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移，输出功率也会发生变化。因此，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的LD电源，并把LD的温度设置好，使LD 工作时的波长与Nd:YAG的吸收峰匹配。
另外，在实际的激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截面、吸收截面、吸收带宽等多种因素。
3、端面泵浦固体激光器的模式匹配技术
（图 4）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。
f
L
R
w 0
泵浦光
激光输出
激光晶体
输出镜
图 4 端面泵浦的激光谐振腔形式
如（图 4）所示，则平凹腔中的g 参数表示为：
1111,L g R =-
= 22
1L g R =- 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：
[]
1
2
20()L R L λ
w π
-=
本实验中，R 1为平面，R 2=200mm ，L=80mm 。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。实验中配了透过率3%和8%（@1064nm ）两种前腔镜。
【仪器调节步骤】
2、1064nm 固体激光谐振腔设计调整
图6 指示激光器调节光路实物图
1）如实物照片（图6），将808nm 半导体泵浦光源固定于谐振腔光路导轨座的右端，650nm 指示激光器及调节架固定于导轨最左侧，调节二维平移旋钮，使650nm 指示激光束居中，调节二维俯仰旋钮，使650nm 指示激光束照射到右端泵浦光源的中心。
注意：调节指示激光束居中时，可以将其放置在右端泵浦光源前，调节二维平移旋钮，使指示激光束照射到泵浦光源中心即可，然后再放回左端调节二维俯仰，如此办法调节两回即可。
图7 耦合镜组调节光路实物图
2）如实物照片（图7），将耦合镜组及调节架放置于半导体泵浦光源前并靠近，调节二维平移旋钮，使指示激光束照射到耦合镜组的中心，再调节二维俯仰旋钮，使指示激光束经耦合镜组中心反射回的光点移回到指示激光器出光口内。
注意：如果无法判断指示激光束是否照射到耦合镜组中间，可将半导体泵浦光源的电源旋钮调节到600mA左右，此时将一张白纸放置于耦合镜组前，沿导轨移动（白纸面要向下倾斜，防止泵浦光反射到人眼中），会看到泵浦光被汇聚到镜组前某一位置（光点最小），此时650nm指示激光和808nm泵浦光汇聚点会在白纸上同时看到，如果两光点重合即可说明耦合镜组中心与指示激光束有偏移，调节二维平移旋钮直至重合，再将电流调节到零。
图8 激光晶体调节光路实物图
3）如实物照片（图8），将激光晶体及调节架放置于耦合镜组前，调节激光晶体的前后位置，使808nm泵浦光源的汇聚点能够落于激光晶体的前后中心。调节晶体的二维平移旋钮，使650nm的指示激光束照射到晶体的中心；再调节二维俯仰旋钮，使激光晶体反射的指示激光点返回到其出光口内。
注意：如何判断指示激光束已经照射到激光晶体中心，因为激光晶体端面积很小，
如果晶体反射的光点是完整均匀的圆形（没有明显的缺失），即可大致说明光束照射到了激光晶体中心。
图9 激光输出镜调节光路实物图
4）如实物照片（图9），将1064nm的激光输出镜及调节架放置于激光晶体前，输出镜的镀膜面朝向激光晶体，中间预留出50mm左右的距离，以备后面腔内还要插入其他器件。调节输出镜的二维俯仰旋钮，使其反射的650nm的指示激光束光点返回到指示激光出光口内。将半导体泵浦光源的电源旋钮调节到800mA，取出红外显示卡片放置到输出镜的前端并轻微晃动，检查是否可以看到1064nm的激光点。如果没有，微调输出镜的二维俯仰旋钮，使650nm 指示激光在其出光口附近微扫描，直至1064nm激光出光，关闭指示激光。注意：红外显示卡要向下倾斜使用，防止泵浦光反射到人眼中，在最后微扫描调节激光输出镜的时候，要及时把红外显示卡片放置到输出镜前，以防止1064nm 激光瞬间出来了，却没有发现，忽略掉了，无谓增加了调节时间。
3、1064nm固体激光模式观测及调整
1064nm激光出光后，在红外显示卡上仔细观察光斑形状（当心红外卡片反射到眼睛当中），根据光斑分瓣形状及分斑方向讨论此时的激光模式。缓慢调整激光输出镜的二维俯仰旋钮，仔细观察模式的变化。松开激光输出镜最下端的导轨滑块旋钮，调整输出镜沿导轨方向的位置，看看激光谐振腔长改变对激光模式的影响。本实验配备了不同透过率的两片输出镜，也可更换不同透过率对比研究模式的变化。
4、1064nm固体激光输出功率测量及转换效率等参数研究
图10 输出功率测量光路实物图
选择一种激光输出镜，固定某一激光腔长，如实物照片（图10），调节出光，通过激光功率计来监测功率。按照功率计监测示数最大为目标，依次微调输出镜二维俯仰旋钮，激光晶体四维调整旋钮，耦合镜组四维调整旋钮，激光晶体沿导轨方向位置微调，以达到功率计示数最高，确保激光谐振腔此时处于相对最佳的输出状态。测量激光输出功率与泵浦光源的关系数据，填入下
输出镜透过率：％腔长：mm 泵浦电流（ A ）泵浦功率（W）输出功率（W）
【数据处理】
根据测试数据，拟合出1064nm固体激光输出的I-P转换效率曲线和P-P转换效率曲线，并研究阈值条件。
【问题讨论】
改变腔长或输出镜透过率，重复测试数据并拟合曲线，综合对比研究谐振腔的改变对激光出光功率、转换效率、阈值条件等各项指标的影响关系。
