2011学年“激光原理与技术”期末考试B卷（答案）

征是什么？（6分）

答：（1）对均匀加宽工作物质，频率为?1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) （2）对非均匀加宽工作物质，频率为?1的强光只引起表观中心频率在?1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) 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）

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)

（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)

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)

（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（?q?1??q?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)

四、计算和问答题（30分）

1、如图所示，波长为?=1.06?m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?=1.8，棒的右端直接镀上半反射膜作为腔的输出端。（15分） 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

L??a?b/??0.15?0.18/1.8?0.25m(1)……………………………………..(2分)

?L???L???0.25??0.25?g1g2??1???1????1???1???0.50.5?????R1??R2???0?g1g2?1(3)

(2)

该腔为稳定腔。……………………………………………………………(3分) 2）R?2L?，该腔为半共焦腔，束腰在平面镜位置处

R?0.5?1.06?10?6?0???290?m2?2?3.14(4)…………………………………….(4分)

3）

f???0??23.14??290?10?6?1.06?10?62?0.249m(5)

经过透镜后的光束腰斑半径

?0???0F?F?l?2?f2?290?10?6?0.1?0.1?0.2?2?0.2492?108?m(6)……………………..(3分)

腰斑位置

l?F?F2?l??F?2?l?F??f20.2?0.1??0.12??0.1?2?0.2?0.1??0.2492?0.114m(7)…………………(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。泵浦光频率和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?2较长，E1能级的寿命?1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/?21，总粒子数密度为n，求：（15分） 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） 2）E2和E1间的反转集居数密度和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：

dn2n?Wpn0?2?0dt?2dn1n2n1???0dt?21?1n0?n1?n2?n(1)

(2)

(3)…………………………………..……………………… (5分)

由（2）式得到

n1??1n?212(4)

????n?n2?n1?n2?1?1???21?(5)

由（5）可得E2和E1间形成集居数反转的条件是：

?1??21(6)…………………………………………………………………(3分)

2）由（1）式得到

n2?Wp?n?n1?n2??2(7)

将（4）式代入（7），得到

n2?Wpn?2?1?Wp?2?1Wp?2?21(8)

由（5）式得到

??1??n??1???11?Wp?2?Wp?2??21?Wpn?2(9)……………………………………………(4分)

?213）当Wp极强时，Wp?2??1

??1??21??1?n?1??n??1?1??21??1?21??1?Wp?2?21n(10)…………………………………….(3分)