激光原理与关键技术习题一

《激光原理与技术》习题一班级序号姓名级别一、选取题1、波数也惯用作能量单位，波数与能量之间换算关系为1cm-1=eV。（A）1.24×10-7(B)1.24×10-6(C)1.24×10-5(D)1.24×10-42、若掺Er光纤激光器中心波长为波长为1.530μm，则产生该波长两能级之间能量间隔约为cm-1。（A）6000(B)6500(C)7000(D)100003、波长为λ=632.8nmHe-Ne激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz。谐振腔长度为50cm。假设该腔被半径为2a=3mm圆柱面所封闭。则激光线宽内模式数为个。（A）6(B)100(C)10000(D)1.2×1094、属于同一状态光子或同一模式光波是.(A)相干(B)某些相干(C)不相干(D)非简并二、填空题1、光子学是一门关于、、光子科学。2、光子具备自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子集合，服从记录分布。3、设掺Er磷酸盐玻璃中，Er离子在激光上能级上寿命为10ms，则其谱线宽度为。三、计算与证明题1．中心频率为5×108MHz某光源，相干长度为1m，求此光源单色性参数及线宽。2．某光源面积为10cm2，波长为500nm，求距光源0.5m处相干面积。3．证明每个模式上平均光子数为。《激光原理与技术》习题二班级姓名级别一、选取题1、在某个实验中，光功率计测得光信号功率为-30dBm，等于W。（A）1×10-6(B)1×10-3(C)30(D)-302、激光器普通工作在状态.(A)阈值附近(B)小信号(C)大信号(D)任何状态二、填空题1、如果激光器在输出1W持续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁粒子数是。2、一束光通过长度为1m均匀勉励工作物质。如果出射光强是入射光强两倍，则该物质增益系数为。三、问答题1、以激光笔为例，阐明激光器基本构成。2、简要阐明激光产生过程。3、简述谐振腔物理思想。4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？四、计算与证明题1、设一对激光能级为和(设g1=g2)，相应频率为(波长为)，能级上粒子数密度分别为和，求(a)当，T=300K时，(b)当，T=300K时，(c)当，时，温度T=？2、设光振动随时间变化数关系为（v0为光源中心频率），试求光强随光频变化函数关系，并绘出相应曲线。《激光原理与技术》习题三光线传播矩阵描述班级姓名得分一、选取题1．如选用透镜两个焦平面作为入射面和出射面，透镜焦距为f，该光学系统传播矩阵为。（A）（B）（C）（D）2．如某光学系统两个参照平面为一对物-像共轭平面，则该光学系统ABCD变换矩阵四个元素中，必有。（A）A=0（B）B=0（C）C=0（D）D=0二、填空题1．当光线顺序通过变换矩阵分别为T1,T2,…,Tmm个光学元件构成光学系统时，前一元件出射光线作为后一元件入射光线，分别以第一种元件入射面和最后一种面出射面为参照平面，此光学系统传播矩阵为。2．反演对称光学系统对光线变换作用与光学系统使用方向无关，这样，反演对称光学系统正向变换矩阵与反向变换矩阵。3．反演对称光学系统变换矩阵对角元素相等，且相应行列式值为。三、计算题1.焦距为10cm正透镜与焦距为10cm负透镜相距5cm，求两个透镜构成光学系统变换矩阵、等效焦距、主平面H2与H1以及焦点位置，并作出相应光路图。（分别以两个透镜为参照平面）《激光原理与技术》习题四光学谐振腔稳定性与模式班级序号姓名得分一、选取题1．