激光原理课程考试题—武汉理工必备缩印版

激光原理课程考试题题号一二三四五六七总分复核人得分30 70 100评卷人一、填空题：（30分）1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值高。

3. 红宝石激光器属于 3 能级激光器。

He-Ne激光器属于4 能级激光器。

4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和相干性好。

5. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为阈值增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等。

6. 激光器的基本组成部分激活物质、激光谐振腔、泵浦源。

激光产生条件：1.有提供放大作用的增益介质为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构；2.体育外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3.有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射的能级结构。

其中光学谐振腔的作用为：提高光的方向性、加长光在增益介质中行进的路径以提高光能密度、形成共振产生的模提高相干性（或者填模式选择、提高轴向光波模的反馈）。

7. 调Q技术产生激光脉冲主要有锁模、调Q 两种方法，调Q激光器通常可获得ns 量级短脉冲，锁模有主动锁模和被动锁模两种锁模方式。

8.固体激光器主要的泵浦源有（氪灯泵浦）、（高效脉冲氙灯泵浦）等。

9.具有合适的能级结构和跃迁特性（或者填亚稳态）的原子结构，才能实现粒子数反转。

10.产生激光的工作物质包括（激活离子）和（基质）。

11.引起谱线增宽的原因主要有三种，即自然展宽、碰撞展宽、多普勒展宽；它们可分为两大类，分别是均匀展宽、非均匀展宽。

12.受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同。

13.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。

14.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光效率，氦气的作用的是有助于激光下能级的抽空。

15.有源腔中，由于增益介质的色散，使纵模频率与无源腔频率纵模频率更接近中心频率，这种现象叫做频率牵引。

16.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。

17.粒子数反转分布状态微观粒子满足负温度分布。

18.碰撞增宽谱线为洛伦兹线型。

自然加宽是由于激发态有一定的寿命引起的。

多普勒展宽发生在气体介质中。

19.第一台激光器是红宝石激光器。

20.平行平面腔在稳定图上的坐标为（1,1）。

对称共心腔在稳定图上的坐标为（-1,-1）。

半共心腔在稳定图上的坐标为（0,1），（1,0）。

21.谐振腔的品质因数Q是用来衡量腔的储存信号的能力。

阈值条件是形成激光的充分必要条件。

22.光子简并度指光子处于一个光子态的平均光子数、处于同一模式的光子数、相干体积内偏振一样的光子数、处于同一相格中的偏振一样的光子数。

23.腔模经一次往返再现后保持原来的稳态场分布称为自再现模。

24.全息照相是利用激光的相干特性的。

全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。

二、问答题：（70分）1.画出声光调Q 激光器原理图，说明声光调Q 基本原理？（10分）答：首先Q 开关关闭, 腔内声光晶体衍射产生的损耗高，腔内Q 值低，激光振荡阈值高，激光不振荡，上能级聚集大量反转粒子：Q 开关迅速开启,腔内损耗迅速下降，Q 值急剧升高，阈值迅速下降，反转粒子数远大于阈值反转粒子数，上能级聚集大量反转粒子变为峰值功率很高的激光脉冲。

2. 画出电光调Q 激光器原理图，说明电光调Q 基本原理？答.电光晶体两端加一定电压，使沿x 方向的偏振光通过电光晶体后，沿x 轴两方向偏振光的位相差为π/2，电光晶体相当于1/4波片，光束两次通过电光晶体时，偏振方向旋转90°，偏振方向与偏振片检偏方向垂直，光束无法通过检偏片，腔内损耗高，激光无法振荡;突然撤除电压后，损耗迅速下降，上能级反转粒子数迅速转化为激光脉冲输出。

3．什么是对成共焦腔,计算对成共焦腔g 参数.: 答: 对成共焦腔:R 1=R 2=L 对成共焦腔g 参数.:0111=-=R L g 0212=-=R L g021==g g g4.说明均匀增宽和非均匀增宽的区别？说明为什么均匀增宽介质内存在模式竞争？（10分） 答：均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献， 所有原子对发射谱线上每一频率的光波都有相同贡献，所有原子的作用相同；非均匀增宽介质发射的不同的光谱频率对应于不同的原子，不同的原子对中谱线中的不同频率有贡献，不同原子的作用不同的（5分）。

均匀增宽激光介质发射谱线为洛仑兹线型，中心频率处谱线增益最大，该频率处附近纵模优先起振，由于均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献，中心频率处纵模振荡发射激光将引起激光上能级原子数下降，激光增益曲线形状不变，但整体下降，当中心频率处纵模增益降低为激光振荡阈值时，该处纵模稳定输出，其它频率的纵模增益都小于阈值，无法振荡。

5.画出电光强度调制原理图，说明电光强度调制基本原理？（10分）答：电光调制器是利用某些晶体材料在外加电场的作用下所产生的电光效应而制成的器件。

常用的有两种方式：一种是加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称纵向电光效应（也称为纵向运用）；另一种是通光方向与所加电场方向相垂直，称横向电光效应（也称为横向运用）。

纵向调制与横向调制优缺点纵向电光调制优点是结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响，不需进行补偿。

其缺点是半波电压太高，功率损耗较大。

一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用,但由于存在着自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改变，往往使已调波发生畸变，常采用“组合调制器”来进行补偿。

6.试画图并文字叙述模式竞争过程。

答：假设只有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件，这三个纵模的光均有增益，光强都在增强，整个增益曲线由小信号增益曲线G（v）开始下降。

