华中科技大学激光原理2022年历年真题

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1、华科考研激光原理 2022-2022 真题2022 年839 一、简洁1、激光产生的必要条件？2、激光的四种特性？选择一种说明其用途3、谐振腔的稳区图，并写明稳定腔和非稳腔的位置4、四能级系统速率方程和图示二、共焦腔与一般稳定腔的对应计算三、行波腔的均匀加宽和多普勒加宽的最大输出功率计算 四2022 激光原理900 一、简答题1、n 大于 0，激光器是否能够产生自激振荡？2、光学谐振腔的构造和作用3、共焦腔与一般腔的等价性4、均匀加宽与非均匀加宽的特点5、连续激光器从开头振荡到产生稳定输出增益系数的变化状况6、光学模式以及横模和纵模二、三能级四能级的本质区分，以及为什么四能级更简洁产生粒 子数

2、反转1三、三能级能级示意图，速率方程四、稳定腔，非稳腔，临界腔计算推断(很简洁)五，光线传输矩阵相关的题2022 年一.解释题1. 描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15)2. 描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15)3. 增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15)4. 说明三能级系统和四能级系统的本质区分，哪个系统更简洁形成粒子数反转， 为什么?(15)二解答题1. 一个折射率为h ,厚度为 d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为 R 的凹面镜和平面镜。（1） 求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。（2）

3、 求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。（3） 求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25)2. 圆形镜共焦腔的腔长 L=1m，1求纵模间隔D u，横模间隔Du, Du. (2)qmn假设在增益阈值之上的增益线宽为 60Mhz，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25)3. 虚共焦型非稳腔的腔长 L=0.25m，由凹面镜 M1 和凸面镜 M2 组成，M2 的曲率半径和直径为 R= -1m , 2a= 3cm ,假设 M2 的尺寸不变，要求从M2 单端输出，则22M1 的尺寸为多少；腔的来回放大率为多少。(20)4. 某连续行波激光

4、放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L，中心频率的小信号增益为 G，初始光强为 I 中心频率饱和光强为 I ，腔内损耗系数为 am0si(a饱和光强 Is，和腔长 L 求输出光强；（2） 求极限光输出功率单位输出面积的。2022 年题型：简答题 5 个，一个 10 分。计算 4 个，一个 25 分。一、简答： 1，什么是兰姆凹陷，说明形成条件。2，何为激光模式，解释横模、纵模。3，反转粒子数密度大于零时，是否能形成稳定振荡，说明理由。4，非均匀加宽和均匀加宽各有什么特点？5，高斯光束有什么特点？二、计算：1、某谐振腔中除两反射镜外全部光学元件的矩阵元是(A B C D)2*2 矩阵，求证其稳

5、定性条件为 0g1g21 其中 g1=A-B/R1，g2=C-B/R2 具体 g1，g2 的表达式可能有误，供参考2，某腔中有两个模式，频率分别为v1，v2，且 v0v1v2，其中v0 为中心频率， 试问，这两个模式是否都能稳定振荡？2022 年一、 简要答复以下问题1. 什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性？2. 简要描述三能级和四能级系统形成反转粒子数的区分，三能级系统形成反转粒子数为什么比四能级系统要困难，试举例三能级和四能级激光器各一种，并说明波长。3. 简述非稳腔的优缺点，画出实共焦望远镜的几何自再现波形。4. 分析均匀加宽固体激光器的模式竞争。二、 求所示谐振腔的稳定性三、 一

6、种三能级系统激光器，其 S32=5*106 s-1, S21=0, A21=3*102 s-1, A31=3*106 s-1,g1=g2, 腔内只存在一个谐振模，不计各种损耗：a） 求在外界泵浦状况下，该激光器的激光形成过程；b） 列出完整的速率方程；c） 稳态时，假设介质激光上下能级粒子数相等，则应为多少？四、 在一种 Ar+激光器中，其产生的高斯光束束腰半径为 0.41mm，束腰位置恰好在某凸透镜前外表上，该激光器的输出功率为 400W，透镜焦距为10mm，试计算 Ar+激光器放射的激光经透镜聚焦后，焦点处光斑半径内的平均功率密度。Ar+激光波长为 514.5nm五、 有一连续行波激光放大