【注意事项】
1、由于泵浦激光的功率较高，调试过程中切忌激光直接打在手上或身体其他部分。
2、如果移动激光输出镜导致谐振腔失调，没有1064nm激光输出，则需要按照2-4）的方法调节出光。另外如果激光腔长超出一定距离，则有可能激光无法震荡出光，所以腔长改变是有一定范围的。
实验三固体激光的倍频效应及调Q测量
【实验目的】
1、掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量；
2、了解固体激光器倍频的基本原理。
【实验仪器】
半导体泵浦激光器、1064激光谐振腔、激光功率计、机械调整部件、示波器
【实验原理】
1、半导体泵浦固体激光器的被动调Q技术
目前常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q。本实验采用的Cr4+:YAG 是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。
Cr4+:YAG被动调Q的工作原理是：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+:YAG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+:YAG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。
2、半导体泵浦固体激光器的倍频技术
光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产生后，由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显的表现出二次及更高次的非线性效应。倍频现象就是二次非线性效应的一种特例。本实验中的倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出的1064nm红外激光倍频成532nm绿光。
常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP晶体在1064nm光附近有高的有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KTP晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：=90°，°，对应的有效非线性系数d eff=7.36×10-12V/m。
倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种。腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。
【仪器调节步骤】
1、固体激光倍频效应观察研究
图11 腔内倍频光路实物图
如实物照片（图11），在调整好的1064nm固体激光谐振腔内插入倍频晶体及调整架，微调平移、俯仰、面内旋转五维，观察出射532nm绿光亮度的变化，直至最亮。
2、固体激光被动调Q测量及研究
图12 调Q输出功率测量实物光路图
1）如实物照片（图12），将倍频实验中的倍频晶体更换为被动调Q晶体，将半导体泵浦光源的电源旋钮调节到1A左右，微调晶体平移、俯仰四维旋钮，直至在激光输出镜前的红外显示卡片上看到1064nm的激光点。
测量1064nm固体激光的调Q输出功率与泵浦光源、基础激光的关系数据，填入下列表格
输出镜透过率：％腔长： mm 泵浦电流（A ）泵浦功率（W）输出功率（W）调Q输出功率（mW）
改变输出镜透过率和腔长，研究对比所测参数的变化。
图13 调Q输出脉冲参数测量光路实物图
2）如实物照片（图13），将快速探测器固定于激光输出镜前，接收调Q输出光，从示波器读取调Q脉冲信号的脉宽及重频参数，填入下列表格。
输出镜透过率：％腔长： mm
泵浦电流（A）泵浦功率（W）输出功率（W）调Q输出功
率（mW）调Q脉宽
（ns）
调Q重频
（kHz）
【数据处理】
按照以上实验要求测量和处理数据。
【问题讨论】
1、可饱和吸收调Q中的激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？
2、为什么把倍频晶体放在激光谐振腔内对提高倍频效率有何好处？
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：
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）
激光原理及应用[陈家璧主编] 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）
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 )/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 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。
《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 =
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===?=?
