激光原理及应用
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二、问答题（5&
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二、问答题（5&
新浪博客
times;4=20分）
1.叙述用兰姆凹陷稳频的工作原理。
答：非均匀增宽型介质激光器谱线的输出功率随频率的变化是钟型的，即在谱线的中心频率处形成一个兰姆凹陷，兰姆凹陷的宽度较谱线的宽度窄，而凹陷的中心频率就是谱线的中心频率。当输出频率在中心频率附近有微小的变化就会引起输出功率的显著变化。因此通过对输出光强的检测，输出一个与光强变化相对应的信号去控制腔长，从而把频率稳定在中心频率处。
2.三种谱线增宽形式中哪些是均匀增宽？哪些是非均匀增宽，为什么？
答：（1）自然增宽和碰撞增宽均属于均匀增宽，因为在这类增宽中，每一发光原子所发的光对谱线线宽内任一频率都有贡献，并且贡献是一样的。（2）多普勒增宽属于非均匀增宽，因为每一种速度的发光原子它所发出的光只对该谱线内该速度所对应的表观频率有贡献，即不同速度的原子的作用是不同的。
3.为什么一般来说均匀增宽的稳定态激光器的输出通常是单纵模的，而非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模？
答：（1）对于均匀增宽型介质激光器来说，每个发光粒子对形成整个谱线都有贡献。当强度很大的光通过时，它会造成整个增益曲线按同一比例下降，通过增益的饱和效应模式之间会造成谱线竞争，最终只剩下与中心频率靠得最近的那个模式，所以是单纵模的。（2）对于非均匀增宽型介质激光器来说，某一种纵模的光强增强时，增益的饱和效应并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处烧一个孔，所以如果有多个纵模的小信号增益都大于阈值的话，这些纵模都可以建立起自己的振荡，所以非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模
4.激光器为什么要选取单纵模？一般有哪几种选模方法？
答：因为在很多场合要提高激光束的单色性和相干性，所以要选取单纵模。选模方法有：（1）短腔法，缩短腔长，加大相邻纵模之间的间隔。（2）法布里－珀罗标准具法，在谐振腔里加入一个法布里－珀罗标准具。（3）三反射镜法，将激光器的一个反射镜用三块反射镜的组合来代替，相当于一个激光谐振腔现在由一个长腔和一个短腔组成。
三、问答题（60分）
1.（10分）用下图中双散射光路测水速。两束光夹角为450，水流方向与光轴方向垂直，流水中掺有散射颗粒，若光电倍增管接收到的信号光频率为1MHz，所用光源为He-Ne，其波长为632.8nm ，求水流的速度。
2.（10分）一台氩离子激光器发出的激光，其荧光谱线中心波长为488nm，谱线宽度为6×108Hz，谐振腔为1m长，试问其输出激光的纵模有几个？若该激光器的谐振腔是对称共焦腔，且经过选模得到单横模输出，用该激光器作舞台彩色背景，当幕布离激光器40m时，激光斑有多大？
3.（10分）输出功率为1KW的CO2激光器发出波长为10.6μm的基横模高斯光束，其束腰位于谐振腔出射面上，半径为1mm，若在离出射面500mm处放置一块f=10mm的薄透镜进行聚焦，问聚焦产生的光束束腰离该透镜距离为多少？若不考虑传播损失，束腰处平均功率密度有多大？
也可用短焦距聚焦的近似计算
4.（15分）考虑一用于氩离子激光器的球面腔，波长λ=0.5145μm，腔长L=1m，腔镜曲率半径R1=1.5m，R2=4m。（1）此球面腔是稳定腔吗？给予证明。 （2）若是，试计算光腰尺寸和位置；以及两球面腔上的光斑尺寸；（3）画出其等效共焦腔的位置；
（1）
所以此球面腔为稳定腔
（2）
等价共焦腔的腔长：
光腰尺寸：
镜面上的光斑尺寸为
5.