7、器，工作物质具有均匀加宽线型，中心频率 v0 处的小信号增益系数为 Gm，工作物质的损耗系数为 ，入射光频率为 v0， 其有效面积为 A，求放大器的最大极限输出功率 Pm。六、 如何利用短腔法选取单纵模？激光工作物质是钕玻璃，其荧光线宽F=24.0nm，折射率 =1.50，能用短腔法选单纵模吗？为什么？2022 年2022 年一、简答题1 简述受激辐射和自发辐射的区分2 用小孔光阑简述激光形成的物理过程；3 用小孔光阑简述自再现模的形成过程；4 试画出双凸腔的自再线波型5 是简述在什么状况下是均匀加宽线性函数，什么状况下是非均匀加宽线性函数？二、 在非均匀加宽气体激光其中，线宽是 1500MH

8、Z，谐振腔长 108cm，反射镜的透射率分别是 0 和 0.03，求在该激光其中可能存在多少纵模？三、 在单纵模运行的固体激光器里，输出波长为 1.06m，谐振腔的长度 100cm，问是否存在空间烧孔，求出烧孔周期，假设没有烧孔，试说明理由。四、 以知高斯光束束腰在 Z=O 处，试写出不同位置的等相位面的曲率半径， 并争辩等相位面的中心位置，并证明存在曲率半径最小的位置2022 年1. 兰姆凹陷原理2. 简述激光器激光产生原理3. 证明：腔长一样的全部对称稳定球面腔中，以共焦腔中基模的模体积最小。g1g2+g2 )g11可能用到的公式:V00= V 0 (2 +41 - g g12004. 均

9、匀加宽和非均匀加宽的区分5. 增益饱和的物理意义6. 连续行波激光放大器，告知了一些参数忘了，工作物质具有均匀加宽线型或非均匀加宽线型时，求最大极限输出功率。2022 年一、简答题1. 什么是增益饱和，为什么连续激光器能够连续稳定地输出激光？2. 简述自激振荡形成的过程。二、列举三种激光器谐振腔的分析方法，争辩这些分析方法的特点和应用范围。三、试证明：在全部一样而 R 不同的对称稳定球面腔中，共焦腔的衍射损耗最低， 这里 L 表示腔长，R=R1=R2 为对称球面腔反射镜的曲率半径，a 为镜的横向线度。2022 年一、简答题25 分1. 增益饱和的物理机制是什么？它在连续激光器稳定运行中起什么作

10、用？ (5 分2. 简述受激辐射的物理过程和特点；(5 分)3. 兰姆凹陷是如何形成的？它能够用作什么应用？(6 分)4. 列举三种激光谐振腔的分析方法，说明各自的特点，适用范围及它们之间的相互关系。(9 分)二、光线在类透镜介质中的传输距离 Z 的变换矩阵为：，在 z=0 时，q 参数为: q0=q(z=0)=-iZ0，试分析：（1） 类透镜介质中高斯光束光斑大小的变化规律；10 分（2） 证明存在一种状况，高斯光束的光斑大小不随传播距离发生变化；10 分（3） 在满足2的状况下，高斯光束的等相位面的曲率半径如何变化？5 分三、某激光器波长为 10.6m输出的峰值功率为 5kW，光束腰斑半径

11、为2mm。该激光器的输出通过焦距为 354mm 的透镜聚焦进展材料加工，在这样一种加工系统中，通过把握系统可以使激光器的腰斑到聚焦透镜的距离在2.5 到 5m 间变化，如下图，试计算激光器通过透镜聚焦后在焦平面上光强的变化范围。说明可以承受什么措施降低焦平面上光强的波动范围。20 分CO2 Laser4m1.5m1m四、对于均匀加宽单模运转的行波激光器，假设谐振腔内只存在一个方向传输的行波，请答复以下问题：（1） 说明在此激光谐振腔光轴方向是否存在空间烧孔效应？ 8 分（2） 试推导激光器输出功率表达式，并证明此激光器也存在一个最正确透过率使得激光器的输出功率到达极大值；12 分（3） 写出激

