物理专业2006级本科激光原理及应用期末试题(a卷答

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1、物理专业2006级本科《激光原理及应用》期末试题（A卷答案）一、简答题1.激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔；2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级Z间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原了传给他的能蜃o3.激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基木线型。答：如果引起加宽的物理因数对每一个原

2、子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。非均匀加宽是原了体系屮每一个原了只对谱线内与它的表观屮心频率相应的部分有贡献。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。4.简述均匀加宽的模式竞争答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近屮心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，具他的纵模都被抑制而熄灭。这种情况叫模式竞争。5.工业上的激光器主要冇哪些应用？为什么要用激光器？答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利

3、用激光的方向性好，能量集中的特点。6.说出三种气休激光器的名称，并指岀每一种激光器发岀典型光的波长和颜色。答：He-Ne激光器，632.8nm（红光），ArH激光器，514.5nm（绿光）,CO?激光器，10.6pm（红外）7.全息照和是利用激光的什么特性的照相方法？金息照相与普通照相相比有什么特点？答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。二、证明题：（每题6分，共18分）1.证明：由黑体辐射普朗克公式P,=;]C內-1导出爱因斯坦基本关系式：虫=竺丫=久加丿三、计算题1.由两个凹面镜组

4、成的球面腔，如图。凹面镜的曲率半径分别为2m、3m,腔长为lm。发光波长600nmo（1）求出等价共焦腔的焦距/;束腰人小徴）及束腰位置；（2）求出距左侧凹面镜向右3.333米处的束腰人小iv及波面曲率半径R；解:（0）激光腔稳定条件丄3此腔为稳定腔。=厶厶）（凡—厶）&+心-厶）二1x（2-1）x（3-l）x（2+3-l）=]]25[（厶-尽）+（厶—尽）『[（1—2）+（1—3）『得，/=1.06066«lm_Lg-厶）1（厶-尺）+（厶-凡）lx（3-l）（1一2）+（1-3）=-0.667m即束腰位置距人1左侧0.6

5、67m处LA_/A_1x600x10」2^_V_V3.1415926=0.4370xl0_3m⑵距左侧凹面镜向右3.333米处，经计算为距束腰4米处。=1.8xl0_3mRdlx17/“——m=4.25m43.氮氛激光器中N0能级2S2-2P4的谱线为1.1523(im。这条谱线的自发辐射几率力为6.54x10唧秒，放电管气压P«260帕；碰撞系数otq700KHz/帕；激光温度r=400K;M=112;试求：(1)均匀线宽zlvH；(2)多普勒线宽4Vd；分析在气体激光器中，哪种线宽占优势1AAS4x106解：（1）自然

6、加宽：——=一=-=1.0408x106Hz2tzt、・2/r2x7r碰撞加宽:Av,=^=700x103x260=1.820x10sHz均匀加宽:Av,,=Avv+A=1.0408xl06+1.820xl08=1.830xl08Hz（2）多普勒线宽：丄丄Av,=7.16xl0_7yof—V=7.16xl0-7x——xf—Y=3.52281xl08Hzd（M）1.1523X10-6（112丿(1)根据上述结论，该澈光器多普勒线宽占优势4.红宝石激光器中，Cr3+粒子数密度差A/7=6x1016/cm3,波长入=694.3n

7、m,自发辐射寿命rs=3x10-3s,折射率“^1.76。仅考虑自然加宽效果，上下能级简并度为1。试求⑴该激光器自发辐射系数昇21；⑵线型峰值g(v0);(3)中心频率处小信号增益系数g°;(4)中心频率处饱和增益系数g解:11厂3x10“2^v(v0)=-—=4r5=12xl0-3En(3)中心频率处小信号增益系数,xl2xl0-38x^-x3x（3xl08）xl.76=2.6155x109⑷中心频率处饱和增益系数g是小信号增益系数的一半为：1.3078x1095.一朿Ar+高斯激光朿，朿腰半径为0.41mm,朿腰位置恰好

8、在凸透镜前表血上，激光输出功率为400w(指有效截面内的功率)，透镜焦距为10mm,计算Ar+激光束经透镜聚焦后,焦点处光斑有效截面内的平均功率密度。(Ar+激光波长514.5nm)解：透镜前的0参数为心”警丿⑷沁心*呵十26仆514.5x10"应用ABCD定理求出§2,束腰位置为©的虚部