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
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
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?
《激光技术原理与实验》 课程代码： 课程名称：激光原理与技术实验 学分：3 学时：48 （其中实验学时：16） 先修课程：普通物理、物理光学 一、目的与任务 本课程是测控技术与仪器专业一门理论与实验并重的专业基础课，其教学目的是通过该课程理论部分的学习，使学生系统掌握激光的基本概念和基础理论，掌握各种类型激光器和基本激光技术的工作原理与设计方法，了解激光器件和激光技术领域的发展趋势和技术前沿。通过实验环节的锻炼，进一步加深对激光器和激光技术基本工作原理的理解，认识和熟悉常见激光器的基本构造、工作特性和调试方法，掌握激光器主要特性参数的测试方法，并学会使用激光实验研究常用的测试仪器。以期通过本课程的学习，培养学生理论联系实际、综合运用所学基础知识解决实际工程问题的能力。 二、教学内容及学时分配 理论部分 绪论（1学时） 第一章激光的物理基础（4学时） 1.激光的特性 2.光波模式和光子状态 3.原子的能级、分布和跃迁 4.激光产生的必要条件与充分条件 第二章场与物质的相互作用（4学时） 1.谱线加宽与线型函数 2.激光器的速率方程理论 3.均匀加宽工作物质的增益系数 4.非均匀加宽工作物质的增益系数 第三章光学谐振腔理论（5学时） 1.光学谐振腔的基本知识
2.光学谐振腔的损耗 3.光学谐振腔的稳定性条件 4.谐振腔的衍射积分理论 5.平行平面腔的自再现模 6.对称共焦腔的自再现模 7.一般稳定球面腔的模式特征 8.高斯光束 第四章激光器的工作特性（4学时） 1.连续激光器和脉冲激光器 2.激光振荡的阈值条件 3.激光器的振荡模式 4.激光器的输出特性 5.单模激光器的线宽极限 6.激光器的泵浦技术 第五章典型激光器（4学时） 1.概述 2.气体激光器 3.固体激光器 4.光纤激光器 5.半导体激光器 6.其他类型激光器 第六章激光调制技术（2学时） 1.调制的基本概念 2.电光调制 3.声光调制 4.直接调制 第七章调Q技术与锁模技术（4学时） 1.调Q技术的基本原理 2.常用的调Q技术
………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
各章内容总结 第1章 1.光的波粒二相性，光子学说 光是由一群以光速 c 运动的光量子（简称光子）所组成 2三种跃迁过程（自发辐射、受激辐射 和受激吸收） ? 3.自发辐射和受激辐射的本质区别？ ? 4.在热平衡状态下，物质的粒子数密度按能级分布规律（正常分布） ? 5.激光产生的必要条件:实现粒子数反转分布 ? 6.激光产生的阈值条件：增益大于等于损耗 ? 7.激光的特点？ ? (1)极好的方向性（θ≈10-3rad) ? (2)优越的单色性(Δν=3.8*108Hz,是单色 性最好的普通光源的线宽的105倍. ? (3)极好的相干性(频率相同,传播方向同,相位差恒定) ? (4)极高的亮度 ? 8激光器构成及每部分的功能 1激光工作物质 提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因 νh E =λνc h c h c E m ///2 2===
2.）泵浦源 提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因 3.）光学谐振腔 ①提供光学正反馈作用 ②控制腔内振荡光束的特性 9.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强) 10.饱和光强 定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强. 11.谱线加宽的分类: 均匀加宽和非均匀加宽 两种加宽的本质区别？ 12激光器泵谱技术的分类: 直接泵谱 缺点：（49页） 间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式) u u u u S h A c h I τσντνπν1122 8==)211(2121111τττπν++++=?∑∑u j j i ui H A A N D M T Mc kT 072/120)1016.7(])2(ln 2[2ννν-?==?
