06~07激光原理与技术A答案.doc

2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》A卷 试题答案 基本概念题(选做6小题，每小题5分)[30] 。 增益介质：对入射光产生放大作用。 光子谐振腔：选模、储能，形成光振荡（变激光放大器为激光振荡器）。 1.3 对于线宽为??的洛仑兹函数和高斯函数，│ν-ν0│为多大时，这两个函数值相等？在什么频率范围内，洛仑兹函数值大于高斯函数值？│ν-ν0│= 0.75???时，洛仑兹函数与高斯函数值相等；│ν-ν0│ 0.75??时，洛仑兹函数大于高斯函数值。 1.4 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？就两系统各举一典型实例. 三能级系统与四能级系统的主要区别是：前者基态与激光下能级共享，因而阈值反转粒子数密度为n/2，而后者的激光下能级抽空速率很快，阈值反转粒子数密度近似为激光上能级的阈值反转粒子数n2t。典型的三能级系统激光器为红宝石激光器，典型四能级系统激光器为Nd:YAG激光器。 1.5 何谓烧孔效应？何谓兰姆凹陷？ 烧孔效应主要指非均匀加宽介质中，由于频率?1的强光入射引起的反转集居数的饱和现象。即在频率为?1，光强为I?1的强光作用下，使表观中心频率处在 ?1±(1+ I?1 /Is)1/2???H/2范围内的粒子产生受激辐射，因此在?n???~??曲线上形成一个以?1为中心，宽度约为 (1+ I?1 /Is)1/2???H的“烧孔”，这种现象称为烧孔效应。 （均匀加宽介质的空间烧孔效应：当频率为?q的强激光振荡时，它在腔内沿轴线方向的分布形成驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小。腔内的增益系数不同，波腹处光强大，用去的反转粒子数多，造成增益系数下降也大。波节处增益系数下降少。我们称这种反转粒子数密度或增益系数在腔内轴线上具有某种分布的现象为空间烧孔效应。） 兰姆凹陷是指非均匀加宽介质激光器的输出功率P随频率变化曲线在中心频率?0处的凹陷。即非均匀加宽工作物质，中心频率处，增益虽然大，但参与光放大的粒子数少，在输出曲线上，中心频率附近功率低，形成凹陷。 1.6 试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别 激光振荡器：可以构成一台激光器 激光放大器：可以是一段增益介质 激光器：可以由一个激光振荡器构成，也可由一个振荡器和一个或数个放大器构成。 1.7 何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？ 有源腔与无源腔的区别在于有无增益介质（工作物质，泵浦均可）。 激光线宽极限：激光输出中有种线宽由于自发辐射的存在而产生，因而是无法排除的，所以称它为线宽极限。 频率牵引效应：在有源腔中，由于增益介质的色散，使得纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做频率牵引效应。 1.8 什么是小信号增益系数？在其他条件相同情况下，小信号的增益系数对激光输出功率有什么影响？ 腔内光强时的增益系数叫做小信号增益系数。在其他条件相同情况下，时，越大，输出功率越大；时，无激光输出。 2. 综合思考题(选做2小题，每小题15分)[30] ……（主观题：答案无统一标准） 2.2 设有两束频率分别为(0 + (( 和 (0 - ((，光强为I1及I2的强光沿相同方向或相反方向通过中心频率为(0的非均匀加宽的气体增益介质(I1 I2)。(1)试分别画出反转粒子数按速度vz的分布曲线(n(vz)，并标出烧孔位置及烧孔深度。(2)试问有效泵浦功率或气体的气压变化，对分布曲线(n(vz)有何影响？ （1）两束沿相同方向入射（沿Z轴正向），两束光分别烧孔： I1 ，，在处烧孔，孔深 I2，，在处烧孔，孔深 当两束光反向通过介质时（I1沿Z轴正向不变，I2沿Z轴反向），则I2 与I1在同一处烧孔： ，孔深为 （2）有效泵浦效率的变化影响(no，因此影响孔深，即泵浦效率越大，(no 越大，因而烧孔越深。气压的变化影响均匀加宽的宽度??H，因而影响孔的宽度，气压升高，宽度增大。（主观题：答案无统一标准） 2.3何谓介质的吸收截面？现有红宝石样品一块，试设计一实验方案测量该样品的吸收截面，列出实验所需的设备和元器件。 吸收截面：对于一能使介质产生共振吸收 (E2 - E1 = h??? 的入射光，处在下能级E2的一个原子有效俘获该入射光的横截面积为吸收截面?12。 设计实验：（主观题：答案无统一标准） 2.4试从发光机理、能量转换效率、输出特性、用途等方面 将激光器与你熟悉的任一普通光源（如白炽灯）进行比较分析， 激光器与你熟悉的任一普通光源（如白炽灯）的比较：（主观题：答案无统一标准） 发光机理： 能量转换效率： 输出特性：单色性好，方向性好，相干性好/全光谱，无方向性，非相干 用途：医疗、通信、武器等精密仪器/照明 3. 计算题(选做2小题，每小题20分)[40] 3.1长度为10cm的红宝石棒置于长度为22cm的光谐振腔中