激光原理部分題答案

1、07級(jí)光信息激光原理復(fù)習(xí)提綱簡答題1、簡述自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收之間的聯(lián)系與區(qū)別。(1) 受激輻射過程是一種被迫的、受到外界光輻射控制的過程。沒有外來光子的照射，就不可能發(fā)生受激輻射。(2) 受激輻射所產(chǎn)生的光子與外來激勵(lì)光子屬于同一光子狀態(tài)，具有相同的位相、傳播方向和偏振狀態(tài)。(3) 激光來自受激輻射，普通光來自自發(fā)輻射。兩種光在本質(zhì)上相同：既是電磁波，又是粒子流，具有波粒二象性；而 不同之處：自發(fā)輻射光沒有固定的相位關(guān)系，為非相干光， 而激光有完全相同的位相關(guān)系，為相干光。 自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身，而受激輻射的躍 遷幾率決定于受激輻射系數(shù)與外來光單色能量密度的乘積。(5

2、)受激吸收是與受激輻射相反的過程，它的幾率與受激輻射幾率一樣取決于吸收系數(shù)和 外來光單色輻射能量密度的乘積。2、二能級(jí)系統(tǒng)有無可能通過光泵浦實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？(不能，PPT上有)B21A21當(dāng)B12B21 即 W12W21WE2E1在光和原子相互作用達(dá)到穩(wěn)定條件下A21n2dtB21 r2dtB12 ndtn2W得到 ma21 w不滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以不能實(shí)現(xiàn)。3、簡述均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別。(類型，貢獻(xiàn)不同 ppt上有)4、簡述光譜線增寬類型，它們之間的聯(lián)系與區(qū)別自然加寬譜線加寬多普勒加寬非均勻加寬均勻增寬的共同特點(diǎn)引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的都是光輻射偏離簡諧波引起的譜線加

3、寬非均勻增寬的共同特點(diǎn)原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢 獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的。均勻增寬同非均勻增寬的區(qū)別是均勻增寬中每一個(gè)原子對(duì)譜線寬度內(nèi)任意頻率都有貢 獻(xiàn)，且貢獻(xiàn)相同；而非均勻增寬中每一個(gè)原子只對(duì)其速度所對(duì)應(yīng)的頻率有貢獻(xiàn)，即不同速 度的原子的作用是不同的。5、畫圖簡述三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)生激光的能級(jí)躍遷過程。（ppt）（1）三能級(jí)系統(tǒng)（紅寶石激光）激勵(lì)工作物質(zhì)在這些能級(jí)間的躍遷過程：泵浦（Wp）f無輻射躍遷（$2）受激躍遷（W21）(2)四能級(jí)系統(tǒng)激勵(lì)*抽運(yùn)e4泵浦高能級(jí)無輻射躍遷e3激光上能級(jí)h = E3 _E2e2激光下能級(jí)

4、無輻射躍遷E i 基態(tài)泵浦(Wp) f無輻射躍遷(S43)f受激躍遷(W32) f無輻射躍遷(S21)6、簡述激光形成條件。(三要素，諧振腔，泵浦)激光產(chǎn)生條件:激光工作物質(zhì)，上能級(jí)粒予數(shù)反 轉(zhuǎn)f提供合：選模，限制 波形和提供反慣、增益 提供穗定據(jù)蕩7、如何使激光器內(nèi)受激輻射大于受激吸收和自發(fā)輻射，從而實(shí)現(xiàn)光放大。（ppt 有）8、諧振腔穩(wěn)定性的條件?穩(wěn)定條件：0 < ( 1- L / R1 ) ( 1-L / F2 ) <1R1, F2為球面鏡曲率半徑，L為腔長，凹面反射鏡的R取正，凸面反射鏡的 R取負(fù)。9、簡述均勻增寬介質(zhì)和非均勻增寬介質(zhì)增益飽和的區(qū)別?比較均勻加寬和非均勻加寬

5、的增益系數(shù)和增益飽和均勻增寬：G( v) G(：)非均勻增寬：Gd(v) Gd( V)1 £(1 r)12燃光波I使非均勻增寬型介質(zhì)發(fā)生增益飽和的速率要比均勻增 寬型介質(zhì)緩慢。燃光波I使均勻增寬型介質(zhì)對(duì)各種頻率的光波的增益系數(shù)都下降 同樣的倍數(shù)；而對(duì)非均勻增寬型介質(zhì)它只能引起某個(gè)范圍內(nèi)的光 波的增益系數(shù)下降，并且下降的倍數(shù)不同。燃實(shí)際上均勻增寬型與非均勻增寬的飽和作用影響的頻率范圍是 一樣大的。由于多普勒增寬比均勻增寬寬得多，因此相同頻率范 圍對(duì)于多普勒增寬只能燒一個(gè)孔。10、什么是燒孔效應(yīng)和蘭姆凹陷。(圖配文字)表明：頻率為v，強(qiáng)度為I的光波僅使圍繞中心頻率 v、寬 度為V 1 I

