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1、激光原理及应用试卷 班级姓名成绩 一、填空题（1.5 20=30 分） 1.光与物质的相互作用有三种不同基本过程，即，及 A21称为： B21称为：B12称为：自发辐射 的平均寿命 与 A21关系为 2.引起谱线增宽的原因主要有三种，即。 它们的线型函数有两种，分别是。 3.光的一个基本性质是具有。一方面光是电磁波，具有波动 性质，有一定的和。另一方面光是光子流，是具有一定 和的物质粒子流。 4产生激光必须具备的三个条件：， ， 二、问答题（5 6=30 分） 1.简要叙述激光器稳定出光的过程。 2.三种谱线增宽形式中哪些是均匀增宽？哪些是非均匀增宽，为什么？ 3.详细说明对称共焦腔中高斯光束
2、的特点，并图示 4.叙述用兰姆凹陷稳频的工作原理。 三、分析题（ 40 分） 1. （10 ）如图所示为的 1 E和 0 E（基态）分别为激光上下能级， 0 n和 1 n分别为上下能级 的粒子数密度，谐振腔中传播的单色光能密度为（假设其线宽比介质的线型函数)(vf的 线宽窄得多） 。图中过程为泵浦速率为R0的抽运过程， 为自发辐射过程，和分别为 受激辐射和受激吸收过程, 自发辐射系数、 受激辐射系数和受激吸收系数分别为A10、B10、B01。 试写出 1 E能级在单位时间内粒子数密度的增加量，并说明表达式中每一项的物理意义 2.（15 分）一染料激光器输出激光的波长为0.63m ，采用平凹腔，
3、凹面镜的曲率半径为 2m，腔长为 1m， （1）求出它所产生的高斯光束的光腰大小和位置，共焦参数f 以及发散角 。 （ 2）如果使用焦距为5cm 的凸透镜聚焦，入射光腰到透镜的距离为1.50m。问：离透镜 1.0m 处的出射光斑半径为多少？ 3.（ 15 ）设有三束频率分别为 0、0 和 0 、光强为 I0、I1和 I2的强光沿相同方 1E 0 E 向或相反方向（如图）通过中心频率为 0的非均匀加宽增益介质（ I0I1 I2） 。试分别分析 下列两种情况下反转粒子数按速度 z的分布，并画出相应的分布曲线，要求在图中标出烧 孔位置及烧孔深度。深度只要求标出相对大小。 )( 02 I z )( 0
4、2 I )( 00 I z )( 00 I )( 01 I )( 02 I 激光原理及应用试卷 ( 答案) 四、填空题（1.5 20=30 分） 1.自发辐射、受激辐射、受激吸收；自发辐射系数、受激辐射系数、 受激吸收系数； 1/A21 2.自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽；洛仑兹线型、高斯线型 3.波粒二象性；波长、频率；能量、动量 4有提供放大作用的增益介质、有外界激励源造成粒子数反转分布、有光学谐振腔 五、问答题（5 6=30 分） 1.简要叙述激光器稳定出光的过程。 答：激光增益介质在激励源的激励下造成一定数目的粒子数反转分布，高能级上的粒子不稳定会产生自发 辐射光，增益介质对这些最初始
5、的自发辐射光有一定的增益系数，此时的增益要大于谐振腔的总损耗，光 在谐振腔中往返传播一周增加的量大于损耗的量，因此光在谐振腔中逐步得到放大；当光继续被放大到一 定强度可与激光器的饱和光强可比拟时，光强将使介质的增益系数产生饱和效应，当增益系数逐步下降到 等于谐振腔的总损耗系数时，光在腔中往返一次被增加的量等于损耗的量，此时激光器即发出稳定的光强 2.三种谱线增宽形式中哪些是均匀增宽？哪些是非均匀增宽，为什么？ 答： （1）自然增宽和碰撞增宽均属于均匀增宽，因为在这类增宽中，每一发光原子所发的光对谱线线宽内 任一频率都有贡献，并且贡献是一样的。（2）多普勒增宽属于非均匀增宽，因为每一种速度的发光
