激光的技术习题

激光原理与技术实验

YAG 多功能激光实验系统光路图

实验内容

一、固体激光器的安装调试

1、安装激光器。

2、调整激光器，使输出脉冲达最强

二、激光参数测量

1、测量自由振荡情况下激光器的阈值电压。

2、测量脉冲能量和转换效率。

3、测量光束发散角。

三、电光调Q 实验研究

1、调整Q 开关方位，寻找V λ/4 。

2、确定延迟时间。

3、测试动静比。

四、倍频实验

1、测量倍频光能量与入射角的关系。

2、倍频效率的测量。

五、激光放大实验

1、放大器放大倍率测量。

2、放大器增益测量

3、最佳时间匹配测量。

M 1

脉冲氙灯 脉冲氙灯

第一章 习题

1、请解释

（1）、激光

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

辐射的受激发射光放大

（2）、谐振腔

在工作物质两端各放上一块反射镜，两反射镜面要调到严格平行，并且与

晶体棒轴垂直。这两块反射镜就构成谐振腔。谐振腔的一块反射镜是全反射镜，

另一块则是部分反射镜。激光就是从部分反射镜输出的。谐振腔的作用一是提

供光学正反馈，二是对振荡光束起到控制作用。

（3）、相干长度

从同一光源分割的两束光发生干涉所允许的最大光程差，称为光源的相干

长度，用?Smax 表示，相干长度和谱线宽度有如下关系：

?Smax = λ2 / ? λ

光源的谱线宽度越窄，相干性越好。

2、激光器有哪几部分组成？

一般激光器都具备三个基本组成部分：工作物质、谐振腔和激励能源。

3、激光器的运转方式有哪两种？

按运转方式可分为： 脉冲、连续 ，脉冲分单脉冲和重复脉冲。

4、为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性?λ/λ应为多少？

109max 10328.61016328.0-?=?==?m

m S μμλλ

λ

第二章 习题

1、请解释

（1）、受激辐射

高能态E 2 的粒子受到能量 h ν = E 2 - E 1 光子的刺激辐射一个与入射光子一模

一样的光子而跃迁到低能级 E 1 的过程称受激辐射.

（2）高斯光束

由凹面镜所构成的稳定谐振腔中产生的激光束即不是均匀平面光波，也不

是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，沿 Z 方向传播的高斯光

束的电矢量表达式为：

)]())(2(exp[])

()(exp[)(),,(2

22220z i z z R y x ik z y x z A z y x E ?ωω+++-?+-= 高斯光束是从z<0处沿z 方向传播的会聚球面波,当它到达z=0处变成一个平面波,继续传播又变成一个发散的球面波.球面波曲率半径R(z)>z,且随z 而变.光束各处截面上的光强分布均为高斯分布.

（3）、增益饱和

受激辐射的强弱与反转粒子数 ?N 有关，即增益系数G ∝ ?N ，光强 I ∝ ?N 。?N 大， G 大，由于受激辐射增强， ?N 减少，因而G 也随之减小，但还是有增益的，受激辐射仍然增强，这种增益系数随光强增加而减小的现象称增益饱和。

（4）、横模

谐振腔中横向不同的稳态光场分布称为不同的横模，用TEM m n 标记，m, n 为横模序数. m, n=0时为基横模，其它模为高阶横模 。

（5）、均匀增宽

每个粒子对加宽谱线范围内的任一频率都有贡献，因而这种光谱线的加宽称为均匀加宽。如光谱线的自然加宽和碰撞增宽。

（6）、阈值条件

阈值条件就是光在增益介质中来回一次的增益大于或等于损耗, 即:

1)(221≥-L G e r r 内α

或 G(ν) ≥ α内 - ( 1 / 2L) L n ( r 1 r 2 )

2、试计算连续功率均为1w 的两光源，分别发射λ=0.5000μm,

ν=3000G Hz 的光,每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少?

