激光原理復習資料

1、1， 全息照相是利用激光的相干性好特性的照相方法。2， 能夠完善解釋黑體輻射實驗曲線的是普朗克公式,3，什么是黑體輻射？寫出公式,并說明它的物理意義。答：黑體輻射：當黑體處于某一溫度的熱平衡情況下，它所吸收的輻射能量應等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場之間應處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這種平衡必然導致空腔內存在完全確定的輻射場，這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。公式：物理意義：在單位體積內，頻率處于附近的單位頻率間隔中黑體的電磁輻射能量。4，愛因斯坦提出的輻射場與物質原子相互作用主要有三個過程，分別是 自發(fā)輻射 、 受激發(fā)射 、 受激吸收 。5，按照原子的量子理論，原子可以通過自發(fā)輻射和受激輻射的

2、方式發(fā)光，它們所產生的光的特點是（） A，兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光相干，原子受激輻射的光與入射光不相干。 B，兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光不相干，原子受激輻射的光與入射光相干。 C，兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光不相干，原子受激輻射的光與入射光不相干。 D，兩個原子自發(fā)輻射的同頻率的光相干，原子受激輻射的光與入射光相干。6，Einstein系數有哪些？它們之間的關系是什么？答：系數：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數A21，受激吸收躍遷愛因斯坦系數B12，受激輻射躍遷愛因斯坦系數B21關系：，f1, f2為E1, E2能級的統(tǒng)計權重(簡并度)。7，自發(fā)輻射愛因斯坦系數與激發(fā)態(tài)E2平均壽命的關系為（） A,

3、 B, C, D, 8，如何理解光的相干性？何謂相干時間、相干長度、相干面積和相干體積？答：光的相干性:在不同的空間點上、在不同的時刻的光波場的某些特性的相關性。相干時間：光沿傳播方向通過相干長度所需的時間，稱為相干時間。相干長度：相干光能產生干涉效應的最大光程差，等于光源發(fā)出的光波的波列長度。相干體積：如果在空間體積內各點的光波場都具有明顯的相干性，則稱為相干體積。9，光腔的損耗主要有 幾何偏折損耗 、 衍射損耗 、 透射損耗 和材料中的非激活吸收、散射、插入物損耗。10，若兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R140cm，R2100cm組成穩(wěn)定諧振腔，則腔長L的取值范圍0L40cm或100L140

4、cm 。11，在激光諧振腔中一般有哪些損耗因素，分別與哪些因素有關？答：損耗因素幾何偏折損耗： 與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關。衍射損耗： 與腔的菲涅爾數、腔的幾何參數、橫模階次有關。腔鏡反射不完全引起的損耗： 與腔鏡的透射率、反射率有關。材料中的非激活吸收、散射、腔內插入物所引起的損耗：與介質材料的加工工藝有關。12，對稱共焦腔在穩(wěn)定圖上的坐標為（0, 0）13粒子數反轉分布狀態(tài)微觀粒子滿足負溫度分布。14譜線加寬中的非均勻加寬包括 多普勒加寬 、 晶格缺陷加寬 兩種加寬。15 碰撞加寬譜線為洛侖茲線型16 加寬類型及機制a)均勻加寬自然加寬 機制：原子的自發(fā)輻射引起的。碰撞加寬 機制：

5、大量原子（分子、離子）之間的無規(guī)則碰撞。晶格振動加寬： 機制：晶格振動使激活離子處于隨周期變化的晶格場，激活離子的能級所對應的能量在某一范圍內變化。b)非均勻加寬多普勒加寬 機制：由于作熱運動的發(fā)光原子（分子所發(fā)出）輻射的多普勒頻移引起的。晶格缺陷加寬 機制：晶格缺陷部位的晶格場將和無缺陷部位的理想晶格場不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級將發(fā)生位移，導致處于鏡體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同。c)綜合加寬氣體工作物質的綜合加寬 機制：由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。固體激光工作物質綜合加寬 機制：由晶格熱振動引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬。液體工作物質的綜合加寬 機

6、制：溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰撞而導致自發(fā)輻射的碰撞加寬。17 如何理解均勻加寬和非均勻加寬？答：均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，對于均勻加寬，每個發(fā)光原子都以整個線型發(fā)射，不能把線型函數上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，或者說，每一個原子對光譜內任一頻率都有貢獻。非均勻加寬：原子體系中每個原子只對譜線內與它的中心頻率相應的部分有貢獻，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。18 如何求自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬的線寬？答：自然加寬線寬： (為原子在能級的自發(fā)輻射壽命)碰撞加寬： 多普勒加寬：(M為原子量)19設摻Er磷酸鹽玻璃中，Er離子在激光上

