1、广东工业大学考试试卷( A )课程名称: 激光原理与技术 试卷满分 100 分考试时间: 2007 年 6 月 18 日 (第 16 周 星期 一)一、选择题（每题 3 分，共 30 分）1.世界上第一台激光器是 （ ）(A)氦氖激光器 (B)二氧化碳激光器(C)钕玻璃激光器 (D)红宝石激光器(E)砷化镓结型激光器 2.按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是：（ ） (A)两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的 (B)两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的 (C)两个原子自发辐射
2、的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的 (D)两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的 3氦-氖激光器属于典型的（ ）系统（A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级4体积 3cm1V，线宽 n10，中心波长 60nm，模式数目为（ ）20202 14(D)1 (C) 4 (B) 0 )( 5多普勒加宽发生在（ ）介质中6半共心腔在稳定图上的坐标为（d ）（A） （-1 ，-1） （B ） （0，0） （C） （1，1） （D ） （0，1）7对于均匀增宽介质，中心频率处小信号增益系数为 )(vG，当 sI时 ，饱和显著，非小信号中心频率增
3、益系数为：（c ）（A） )0(vG （B ） )0(2vG （C） )0(21（D） )0(31v8.一平凹腔,其凹面镜的半径 R 等于腔长 L,它是(b )（A）稳定腔 （B）临界腔 （C）非稳腔9.能够完善解释黑体辐射实验曲线的是( c )（A）瑞利-金斯公式 （B）维恩公式 （C）普朗克公式 （D）爱因斯坦公式10.腔长为 0.5 米,=1.5,纵模间隔为 b( )（A） HZ8105. （B） HZ8102（C） 3 （D） 4二、填空题（共 20 分）1. 稳定腔的一块反射镜的曲率半径 R14L，求另一面镜的曲率半径取值范围。(5 分)2.一共焦腔(对称) L0.40m，0.632
4、8m，束腰半径 mw2.0，离腰 56cm处的光束有效截面半径为 。(5 分)3. 下图是红宝石的能级结构和跃迁示意图。请说明图中以下符号的意义，(每空2 分，共 10 分)W 13 、 W 21 E 2 、 E1 、A 21 。三、计算题（共 40 分）1 （12 分）(1) 一质地均匀的材料对光的吸收为 0.01mm-1、光通过 10cm 长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几? (2) 光束通过长度为 1m 的均匀激活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。2 （14 分）试从1)(21)(210stavLGIAtvPD式出发，证明用最佳透射率表示的非均匀增宽
5、激光器的最佳输出功率为：13 32 21 A21 E 2()mstPAIa3 （14 分）考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔，波长 0.5145m，腔长L1m，腔镜曲率半径 R1=1.5m，R 2=4m。试计算光腰尺寸和位置及焦参数。四、简答题（10 分）1连续激光器稳定工作时的增益系数是否会随泵浦功率的提高而增加？为什么？广东工业大学试卷参考答案及评分标准 ( )课程名称: 激光原理与技术 。考试时间: 2007 年 6 月 18 日 (第 16 周 星期 一 )一、单项选择题（每题 3 分，共 30 分）1（ D ） 、 2（ B ） 、3（ C ） 、4（ C ） 、5（ C ）6（ D