解：

（1） 1814341052.210

310626.65000.0?≈???==-νh I n

(2) 2012341003.510

310626.61?≈???==-νh I n

3、一光源发射λ=0.6000μm 波长时，如果（I 激/I 自）= 1/20000，求此时单色辐射

能量密度ρν等于多少？

由 1

18)(/33-?=kT h e c h ννπνρ 1

1/-=kT h e I I ν自激 得 31833/1086.38)(m s j I I c

h ??≈?=-自激νπνρ

4、设氖原子静止时发光中心频率为ν0= 4.74? 1014 HZ ，室温下氖原子的平均速率设为560m/s 。求此时接收器接收频率与中心频率相差若干？

由 )1(0c

υνν±= 得 Hz c

801085.8?≈±=?νυ

ν

5、稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R 1=40cm ，R 2=100cm ，求腔长L 的取值范围。

解：用作图法可解得 0

6、腔长为0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率ν0= 5.85? 1014 HZ 荧光线宽?ν=6 ? 108 HZ ，问它可能存在几个纵模？相应的q 值为多少？（设n=1） 解：纵模间隔为

Hz nL

c q 81032?==?ν 纵模数为： 31=+??=q

N νν 相应的q 值为： 601095.12?=?

=c nL q ν

第三章习题

1、写出气体放电时，粒子间两类非弹性碰撞的反应式，并解释之。

第一类碰撞是指高能电子与基态原子碰撞，通过碰撞电子与原子部分交换能量，使原子激发。该过程可用下列反应表达：

e1+A(E1)→A*(E2)+e2

与第一类碰撞相反，第二类碰撞是指处于激发态的受激粒子与另一未被受激的粒子（包括器壁）碰撞而交换能量的过程。该过程用下列反应式表示：

A*+B→B*+A+△E

该过程也称其为能量共振转移。只有△E很小，与热运动能量相近时，上述过程才发生。

2、抑制氦氖激光器3.39μm谱线的方法有哪几种？请简单介绍各种方法的原理。解：

抑制氦氖激光器3.39μm谱线的方法有色散法，吸收法和加不均匀磁场法。

色散法是在腔内插入一块棱镜使不同波长的光色散，而只使0.6328μm的光在腔内往返，将3.39μm的光逸出腔外。

吸收法是在腔内加入对3.39μm有吸收作用而对6328?透照的元件。例如在1米长的外腔式激光器的窗片和反射镜之间放一个5cm长的吸收盒，内充一个大气压的甲烷气体。

加不均匀磁场的目的是为了增大3.39μm的线宽，而减小它的增益。方法是沿着放电管放一排小陶瓷体磁铁，每相邻磁铁的极性相同。这样排列在放电管的轴线上便可产生一不均匀的磁场，在轴向磁场的作用下谱线分裂，由于磁场的不均匀造成了谱线的增宽，由于谱线的增宽使增益下降，3.39μm由于

△V窄，故受磁场影响大，因而得到抑制。

3、氦氖激光器结构形式有哪几种？

内腔式、外腔式和半内腔式。

4、固体激光脉冲输出特点是什么？请解释尖峰脉冲形成的原因。

自有振荡激光器的发射特点是：

1、发射时间长,峰值功率低

2、能量转换效率低

尖峰脉冲形成的原因是脉冲氙灯开始闪光后约0.5ms开始发出激光，一经发光就迅速消耗掉上能级的粒子数，使△N降到阈值之下。这样激光发射大约维持1μm被迫停止。由于闪光灯继续抽运，上能级粒子数迅速积累，△N大于阈值后，又再次发射一个激光脉冲，如此继续。所以在氙灯1ms的闪光时间内，输出一系列小的激光尖峰脉冲，每个尖峰脉冲的持续时间约1μs。

5、请写出二氧化碳激光器上能级粒子数的积累过程。

气体放电时，电子获得较高的平均动能，与基态CO2分子和基态N2分子发生第一类非弹性碰撞：

e1＋CO2(000) →e2＋CO*2(001)

e1＋N2 →e2＋N*2（1）

N*2（1）与基态CO2发生第二类非弹性碰撞。

N*2（1）+CO2（000）→ CO2（001）+N2（0）

上述过程是激光上能级积累粒子数的过程。

6、氩离子激光器的主要输出波长各为哪两条？

0.5145μm , 0.4880μm .