6、/Is 1/2 V范圍內(nèi)的粒子有飽和作用，因此在A n (v) 曲線上形成一個(gè)以v 1為中心的凹陷，習(xí)慣上把它叫做 燒孔Lamb凹陷對(duì)于多普勒增寬光波1使頻率為!，即速度v C附近的 粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布飽和；同樣沿負(fù)軸傳播的光波I也會(huì)使速度為U （其對(duì)應(yīng)的頻率為V 1上Vo ）的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度飽和，即C沿腔軸負(fù)方向傳播的頻率個(gè)孔。Lamb凹陷：在多普 勒增寬線型的中心頻率°,光波只在增益曲線 上燒一個(gè)孔。（對(duì)應(yīng)沿 腔軸運(yùn)動(dòng)速度為零）2為的光波將在增益曲線上的附近燒一11、何為自再現(xiàn)模，解釋自再現(xiàn)模積分方程中本征函數(shù)和本征值的物理含義。當(dāng)兩個(gè)鏡面完全相同時(shí)，經(jīng)過多次腔內(nèi)反射后，場(chǎng)分布將

7、不再受衍射作用的影響，形 成一種穩(wěn)定的場(chǎng)分布（雖然光強(qiáng)等比例衰減，各點(diǎn)相位發(fā)生同樣大小滯后），即場(chǎng)分布經(jīng)過一次往返后能夠“再現(xiàn)”出來，這個(gè)穩(wěn)定的橫向場(chǎng)分布就是諧振腔的自再現(xiàn)?；驒M模。本征函數(shù)umn:表示在激光諧振腔中存在的穩(wěn)定的橫向場(chǎng)分布，就是自再現(xiàn)模，通常叫做“橫?！?，m n稱為橫模序數(shù)。本征值S mn指對(duì)于一次渡越的衍射損耗（單程衍射損耗），m n稱為橫模序數(shù)。12、簡述飽和光強(qiáng)是如何決定腔內(nèi)光強(qiáng)以至激光器輸出功率大小的。不同激光工作物質(zhì)的飽和光強(qiáng)Is的值不相同。有些介質(zhì)，如二氧化碳，其飽和光強(qiáng)值很大。由二氧化碳構(gòu)成的激光器，即使腔內(nèi)光強(qiáng)的數(shù)值已經(jīng)很大，與介質(zhì)的飽和光強(qiáng)Is的比值仍遠(yuǎn)小于1

8、，介質(zhì)對(duì)光波的增益仍然很大。知道腔內(nèi)光強(qiáng)的數(shù)值大到足以與飽和光強(qiáng)相比擬時(shí)， 介質(zhì)對(duì)光波的增益才開始下降而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因此，由飽和光強(qiáng)大的二氧化碳介質(zhì)制成的激光器，腔內(nèi)光強(qiáng)將會(huì)很強(qiáng)。而另外一些介質(zhì)，例如氦-氖激光器的工作物質(zhì)，飽和光強(qiáng)很小。在氦-氖激光器中，腔內(nèi)光強(qiáng)不是很強(qiáng)時(shí)，與飽和光強(qiáng)相比已經(jīng)是一個(gè)不可忽略的值 了，因此介質(zhì)在不大的光強(qiáng)之下就使增益系數(shù)開始下降，出現(xiàn)了增益飽和現(xiàn)象。這時(shí)，光波在介質(zhì)中的放大率開始下降，隨著光強(qiáng)值I繼續(xù)增加，比值I/Is繼續(xù)增大，I被放大的相對(duì)增長率G（vO）繼續(xù)下降，直至光放大過程趨于停止。因此，飽和光強(qiáng)值小的介質(zhì)，腔 內(nèi)光強(qiáng)一定不會(huì)很強(qiáng)?？梢?，飽和光強(qiáng)的確是

9、介質(zhì)的一個(gè)重要參量，它決定著腔內(nèi)光強(qiáng)以 致激光器輸出功率的大小。計(jì)算題1、要制作一個(gè)腔長 L= 60cm的對(duì)稱穩(wěn)定腔，(1) 反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？(2) 若穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑R = 4L,求另一面鏡的曲率半徑取值范圍?2、 激光器的諧振腔由一面曲率半徑為1m的凸面鏡和曲率半徑為 2m的凹面鏡組成，求腔長 L在什么范圍內(nèi)是穩(wěn)定腔？143、腔長為0.5m的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率0 = 5.85 l0 Hz,熒光線寬=86 l0 Hz,問它可能存在幾個(gè)縱模 ？相應(yīng)的縱模階數(shù)q值為多少？(設(shè) =1)4、 在紅寶石Q調(diào)制激光器中，有可能將全部Cr3+(鉻離子)激發(fā)到激光上能級(jí)并產(chǎn)生巨脈沖。 設(shè)紅寶石直徑0.8cm ,長8cm,鉻離子濃度為2X 1018 cm-3，巨脈沖寬度為10ns。求：輸 出0.6943 m激光的最大能量和脈沖平均功率？最大能量2cE N h r2 d h 2.3J脈沖平均功率:2.310 6910 102.30 108 W5、He-Ne激光器的中心頻率0 = 4.74 X1410 Hz,熒光線寬=1.59l0 Hz。若腔長L= l m問可能輸出的縱模數(shù)為幾個(gè)？為獲得單縱模輸出,1.5 109腔長最長為多少?q 1.5 10810可能存在的縱模數(shù)有11個(gè)v 2 Avc(jLL丄jA v83 1091.5