6、 ） 、7（ C ） 、8（ B ） 、9（ C ） 、10（ B ）二、填空题（20 分）1 （5 分）2 0.6mm （5 分）3 .（每空 2 分，共 10 分） 受激吸收几率(激励几率) 受激发射几率 激光上能级 、 基态能级, 又是激光下能级, 也是抽运能级、 自发发射几率 三、计算题（共 40 分）解：（1） （12 分） AzeIz)0( （2 分）368.1)(0.eI（3 分）LR322或（2） GzeIz)0( （2分） 2)(1I（2分） 1693.0ln mG得（3 分）2 （14 分）证明：由2011()()2DsLGPAtIat，等式两边对 t 求导，并令其为零 （
7、3 分）得：0)(22)(22 taLGtAtItaIt ss（3 分）整理上式可得： 32)(4tatGL，即： t2)(（3 分）式中 t 即为最佳透射率 tm，则最佳输出功率 （2 分） ms mssmtaAItattLGItP22321)(1)(（3 分） 3（14 分）解：（1）束腰半径 mLRL3486.05.341)5.( )2()126 4120（3 分）（2）束腰位置 765.3)2(1LRzm；12（2 分）（3）两镜面上的光斑尺寸分别为： mLRLs53296.05.403214. )(164121（3 分） mLRLs35064. 5.4301. )(1641222（3
8、 分）（4）焦参数 mLRLf72.55.3624.0)(121（3 分）四、简答题（10 分）1答：不会 （2 分）因为连续激光器稳定时增益系数为 ，G 0 为小信号增益系数，I 为腔内光强，I s 为饱和光强。 （3 分）因此，当满足阈值条件以后，当外界的泵浦功率增加时，腔内光强增加，引起增益饱和作用，则增益下降。 （2 分）在稳态工作时，激光器的增益系数保持与阈值相等，不会随泵浦功率的提高而增加。 （3 分）阈GIs210考试时间: 第 18 周星期 五 ( 2007 年 1 月 5 日)一单项选择（30 分）1在一定温度下，自发辐射几率是受激辐射几率的（ B ）倍8)D( 8)C( 8
9、 )B( 8 )A( 32333 cvchvchvcv 2粒子数反转分布状态微观粒子满足（D ）（A） 费米分布（B）高斯分布（C） 玻尔兹曼分布（D ）负温度分布3碰撞增宽谱线为（ C ）（A） 高斯线型 （B）抛物线型 （C） 洛仑兹线型 （D ）双曲线型4CO 2 谱线的多普勒增宽为 53MHz，中心频率所对应的谱线函数极大值为（ A ） Hz 10.7 )(10z.7 )(Hz10.7 )(s10.7)( 8-8-8 5平行平面腔在稳定图上的坐标为（ C ）（A） （-1 ，-1） （B ） （0，0） （C） （1，1） （D ） （0，1）6谐振腔的纵模共振频率为（ A ）cLqv
10、cLvLcvLcqv qq 2 )(2)(2 )(2)( 7对称共焦腔基模光腰为（ A ）8对同一种介质，小信号增益系数随（ B ）变化（A）谱线宽度 （B）激发功率 （C）粒子数密度（D ）自发辐射几率9调 Q 激光器通常可获得（ C ）量级短脉冲广东工业大学考试试卷 ( B )课程名称: 激光原理及应用 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分得分评分人fs )D(n )C(s )B(m )A(10红宝石激光器是典型的（ B ）系统（A）二能级 （B）三能级 （C） 四能级 （D）多能级二. 填空（20 分）1 激光束的基本特性是_、_、_。 （4 分）2光和物质相互作用产生受激
11、辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性，这些特性是指 、 、 和 。 （4分）3激光腔振荡模的特征是 、 、 。 （4 分）4He-Ne 激光器是典型的四能级系统，有三条主要激光谱线，其激光谱线及波长分别为 、 、 。 （6 分）5若光束通过 1m 长的激光介质以后，光强增大了一倍，此介质的增益系数 G为（2 分）三、计算题（44 分）1（8 分）静止氖原子 423PS谱线中心波长为 m6328.0，求当它以 0.1c速度向观察者运动时，中心波长变为多大？ 2 （8 分）腔长为 0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率 05.85l0 14Hz，荧光线宽 6l0 8 Hz，问它可能存在几个纵模