7、半导体激光器实现粒子数反转的条件是什么？

实现粒子数反转的条件：

1、必须使费米能级进入导带和价带，这需要高掺杂。

2、另外要在P-N结上加上足够的正向电压v’，使ev’＝E－F－E+F>E g, P-N结这个作用区很小，厚度为μm量级。当E g

第四章 激光技术

1、腔长30cm 的氦氖激光器，荧光线宽1500MHz ，可能出现三个纵模。用三反镜法选单纵模，问短耦合腔腔长（ L 2+L 3）应为若干？

)(2150032L L n c

MHz +=

cm L L 1032=+

2、饱和吸收法稳频较兰姆凹陷法的优点有哪些？

饱和吸收法稳频，由于反转兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度窄，所以其中心频率两侧曲线的斜率就比兰姆凹陷曲线的斜率大，这样就可以减小搜索讯号的幅度以提高频率的稳定性。同时还由于吸收线中心频率极为稳定，所以使饱和吸收法获得了很高的长期稳定度和复现度。

3、简述电光调Q 原理。

（图略）电光调Q 是利用某些晶体的电光效应来作为Q 开关的元件。由电光效应知，当晶体加 λ/4 电压后，由感应双折射，沿 x 方向振动的线偏振光进入晶体后将变为沿 x'及沿 y'方向振动的二个线偏振光，通过晶体后成为圆偏振光，再经反射镜反射，该圆偏振光再次通过晶体则位相再次增加 π/2，圆偏振光又成为一线偏振光。不过它的振动方向为 y 方向，与原入射光振动方向垂直。 也就是说，加了λ/4 电压后，往返通过晶体的线偏振光，振动方向相对改变90?角。对于未加电压的晶体来说，往返光的振动方向不变。

利用这一点可以制成Q 开关。由于激光器发出的激光无偏振性，它通过偏振片后成为沿x 方向振动的线偏振光。往返通过加λ/4 电压的KD*P 晶体，则返回光沿 y 方向振动将被偏振片吸收。此时腔的Q 值很低，由于外界激励能源的作用，可使介质中能级的粒子数迅速增加，当其能级粒子数积累到足够数量的某个时刻突然撤去KD*P 上的电压，则由YAG 输出的激光经偏振片后能自由往返于激光腔中，不改变振动方向。损耗小，因此腔的Q 值很高，从而输出一个巨脉冲。

第五章 习题

1、计算腔长为1m 的共焦腔基横模的远场发散角，设波长为6328?，10Km 处光斑面积多大？

共焦腔束腰： mm L 32.020≈=

πλω 远场发散角： 103.60

?≈=

πωλθ-4弧度 10Km 处光斑半径： m z 3.6)(

12200≈+=πωλωω 光斑面积：

S=πr 2 ≈ 125m 2

2、一高斯光束腰粗ω0 =0.2mm ，λ=0.6328μm 今用一焦距3cm 的短焦距透镜聚焦，已知腰粗ω0离透镜的距离为60cm ，求聚焦后光束腰粗。

入射光在透镜处的光斑半径:

mm z 64.0)(

1220

0≈+=πωλωω 聚焦后束腰半径： mm f 01.00≈='πω

λω

3、如图，二透镜焦距分别为f 1=2.5cm ，f 2=20cm ， ω0=0.28mm ，z 1>>f 1（入射透镜紧靠共焦腔输出镜面），求该望远镜系统光束发散角的压缩比。 （图略）解：

入射透镜处光斑半径; mm 4.020≈=ωω

发散角的压缩比： 4.110

12≈=

'ωωf f M

第五章激光应用

1、激光切割时加喷高压气流的作用是什么？

一定压力(1~3个大气压)的气流(氧气或空气）与热金属发生强烈的放热反应,提供了部分能量,使切割速度显著提高.有辅助切割的作用并能保护光束系统不被汽化的材料所污染.

2、激光打孔时，单次打孔一般用在什么情况下？

单脉冲打孔存在着一些问题不好解决,例如液态材料未被喷出,出现再凝固问题就不好解决,因此单脉冲打孔仅用在薄板零件上打盲孔,其它情况均采用多脉冲打孔.

