激光技术习题.docx
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激光技术习题.docx
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激光技术习题
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Vλ/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。
第一章习题
1、请解释
(1)、激光
LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation
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=2/
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/应为多少?
第二章习题
1、请解释
(1)、受激辐射
高能态E2的粒子受到能量h=E2-E1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E1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:
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GN,光强IN。
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TEMmn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:
或G()内-(1/2L)Ln(r1r2)
2、试计算连续功率均为1w的两光源,分别发射=0.5000m,=3000GHz的光,每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少?
解:
(1)
(2)
3、一光源发射=0.6000m波长时,如果(I激/I自)=1/20000,求此时单色辐射能量密度等于多少?
由
得
4、设氖原子静止时发光中心频率为0=4.741014HZ,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
得
5、稳定谐振腔的两块反射镜,其曲率半径分别为R1=40cm,R2=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0=5.851014HZ荧光线宽=6108HZ,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 纵模数为: 相应的q值为: 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*+BB*+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3.39m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3.39m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6328Å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+N2e2+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? 0.5145m,0.4880m. 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>Eg,P-N结这个作用区很小,厚度为μm量级。 当Eg 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(L2+L3)应为若干? 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/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/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/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/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6328Å,10Km处光斑面积多大? 共焦腔束腰: 远场发散角: -4弧度 10Km处光斑半径: 光斑面积: S=πr2125m2 2、一高斯光束腰粗0=0.2mm,λ=0.6328μm今用一焦距3cm的短焦距透镜聚焦,已知腰粗0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: 聚焦后束腰半径: 3、如图,二透镜焦距分别为f1=2.5cm,f2=20cm,0=0.28mm,z1>>f1(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; 发散角的压缩比: 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 的一段距离,位相就变化2。 所以距离d、光波往返位相差和光波波长之间的关系为: 2d=•(/2)(: 往返d一次位相变化) 或d=(/2)•(/2) (1) 这里,/2相当于测尺长Ls,/2相当于d内包括测尺长Ls的数目。 若令=2N+⊿,其中N为正整数,⊿是中不足2的尾数,并考虑到Ls=/2, (1)式改写为 d=Ls•(/2)=Ls•(N+⊿/2) (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)•(/2)暗条纹 ⊿S=2n•(/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(/2)的长度,光束2的光程就改变一个,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•(/2) 被测长度L也可以通过运算和显示电路直接显示出来。
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