12、 ?相应的 q 值为多少？ (设 =1)3 （20 分）某激光器 m9.0采用平凹腔，腔长 L1m，凹面镜曲率半径R2m。求：（1） 它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰斑位置。（2） 它产生的基模高斯光束的焦参数。（3） 它产生的基模高斯光束的远场发散角。4， （8 分）He-Ne 激光器辐射 6328 光波，其方形镜对称共焦腔，腔长L0.2m。腔内同时存在 0TEM， 1， 2TE横模。若在腔内接近镜面处加小孔光阑选取横模，试问：(1)如只使 0模振荡，光阑孔径应多大？(2)如同时使 TE， 1模振荡而抑制 2TEM振荡，光阑孔径应多大？四论述题（6 分）1 （6 分）试述调 Q 激光器原理
13、。激光原理及应用（B）卷答案及评分标准：一（30 分）BDCACAABCB二. （20 分）1. 方向性好、单色性好、相干性好、高亮度 (4 分)2 相位 、频率 、偏振态、 传播方向。 （4 分）3. 分 ）散 角每 一 个 模 的 激 光 束 的 发 分 ）的 相 对 功 率 损 耗模 在 腔 内 往 返 一 次 经 受 分 ）模 的 简 谐 频 率 分 ）面 内 的 场 的 分 布 ）模 的 电 磁 场 理 论 （ 横 截 (1 (4 3S2P 0.6328 （2 分）2S2P 1.15 （2 分）3S3P 3.39 （2 分）5 Gln2 m -1 （2 分）三（44 分）1（8 分）
14、解：由多谱勒效应： Cvv10， （两者相互接近时，即相向时， 0v ）Cvv100（4 分 ）mv660 10573328（4 分 ）2 （8 分）解： HzLcq 881035.2， （2 分）68qn， （2 分）则可能存在的纵模数有三个，它们对应的 q 值分别为：6814095.03.52cLq，q1=1950001 ， q11949999 （4 分）3（ 20 分）解：(1)它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰斑位置。)(121122 LRLRLf （3 分）代入各数值得：f = 1cm （1 分）又 R2m2L可见此平凹腔为半共焦腔 （2 分）腰斑半径为： cmfw340 105.1
15、.309 （3 分）设平面镜距腰斑位置为 1z,凹面镜距腰斑位置为 2z，则 mRLz 121)(021221（4 分）可见腰斑位置 z=0 刚好在平面镜处。 （1 分）（2） 它产生的基模高斯光束的焦参数。其产生的基模高斯光束的焦参数即为产生高斯光束的共焦腔焦参数，即 f = 1cm （1 分）（3）它产生的基模高斯光束的远场发散角：4（8 分）解：(1)TEM 00 模在镜面处的光斑半径为 mLs 20.106328.6所以光阑孔径应该为 0.2mm （4 分）(2)TEM11 模在镜面处的光斑半径为mss 35.0212所以光阑孔径为 0.35mm （4 分）四 （6 分）1（6 分）答
16、：初始时腔的 Q 值很低，使腔内的损耗变大，上能级不断积累大量粒子。当在一定的外界激发功率下，上能级上的粒子数积累到最大值， （3 分 ） 突然使谐振腔的 Q 值变高，这时激光器的阈值突然降低，聚集在上能级上的粒子立即以极高的速度以雪崩的方式跃迁到低能级上，在瞬间形成极高的光脉冲峰值功率。（3 分）广东工业大学考试试卷( B )课程名称: 激光原理与技术 试卷满分 100 分考试时间: 2007 年 6 月 18 日 (第 16 周 星期 一)一、单项选择题（每题 3 分，共 30 分）1 原子受激辐射的光与外来引起受激辐射的光具有相同的( b )频率、发散角、量子状态、偏振、传播方向(A)
17、(B)(C) (D)2.在激光器中利用光学谐振腔（ c ） (A)可提高激光束的方向性，而不能提高激光束的单色性 (B)可提高激光束的单色性，而不能提高激光束的方向性 (C)可同时提高激光束的方向性和单色性. (D)既不能提高激光束的方向性也不能提高其单色性 3自然加宽是由于（ a）引起（A）激发态有一定的寿命 （B）粒子的碰撞（C）多普勒效应 （D）粒子的振动4.多普勒加宽宽度可表示为(b )（A） 0217(016.vTvmolD（B）0217)(16.vTvmolD（C）).mol（D）027.ol5.一平凹腔,其凹面镜的半径 R 小于腔长 L,它是( )6对称共心腔在稳定图上的坐标为（