3、激光焊接与激光切割、打孔有什么不同？影响激光焊接的因素有哪些？

与切割打孔不同,焊接只需将材料熔化即可.因而必须严格控制能量输出,升温控制在熔化与蒸发之间,只有这样才能达到高质量的焊接效果.

影响激光焊接的因素有光功率密度、作用时间、材料性质、焊接方式等。

4、激光动平衡去重法有哪两种？它们各有什么特点

激光动平衡去重有两类。1. 按偏重量去重平衡，2. 定量去重平衡。

按偏重量去重平衡是检测出偏重量，自动给出一幅值信号，控制激光输出能量，以除去相应的重量。定量去重平衡不需要电路反馈系统，不论偏重大或偏重小，每次输出激光能量都是一定的，因而每次去重量也是一定的。

5、激光热处理有什么特点？激光热处理可以分为哪几种？

激光热处理具有以下优点：

1、由于激光功率密度高，加热速度极快，冷却速度也快，可以自行冷却，因而热影响区小，工件变形小，处理后不需修整。

2、由于光束传递移动方便，可以对形状复杂的零件或零件的某一部份进行处理，如盲孔底、深孔内壁、凹槽等，也可以根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理。

3. 由于加热速度极快，即达到了表面改性的目的，又不影响材料内部原有的性能。即提高了表面硬度和耐磨性，又保持材料内部韧性。

4. 由于处理后变形小，不破坏工件表面原有光洁度。

激光热处理中应用较多的是表面强化，相变硬化和激光表面合金化、激光涂敷等。

6、激光脉冲测距仪对光脉冲的要求有哪些？

测距仪对光脉冲的要求

①光脉冲应有足够的强度(避免反射回来的光太弱)

②光脉冲方向性要好。一是为了能量集中，能测很远，二是希望能准确的判

明方位。

（3）光脉冲单色性要好。为避免杂散光的影响，加了滤光片，光脉冲单色性好的话，滤光效果更佳。能有效提高信噪比。

④光脉冲宽度要窄。因为光速非常高，距离不太大的话，往返时间很短。若

脉冲宽度较大，即发射时间较长的话，有可能使发射光与反射回来的光重叠，这样就无法测量，因此光脉冲宽度一定要窄，可通过调Q技术解决这一问题。

7、位相测距仪的工作原理是什么？

位相测距是测定连续的调制激光在待测距离 d 上往返的位相差φ来间接测量传播时间t 的。我们知道光波在传播过程中位相是不断变化的，每传播波长λ的一段距离，位相就变化2π。所以距离d 、光波往返位相差φ和光波波长λ之间的关系为：

2d = λ? ( φ / 2π ) ( φ：往返d 一次位相变化)

或 d = ( λ/ 2 ) ? ( φ / 2π ) (1)

这里，λ / 2相当于测尺长Ls，φ / 2π相当于 d 内包括测尺长Ls 的数目。若令φ = 2πN + ⊿φ，其中N 为正整数，⊿φ是φ中不足2π的尾数，并考虑到Ls = λ / 2，(1)式改写为

d = Ls ? ( φ / 2π) = Ls ? ( N + ⊿φ / 2π ) (2)

8、画出激光干涉测长仪简化光路，并解释其工作原理。

（图略）

工作原理如下：

由He-Ne 激光器发出的光经半透半反镜P 后被分成两束，一束经固定反射镜M1反射回来，另一束经可动反射镜M2反射回来，两束光经过P 后汇合产生干涉。光束 1 的光程不变，而光束2的光程则随着平台一起移动的M2的移动而改变。两光束光程差：

⊿S = (2n + 1) ? ( λ / 2 ) 暗条纹

⊿S = 2n ? ( λ / 2 ) 亮条纹(n为正整数) 当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强，在计数器的

接收屏上形成亮条纹，当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消，在接收屏上形成暗条纹。因此，M2沿光束 2 方向上每移动半波长( λ / 2 )的长度，光束 2 的光程就改变一个λ，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。这个变化由光电转换装置转变成一个电信号而被光电计数器计数。并由显示和记录装置加以显示和记录。显然，我们只要记下M2 移动时干涉条纹

变化的周期数N 就可以得到被测长度为：

L = N ? ( λ / 2 )

被测长度L 也可以通过运算和显示电路直接显示出来。