年“激光原理与技术”期末考试B卷(答案)

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1页共页电子科技大学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：2011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。题号一二三四五六七八九十合计得分一.选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分)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2页共页值为5和3，则该模式可能为D。A、TEM01B、TEM11C、TEM31D、TEM216、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、Lc2BLcC、Lc2D、Lc4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页共页10、下列性质选项中，对于由受激辐射跃迁产生的光子与入射光子相同的是___D___。A、偏振方向B、频率C、运动方向D、以上都是二．填空题（共20分，共20空，每空2分）1、激光器采用开放式谐振腔的主要原因是减少模式数。2、一质地均匀的材料对光的吸收系数为，光通过长为l的该材料后，出射光强占入射光强的比例le。在均匀泵浦的情况下，一光束通过长度为l的该工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，该物质的增益系数为l/2ln（假设光很弱，可不考虑增益或吸收的饱和效应）。3、实现锁模需满足的相位关系是相邻纵模相位差为常数。4、非稳腔与稳定腔相比，非稳腔腔更容易实现大的模体积和横模鉴别能力，在稳定腔中基模与高阶模相比高阶模具有更大的模体积。5、在非均匀加宽气体激光器中，数量最多的粒子的表观中心频率为增益介质中心频率，其运动速度为0。6、在中心频率为0v的连续均匀加宽激光器中，若有两个频率为1v和2v的纵模在振荡，且0201vvvv，则最后形成稳定振荡的是频率为1v的光场（不考虑空间烧孔效应）；在相同的条件下，若增加腔长，则激光器输出的纵模数会不变。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4页共页7、在用KDP晶体纵向电光调制系统中，波片的作用是使得通过晶体后的两偏振分量产生附加相位差为___2__，对应的两偏振分量的光程差为四分之一波长，其作用可以通过在晶体上附加4/V电压来代替。8、当进行声光调制时，通过改变超声波的功率实现调制；当进行声光偏转时，通过改变超声波的频率来实现偏转。9、被动锁模激光器中，由不规则的脉冲演变到锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段，分别是_线性放大阶段，_非线性吸收阶段，_非线性放大阶段。10、二阶非线性极化产生倍频和光学参量振荡，光学相位共轭基于三阶非线性极化。三、简答题（共30分）1、激光是受激辐射光。但在激光工作物质中，自发辐射、受激辐射和受激吸收是同时存在的，试讨论使受激辐射过程占优势的条件，采取什么措施可以满足这个条件？（6分）答：（1）受激辐射相对于受激吸收占优势的条件是粒子数反转，通过泵浦可实现粒子数反转……………………………………………………………..(3分)（2）受激辐射相对于自发辐射占优势的条件是谐振腔内只有一个或少数几个模式起振，（因为分配到一个模式的自发辐射几率等于一个光子引起的受激跃迁几率，只要模式数足够少，受激辐射将占优势），采取的措施是建立谐振腔，并采用适当的选模措施。…………………………………………………(3分)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5页共页2、当高斯光束通过薄透镜时，假设透镜焦距F一定，0为透镜变换后的远场发散角，物距l取何值时00，取何值时00？（6分）答：根据高斯光束的性质，0000，0000分两种情况进行讨论（1）若Ff，透镜焦距足够小，无论l取何值，均可使00。……(2分)（2）在Ff的情况下222222022201FlFFforlFFfFlf……………(2分)222222022201FFFflFFfFlf…………………….(2分3、均匀加宽工作物质的增益饱和与非均匀加宽工作物质的增益饱和的基本特征是什么？（6分）答：（1）对均匀加宽工作物质，频率为1的强光入射有效地消耗了激发态度额原子数，原子对其他频率处的贡献降低了，使得其他频率的弱光的增益系数也以同等程度下降，其结果是增益在整个谱线上均匀下降。……………(3分)（2）对非均匀加宽工作物质，频率为1的强光只引起表观中心频率在1附近的反转集居数饱和，因而在增益曲线上形成一个烧孔。……………(3分)4、综合比较声光偏转和电光偏转的特点（提示：从偏转角度、驱动电压、偏转效率、对激光频率的影响等方面进行分析）（6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6页共页答：（1）声光偏转角度大，驱动电压低，偏转效率低于电光偏转，引起激光频率偏移。…………………………………………………………………..(3分)（2）电光偏转角度小，驱动电压高，偏转效率趋近于100%，不影响激光频率。………………………………………………………………………..(3分)5、试比较调Q激光器和锁模激光器产生短脉冲的工作原理的本质区别（6分）答：（1）调Q的基本原理是通过调节谐振腔的Q值（损耗）的方法，使腔内的反转粒子数积累到最大，再突然提高Q值，使积累在上能级的大量粒子雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的短脉冲输出。…………………………………………………………(3分)（2）锁模的基本原理是使各纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有确定的关系（1qq常数），各个纵模发生相干叠加，输出一个峰值功率高、脉冲宽度窄的脉冲序列，脉冲宽度近似等于振荡线宽的倒数。(3分)四、计算与问答题（30分）1、如图所示，波长为=1.06m的Nd:YAG激光器，全反射镜的曲率半径R=0.5m，距离全反射镜a=0.15m处放置长为b=0.18的Nd:YAG棒，其折射率=1.8，棒的右端直接镀上半反射膜作为腔的输出端。（15分）1）判别腔的稳定性；（5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7页共页2）求Nd:YAG晶体棒输出端的光斑半径；（3分）3）在距输出端c=0.2m处放置F=0.1m薄透镜，求经透镜后的光腰半径和位置。（7分）解答：1）等效腔长/0.150.18/1.80.25(1)Labm……………………………………..(2分)12120.250.2511110.5(2)0.5LLggRR1201(3)gg该腔为稳定腔。……………………………………………………………(3分)2）2RL，该腔为半共焦腔，束腰在平面镜位置处600.51.0610290(4)223.14Rm…………………………………….(4分)3）262063.14290100.249(5)1.0610fm经过透镜后的光束腰斑半径6002222290100.1108(6)0.10.20.249FmFlf……………………..(3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8页共页腰斑位置2222220.20.10.10.10.114(7)0.20.10.249lFFlFmlFf…………………(3分)2、某四能级系统，其E0为基态能级，四个能级的简并度相同。泵浦光频率与E0、E3间跃迁相对应，其跃迁几率W03=Wp。E3能级到E2能级的跃迁足够快，使得E3能级上的粒子数可忽略，且E3到其它能级的跃迁可忽略。E2能级的寿命2较长，E1能级的寿命1较短，但不可忽略，因而E1能级上的粒子数密度不可忽略，E2E1的跃迁速率为1/21，总粒子数密度为n，求：（15分）1）在E2和E1间形成集居数反转的条件（因无谐振腔，也无相应频率的光入射，因而E2和E1间的受激辐射和受激吸收可忽略）；（8分）2）E2和E1间的反转集居数密度与Wp、n的关系式；（4分）3）泵浦极强时E2和E1间的反转集居数密度。（3分）解答：1）稳态跃迁速率方程：22020(1)pdnnWndt1212110(2)dnnndt012(3)nnnn…………………………………..………………………(5分)由（2）式得到11221(4)nn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9页共页1212211(5)nnnn由（5）可得E2和E1间形成集居数反转的条件是：121(6)…………………………………………………………………(3分)2）由（1）式得到2122(7)pnWnnn将（4）式代入（7），得到2212221(8)1pppWnnWW由（5）式得到2112122211(9)1pppWnnWW……………………………………………(4分)3）当Wp极强时，21pW12111212112211(10)11pnnnW…………………………………….(3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10页共页