Ａ卷 2010—2011学年第1学期 《激光原理与技术》试卷 评分标准及参考答案 专业班级 姓 名 学 号 开课系室 光电信息科学系 考试日期 2010年X月X日 题 号 一 二 三 总分 得 分 阅卷人 本套试题共17题，满分100分，答题时间120分钟。
一、填空题：（本题共40分）
1、（2分）
LASER是英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的缩写。(如单词写的不全，或拼写有误，酌情扣1分) 2、（3分）
激光器主要由 工作物质 、 谐振腔 和 泵浦系统 三部分组成。（每空1分，答出基本含义就给分）
3、（2分）
有一个谐振腔，腔长L=1m，折射率取1，在的范围内所包含的纵模个数为 10 或11 个。（答10 ；
11；
10或11均给分）
4、（4分）目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为固体激光器、气体激光器、 液体激光器 、 半导体激光器 、 化学激光器 和 光纤激光器 等。（写出4类即可，重复的扣分）
5、(3分) 稳定腔的一块反射镜的曲率半径，其中为腔长，则另一面镜的曲率半径取值范围 或。（缺一个解扣1分）
6、（3分）
一般文献将激光的基本特性归结为 方向性 、 单色性 和 高亮度 。（答出基本意思就给分）
7、（3分）一光束通过长度为的均匀激励工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，那么该物质的增益系数为 （假设光很弱，可不考虑增益或吸收饱和效应）。
8、（4分）
采用调Q技术可将激光的脉宽压缩到纳秒量级，常用的调Q方法有 转镜调Q 、 电光调Q 、 声光调Q 和 饱和吸收调Q 等。（每空1分）
9、（2分）
多普勒加宽属于 非均匀 加宽，其特点为原子系统中不同原子或原子群对谱线的不同部分有贡献；
而碰撞加宽属于 均匀 加宽，其特征是所有原子对整个谱线都有贡献。
10、(4分) 写出下面几种激光器的较强谱线波长：（请以纳米为单位）
(1)红宝石激光器 693.4nm (2)Nd:YAG激光器 1064nm (3)激光器 16000nm (4)He-Ne激光器 632.8nm (每空1分，不按要求的单位不得分) 11、（3分）
激光倍频技术可以使激光的频率变为原来的 2 倍，具体实现有 内 腔倍频和 外 腔倍频两类。（每空1分）
12、（3分）
光和物质发生的三种相互作用分别为：
自发辐射 、 受激辐射 、 受激吸收 。（每空1分）
13、（4分）方形镜共焦腔的横模强度花样如图所示，写出其模式标记（，确定其中的值）， 为 模花样， 为 模花样。（每空2分）
二、计算及论述题（共45分）
14、（本题20分）
写出基模高斯光束的传播公式，并说明各项的物理意义；
若某高斯光束束腰尺寸为，，求与束腰相距远处的光斑半径和波前曲率半径；
写出束腰处和距束腰处的参数。
解：(1)沿Z轴传播的寂寞高斯光束的表达式为：
（2分）
其中：
为Z处光斑半径 为Z处的曲率半径R 为瑞利长度，共焦参数 为束腰半径 （3分）
(2)当时， 因此，与束腰相距处， （5分，直接写出结果的酌情扣分）
与束腰相距处， （5分，直接写出结果的酌情扣分）
(3)在束腰处，有 ，有：
( 5分，直接写出结果的酌情扣分）
15、（本题10分）
写出判断光学谐振腔稳定性的公式，利用该公式和图解方法判断下列谐振腔的稳定性。
（1）
（2）
（3）
解：谐振腔的稳定性条件为：， 对两镜腔，此条件简化为，即 （1）对于的谐振腔，有 ，所以该腔不稳定 （2分）
（2）对于的谐振腔，有 因此该腔稳定 （2分）
（3）对于的谐振腔，有 因此该腔稳定 （2分）
3种情况传播圆方法如图所示，共4分 (1) (2) (3) 16、（本题15分）
Nd:YAG激光工作物质属于几能级系统？画出相应的能级系统的示意图，并推导出其速率方程。
答：Nd:YAG激光工作物质属于4能级系统 （2分）
能级简图如下图所示：
w03 A30 S30 S32 S21 A21 W21 E3 E2 E1 E0 W12 S10 其中为基态能级，、为激发态能级，为亚稳态能级，和分别为激光的上、下能级 （3分）
（5分）
引入发射界面的概念，可得：
（5分）
三、证明题（本题15分）
17、（本题15分）
已知一稳定腔两球面反射镜的曲率半径分别为和，腔长为，试证明其基模高斯光束束腰半径满足关系式：。（提示：可以采用图解方法或者等价共焦腔方法中的任一种）
证明：采用传播圆图解方法，知道了反射镜的曲率半径R1和R2，也就知道了反射镜处波面的曲率半径R1和R2，于是我们就可以作M1镜处的s1圆和M2镜处的s2圆来确定腔内可能振荡的高斯光束。若两s 圆是相交的，则两者的交点Fl与Fl¢即为腔内振荡的高斯光束的侧焦点。两侧焦点离光轴的距离b0即为腔内振荡的高斯光束的束参数。由下图中所示的几何关系，不难求得 （5分）
或 此处 ， （5分）
分别为两反射镜离束腰的距离，L为两反射镜的间距。确定了z1和z2，也就确定了腔内高斯光束束腰的位置，由此可求出值，代入，可得最终结果：
（5分）
（本题步骤不全，依据不充分的酌情扣分）