清华大学本科生考试试题专用纸【A】 班级 考试课程激光原理2006年6月14日 姓名 填空:(共28分:前7题每空1分;第8-10题每空2分) 1.氩离子激光器的优势谱线加宽类型 采用 激励,主要输出波 长 2.掺铒光纤放大器(EDFA)中的发光粒子是 属_能级系统,采用_泵浦激励方式, 无信号光输入时,输出光为 当输入光功率为1μw,放大器小信号增益为30dB,输出光 功率为 (参见书上p.290图94.3) 3.将一腔镜固定在压电陶瓷环上,要使纵模频率移动一个频率间隔,则压电陶瓷环长度变化 4.固体激光器弛豫振荡频率及衰减常数都与_有关 5.用F-P标准具选单纵模时,标准具的自由谱区(相邻透射率峰的频率间隔)应大于激光器的 而透射谱线宽度需 纵模间隔 6.选横模能改善激光的相干性;选纵模有利于提高激光的」 相干性 7.均匀加宽工作物质的增益饱和效应与频率」 非均匀加宽工作物质的增益饱和效应与频 8.若HeNe激光器的一个振荡模v在增益曲线的半高位置处形成烧孔,已知Ne原子跃迁的中心波长为 6328nm,多普勒线宽△v=1500MHz,则烧孔中心的Ne原子速度为 9.一均匀加宽宽度为△v的激光器,当g"(v)=4gm时,振荡线宽为 ⑩.一均匀加宽,幅度调制主动锁模激光器有100个纵模相位被完全锁定,若纵模间隔为lGHz,输岀光脉 冲的重复频率是 脉冲宽度约为 若相位未锁定时的平均输出功率为5mw,该锁模激光器 输出脉冲的峰值功率为。若输出脉冲为高斯形,则锁模脉冲的谱线宽度为。 二、(10分)下图为一台激光器装置示意图,写出下列-元件在该激光装置中所起作用,并回答有关问题。 电光晶体 红宝石棒g>0 ①电光晶体:请在图上标出座标轴X、Y、Z,若晶体半波电压为4kv,有激光脉冲输出时(Q开关打开) 施加在晶体上的电压为 格兰棱镜: 请在图上标出偏振方向。 ③小孔光阑:
清华大学本科生考试试题专用纸【A】 班级 考试课程 激光原理 2006 年 6 月 14 日 姓名 一、 填空：（共 28 分；前 7 题每空 1 分；第 8-10 题每空 2 分） 1．氩离子激光器的优势谱线加宽类型 ， 采用 激励，主要输 出波 长 。 2．掺铒光纤放大器（EDFA）中的发光粒子是 ，属 能级系统，采用 泵浦激励方式， 无信号光输入时，输出光为_______________。当输入光功率为 1w, 放大器小信号增益为 30dB, 输出光 功率为_____ _。 （参见书上 p.290 图 9.4.3） 3．将一腔镜固定在压电陶瓷环上，要使纵模频率移动一个频率间隔，则压电陶瓷环长度变化 。 4．固体激光器弛豫振荡频率及衰减常数都与 有关。 5．用 F-P 标准具选单纵模时，标准具的自由谱区（相邻透射率峰的频率间隔）应大于激光器的 ， 而透射谱线宽度需 纵模间隔。 6．选横模能改善激光的 相干性；选纵模有利于提高激光的 相干性。 7．均匀加宽工作物质的增益饱和效应与频率 ；非均匀加宽工作物质的增益饱和效应与频 率 。 8．若 He-Ne 激光器的一个振荡模 1 在增益曲线的半高位置处形成烧孔，已知 Ne 原子跃迁的中心波长为 632.8nm，多普勒线宽 D = 1500MHz ，则烧孔中心的 Ne 原子速度为 。 9．一均匀加宽宽度为 H 的激光器，当 ( ) 0 0 4 th g g = 时，振荡线宽为 。 10. 一均匀加宽, 幅度调制主动锁模激光器有 100 个纵模相位被完全锁定，若纵模间隔为 1GHz, 输出光脉 冲的重复频率是_______, 脉冲宽度约为_______。若相位未锁定时的平均输出功率为 5mw，该锁模激光器 输出脉冲的峰值功率为 。若输出脉冲为高斯形，则锁模脉冲的谱线宽度为________。 二、(10 分)下图为一台激光器装置示意图，写出下列○1 －○6 元件在该激光装置中所起作用，并回答有关问题。 ○1 ○2 ○3 ○4 ○5 ○6 ○1 电光晶体：请在图上标出座标轴 X、Y、Z，若晶体半波电压为 4kv, 有激光脉冲输出时（Q 开关打开） 施加在晶体上的电压为_________。 ○2 格兰棱镜：______________. 请在图上标出偏振方向。 ○3 小孔光阑：___________________________________________________。 电光晶体 红宝石棒 g > 0 红宝石棒 g > 0 反射镜 100% 反射镜 70%