12、光器谐振腔内光强随透过率的变化关系，是否也存在一个最正确透过率使得激光器谐振腔内的光强到达极大值？5 分6五、 对于由相距 L 的两球面镜曲率半径为 R1，R2组成的稳定谐振腔，推导镜面处自洽场光束参数 q 的表达式，由此证明光束在镜面处的曲率半径等于该反射镜的曲率半径。15 分六、 画出谐振腔内带有倾斜耦合镜的虚共焦非稳腔的示意图，并设计一腔长为 1m 的虚共焦非稳腔，要求谐振腔的能量损耗为 36%，分别对于二维、三维反射镜的状况，计算该谐振腔反射镜的曲率半径。20 分七、TEM00 模式的激光光束垂直入射到完全吸取的介质平面上，平面中心处有半径为 a 的小孔，求该平面对垂直入射的 TEM0

13、0 模式的透过率，并计算当小孔半径正好等于该处基模光斑半径时的透过率值。20 分2022 年75 分1. 在均匀加宽内腔式气体激光器中，在刚开头点燃时，可观看到激光功率不断起伏，激光频率在v0 四周变化，开头时频率不断减小，在某时刻有发生跳变而突然增大，试解释该现象。10 分2. 什么是兰姆凹陷？试说明采样兰姆凹陷进展激光稳频的原理和实现方式，画出必要的原理图和框图。15 分3. 设平行平面腔的长度为 L=1m，一端为全反射，另一端面反射镜的反射率为R=0.99，试求在1500MHz 频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度。16 分4. 有一均匀加宽气体激光器，其增益介质长 L=80c

14、m，中心频率小信号增益系数为 G =0.001cm-1，饱和光强 I =30W*cm-2，线宽为 v =2kHz，一面反射镜的透msH过率为：T1=0.01，另一面输出镜的透过率 T2 可变，无视其他损耗，腔长L=100cm。（a） 求中心频率处的输出光强 I 和 T2 函数关系并作出关系曲线；12 分（b） 假设光斑面积 A=1mm2，试求中心频率处 T2 输出镜的最正确透过率和最大输出功率；10 分5. 从镜面上光斑大小的角度来分析，当光斑尺寸超过镜面的线度时，这样的模式就不行能存在。试由此估量一下，在 L=30cm，2a=0.2cm 的氦氖方形镜对称共焦腔激光器中波长为 632.8nm所

15、能够消灭的最高阶横模的阶次 m或n为多大？12 分102022 年75 分一、简答题1. 简述自激振荡的形成过程。5 分2. 试述增益饱和的物理机制，并说明其在连续稳定工作的激光器中的作用。5 分3. 试写出四能级系统的速率方程，画出能能级图并标出相关系数。5 分4. 什么是对称共焦腔和一般稳定球面腔的等价性。5 分二、一质地均匀的材料对光的吸取系数为 0.01mm-1，光通过 10cm 长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？假设一光束通过长度为 1m 的均匀激活的工作物质，要求出射光强是入射光强的两倍，试求该工作物质的增益系数。10 分三、三个反射平面镜组成的等边三角形的环行腔，每边长

16、为L，其中一边的中点放有焦距为 F 的透镜，12 分（1） 画出该腔的等效透镜波导；（2） L/F 为何值时，该腔是稳定腔；（3） 不用数学推导能否指出束腰的位置。四、有一长度足够长的均匀加宽连续放大器，其工作物质的有效截面积为A，在0s频率 v0 处的小信号增益系数为 G ，内部损坏为 ，饱和光强为 I ，入射光的频率为 v0，入射光功率为 P0，试求该放大器的极限输出功率 Pm。15 分五、试述均匀加宽和非均匀加宽的特点和区分，并简述在均匀加宽激光器中的自选模过程和非均匀加宽激光器的多纵模振荡。18 分2022 年75 分一、简答题1. 一光束入射到长 10cm、增益系数为 0.5cm-1