共焦腔在稳区图上坐标为。(A)(-1,-1)(B)(0,0)(C)(1,1)(D)(0,1)2．腔品质因数Q值衡量腔。（A）质量优劣（B）稳定性（C）存储信号能力（D）抗干扰性3．今有一球面腔R1=2m，R2=-1m，L=0.8m.该腔为。（A）稳定腔（B）非稳定腔（C）临界腔（D）不能拟定二、填空题1、设某固体激光器谐振腔长50cm，固体激光介质棒长30cm，其折射率为1.6，其本征纵模频率间隔为。2、设某激光器谐振腔长50cm，反射镜面半径为2cm，光波波长为400nm，则此腔菲涅耳数为。3、设激光器谐振腔两反射镜反射率为R1=R2=R=0.98，腔长L=90cm，不计其他损耗，则腔内光子平均寿命为。设v=5×1014Hz（即630nm），则激光腔Q值为。三、证明题与计算题1．试证明共焦腔是稳定腔。2．设激光器谐振腔长1m，两反射镜反射率分别为80%和90%，其他损耗不计，分别求光在腔内来回2周，以及t=10-8秒时光强是初始光强倍数。3．假设激光腔内存在电磁场模式电场为：，式中tc为腔内光子寿命。试求：1）电场傅立叶变换；2）发射光功率谱；3）谱线宽度。《激光原理与技术》习题五班级序号姓名级别一、选取题1、TEM00高斯光束强度图为。（A）(B)(C)(D)2、某单模光纤FP腔输出特性如右图，该腔自由谱宽为GHz。（A）10(B)20(C)40(D)50二、填空题1、激光腔镜衍射效应起着“筛子”作用，它将腔内筛选出来。2、FP腔来回传播矩阵为。三、计算与综合题1．某高斯光束入射到焦距为f薄透镜，该薄透镜位于入射高斯光束光腰处，如图所示。求输出光束光腰位置及其光斑大小。2．为了测试某光纤FP腔1.55μm波段透射特性，需要一台1.55μm波段宽激光光源，可是实验室没有专用有关波段光源，请同窗们提出两种可行解决方案。《激光原理与技术》习题六班级序号姓名级别一、选取题1、YAG激光器是典型系统。（A）二能级(B)三能级(C)四能级(D)多能级2、自然加宽谱线为。（A）高斯线型(B)抛物线型(C)洛仑兹线型(D)双曲线型3、某谱线均匀加宽为10MHz，中心频率所相应谱线函数极大值为。（A）0.1μs(B)10-7Hz(C)0.1s(D)107Hz二、填空题1、一种模内虽然没有光子，但仍具备一定能量，这称为零点能。当有n个光子时，该模具备能量为。2、线型函数归一化条件数学表达式是。3、均匀加宽特点是所有原子对于均匀加宽贡献，原子不可区别。4、聚光腔作用是。三、计算与综合题1、分别求频率为和处自然加宽线型函数值（用峰值gmax表达）2、某洛仑兹线型函数为（s），求该线型函数线宽及常数a。3、考虑谱线加宽之后，原子（或粒子）跃迁可用下式描述请解释闪灯泵浦激光器效率不高因素，指出提高光泵浦效率途径，试举例阐明。《激光原理与技术》习题七班级序号姓名级别一、选取题1、多普勒加宽发生在介质中。（A）固体(B)液体(C)气体(D)等离子体2、多普勒加宽谱线中心光谱线取值为。（A）(B)(C)(D)3、共焦腔基模光腰为。（A）(B)(C)(D)二、填空题1、激光器速率方程组是表征和工作物质各关于能级上随时间变化微分方程组。2、CO2激光器工作温度为227℃，则谐振腔内辐射场单色能量密度Ev=，受激辐射跃迁几率W21=。（B21=6×1020m3/Js2，λ=10.6μm）三、计算与综合题1、某脉冲激光介质中发光粒子浓度为n=5×1012cm-3，介质棒长度为L=20cm，横截面面积为A=2mm2，输出光频率为v=4×100THz，假设可将所有发光粒子所有激发到激光上能级，求在一次脉冲过程中输出能量。如脉冲宽度为τ=5μs，求平均输出功率。2、画出四能级激光系统能级图，并导出其速率方程组。