2024年“激光原理与技术”期末考试B卷(答案).docx

电子科技高校2024-2025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29B考试时长：120分钟课程成果构成：平常30%,期中%,试验%,期末70%本试卷试题由部分构成，共页。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DOA、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，不属于匀称加宽的是一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值为5和3,则该模式可能为D。A、TEMoiB、TEMnC、TEM31D、TEM26、下列腔型中，确定具有共聊像点的是.C（非稳腔）°A、C、D、可以利用下列哪种损耗进行模式选择7、腔镜不完全反射损耗B、衍射损耗C、材料中的非激活汲取损耗D、以上都不对A、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3则损耗调制信号的角频率为Co2c-c/c_cA、FbTC、五D、互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B、频率以上都是A、偏振方向C、运动方向二.填空题（共20分，共20空，每空2分）1、激光器采纳开放式谐振腔的主要缘由是一削减模式数。2、一质地匀称的材料对光的汲取系数为,光通过长为/的该材料后，出射光强占入射光强的比例上在匀称泵浦的状况下，一光束通过长度为/的该工作物质。假如出射光强是入射光强的两倍，该物质的增益系数为ln2+a（假设光很弱，可不考虑增益或汲取的饱和效应）。3、实现锁模需满意的相位关系是相邻纵模相位差为常数o4、非稳腔与稳定腔相比，非稳腔腔更简单实现大的模体积和横模鉴别实力,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、在非匀称加宽气体激光器中，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、在中心频率为的连续匀称加宽激光器中，若有两个频率为匕和吗的纵模在振荡，且咤|<|彩-则最终形成稳定振荡的是频率为vi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。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重量产生附加相位差为y_,对应的两偏振重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电压来代替。8、当进行声光调制时通过变更超声波的实现调制；当进行声光偏转时，通过变更超声波的来实现偏转。9、被动锁模激光器中，由不规则的脉冲演化到锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段，分别是一线性放大阶段，三E线性汲取阶段,三E线性放大阶段。10、二非线性极化产生倍频和光学参量振荡，光学相位共聊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、受激辐射和受激汲取是同时存在的，试探讨使受激辐射过程占优势的条件，实行什么措施可以满意这个条件？（6分）答：（1）受激辐射相对于受激汲取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，（因为安排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），实行的措施是建立谐振腔,并采纳适当的选模措施。（3分）2、当高斯光束通过薄透镜时，假设透镜焦距R确定，磔为透镜变换后的远场发散角，物距/取何值时外>4,取何值时G<%?（6分）答：依据高斯光束的性质，%'>%=4'<%,G<4=4'>%分两种状况进行探讨（1）茗F<f,透镜焦距足够小，无论/取何值，均可使4'>%。（2分）（2）在9的状况下生=（W5<ln"+"2jOr<f-F2-/2（2分）（F-Z）+尸生=（F'I=产一尸</<+'尸一尸分SO（F-/）+/23、匀称加宽工作物质的增益饱和与非匀称加宽工作物质的增益饱和的基本特征是什么？（6分）答：（1）对匀称加宽工作物质，频率为W的强光入射有效地消耗了激发看法额原子数，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匀称下降。（3分）（2）对非匀称加宽工作物质，频率为VI的强光只引起表观中心频率在V】旁边的反转集居数饱和，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）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分（6分）答：（1）调Q的基本原理是通过调整谐振腔的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（/+%=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，波长为加1.06m的Nd:YAG激光器，全反射镜的曲率半径R=0.5m,距离全反射镜6/=0.15m处放置长为氏0.18的Nd:YAG棒，其折射率=1.8,棒的右端干脆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）2）求Nd:YAG晶体棒输出端的光斑半径；（3分）3）在距输出端C=O.2m处放置F=OJm薄透镜，求经透镜后的光腰半径和位置。（7分）/?=0.5m解答：1）等效腔长£'= 0.15 + 0.18/1.8 = 0.25m(1)0<gg2<l (2分)该腔为稳定腔。（3分）2）R=2L',该腔为半共焦腔，束腰在平面镜位置处展沪普j（4分）3)经过透镜后的光束腰斑半径0F290 ×106× 0.1(F-/)2 + /2 5(0.1-0.2)2+0.2492=OS jum(6)(3分)腰斑位置(3分),(I-F)F2(0.2-0.1)×0.12=F+-=0.1+=0.114h(7)(/-F)+/2(0.2-0.1)+0.24922、某四能级系统，其瓦为基态能级，四个能级的简并度相同。泵浦光频率与Eo、民间跃迁相对应，其跃迁几率W3=跖。B能级到&能级的跃迁足够快，使得后能级上的粒子数可忽视，且后到其它能级的跃迁可忽视。七2能级的寿命调较长，B能级的寿命17较短，但不行忽视，因而均能级上的粒子数密度不行忽视，E2E的跃迁速率为1/功，总粒子数密度为小求：（15分）1）在&和E/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£和©间的受激辐射和受激汲取可忽视）；（8分）2）及和©间的反转集居数密度与跖、的关系式；（4分）3）泵浦极强时员和©间的反转集居数密度。（3分）解答：1）稳态跃迁速率方程：牛=W/。-上=O（1）dt2包L=区上=0（2）力6%+%=（3）（5分）由（2）式得到nx=-n2（4）%Z、n=2-w1=n21L（5）Ir21由（5）可得及和©间形成集居数反转的条件是：i<2l（3分）2）由（1）式得到n2=Wp（n-t-n1）2（7）将（4）式代入（7）,得到G=三1 +叫丁"，叫G r2l(8)由（5）式得到I/2l(4分)3）当明极强时，Wp2»1n = - -五 二红二豆 (10)!- + l+ilr21J 21÷1WPr2r21(3分)JIlYAG_曾J=全Y总灯电光晶体图23-l带偏振器的电光调Q装置电光调Q过程是XYAG晶体在低灯的光泵下发射自然光（无规偏光）,通过偏振梭镇后,变成沿工方向的线偏振光，若调制晶体上未加电压,光沿轴线方向（光轴）通过晶体,其偏振状态不发生变化,经全反射镜反射后,再次（无变化的）通过调制晶体和偏振校镀。电光Q开关处于“打开”状态.如果在调制晶体上施加2/4电压，由于纵向电光效应,当沿工方向的线偏振光通过晶体后,两分量之间便产生2的相位差,则从晶体出射后合成为相当于圆偏振光,经全反射镜反射回来，再次通过调制晶体,又会产生疗/2的相位差,往返一次总共累积产生相位差,合成后得到沿y方向振动的线偏振光,相当于偏振面相对于入射光旋转了90,显然,这种傀振光不能再通过偏振棱镜,此时,电光Q开关处于“关闭”状态.因此,如果在低灯刚开始点燃时,事先在调制晶体上加上V4电压,使谐振腔处于“关闭”的低Q值状态,阻断激光振荡的形成。待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时,突然撒去晶体上的A/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.