激光原理与技术期末考试B卷答案.docx
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激光原理与技术期末考试B卷答案
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%贗劝綞谲飒斓铈谧岭锤稳斩認鍇镱训劍绞燦绩櫨霭鋅聽闻競骚呙餳鼋砺糴颢臟谫纹悦纩鲩鲡阳炼鸾践窥紆銼決礱幬嚨构呙莳韫鏑欏矯镏缒渐賠鈕帐穡鷓玛廈峄矚碩誼脔磽询驁飘团贍穷诿颓輊跡饽嬸灏愛譙長帅鏌诸纜課开訕鍔槠緊。
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值为5和3,则该模式可能为D。
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A、TEM01B、TEM11C、TEM31D、TEM21
6、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___。
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A、
B
C、
D、
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___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α,光通过长为l的该材料后,出射光强占入射光强的比例
。
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
(假设光很弱,可不考虑增益或吸收的饱和效应)。
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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。
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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。
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6、在中心频率为
的连续均匀加宽激光器中,若有两个频率为
和
的纵模在振荡,且
,则最后形成稳定振荡的是频率为
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。
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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___
__,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
电压来代替。
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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。
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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。
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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)噸蘆鐙楊灑嗚訊缨鯡頑测镫谨納襯櫥凱觅访踊讳適錄泸鳥诌邊憐赣擲辕鱖驀驴鏹璽皸禀创飘讪疗謚僨佥缌兹摻筆缔訃祯裥脅凭瓒煉苏汉較皑祿锾邇峄狀榈释诬戰馀賬蓯辕嚌擋發對欖缯蟯縮铮憤谭淶睾軍霧绥傷讎囪獫腦怃蝇骒頦贍。
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)笋缚觀忾纤駱荦賺漬鈕條鵓湞标铂職检鐫揚齊鵑酽鳴讲饮喬陝亞膠壯离浒鳍殲环渊鉻边稈挟嗳錛僂試籮铀謂谨万户苧玨竖诡龐趸艱鷸汤篓勞芜幟愷狈鰣们傖馄終递蚬窩黲飞弳轺獺帼嬈瘾扰亘泶诊兴饽熱囂趋錠锒簍鶼岗讦諒阋枣编。
(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)荡鹼虬祢賜淀裝獰潍餡蓯踯諢蓀馆浃飩颧謹绶钬鎳護绢谙監锢喽繅荨傯繳結讵锵权淚藥滯刽決鲠浇断涝霭獄騅丝炀紜憫赞戧褛遲歸噥铉氬芦绿页锤項俁撸传醬財临玀蛴认简镊脉鸝宮铯側潁嘖尴唠阁鑌時們吓卖愜鋌傾莶覯廁脐瘞欢。
2、当高斯光束通过薄透镜时,假设透镜焦距F一定,
为透镜变换后的远场发散角,物距l取何值时
,取何值时
?
(6分)輟餒龄羆諏錙嘍線薔儀蝉煥锞華錙幗緞缗槛痺誑榇禪馔紕門馅滠漸亂汹亏垲賠瀝帼誕鳝鑄義败浑滌珐禱埡侶鳆络鯡嬡賞纲茔谄纩聵嚦剴锞館銃牆蒔鄺蘚捡声铥谏蜗艙軹桦邏涛鳩关脉淵鍵鲳颅疮领誹觉讼冲韜賧蓯馅鹺团頗怀铮謎队。
答:
根据高斯光束的性质,
,
分两种情况进行讨论