《激光原理与技术》习题八班级序号姓名级别一、选取题1、某激光器输出功率与泵浦功率之间关系如右图。则该激光器斜效率为：。(A)40%(B)50%(C)75%(D)80%2、某激光器输出功率与泵浦功率之间关系如上题图。则该激光器泵浦阈值功率为W。(A)2.5(B)5(C)10(D)153、自发辐射爱因斯坦系数A21与激发态E2能级平均寿命之间关系是。（A）(B)(C)(D)4、阈值条件是形成激光。(A)充分条件(B)必要条件(C)充分必要条件(D)不拟定5、在粒子数反转分布状态下，微观粒子满足。(A)费米分布(B)高斯分布(C)波尔兹曼分布(D)负温度分布6、对同一种介质，小信号增益系数随而变。(A)谱线宽度(B)激发功率(C)粒子数密度(D)自发辐射几率二、填空题1、在持续工作状态下，激光腔内光子数密度N随时间变化可表达为。2、小信号状况下，反转粒子数及增益系数与无关，与泵浦几率成正比。增益系数与入射光频率关于。三、计算与综合题1、氦氖激光器有下列三种跃迁，即3S2-2P4632.8nm，2S2-2P41.1523μm和3S2-3P43.39μm跃迁。求400K时它们多普勒线宽，分别用GHz、μm、cm-1为单位表达。为了得到632.8nm激光振荡，常采用什么办法？《激光原理与技术》习题九班级序号姓名级别一、多项选取（5个备选中至少2个对的）1、自发辐射具备下列性质（     Ａ　Ｂ　Ｃ　Ｄ　Ｅ  ）   A各向同性 B 单色性不好C  非相干D  频率范畴宽E   无拟定偏振 2、原子受激辐射光与外来引起受激辐射光具备（  Ａ　Ｃ　Ｄ　Ｅ     ）.A频率  B 发散角 C  量子状态 D  偏振  E   传播方向 3、光谱线加宽是由下列因素引起（     Ａ　Ｂ　Ｃ　Ｄ　Ｅ ）   A原子碰撞 B 激发态有一定寿命 C  热运动 D  多普勒效应E   温度变化  4、在持续运转激光器稳定状态（　Ｄ　Ｅ      ）A 增益系数随泵浦功率增长 B 增益系数随光强增长而减小 C  小信号增益系数随光强增长 D 小信号增益系数随泵浦功率增长   E   增益系数等于阈值增益系数 5、光谱线均匀加宽相应下列说法（Ａ　B Ｃ　Ｅ　      ）A大量原子集体具备一定寿命 B 大量原子集体中原子互相碰撞C  大量原子以同一线型发射 D  发射线型为高斯线型 E   发射线型为洛伦兹线型二、填空题1、某激光器输出功率与泵浦功率之间关系如右图。则该激光器泵浦阈值功率为W。2、非均匀加宽工作物质中反转粒子数饱和行为会产生“烧孔”效应。当入射光频率为v2时，将使中心频率在范畴内粒子有饱和作用，在曲线上形成一种以v2为中心孔，孔深度为，孔宽度为。三、计算与综合题1、若红宝石被光泵勉励，求激光能级跃迁饱和光强。（请将解答写在反面）2、长度为10cm红宝石棒置于长度为20cm光谐振腔中，红宝石694.3nm谱线自发辐射寿命，均匀加宽线宽为。光腔单程损耗。求(1)阈值反转粒子数；(2)当光泵勉励产生反转粒子数时，有多少个纵模可以振荡？(红宝石折射率为1.76)《激光原理与技术》习题十班级序号姓名级别1、设某激光小信号峰值增益系数为，阈值增益系数为。令激发参量，试证明：对于非均匀加宽工作物质来说，其振荡线宽与荧光线宽之间关系为。2、试画图阐明模式竞争过程3、什么叫模式空间竞争？为了在均匀激光器中实现单模运转，可以采用什么办法？4、持续激光器稳定工作时增益系数与否会随泵浦功率提高而增长？为什么？5、CO2激光器谐振腔长L=0.8m，放电管直径d=20mm，输出镜透射率T=0.04，其他来回损耗率为a=0.04。求1）腔内稳定光强；2）激光器输出功率；3）最佳输出功率。