④FP标准具 。调节标准具倾角,可改变 ⑥(写出元件名称及所起作用) ⑥红宝石棒(G>0): (12分)单纵模CO2激光器的自然线宽△v=10H,碰撞线宽△v=aP,其中P为激光管内充气压 强,a=65MH/133Pa,多普勒线宽△v=60MHz,激光器单程损耗为δ,工作物质长为l,试作出下 列情况下的小信号増益曲线和激光器稳定单模振荡时的増益曲线示意图,单模振荡频率为υ,中心频率为ν。 1)P=1333Pa,v1≠V 2)P=133.3Pa,v=v 3)P=6665Pa,v≠V 4)P=6665Pa,v=v 四、(15分)Q开关调制激光器,若激光上、下能级的统计权重不等,即2≠f,增益介质长度等于腔长(即 =L)。试证明反转粒子数密度速率方程及最大光子数密度可修正为 d△ △n-△n 式中△n=2-n 五、(15分)今有一个三能级系统,其中E1是基态,三个能级的统计权重相等,已知总粒子数密度为n。泵浦 光频率与E1、E3间跃迁相对应,其跃迁几率W1=W31=Wp。E3能级的寿命r3较长,E2能级的寿命z2较 短,E3→E2的跃迁几率为l/32 1)在E3和E2间形成粒子数反转的条件 2)求E和E2间的反转粒子数密度和W的关系式;(关系式必须用题中已知量表示) 3)泵浦极强时E3和E2间的反转粒子数密度。 六、(20分)有一假想的气体激光器能级结构如右下图所示,0=-10μs,t2=lps,tu=10ns,能级简并度===1, 1)该系统能级2→1的跃迁能构成连续激光器吗?说明原因 2)试求2→1辐射跃迁的自然线宽。 3)假定每个布儒斯特窗片的损耗为04%,每块反射镜附加损耗为0.1%,两反射镜的透过率如图所 示,求该激光器阈值增益系数[单位m1 4)假设泵浦速率R1和R相等,试由速率方程求该系统达到阈值增益时所需的泵浦速率表达式? 不E T=0%
○4 F-P 标准具：___________。调节标准具倾角, 可改变______________。 ○5 (写出元件名称及所起作用)_____________________________________。 ○6 红宝石棒(G>0)：______________________________________________。 三﹑（12 分）单纵模 CO2 激光器的自然线宽 4 N = 10 Hz ，碰撞线宽 = L P ，其中 P 为激光管内充气压 强， = 6.5MHz/133.3Pa ，多普勒线宽 D = 60MHz ，激光器单程损耗为 ，工作物质长为 l，试作出下 列情况下的小信号增益曲线和激光器稳定单模振荡时的增益曲线示意图，单模振荡频率为 1 ，中心频率为 0 。 1) P=133.3 Pa， 1 0 ； 2）P=133.3 Pa， 1 0 = 3）P=6665 Pa， 1 0 ； 4）P=6665 Pa， 1 0 = 四﹑（15 分）Q 开关调制激光器，若激光上、下能级的统计权重不等，即 2 1 f f ，增益介质长度等于腔长（即 l=L）。试证明反转粒子数密度速率方程及最大光子数密度可修正为 2 1 m 2 2 1 1 d 1 d ln 1 1 t R i t t i t n n N f t f n n n n n N f f n f f = − + − = − + + 式中 2 2 1 1 f n n n f = − 五、（15 分）今有一个三能级系统，其中 E1 是基态，三个能级的统计权重相等，已知总粒子数密度为 n。泵浦 光频率与 E1、E3 间跃迁相对应，其跃迁几率 W13=W31=Wp。E3 能级的寿命 3 较长， E2 能级的寿命 2 较 短， E3 → E2 的跃迁几率为 32 1/ 。求： 1) 在 E3 和 E2 间形成粒子数反转的条件； 2) 求 E3 和 E2 间的反转粒子数密度和 Wp 的关系式；（关系式必须用题中已知量表示） 3) 泵浦极强时 E3 和 E2 间的反转粒子数密度。 六、（20 分）有一假想的气体激光器能级结构如右下图所示，20=10s, 21=1s, 10=10ns; 能级简并度 f0=f1=f2=1, 1) 该系统能级 2→1 的跃迁能构成连续激光器吗？说明原因。 2) 试求 2→1 辐射跃迁的自然线宽。 3) 假定每个布儒斯特窗片的损耗为 0.4%，每块反射镜附加损耗为 0.1%，两反射镜的透过率如图所 示，求该激光器阈值增益系数[单位 m-1 ] 4) 假设泵浦速率 R1 和 R2 相等，试由速率方程求该系统达到阈值增益时所需的泵浦速率表达式？ R1 R2 E2 E1 E0 75cm 50cm T=0% T=5%