7、能級上的壽命為10 ms，則其譜線寬度為 15.9 Hz 。20譜線加寬中的均勻加寬包括 自然加寬 、 碰撞加寬 、 晶格振動加寬 三種加寬。21 靜止氖原子的3S2-2P4譜線的中心波長為0.6328mm，設氖原子以-0.5c的速度向著接收器運動，則接收到的頻率為 2.737×1014 Hz 。22 激光器基橫模選擇方法包括： 選擇腔型和腔參數 、 光闌選模 、 自孔徑選模 、棱鏡選模和微調諧振腔 。23 He-Ne激光器中，輔助氣體氦氣的作用是 提高泵浦效率 。24 半導體激光器主要的泵浦方式為電注式和光泵浦兩種。25 一質地均勻的材料對光的吸收系數為，光通過10cm長的該材料后

8、，出射光強為入射光強的百分之幾？ 如果一束光通過長度為1M地均勻激勵的工作物質，如果出射光強是入射光強的兩倍，試求該物質的增益系數。 解答：設進入材料前的光強為，經過距離后的光強為，根據損耗系數的定義，可以得到：則出射光強與入射光強的百分比為：根據小信號增益系數的概念：，在小信號增益的情況下，上式可通過積分得到 26靜止氖原子的3S2-2P4譜線的中心波長為0.6328mm，設氖原子以+0.1c的速度向著接收器運動，則接收到的頻率為 5.24×1014 Hz 。27 CO2激光器中，除含CO2氣體外，還含有氮氣和氦氣，其中氮氣起到提高激光上能級的激勵效率作用，氦氣起到激光下能級的抽空

9、作用。28激光器調Q技術主要包括：電光Q開關、聲光Q開關和染料Q開關。29在有源腔中，由于吸收物質的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更遠離中心頻率，這種現象叫做頻率推斥。30在連續(xù)運轉激光器穩(wěn)定狀態(tài)（）。 A, 增益系數隨泵浦功率增加 B, 增益系數隨光強增加而減少 C, 小信號增益系數隨光強增加 D, 增益系數等于閾值增益系數31什么是譜線加寬？有哪些加寬類型？加寬機制是什么？答：(1)譜線加寬：由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻率附近一個很小的頻率范圍內，這就叫譜線加寬。32調Q激光器通?？色@得（ns）量級短脈沖。33鎖模激光器通常可獲得（ps）量級短脈沖。34為什

10、么存在線寬極限？它取決于什么？答：(1)由于存在著自發(fā)輻射，穩(wěn)定振蕩時的單程增益略小于單程損耗，有源腔的凈損耗不等于零，雖然該模式的光子數密度保持恒定，但自發(fā)輻射具有隨機的相位，所以輸出激光是一個具有衰減的有限長波列，因此具有一定的譜線寬度，這種線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產生的，因而是無法排出的，因此稱為線寬極限。(2)取決于輸出功率、損耗及腔長。輸出功率越大，線寬就越窄；減小損耗和增加腔長也可以使線寬變窄。35紅寶石激光器是典型的三能級系統(tǒng)。36YAG激光器是典型的四能級系統(tǒng)37對稱共焦腔基模的遠場發(fā)散角為（ ） A, B, C, D, 38在一定溫度下，自發(fā)輻射幾率是受激輻射幾率的()倍。

11、A， B, C, D, 39調制激光器的工作原理，目前常用的幾種調方法。答：(1)工作原理通過某種方法使諧振腔的損耗因子(或)值按照規(guī)定的程序變化，在泵浦源剛開始時，先使光腔具有高損耗因子，激光器由于閾值高而不能產生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數可以積累到較高的水平，然后在適當的時刻，使腔的損耗因子突然降到，閾值也隨之突然降低，此時反轉集居數大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內，上能級存儲的大部分粒子的能量轉變?yōu)榧す饽芰?，形成一個很強的激光巨脈沖輸出。(2)調方法 電光開關、聲光調開關、染料開關40自然加寬譜線為洛侖茲線型。41對稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標為（）。A，(-1，-

12、1) B，（0, 0） C，（1，1） D，（0，1）42多普勒加寬發(fā)生在 （氣體）介質中 43在連續(xù)運轉激光器穩(wěn)定狀態(tài)（）。 A, 增益系數隨泵浦功率增加 B, 增益系數隨光強增加而減少 C, 小信號增益系數隨光強增加 D, 增益系數等于閾值增益系數44非均勻加寬？答：原子體系中每個原子只對譜線內與它的中心頻率相應的部分有貢獻，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。45什么是光波模式和光子態(tài)？什么是相格？答：光波模式:在一個有邊界條件限制的空間內，只能存在一系列獨立的具有特定波矢的平面單色駐波。這種能夠存在于腔內的駐波（以某一波矢為標志）稱為光波模式。光子態(tài):光子在由坐標與動量

13、所支撐的相空間中所處的狀態(tài),在相空間中，光子的狀態(tài)對應于一個相格。相格:在三維運動情況下，測不準關系為，故在六位相空間中，一個光子態(tài)對應（或占有）的相空間體積元為，上述相空間體積元稱為相格。46 模式競爭：在均勻加寬的激光器中，開始時幾個滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中相互競爭，結果總是靠近中心頻率的一個縱模獲勝，形成穩(wěn)定的振蕩，其他的縱模都被抑制而熄滅。47激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件？答(1)振蕩條件：滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一；頻率落在工作物質的譜線范圍內，即對應增益系數大于等于閾值增益系數。 (2)穩(wěn)定工作條件：增益系數等于于閾值增益系數。 48哪些參數可以描述諧振腔的

