Fysik LTH
Tentamen i Laserteknik 2003-10-22 kl 14.00 - 19.00
Hjälpmedel: Miniräknare, Tefyma (eller annan valfri tabell), institutionens formelsamling.
Varje uppgift ger maximalt 6 poäng. För godkänt krävs hälften av maximal totalpoäng. Obs!
Korrekt svar utan motivering ger ej poäng.
1. I figurerna nedan består alla lasrarna av ett smalt långt gasfyllt rör mellan de två speglarna.
Rörändarna är försedda med Brewsterfönster. En eller flera av lasrarna fungerar ej. Den
laser som har mest ljus mellan speglarna har den inre effekten 0,3 W. Den stabila laser som
har minst effekt mellan speglarna har den inre effekten 120 mW. Obs! Här räknar vi bara
på fotoner som rör sig i en riktning. Egentligen har vi ju den dubbla effekten mellan
speglarna.
a) Vilka lasrar är stabila?
b) Hur är laserljuset polariserat i förhållande till pappret plan för de fungerande lasrarna?
c) Vilken är uteffekten för den starkaste lasern?
T=0,0005 L = 0,8 m
T=0,021
T=0,005
Plan spegel
R1 = 0,9 m
L = 0,8 m
T=0,021
L = 0,8 m
b)
T=0,005
Plan spegel
R = 0,9 m
Plan spegel
R1 = 0,7 m
a)
T=0,005
T=0,0005 L = 0,7 m
R1 = 0,5 m
c)
T=0,005
R2 = -0,9 m
d)
2. Linjen i en viss övergång är breddad på grund av kollisioner mellan atomerna i gasen.
Halvvärdesbredden på övergången är 850 MHz.
a) Beräkna ett medelvärde på antalet kollisioner som sker i gasen per sekund.
b) Beräkna linjeprofilens toppvärde.
c) Beräkna kvoten mellan sannolikheten för excitation med en laser vars frekvens avviker
med 500 Mhz från profilens mitt och motsvarande sannolikhet om laserns frekvens
ligger precis vid profilens mitt.
3. En laser med konfokal kavitet har speglar med krökningsradien 0,9 m. Man skall bestämma
uteffekten från lasern med hjälp av en liten cirkulär detektor placerad 3 m utanför den ena
spegeln i lasern. Antag att spegeln ej påverkar strålens divergens. Detektorns area är 4,5
mm2 och ljusets våglängd är 597 nm. Detektorns kvanteffektivitet är 0,35 och man
detekterar en ström på 8mA. Ledning: Allt ljuset från lasern träffar inte detektorn!
a) Bestäm strålens karakteristiska diameter vid detektorn.
031022-1
Fysik LTH
b) Beräkna laserns uteffekt.
4. En helium-cadmium-laser (våglängd 432 nm) har 2,6 % förstärkning per enkelpassage. Två
konkava speglar med krökningsradien 6 m finns i lasern med avståndet 1,2 m mellan
speglarna. Den ena har transmittansen 0 och den andra 3,2 %. Lika stora bländare placeras
strax intill speglarna för att reglera antalet transversella moder i lasern.
a) Beräkna minsta och största värdet på bländarens diameter så att enbart TEM00 kan
finnas i kaviteten.
b) Beräkna frekvensskillnaden mellan TEM00n och TEM00n+1.
c) Bestäm skillnaden i våglängd mellan de axiella moderna i b).
5. En 1,1 m lång modlåst helium-neon-laser har en gaussiskt intensitetsfördelning
(tidsmässigt) för moderna med bandbredden 0,65 GHz. Lasern ger en medeleffekt på 14
mW.
a) Beräkna de modlåsta pulsernas varaktighet (mätt vid halva intensiteten).
b) Beräkna avståndet i tid mellan pulserna.
c) Hur stor blir toppeffekten i en puls. Gör antagandet att pulsen kan approximeras med en
fyrkantspuls som enbart varar under den tid som beräknades enligt a).
6. Vid fiberoptisk kommunikation används en stegindexfiber. Man mäter utbredningshastigheten för ljus som utbreder sig rakt fram genom fibern och ljus som har en vinkel med
fiberns optiska axel som är 14°. Kärnans brytningsindex är 1,61 och mantelns är 1,48.
a) Hur stor blir skillnaden i tid för ljus som utbreder sig snett genom en 5,8 km lång fiber
och det ljus som går rakt fram?
b) Vilken numerisk apertur har fibern?
c) Fibern har en dämpning som är 0,6 dB/km. Antag att 15 mW skickas in i ena änden av
fibern, hur mycket kommer då ut ur andra änden 5,8 km längre bort?
031022-2
Fysik LTH
7. Man mäter ljusets intensitet fråm en laserdiod på avståndet 250 mm med hjälp av en liten
rörlig detektor som rör sig i ett plan vinkelrätt mot strålen och får följande mätresultat: Se
figur 7a och 7b. Ljuset från laserdioden har våglängden 670 nm.
a) En tunn lins med brännvidden 7,5 mm placeras 7,5 mm från laserdioden yta. Beräkna
storleken på strålen strax efter linsen dvs ange halvvärdesbredden för strålen både
vertikalt och horisontellt.
b) Gör en uppskattning av det aktiva områdets vertikala och horisontella storlek.
Figur 7a. Intensitet som funktion av position. Figur 8a. Intensitet som funktion av position
Horisontellt tvärsnitt
Vertikalt tvärsnitt
8. Vid en LDV-uppställning används en argonjonlaser med våglängd 514 nm och
stråldiameter 1,5 mm. Strålen delas så att två lika starka parallella strålar med plan vågfront
träffar en lins med brännvidd 200 mm.
a) Beräkna fläckdiametern i fokus från en stråle.
b) Man önskar ca 20 interferensfransar över denna fläckdiameter. Hur skall då avståndet
mellan strålarna före linsen väljas?
9. Beskriv kortfattat vad som menas med följande begrepp:
a) normal population
b) visibilitet
d) modhopp
e) strålmidja
c) materialdispersion
f) ringlaser
10. Beskriv på högst 1 á 2 A4-sidor det viktigaste du vet om egenskaperna hos en Nd-YAG
laser.
031022-3