………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 电子科技大学2012-2013学年第1学期 重新学习 考试 课程名称：_激光原理与技术_ 考试形式： 考试日期： 2013年1月 14日 考试时长：120分钟 本试卷试题由_____部分构成，共_____页。 一、选择题（共20分，共 10题，每题2 分） 1. 下列哪个实验不能反映光的量子性： 。 A. 黑体辐射 B. 光电效应 C. 牛顿环 D. 普朗克散射 2. 关于激光振荡，下列哪种说法是正确的： 。 A. 集居数反转是激光振荡的充分条件； B. 只有驻波腔才能产生激光振荡； C. 集居数反转是激光振荡的必要条件； D. 激光振荡阈值与谐振腔损耗无关。 3. 与普通光源相比，下列哪一个不是激光的特性： 。 A. 相干性好 B. 光子简并度高 C. 同一模式内光子数多 D. 功率高 4. 对于开放光学球面两镜腔，下列哪一个不是谐振腔稳定性条件： 。 A. ()1112A D -< +< B. 121111L L R R ????-<--< ??????? C. 120111L L R R ???? <--< ??????? D. 1201g g << 5. 下列哪一个参数与谐振腔的损耗有关： 。 A. 腔内光子平均寿命 B. 受激发射截面 C. 上能级寿命 D. 谐振腔共焦参数 6. 下列哪种加宽不属于均匀加宽： 。 A. 自然加宽 B. 晶格缺陷加宽 C. 碰撞加宽 D. 晶格振动加宽
………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 7. 关于受激发射截面，下面表述哪一个是错误的： 。 A. 是具有面积量纲的物理量 B. 与入射光频率有关 C. 是原子横截面的面积 D. 受激跃迁速率与受激发射截面成正比 8. 激光器的阈值增益系数与下列哪一个参数有关： 。 A. 小信号增益 B. 自然加宽谱线宽度 C. 受激发射截面 D. 谐振腔损耗 9. 在KDP 晶体的纵向电光调制中，半波电压与下列哪个参数无关： 。 A. 晶体尺寸 B. 激光波长 C. 晶体电光系数 D. 晶体折射率 10. KDP 晶体沿z 轴加电场时，由单轴晶体变成双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z 轴旋转了 。 A. 45° B. 60° C. 90° D. 180° 20分，共 20空，每空1 分） 1. 在光与物质的三种相互作用中， 是产生激光的主要机制，而 所产生的光为非相干光。 2. 在三维空腔中，模式数目与频率的 成正比，这个现象称为 。 3. 任何一个共焦腔可以与 个稳定球面镜腔等价，而任何一个稳定球面镜腔只能有 个等价共焦腔。 4. 在 近似下，高斯光束是赫姆霍兹方程的解。 5. 在采用KDP 晶体的纵向电光调制系统中，使用 波片使得通过晶体后的两偏振分量产生附加相位差为 ，使调制器工作在T=50%的偏置点上。 6. 在布拉格声光衍射中，只有入射角i θ等于布拉格角B θ时，在声波面上衍射的光波才满足 条件，得到衍射极值。 7. 在常规调Q 激光器中，当谐振腔损耗很高时，激光器不能振荡，增益介质中的 不断增大并达到极大值，而后瞬间 谐振腔的Q 值，激光器起振并输出巨脉冲。 8. 可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，在较强激光作用下，其 随光强的增加而减小直至饱