哈工大激光原理2008考研试题

1、哈尔滨工业大学 二八年硕士研究生入学考试试题第 1 页共 4 页考试科目： 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。题号一二三四五六七总分分数40402010101515150分物理常数：真空中光速c=3×108m/s普朗克常数h=6.626×10-34Js电子电荷e=1.6×10-19c一填空（每空2分，共40分，按(1)、(2)(20)顺序写在答题纸上）1 设激光器的输出波长为632.8nm，这是 (1) 激光器常用的发射波长，光子能量为 (2) J。假设除

2、输出镜的透射损耗外无其它损耗，输出功率为1W，则工作物质每秒从上能级向下能级受激辐射跃迁的粒子数为 (3) 个。2 已知上能级向基态的跃迁波长为500nm，上能级的平均自发发射寿命为1s，则自发跃迁几率A21为 (4) s-1；受激发射系数B21为 (5) m3J-1s-2。如果上下能级的统计权重g1/g2=2，此时受激吸收系数B12为 (6) m3J-1s-2。3 四能级系统的增益系数的一般表达为 (7) ，其中反转粒子数密度n可用上下能级粒子数密度和统计权重表示为 (8) 。增益系数的表达式中 (9) 与外界激发作用有关， (10) 与能级本身的性质有关。第 2 页共 4 页4圆形镜对称共

3、焦腔的横模标识TEMmn，其中下标m表示光强分布延 (11) 方向的节线数，n表示延 (12) 方向的节线数。5平凹腔中凹面镜曲率半径R=1m, 腔长L= 0.8m, l =0.314mm, 计算其基模高斯光束在平面镜处的光斑半径为 (13) ，凹镜面处光斑半径为 (14) 、远场发散角为 (15) 。6高斯光束波长为l=3.14mm,某处的q参数为q=1+i(m),计算此光束腰斑半径w0为 (16) ，该处光斑半径为 (17) ，等相位面曲率半径为 (18) 。7在激光振荡放大系统中，脉冲宽度、光束发散角以及谱线宽度主要由 (19) 决定，激光的能量和功率则主要取决于 (20) 。二简要回答

4、下列问题（每题4分，共40分）1原子的自发发射和受激发射。2谐振腔的损耗类型包括哪些？列举三个用于描述损耗的参数？3三能级系统和四能级系统最本质区别是什么？为什么三能级系统实现粒子数反转比四能级系统困难？4什么是增益饱和？均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益饱和的基本特征分别是什么？5激光为什么具有很高的亮度？6光子简并度的概念，温度为T的普通光源的光子简并度的表达式。7频率牵引及其形成的原因。8简述横模选择技术的基本原理。9在电光调Q方法中，请比较PRM（脉冲反射式）和PTM（脉冲透射式）的特点。10主动锁模和被动锁模。第 3 页共 4 页三已知三能级激光系统(如下图)，其能级间各跃迁的几率分

5、别为：无辐射跃迁S32=5×106s-1， S210；自发发射A31=3×106s-1，A21=3×102s-1。激光上下能级的统计权重均为3，腔内只存在一个振荡模，不计光的各种损耗。（20分）(1) 说明闪光灯泵浦情况下该激光器的激光形成过程；(2) 请列出完整的速率方程组；(3) 稳态情况下，如果介质激光上下能级粒子数相等，则W13应为多少？四均匀加宽激光器初始小信号下的反转粒子数密度为2×1014cm-3，中心频率处的发射截面为10-16cm2，腔长为50cm，腔内往返一周的总损耗率为0.1，介质的折射率为1。（10分）(1) 计算反转粒子数和阈值

6、反转粒子数的比值n/nt；(2) 计算相邻纵模的频率间隔。五HeNe激光器的波长为632.8nm上下能级寿命均为20ns，放电管内气压为200Pa，原子量M=20，压力加宽系数=0.75MHz/Pa。（10分）(1) 计算谱线的均匀加宽H；(2) 计算温度500K时谱线的非均匀加宽D并判断哪种加宽占优势。六两个（波长相同并且同轴）高斯光束的共焦参数分别为f1m和f2m。（15分）(1) 计算高斯光束的远处发散角比值/；(2) 如果要用一个焦距F1.5m的凸透镜使两高斯光束匹配，求透镜与两高斯光束的相对位置。第 4 页共 4 页(3) 假设两高斯光束的位置固定，束腰间距离为5m，为了使其匹配，使

7、用的透镜焦距是多少？应置于何处？七(1) 什么是高斯光束的复曲率半径（q参数的定义）？写出高斯光束传输的ABCD公式。(2) 用高斯光束在谐振腔中的自再现变换方法，证明谐振腔的稳定性条件。（15分）哈尔滨工业大学 二八年硕士研究生入学考试试题第 1 页共 7 页考试科目： 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。题号一二三四五六七总分分数40402010101515150分一填空（每空2分，共40分，按(1)、(2)(20)顺序写在答题纸上）(1) He-Ne (2) 3.14×1