17、 的工作物质中，求出射光强对入射光强的比值；6 分2. 小信号增益系数和大信号增益系数有何不同，如何区分？6 分3. 简要说明三能级和四能级系统在实现粒子数反转过程中的特点。8 分二、试分析强光作用下弱光增益系数的特点，分均匀加宽和非均匀加宽两种状况分别争辩。15 分三、腔长为 1m 的激光谐振腔，由于四周环境温度的变化，腔长将有沿光轴方向的微小变化，假设要保证纵模频率变化在 1Hz 以内，试问：允许腔长转变的最大值是多少？15 分四、一均匀加宽气体激光器，增益介质长 l=80cm，中心频率小信号增益系数Gm=0.001cm，饱和光强 Is=30W*cm-2，线宽为 vH=2kHz，一面反射镜

18、的透过率为：T1=0.01，另一面输出镜的透过率 T2 可变，无视其他损耗，腔长L=100cm。（1） 求输出光强 I 和 T2 的函数关系并作出关系曲线；15 分（2） 假设光斑面积 A=1mm2，分别求激光器两端的输出功率 P。10 分2022 年75 分一、简答题1. 什么是小信号增益系数？在其他条件一样的状况下，小信号增益的系数对激光输出功率有什么影响？8 分2. 两镜共轴共焦腔是稳定腔吗？为什么？5 分3. 为什么激光的谱线总是有肯定的宽度？5 分4. 试说明模体积的大小对激光输出的作用。5 分二、试分析均匀加宽和非均匀加宽的作用在小信号和大信号时对产生激光的纵模数的影响。20 分三

19、、TEM01 模式的激光光束垂直入射到完全吸取的介质平面上，平面中心处有半径为 a 的小孔，求该平面对垂直入射的 TEM01 模式的透过率，并计算当小孔半径正好等于该处基模光斑半径时的透过率值。17 分w2r 2- 2r2 I(r, z) = I0(1- 2)2 e010 w2 (z)w2 (z)w2 ( z )四、有一连续行波激光放大器，中心频率 v0 处的小信号增益系数为Gm，工作物质的损耗系数为 ，入射光的频率为v0，其有效面积为A，求放大器的极限输出功率 Pm。设工作物质具有1均匀加宽线型；2非均匀加宽线型。15 分2022 年75 分一、简答题1. 当粒子翻转数大于零时，在激光谐振腔

20、中能够产生自激振荡吗？为什么？5 分2. 为什么连续激光器能够实现稳定的激光输出？5 分3. 以虚共焦望远镜腔为例说明非稳腔中共轭像点的作用和几何自再现波形的特点。7 分4. 试画出激光工作物质四能级系统的能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程。8 分二、证明腔长一样的全部对称稳定球面腔中，以共焦腔中基模的模体积最小。g1g2g2g11可能用到的公式:V00= V 0 (2 +)41- g g1200 15 分三、TEM00 模式的激光光束垂直入射到完全吸取的介质平面，平面中心处有半径为 a 的小孔，求该平面对入射的 TEM00 模式的透过率，并计算当小孔半径正好等于该处基模光斑半径时的透过率值。20 分高斯光束基模光斑的光强分布为： I00(r,j, z) = Iw200 w2 (z)- 2r2e w2 ( z ) 四、争辩均匀加宽和非均匀加宽的区分。15 分i五、一连续工作行波激光放大器，工作物质具有均匀加宽线型，长度为L，中心频率处小信号增益系数为 Gm，损耗系数为 ，且/Gm1，入射光强为 I ，输出光强为 I ，饱和光强为 I 。a） 试证明 GmLL= ln( bL ) +a(bbLiS- b ), 其中biL= I L ， bIis=i ； 15 分IIsb） 试求这个工作物质小信号功率增益 K 0= I L曲线的半值宽度d v 。10 分(V )Ii