当降到曲线1时，对q+1模来说，增益已经变得比G阈低。

这样当下降到曲线2，q-1模也被抑制掉，只有q模的光强继续增强，最后变成曲线3的情形。

这种通过增益饱和效应，靠近谱线中心频率的纵模逐渐把其它纵模抑制掉的过程就是模式竞争。

7.为什么一般来说均匀增宽的稳定态激光器的输出通常是单纵模的，而非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模？答：（1）对于均匀增宽型介质激光器来说，每个发光粒子对形成整个谱线都有贡献。

当强度很大的光通过时，它会造成整个增益曲线按同一比例下降，通过增益的饱和效应模式之间会造成谱线竞争，最终只剩下与中心频率靠的很近的那个模式，所以是单纵模的。

（2）对于非均匀增宽型介质激光器来说，某一个纵模的光强增强时，增益的饱和效应并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处烧一个孔，所以如果有多个纵模的小信号增益都大于阈值都大于阈值的话，这些纵模都可以建立起自己的振荡，所以非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模。

8.腔长为0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率0ν＝5.85⨯l014Hz ，荧光线宽ν∆＝6⨯l08 Hz ，问它可能存在几个纵模?相应的q 值为多少？ (设μ=1) （9分）解：纵模间隔为:Hz L cq 881035.0121032⨯=⨯⨯⨯==∆μν，210310688=⨯⨯=∆∆=q n νν，则可能存在的纵模数有三个，它们对应的q 值分别为： 68141095.11031085.522⨯=⨯⨯=⨯=⇒=νμμνc L q L qc ，q ＋1=1950001，q －1＝1949999 9.由凸面镜和凹面镜组成的球面腔，如图。

凸面镜的曲率半径为2m ，凹面镜的曲率半径为3m ，腔长为1.5m 。

发光波长600nm 。

（1）判断此腔的稳定性；（2）求出等价共焦腔的焦距f ；束腰大小w 0及束腰位置；（3）求出距凸面镜右侧5.125米处的束腰大小w 及波面曲率半径R ； 解: (1) 激光腔稳定条件12(1)(1)1.5 1.5(1)(1)2378L L R R --=+-=此腔为稳定腔。

(2)()()()()()()()()()()121222212 1.52 1.53 1.523 1.50.98441.52 1.53L R L R L R R L f L R L R --+-⨯--⨯--+-===-+-++-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦得， f = 0. 9922≈1m()()()()()()2112 1.53 1.5 1.1251.52 1.53L R L z L R L R -⨯-===-+-++-m即束腰位置距R 1右侧1.125m9301600100.4370102 3.1415926L f w m λλππ--⨯⨯====⨯ (3) 距凸透镜右侧5.125米处，经计算为距束腰4米处。

()22330410.4370101 1.8101z m f --⎛⎫⎛⎫=+=⨯⨯+=⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭w z w()41171 4.25144z f R z f m m f z ⎛⎫⎛⎫=+=⨯+== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭10.已知W 0,L,F 。

求通过透镜后，Wc ，Rc 。

答：由ABCD 公式，q bR e []'q l b −−→，I m []'0q w b−−→ 0z = 0q i f = 02w f πλ=A 处0a q q l =+ B 处 111a bq q f =- C 处c b cq q l =+ 先求0,c c w q w −−→ （q 的定义211zR z z i q w λπ=-） 11.He —Ne 激光器的中心频率0ν＝4.74×1014Hz ，荧光线宽ν∆＝1.5⨯l09Hz 。

今腔长L ＝lm ，问可能输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？答：Hz L cq 88105.11121032⨯=⨯⨯⨯==∆μν，10105.1105.189=⨯⨯=∆∆=q n νν即可能输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则：m c L Lcq 2.0105.1103298=⨯⨯=∆<∴=∆<∆νμμνν故腔长最长不得大于m 2.0。

12.一共焦腔(对称)L ＝0.40m ，λ＝0.6328μm ，束腰半径mm w 2.00=，求离腰56cm 处的光束有效截面半径。

答：mm z z 6.0))102(56.0106328(1102.0)(1224103220056.0=⨯⨯⨯⨯+⨯=+=---=ππωλωω13.欲设计一对称光学谐振腔，波长λ＝10.6μm ，两反射镜间距L ＝2m ，如选择凹面镜曲率半径R =L ，试求镜面上光斑尺寸。

若保持L 不变，选择L R >>，并使镜面上的光斑尺寸s w ＝0.3cm ，问此时镜的曲率半径和腔中心光斑尺寸多大？ 答：（1）镜面光斑尺寸（此时可把它看作对称共焦腔）：mm L s s 5977.22106.10621=⨯⨯===-ππλωω（2）此时不能当作对称共焦腔，但是仍然是对称光学谐振腔，只是L R R R >>==21，根据（3-50）式可得镜面光斑尺寸为（舍去一个与L 近似相等的解）：()()mR R R L R L R L L R L R L L R R L s 91.53])22(2[5977.2])2([)2(412412412≈⇒=-⨯⨯=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πλπλω（3）()()()()()m mL R L L R R L R R L R L R L w 734.2]4)2911.52(2)106.10[(422412641241221212120=-⨯⨯⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+-+--⎪⎭⎫ ⎝⎛=-ππλπλ 14.请简单比较常见的激光器（工作物质、能级特点、激励方式、应用范围）。