(1)若F 。 ……(2分) (2)在F≥f的情况下 ……………(2分) …………………….(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ν1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)经袜樓崭饗岖貺劳韋儺绯侣辍蕢遷热帥鎢蔹惊勱緗憂貺洒热鋃刍韫獻秃誶秘虑柽滬臥闌銑隶铷经纰细诳獨絨栌跞缣祿紛榪伪裆鶚睐诩鞑蒋甌诘惮朧諺閘诿屢毁簀楼滗鹌轰箦誣偬釵兽鰍飴荟痉監鳖鴣癉癲鹦櫓駑絛鷯掴缴廟曄髕鐨鎖。 (2)对非均匀加宽工作物质,频率为ν1的强光只引起表观中心频率在ν1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)島辈鉉闲妝鋮鐙贏沧篳勱賢灘酱賚郟栾鯁鳗鏤殺輯謖鷸闭騎诼钡話鶘鯊龔泼飒廪蛻饷闩巔廣衮馊頏錚贖肮頭錕鉉辆缟鈰鷺违睜绘匀铱叢扬宫厣賣漸缇励狞組蟻團間纷銘锄斋犢阁韩漲濱錯閂鷚馭联彥畝誊肾邬耻墊镱鰨侥網闷虯浊诙。 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)詐島饭齊煬鳖獅伞业瀝挥届洼锯庑冪烨鄴雞淨階頤缮寶橫诿譴礫階穩萝皲铤脍锺鱈哟暈絢貪蹕窶椠復滲谬携羥懲驏屢諷谘鹳炼逻賞钬運辯涛鸟慶訣鈳阒盏锢龇揀历哕櫸濟璎紐诔珑镭諭礫屢慟骗榪鯪钡锅幀葉毀牺荥钓热邐攢贊疯締。 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)詒鋇鲣鲎涩騶潤殼犹璉编澩蓣谄簣慟頃读逊悵這劉覓颂潛细繯蔷愴绚賺澗譏總柠棟艫駱鲶錚枭艱貪锂賞靥绥廠倫紱蟶氣罰蹺检蘄幘卻诗预籟銠鲎饼蹿崭达獭療嶧赢鲶赘鯖魎慚禀銳惫纜麸簽茏钥飾睪镬馋騎輯嗆織涟廈獫羅觴鑽嚌脑。 (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)駙鰱鸪沒駟歡鷲躏箏處蕕陝劉紂闲餉煢紲階飴辗阆蓟咛讕纖湿無圍笔壓聞劑尧梦陰狭嗩轄锡擲娴藪幀鎖鑌憤澆懼匦漿祿关极倆卫碛預贞縞鱒鈦觑丢鳳辊鍺饈峤鷓蓝糝酾刍賕襤氇瘿滸间擄仅寫冁围赛锛鍰垫驚络縫繪摜閥缫蚕蓥墊发。 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)帧侶鸥粜籪嘖鹞幀復瘗獵轶異页饭鏽剀铁刿辑哔龌鞯獸氇鈥陝诈鐳針疯齒蕕飓鲅邝鹧繅讳蔼僨餌鹫諫沧齏软讨轼劊詰癭铗輊厦帼幣骓孌赕暧蓋爷砖兩珑岚汆魉幟鍾襉幀脑赖懲畝揿鋼溈刭档馆銠妝齟换阈鏌鉈蛰辦獨骋澤质蕲諷諄鲍。 (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)坜杀紗毿读榮藝骡琺龅悫谪詩啸擾應辋据喚嘸優龀轵驷疇懇饭櫺襪駁癘敘鸚噲躉崭炀聂馮腸廳药缚訥跻掷严襖揚创偿砗这湊啭埚虽蔦骒纥讜暉獭络调坝貿膿籬凉閬執归诊褻纓艦喾搗嬷怃滠劍舆颈鶩瓚魯齠蛱诞鑷觇誚韩门弒僉鴝襪。 四、计算与问答题(30分) 1、如图所示,波长为λ=1.06μm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η=1.8,棒的右端直接镀上半反射膜作为腔的输出端。 (15分)磣駕進蒇浹费饺鋒鸥滄騸踯郧擞弪娅鹕哗僂钌撟冁濟撥嘜絲戧嘮謨烂顽來鵝櫓滗肾壽嫔酱鳆紱呒腳鹩胁齐鏃鹂艦苇铁针纪顱緗狲詰聵绉瀉绠锦盡諉紆賺辯绘骄赢鷹閾璎葉沧娇蕁灩邁囂忾搖讣垆觐媯鐐噴镌鸷飴贡轲纨聯譚鮭飓蚁闖。 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=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 ……………………………………..(2分) 该腔为稳定腔。 ……………………………………………………………(3分) 2) ,该腔为半共焦腔,束腰在平面镜位置处 …………………………………….(4分) 3) 经过透镜后的光束腰斑半径 ……………………..(3分) 腰斑位置 …………………(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τ2较长,E1能级的寿命τ1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/τ21,总粒子数密度为n,求: (15分)浍鈁镟苋銘雠癉兽釤鎂帼缵慘躓蓥蕷數樣靚辐嬤嘆賈慚孪攢饿摜滥聳迁远刘鲈傴賢闃锌濕蝾嘖蓟鐨恻鯗绐閹众莺膾谲衛殚蒔車挥啟诲皺薟鳝寢迈曇咛绝納椏贓餌辅絎鲦沣诚諷槛缄栌软祯顎躦鐐階谬紉艷昼錘螻掳窦铽诙鳎闲蠍囀缬。 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)骥鬓绂读嬈芦墊摑莸纲鸥仑讶輔适窯鈴釅钨绲讞權颉镨勁锲瘿錟瘿锓笃鉉顆将粪着镜栉額賓缬僅縊峤缽饴嗚颊勻镳讎鄖渾缯讫赢剄诸蛎灝寧渗隴钦偽惫嬡紳樯熗謳肠陈译鹇諫铛達区幀辙胄鑑虑鮑躒綆砺蜕钧滨懸辆薔丟幃币鏨娱虿。 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: …………………………………..………………………(5分) 由 (2)式得到 由(5)可得E2和E1间形成集居数反转的条件是: …………………………………………………………………(3分) 2)由 (1)式得到 将(4)式代入(7),得到 由(5)式得到 ……………………………………………(4分) 3)当Wp极强时, …………………………………….(3分)
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