14、損耗？它們的關系如何？答：(1) 描述參數 a)平均單程損耗因子： （I0為初始光強，I1為往返一周后光強） b)腔內光子的平均壽命： c)品質因數： (2)關系：腔的損耗越小，平均單程損耗因子越小，腔內光子的平均壽命越長，品質因數越大。49什么是頻率排斥？。答：在有源腔中，由于吸收物質的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更遠離中心頻率，這種現象叫做頻率推斥。50激光器一般包括哪三個基本單元？各單元的主要作用是什么？答：激光工作物質：用來實現粒子數反轉和產生光的受激發(fā)射作用的物質體系。接收來自泵浦源的能量，對外發(fā)射光波并能夠強烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱為激活物質。泵浦源：提供能量，實現工作物質的粒子

15、數反轉。光學諧振腔：a)提供軸向光波模的正反饋；b)模式選擇，保證激光器單模振蕩，從而提高激光器的相干性。51什么是激光器譜線均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，對于均勻加寬，每個發(fā)光原子都以整個線型發(fā)射，不能把線型函數上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，或者說，每一個原子對光譜內任一頻率都有貢獻。52什么是頻率牽引？在有源腔中，由于增益物質的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近中心頻率，這種現象叫做頻率牽引。53 什么是一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價性？答：(1)任意一個共焦球面腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價; (2)任一滿足穩(wěn)定條件的球面腔唯一地等價于某一個共焦腔。即如果某一

16、個球面腔滿足穩(wěn)定性條件，則必定可以找到而且也只能找到一個共焦腔，其行波場的某兩個等相位面與給定球面腔的兩個反射鏡面相重合。54 Q調制激光器的工作原理？答：通過某種方法使諧振腔的損耗因子(或Q)值按照規(guī)定的程序變化，在泵浦源剛開始時，先使光腔具有高損耗因子，激光器由于閾值高而不能產生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數可以積累到較高的水平。在適當的時刻，使腔的損耗因子突然降到，閾值也隨之突然降低，此時反轉集居數大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內，上能級存儲的大部分粒子的能量轉變?yōu)榧す饽芰浚纬梢粋€很強的激光巨脈沖輸出。55如何計算基模高斯光束的主要參量，腰斑的位置、鏡面上光斑的大

17、小、任意位置處激光光斑的大小、等相位面曲率半徑、光束的遠場發(fā)射角、模體積。答：設穩(wěn)定腔腔長為L，兩腔鏡和的曲率半徑分別為和則：(1)腰斑位置距M1的距離為，距M2的距離為(2)M1鏡面上光斑的大?。?M1鏡面上光斑的大?。?3)任意位置處激光激光光斑大小：(，)(4)等相位面曲率半徑： (5)光束的遠場發(fā)散角：(6)模體積：56 某高斯光束的腰斑半徑光波長。求與腰斑相距z=30cm處的光斑及等相位面曲率半徑。解：光斑半徑: 等相位面曲率半徑: 57由凸面鏡和凹面鏡組成的球面腔，如圖。凸面鏡的曲率半徑為2m，凹面鏡的曲率半徑為3m，腔長為1.5m。發(fā)光波長600nm。（12分）（1）判斷此腔的穩(wěn)

18、定性；（2）求出等價共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置；（3）求出距凸面鏡右側5.125米處的束腰大小w及波面曲率半徑R； 解: (1) 激光腔穩(wěn)定條件此腔為穩(wěn)定腔。(2) 得， f = 0. 99221mm，即束腰位置距R1 右側1.125m(3) 距凸透鏡右側5.125米處，經計算為距束腰4米處。 58今有一球面腔，。試證明該腔為穩(wěn)定腔；求出它的等價共焦腔的參數；在圖中畫出等價共焦腔的具體位置。Page98（10）解：(1)該球面腔的g參數 由此滿足諧振腔的穩(wěn)定性條件，因此該腔為穩(wěn)定腔。(2)兩反射鏡距離等效共焦腔中心O點的距離和等價共焦腔的焦距分別為 ?(3)等價共焦腔的具體位置如下圖 59熱平衡時，原子能級E2的數密度為n2，下能級E1的數密度為n1，設，求：(1)當原子躍遷時相應頻率為3000MHz，T300K時n2/n1為多少？(2)若原子躍遷時發(fā)光波長1m，n2/n10.1時，則溫度T為多高？說明為什么在光頻下靠熱激發(fā)產生粒子數反轉是不可能的。解：（1）由公式 得到： (2分) （2） (2分) 需要如此高的熱激發(fā)溫度，因此靠熱激發(fā)無法產生粒子數反轉。 (2分) 60穩(wěn)定雙凹球面腔腔長L1m, 兩個反射鏡的曲率