6、原子它 所发出的光只对该谱线内该速度所对应的表观频率有贡献，即不同速度的原子的作用是不同的。 3.详细说明对称共焦腔中高斯光束的特点，并图示 高斯光束可看成光轴上一系列的“发光点” 上发出的球面波，其波阵面对发光的共焦腔中心具有对称分布。 在腔内的波阵面所对应的“发光点”都在腔外，且随着波阵面由镜面向腔中心接近，波阵面的曲率半径逐 渐增大，“发光点”由镜面中心移向无穷远处。腔中心处的波阵面是个平面。在腔外的波阵面所对应的“发 光点”都在腔内，且随着波阵面由镜面远离腔体，波阵面的曲率半径逐渐增大。“发光点”由镜面中心向腔 中心处靠近。无穷远处的波阵面对应的“发光点”是腔中心，因为波阵面的曲率半径
7、增大成无穷大，波阵 面也变成平面。镜面本身也是波阵面，它对应的曲率半径最小，每个镜面对应的“发光点”恰好落在另一 个镜面的中心。 4.叙述用兰姆凹陷稳频的工作原理。 答：非均匀增宽型介质激光器谱线的输出功率随频率的变化是钟型的，即在谱线的中心频率处形成一个兰 姆凹陷，兰姆凹陷的宽度较谱线的宽度窄，而凹陷的中心频率就是谱线的中心频率。当输出频率在中心频 率附近有微小的变化就会引起输出功率的显著变化。因此通过对输出光强的检测，输出一个与光强变化相 对应的信号去控制腔长，从而把频率稳定在中心频率处。 六、分析题（ 40 分） 1. （10 ）如图所示为的 1 E和 0 E（基态）分别为激光上下能级，
8、 0 n和 1 n分别为上下能级 的粒子数密度，谐振腔中传播的单色光能密度为（假设其线宽比介质的线型函数)(vf的 线宽窄得多） 。图中过程为泵浦速率为R0的抽运过程， 为自发辐射过程，和分别为 受激辐射和受激吸收过程, 自发辐射系数、 受激辐射系数和受激吸收系数分别为A10、B10、B01。 试写出 1 E能级在单位时间内粒子数密度的增加量，并说明表达式中每一项的物理意义 答： 其中：为单位时间通过自发辐射从 1 E 能级跃迁到 0 E 能级的粒子数密度，即 1 E 能级上的粒子数密 度由于自发辐射减少的量 为单位时间通过受激辐射从 1 E 能级跃迁到 0 E 能级的粒子数密度，即 1 E
9、能级上的粒子数密 度由于受激辐射减少的量 为单位时间通过受激吸收从 0 E 能级跃迁到 1 E 能级的粒子数密度，即 1 E 能级上的粒子数密 度由于受激吸收增加的量 2.（15 分）一染料激光器输出激光的波长为0.63m ，采用平凹腔，凹面镜的曲率半径为 2m，腔长为1m， （1）求出它所产生的高斯光束的光腰大小和位置，共焦参数f （2）如果 使用焦距为5cm 的凸透镜聚焦，入射光腰到透镜的距离为1.50m。问：离透镜1.0m 处的出 射光斑半径为多少？ 答：（）此平凹腔的等价共焦腔为腔长为，由两块曲率半径为的凹面镜组成，平面镜的位置即 为等价共焦腔的中心，也是光腰处 光腰的大小： 6 0
10、0.63 102 0.448 22 L mm 共焦参数：1f （） 1E 0 E )()( 0101011010 1 fBnBnAnR dt dn 101A n )( 101 fBn )( 010fBn 3.（ 15 ）设有三束频率分别为 0、0 和 0 、光强为 I0、I1和 I2的强光沿相同方 向或相反方向（如图）通过中心频率为 0的非均匀加宽增益介质（ I0I1 I2） 。试分别分析 下列两种情况下反转粒子数按速度 z的分布，并画出相应的分布曲线，要求在图中标出烧 孔位置及烧孔深度。深度只要求标出相对大小。 )( 02 I z )( 02 I )( 00 I z )( 00 I )(01I )( 02 I