18、 a ）（A） （-1 ，-1） （B ） （0，0） （C） （1，1） （D ） （0，1）7在方型对称情形，TEM 11 对应的花样（ b ）（A） （B） （C） （D ） （E） 8在连续运转激光器稳定状态（d ）（A）增益系数随泵浦功率增加 （B）增益系数随光强增加而减少（C）小信号增益系数随光强增加 （D）增益系数等于阈值增益系数9设均匀增宽型介质的小讯号增益曲线的宽度为 v，当 sI时的稳定工作时讯号增益曲线的线宽为（c ）2(D) 2 (C)3(B) )A( vvvv10 锁模激光器输出脉冲功率 NI， 为：（ b ）（A） 脉冲数目.（B）纵模数目.（C）横模数目.（D）能
19、级数目 二、填空题（共 20 分）1. 要制作一个腔长 L60cm 的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围R (5 分)2. 连续工作的 CO2 激光器输出功率为 50W(有效截面内的功率 )，聚焦后的基模有效截面直径 w50m，每平方厘米平均功率为 . (5 分)3 .请完成下面的表格(每格 2 分，共 10 分)激光器名称工作物质粒子工作物质形态激光谱线波长 能级系统类型激励方式红宝石 固态 A6943三能级系统He-Ne Ne 原子 能量的共振转移三、计算题（40 分）1 （12 分）HeNe 激光器的中心频率 04.7410 14Hz，荧光线宽F 1.5l09Hz。今腔长 Llm，问可
20、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？2(14 分) （ 1）试求出方形镜对称共焦腔镜面上 03TEM模的节线位置的表达式(腔长 L、光波波长 、方形镜边长 a)（2）这些节线是否等间距？3.（14 分）某谐振腔的几何参数分别是 m1L、 1R及 m2.(1)这是哪一类型谐振腔?(2)试求其等价对称共焦腔的参数（ f 21 LR）.(3)请在同一个图上给出该谐振腔与其等价对称共焦腔的相对位置.四、简答题（10 分）1，稳定球面腔激光器工作物质横向尺寸增大是否会增加输出光束的光斑半径？为什么？广东工业大学试卷参考答案及评分标准 ( B )课程名称: 激光原理与技术 。考试时间:
21、 2007 年 6 月 18 日 (第 16 周 星期 一 )一、单项选择题（每题 3 分，共 30 分）1（ B ） 、 2（ C ） 、3（ A ） 、4（ B ） 、5（ C ）6（ A ） 、7（ B ） 、8（ D ） 、9（ C ） 、10（ B ）二、填空题（20 分）1 30cm （5 分）2 cm/W10546.2（5 分）3 . (每格 2 分，共 10 分)3Cr光泵浦气体A6328四能级系统三、计算题（40 分）1.(12 分 )解: 因为激光器的纵模间隔为Hz105.2388Lcq（3 分）所以可能存在的纵模数为105.89qFn即可能输出的纵模数为 10 个。 （3
22、 分）要想获得单纵模输出，则： LcqF2 （3 分）mcLF2.015.3 98（3分）2（14 分）解： （1）方形镜对称共焦腔镜面上 03TEM模的振幅分布为：,)128() ,)( 2320YX eYFeF（2 分） 其中： LxLyY（2 分）因为节线的位置，就是振幅为 0 的位置，所以令)( ,0)(30 YFXF（2 分）得： x 方向无节线； （2 分）y 方向节线位置： 23 ,01Y即： y （3 分）（2）这些节距是等间距的。 （3 分）3（14 分）解：（1） （3 分）（2）此腔产生的等价对称共焦腔的高斯光束焦参数；38（3 分） （2 分） （3）以其等价共焦腔的中
23、点为原点，腰位置即 z=0 处，设镜R1 的 z 坐标为 z1，镜 R2 的 z 坐标为 z2，有： 31)()(2121 Lz（1 分）3)()(212 RLz （1 分）故 为 稳 定 腔,130 211 ,221 221gRLgRLLRLf 2121mfL38210318382LL=2fz(4 分 ) 四、简答题（10 分）1，不会。 （2 分）因为稳定球面腔的光斑半径由腔长及曲率半径、波长所决定 （2 分）其束腰半径为：412220 )()(111LRLw（2 分）两镜面的基模光斑半径分别为：412122 412121 )()(LRLwss （2 分） 所以增加工作物质的横向尺寸并不改变输出光斑半径。 （2 分）