8、0-19 (3) 3.18×1018 (4) 106 (5) 7.5×1018(6) 3.75×1018 (7) G=n32 (8) (9) n (10) 32(11) 径向 (12) 幅角 (13) 0.2mm (14) 0.4472mm (15) 10-3rad (16) 1mm (17) 1.414mm (18) 2m (19) 激光振荡器 (20) 激光放大器二简要回答下列问题（每题4分，共40分）1原子的自发发射：在没有外界作用的情况下，处于高能级上的原子会自发地跃迁到低能级上，并放出光子的现象称为自发发射。原子的受激发射：当原子体系受到外来光子照射时，

9、如果外来光子的能量正好等于两个能级的能量间隔，则处于高能级的原子会因外来的这个光子作用从高能级跃迁到低能级上去，这时原子将辐射一个和外来光子完全一样的光子，这个过程叫受激发射。2损耗类型：几何偏折损耗、衍射损耗、透射损耗、其它损耗（反射镜的散射、腔内介质的吸收、腔内插入物等）第 2 页共 7 页描述损耗的参数：单程损耗因子、光子在腔内的寿命、谐振腔的Q值3三能级系统的激光下能级为基态，而四能级系统的激光下能级为激发态。由于热平衡情况下绝大部分粒子处于基态，所以三能级系统要实现粒子数反转需要至少把一半的基态粒子泵浦到激光上能级。而四能级系统的激光下能级为激发态，热平衡情况下其基本处于排空状态，将

10、很少的粒子泵浦到激光上能级就可以实现粒子数反转。因此三能级系统实现粒子数反转比四能级系统困难。4当激光器内光强达到一定值时，反转粒子数密度（增益）随光强的增大而减小的现象为增益饱和。均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线整体下降，增益曲线最大值变小，宽度变宽；非均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线局部下降，产生烧孔效应。5(1) 激光方向性好，在空间上高度压缩；(2) 激光输出功率高，在时间上高度压缩；6光子简并度为处于同一量子状态中平均光子数。表达式：7有源腔的纵模频率比无源腔纵模频率更向中心频率靠拢的现象称为频率牵引。产生的原因为增益介质的色散。8不同横模的衍射损耗不同，高阶横模比基横模的损

11、耗大，以此来抑制高阶横模，只保留TEM00模。9PRM是工作物质储能式Q开关，它利用全反镜和输出镜构成谐振腔，振荡和输出同时进行；而PTM是谐振腔储能式Q开关，先振荡后输出。对PRM，光子在腔内要往返N次，需经2NL/c的时间，才能将腔内的光能全部输出；而对PTM，能量释放是在2L/c时间内完成的。所以，用PTM比用PRM更能获得短脉冲（2ns）。第 3 页共 7 页10利用由外部信号控制的调制器（电光或声光）对纵模进行振幅或位相的调制，称为主动锁模；利用可饱和吸收体（如染料）吸收系数随光强变化的关系对光脉冲进行整形，称为被动锁模。三(1) 说明闪光灯泵浦情况下该激光器的激光形成过程；（7分）

12、第一步：受激吸收E1E3；第二步：快速无辐射跃迁E3E2；第三步：E2与E1间粒子数反转状态形成；第四步：个别的自发发射E2E1；第五步：受激发射E2E1；第六步：在谐振腔作用下形成激光。(2) 请列出完整的速率方程组；(6分)(3) 稳态情况下，如果介质激光上下能级粒子数相等，则W13应为多少？（7分）稳态dn3/dt=0；dn2/dt=0 n1W13=n3(S32+A31)；激光上下能级粒子数相等n1=n2；g1=g2=3；n1W12=n2W21； n2(A21+S21)=n3S32；W13/(A21+S21)=(S32+A31)/S32第 4 页共 7 页四(1) 计算反转粒子数和阈值反

13、转粒子数的比值n/nt；（6分）G=n=2×1014×10-16=2×10-2cm-1=a/(2L)=0.1/(2×50)=1×10-3cm-1Gt=1×10-3cm-1； G/Gt=n/nt(2) 计算相邻纵模的频率间隔。（4分）五(1) 计算谱线的均匀加宽H；（5分）(2) 计算温度500K时谱线的非均匀加宽D并判断哪种加宽占优势。（5分）；非均匀加宽占优势。六(1) 第 5 页共 7 页(2) 将透镜放在距物腰1.854m,距像腰2.207m处或放在距物腰1.147m,距像腰0.793m处(3) 用F=1.63m的透镜，放在距物腰2.21m,距像腰2.79m处第 6 页共 7 页七(1