（设只有v0一种模式振荡，经验公式：Gmax=1.4×10-2/d(1/mm)，Is=72/d2(W/mm2）)6、He-Ne激光器谐振腔长L=1.5m，输出镜截面面积S=1mm2，输出镜透射率T=0.02，激活介质线宽为1GHz，饱和参量Is=10W/mm2，现将此激光器激活，激发参量为4。求总输出功率。（所有模式都按中心频率计算)7、非均匀加宽气体激光器中，已知Gmax=10-4(1/mm)，总单程损耗率为δ=0.02，腔长L=0.5m，入射强光频率为，且光强达到稳定，求该光在增益曲线上所烧孔深度δG。《激光原理与技术》习题十一（脉冲激光器工作特性）班级序号姓名级别一、多项选取（5个备选答案中至少2个对的）1、当光泵能量低于阈值时，作用占优，可观测到荧光谱。   A自发辐射 B 受激辐射C  受激吸取D  不拟定2、当光泵能量高于阈值时，作用占优，可观测到激光。   A自发辐射 B 受激辐射C  受激吸取D  不拟定3、三能级系统激光器，至少要把总粒子数抽运到激光上能级，才干实现激光振荡。A1/2 B 1/3C  1/4D  1/10二、简答与分析题1、什么是弛豫振荡效应？2、右图可用于解释脉冲激光器输出特性，其中φ为腔内光子数密度，Δn腔内反转粒子数密度，Δnt为阈值反转粒子数密度。请解释脉冲激光器输出激光为什么具备“尖峰”构造。3、以三能级系统为例，阐明总量子效率物理意义。如何提高总量子效率？三、计算与综合题1、脉冲掺钕钇屡石榴石激光器两个反射镜透过率、分别为0和0.5。工作物质直径d=0.8cm，折射率=1.836，总量子效率为1，荧光线宽，自发辐射寿命。假设光泵吸取带平均波长。试估算此激光器所需吸取阈值泵浦能量。《激光原理与技术》习题十二（调制）班级序号姓名级别一、选取题1、右图是某持续激光经调制后频谱，调制信号频率为。(A)50MHz(B)100MHz(C)5MHz(D)20MHz2、如上题图，调制信号宽度约为。(A)5ns(B)10ns(C)20ns(D)100ns二、填空题1、将信息加载到激光上过程称为，激光称为载波。外调制特点是。2、计算KDP晶体纵向电光效应半波电压。使用He-Ne激光，l=0.6328mm、no=1.51、ne=1.47、g=10.6´10-12m/v，则半波电压为。三、计算与综合题1、已知KDP电光系数为，若在z轴方向加电场E，求加电场后椭球折射率方程，并求。2、试一种实验装置，如何检查出入射光偏振态(线偏光、椭圆偏光和自然光)，并指出是依照什么现象?如果一种纵向电光调制器没有起偏器，入射自然光能否得到光强调制?为什么？《激光原理与技术》习题十三（调Q技术--原理某些）班级序号姓名级别1、调Q激光器脉宽为量级。（A）μs(B)ns(C)ps(D)fs2、为什么调Q时增大激光器损耗同步能导致上能级粒子数积累？3、实现调Q对激光器基本是什么？4、普通脉冲激光器峰值功率不高重要因素是什么？5、简述调Q技术基本思想6、红宝石调Q激光器输出镜反射率为r1=0.96,另一镜反射率在r2=0.1到r2=1之间变化，红宝石棒与腔长同为L=20cm,截面积S=10mm2,红宝石发射截面σ21=2.5×10-24m2,设Q开关在反转粒子数达到r2低反射率所相应阈值时启动，求jm及Pm(光波长l=694.3nm,折射率n=1.76)。7、若调Q激光器腔长L不不大于工作物质长l，及分别为工作物质及腔中别的某些折射率，试求峰值输出功率Pm表达式。《激光原理与技术》习题十四（调Q技术某些）班级序号姓名级别1、试画出带偏振器KDP电光调Q激光器构造示意图，并简述其工作原理。2、在双45°LN电光调Q激光器中，常采用光预偏置技术。请问何为光预偏置技术？3、脉冲透射式调Q技术又称“腔倒空”技术，请解释“腔倒空”，并举例阐明。4、声光调Q激光器机理是什么？