（15分）设有两束频率分别为 
和 
、光强为I1和I2的强光沿相同方向或相反方向（如图）通过中心频率为
的非均匀加宽增益介质（I1>
I2）。试分别分析下列两种情况下反转粒子数按速度
的分布，并画出相应的分布曲线，要求在图中标出烧孔位置及烧孔深度。深度只要求标出相对大小。
答：（1）若有一频率为
的光沿z向传播，粒子的表观频率 
。当 
时粒子产生受激辐射，所以产生受激辐射的粒子的速度为 
，对应在中心频率右侧烧一个孔
（2）若有一频率为
的光沿-z向传播，粒子的表观频率 
。当
时粒子产生受激辐射，所以产生受激辐射的粒子的速度为 
，对应在中心频率左侧烧一个孔。
(3)所以当两束光往同一方向传播时，烧孔的位置对于中心频率应该是对称的。并且光强大的烧孔深度更深。当两者往反方向传播时，两者的烧孔位置是同样的位置，都在中心频率的右侧。
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1.叙述用兰姆凹陷稳频的工作原理。
答：非均匀增宽型介质激光器谱线的输出功率随频率的变化是钟型的，即在谱线的中心频率处形成一个兰姆凹陷，兰姆凹陷的宽度较谱线的宽度窄，而凹陷的中心频率就是谱线的中心频率。当输出频率在中心频率附近有微小的变化就会引起输出功率的显著变化。因此通过对输出光强的检测，输出一个与光强变化相对应的信号去控制腔长，从而把频率稳定在中心频率处。
2.三种谱线增宽形式中哪些是均匀增宽？哪些是非均匀增宽，为什么？
答：（1）自然增宽和碰撞增宽均属于均匀增宽，因为在这类增宽中，每一发光原子所发的光对谱线线宽内任一频率都有贡献，并且贡献是一样的。（2）多普勒增宽属于非均匀增宽，因为每一种速度的发光原子它所发出的光只对该谱线内该速度所对应的表观频率有贡献，即不同速度的原子的作用是不同的。
3.为什么一般来说均匀增宽的稳定态激光器的输出通常是单纵模的，而非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模？
答：（1）对于均匀增宽型介质激光器来说，每个发光粒子对形成整个谱线都有贡献。当强度很大的光通过时，它会造成整个增益曲线按同一比例下降，通过增益的饱和效应模式之间会造成谱线竞争，最终只剩下与中心频率靠得最近的那个模式，所以是单纵模的。（2）对于非均匀增宽型介质激光器来说，某一种纵模的光强增强时，增益的饱和效应并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处烧一个孔，所以如果有多个纵模的小信号增益都大于阈值的话，这些纵模都可以建立起自己的振荡，所以非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模
4.激光器为什么要选取单纵模？一般有哪几种选模方法？
答：因为在很多场合要提高激光束的单色性和相干性，所以要选取单纵模。选模方法有：（1）短腔法，缩短腔长，加大相邻纵模之间的间隔。（2）法布里－珀罗标准具法，在谐振腔里加入一个法布里－珀罗标准具。（3）三反射镜法，将激光器的一个反射镜用三块反射镜的组合来代替，相当于一个激光谐振腔现在由一个长腔和一个短腔组成。
三、问答题（60分）
1.（10分）用下图中双散射光路测水速。两束光夹角为450，水流方向与光轴方向垂直，流水中掺有散射颗粒，若光电倍增管接收到的信号光频率为1MHz，所用光源为He-Ne，其波长为632.8nm ，求水流的速度。
2.（10分）一台氩离子激光器发出的激光，其荧光谱线中心波长为488nm，谱线宽度为6×108Hz，谐振腔为1m长，试问其输出激光的纵模有几个？若该激光器的谐振腔是对称共焦腔，且经过选模得到单横模输出，用该激光器作舞台彩色背景，当幕布离激光器40m时，激光斑有多大？
3.（10分）输出功率为1KW的CO2激光器发出波长为10.6μm的基横模高斯光束，其束腰位于谐振腔出射面上，半径为1mm，若在离出射面500mm处放置一块f=10mm的薄透镜进行聚焦，问聚焦产生的光束束腰离该透镜距离为多少？若不考虑传播损失，束腰处平均功率密度有多大？
也可用短焦距聚焦的近似计算
4.（15分）考虑一用于氩离子激光器的球面腔，波长λ=0.5145μm，腔长L=1m，腔镜曲率半径R1=1.5m，R2=4m。（1）此球面腔是稳定腔吗？给予证明。 （2）若是，试计算光腰尺寸和位置；以及两球面腔上的光斑尺寸；（3）画出其等效共焦腔的位置；
（1）
所以此球面腔为稳定腔（2）
等价共焦腔的腔长：
光腰尺寸：
镜面上的光斑尺寸为
5.
（15分）设有两束频率分别为
和
、光强为I1和I2的强光沿相同方向或相反方向（如图）通过中心频率为
的非均匀加宽增益介质（I1>
I2）。试分别分析下列两种情况下反转粒子数按速度
的分布，并画出相应的分布曲线，要求在图中标出烧孔位置及烧孔深度。深度只要求标出相对大小。 |
答：（1）若有一频率为
的光沿z向传播，粒子的表观频率
。当
时粒子产生受激辐射，所以产生受激辐射的粒子的速度为
，对应在中心频率右侧烧一个孔（2）若有一频率为
的光沿-z向传播，粒子的表观频率
。当
时粒子产生受激辐射，所以产生受激辐射的粒子的速度为
，对应在中心频率左侧烧一个孔。(3)所以当两束光往同一方向传播时，烧孔的位置对于中心频率应该是对称的。并且光强大的烧孔深度更深。当两者往反方向传播时，两者的烧孔位置是同样的位置，都在中心频率的右侧。
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