激光原理与技术重新学习2012答案

电子科技大学电子科技大学 2012-2013 学年第学年第 1 学期学期 重新学习重新学习 考试考试 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。 题号一二三四五六七八九十合计 得分 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： C 。 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： C 。 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： D 。 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： B 。 A. B. C. 1 11 2 AD 12 1111 LL RR 12 0111 LL RR D. 12 01g g 5. 下列哪一个参数与谐振腔的损耗有关： A 。 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： 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 7. 关于受激发射截面，下面表述哪一个是错误的： C 。 得 分 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： D 。 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 。 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 。 A. 45 B. 60 C. 90 D. 180 二、填空题（共 20 分，共 20 空，每空 1 分） 1. 在光与物质的三种相互作用中， 受激辐射 是产生激光的主要机制，而 自发辐射 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 平方 成正比，这个现象称为 频谱浓缩 。 3. 任何一个共焦腔可以与 无穷多 个稳定球面镜腔等价，而任何一个稳定球面镜腔只能有 一 个等 价共焦腔。 4. 在 旁轴 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 四分之一 波片使得通过晶体后的两偏振分量产生附 加相位差为 /2 ，使调制器工作在 T=50%的偏置点上。 6. 在布拉格声光衍射中，只有入射角等于布拉格角时，在声波面上衍射的光波才满足 相干加强 i B 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 反转粒子数 不断增 大并达到极大值，而后瞬间 增大 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 吸收系数 随光强的增加而减小直至 饱和，利用该特性可将其作为 被动 调 Q 元件。 9. 锁模激光器的输出脉冲周期等于 谐振腔环程时间 ，脉冲宽度 反比 于被锁定的纵模数量。 10. 被动锁模激光器中，由不规则脉冲演变到锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段：线性放大阶段、非 得 分 学院 姓名 学号 任课老师 考场教室_选课号/座位号 密封线以内答题无效 第 3 页 共 6 页 线性吸收阶段 、 非线性放大阶段 。 11. 用于倍频、差频、和频、光学参量振荡的晶体都是 非对称性 很大的晶体；为获得高效的倍频，必 须满足 相位 匹配条件。 三、简答题（ 共 10 分） 1写出激光的自激振荡条件。(4 分) 答： 1 20 22,1,2,3,.(2) ln (2) klqq rr G l 分 分 2写出声光体调制器的三个主要组成部分。(3 分) 答：声光介质（1 分） ，电声换能器（1 分） ，吸声装置（1 分） 。 3列举三种实现调 Q 的方式。(3 分) 答：电光调 Q（1 分） ，声光调 Q（1 分） ，被动可饱和吸收调 Q（1 分） 。 四、简述题（ 共 30 分） 得 分 得 分 1画出三能级和四能级系统的能级结构图，说明为什么四能级系统更容易实现粒子数反转。(10 分) 答：三能级和四能级系统的能级结构图分别如下图所示： （3 分） （3 分） （三能级） （四能级） 三能级系统的激光下能级为基态能级，正常情况下基态能级集中了几乎所有的粒子数，需要将至少 一半的粒子泵浦到高能级，而后再弛豫到激光上能级才能形成粒子数反转。(2 分) 四能级系统的激光下能级粒子数可近似为 0，有少量粒子泵浦到激光上能级即可形成粒子数反转，因 而比三能级系统要容易的多(2 分) 2画出带偏振器的电光调 Q 激光器的结构图，并简述其工作原理。(10 分) 答：激光器结构图如下： （4 分） （1）YAG 晶体在氙灯的光泵下发射自发辐射光，经过偏振棱镜后变成 x 方向线偏振光。若电光晶体上 施加/4 电压，沿 x 方向的线偏振光通过晶体后，变成圆偏振光，经全反射镜反射回来，再次通 过调制晶体，变成沿 y 方向振动的线偏振光，不能再通过偏振棱镜，电光 Q 开关处于“关闭”状 态，阻断激光振荡的形成。(3 分) （2）待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的/4 电压，使激光器瞬间处于高 Q 值状态，产生雪崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。(3 分) 3评述均匀加宽与非均匀加宽的本质区别，说明均匀加宽激光器易获得单纵模振荡的原因 学院 姓名 学号 任课老师 考场教室_选课号/座位号 密封线以内答题无效 第 5 页 共 6 页 （不考虑空间烧空效应） 。(10 分) 答：（1）对于均匀加宽，加宽的物理机制和谱线加宽的结果对每个原子都是相同的；自发辐射频谱分布 上的任何频率处的光，都是所有原子发光的共同贡献，而不是仅仅哪些原子发光的贡献。(3 分) 对于非均匀加宽，可以将原子进行分类，同类原子具有相同的均匀加宽，不同类原子均匀加宽的中 心频率不同；自发辐射频谱分布上的光，不同频处的光是某一类原子发光的贡献，与其它原子无关。 (3 分) （2）如果有强光存在，均匀加宽的增益系数会整体下降。就是说即使不在强光频率处，增益系数也 会下降。因此在激光器起振过程中，最靠近中心频率的纵模优先起振，在稳态下其增益与损耗相等，而 由于增益曲线整体下降的特性，其他纵模的增益小于损耗，不能起振，从而获得单纵模振 荡(4 分) 五、计算证明题（ 共 20 分） 1证明：在判别谐振腔稳定性时，对长度为 ，折射率为的增益介质棒，可等效成长度为的自由l/ l 空间。(5 分) 证明：自由空间到介质棒的界面的光线变换矩阵为：(1 分)； 10 01/ 光线在介质棒内传播的变换矩阵为：(1 分)； 1 01 l 介质棒到自由空间的界面的光线变换矩阵为：(1 分)； 10 0 则光纤穿过此介质棒的变换矩阵为 101101/ 00101/01 l ll T 对比自由空间的光线变换矩阵，可知介质棒的等效长度为。(2 分) / l 得 分 2如图所示，波长为=1m 的激光器，全反射镜的曲率半径 R=0.4m，距离全反射镜 a=0.1m 处放置长为 b=75mm 的介质棒，其折射率=1.5，棒的左右通光面上镀增透膜，介质棒的右端面到输出镜的距离 c=50mm，输出镜的厚度不计。 （15 分） a=0.1mb=75mm c=50 mm 全反镜 R1=0.4m 输出镜R2= （不计厚度） d=0.2m 薄透镜F 1）判别腔的稳定性； 2）求输出镜上的光斑半径； 3）在距输出镜 d=0.2m 处放置 F=0.1m 薄透镜，求经透镜变换后的光腰半径和位置。 解： 1）等效谐振腔长度，该谐振腔为半共焦腔，所以为