试举例阐明5、请解释运用可饱和吸取体调Q激光器工作原理，“漂白”含义是什么？试举例阐明。《激光原理与技术》习题十五（锁模）班级序号姓名级别一、选取题1、右图是某锁模脉冲激光器输出RF频谱,则此脉冲激光器重复频率为：GHz。(A)2.5(B)5(C)10(D)502、如上题图,则此脉冲激光器重复周期为：s。(A)200(B)2.0×10-8(C)2.0×10-10(D)2.0×10-123、某一锁模激光器输出谱线形状近似于高斯函数，在变换极限下，其时间--带宽乘积约为。(A)0.441(B)0.315(C)0.882(D)1.3214、一锁模He-Ne激光器振荡带宽为600MHz，输出谱线形状近似于高斯函数，其相应脉冲宽度为：。(A)0.74ns(B)1ns(C)1ps(D)1fs二、填空题1、在有关测量法中，设被测光场光强为I(t)，则二阶有关函数定义为。2、设多模激光器所有振荡模均具备相等振幅，超过阈值纵模共有2N+1个，与自由运转激光器平均功率相比，由于锁模，其峰值功率增大了倍。3、运用可饱和吸取体锁模激光器，称为激光器。三、简答题1．可饱和吸取体可压缩输入脉冲信号，试阐明其机理。四、计算题1、一锁模氩离子激光器，腔长1m，多普勒线宽为6000MHz，未锁模时平均输出功率为3W。试粗略估算该锁模激光器输出脉冲峰值功率、脉冲宽度及脉冲间隔时间。《激光原理与技术》习题十六（选模技术）班级序号姓名级别一、填空题1、谐振腔对不同阶数横模有不同损耗，这一性能是实现横模选取基本。2、激光器振荡频率范畴是由工作物质决定。3、为了有效选取横模，衍射损耗在模总损耗中必要。二、简答题1、模式选取普通环节是什么？2、阐述短腔法选纵模原理，并简要阐明该办法合用场合？三、计算题1、激光工作物质是钕玻璃，其荧光线宽=24.0nm，折射率=1.50，能用短腔选单纵模吗？为什么？2、一台红宝石激光器，腔长，振荡线宽，在腔内插入原则具选单纵模（），试求它间隔及平行平板反射率。3、图示激光器M1是平面输出镜，M2是曲率半径为8cm凹面镜，透镜P焦距F=10cm，用小孔光阑选TEM00模。试标出P、M2和小孔光阑间距离。若工作物质直径是5mm，试问小孔光阑直径应选多大？《激光原理与技术》习题十七（光放大技术）班级序号姓名级别1、“光束质量”惯用M2参数来描述，其物理实质是将实际光束与进行比较。2、一种YAG激光放大器，，，对一矩形光脉冲放大，已知光束截面是，光子能量，脉宽为，能量为，若规定放大到，则放大介质长度应为.(A)4.62cm(B)7.44cm(C)8.64cm(D)1.55cm3、再生式放大技术可分为和两种。4、FP腔半导体激光放大器是个偏置在如下半导体激光器。5、光纤拉曼放大器长处是传播与放大同步进行，但需要较强和很长光纤。6、强脉冲放大有何特点？其机理是什么？为将强脉冲无畸变放大，应如何操作？7、设计激光放大器时应考虑那些因素？8、何为再生式放大技术？9、何为注入锁定技术？《激光原理与技术》习题十八（倍频技术）班级序号姓名级别在强激光作用下，介质会体现出非线性效应，此时，介质极化强度可表达为。2、对三阶非线性效应，介质极化率、折射率和吸取系数都是函数。3、三阶非线性克尔介质折射率可表达为。4、倍频光子是由两个基频光子产生。符合能量守恒定律。5、Nd:YAG激光器发出激光波长是1.06μm，经倍频后，可得到波长为激光。6、绘出三波耦合原理示意图，并写出相应能量守恒与动量守恒方程7、光学二次谐波，常称光学倍频，其相位匹配条件是什么？为实现相位匹配，应如何操作？8、写出光学和频、差频能量守恒与匹配条件，并绘出相应原理性框图。9、解释光学参量放大？10、何为光学参量振荡器？光学参量振荡器与常用激光振荡器有何异同？