激光物理 (1)

1、第一章1、激光產(chǎn)生需要哪些條件？答：1.受激輻射是產(chǎn)生激光的首要條件，也是必要條件，但還不是充分條件。2.要形成激光，工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級。這是產(chǎn)生激光的第二個條件。3.在常溫下，吸收多于發(fā)射。選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，使其在亞能級上的電子比低能級上的電子還多，即形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于吸收。這是產(chǎn)生激光的第三個條件。4.激光器中開始產(chǎn)生的光子是自發(fā)輻射產(chǎn)生的，其頻率和方向雜亂無章。要使頻率單純，方向集中，就必須有一個振蕩腔。這是產(chǎn)生激光的第四個條件。5.只有使光子在腔中振蕩一次產(chǎn)生的光子數(shù)比損耗掉的光子多得多時，才能有放大作用，這是產(chǎn)生激光的第五個條件。2、推導(dǎo)原子偶極輻射幾率與吸收幾率與

2、偶極矩的關(guān)系證明：設(shè)一系統(tǒng)與一電磁場建立平衡狀態(tài)，電磁場與頻率與+d間的能態(tài)密度為（）d茲取系統(tǒng)的量能態(tài)Em，En，Em-En=hmn平衡態(tài)條件為可變?yōu)镠1可視為一級微擾又有在電偶極近似下3、簡述Einsten受激輻射理論,并推導(dǎo)該理論在什么假設(shè)下與Plank的黑體輻射理論吻合？愛因斯坦受激輻射理論：處于高能級的原子，受外來光子的作用，當(dāng)外來光子的頻率正好與它的躍遷頻率一致時，它就會從高能級跳到低能級，并發(fā)出與外來光子完全相同的另一光子。新發(fā)出的光子不僅頻率與外來光子一樣，而且發(fā)射方向、偏振態(tài)、位相和速率也都一樣。于是，一個光子變成了兩個光子。如果條件合適，光就可以象雪崩一樣得到放大和加強。特

3、別值得注意的是，這樣放大的光是一般自然條件下得不到的“相干光”。推導(dǎo)過程：維恩根據(jù)熱力學(xué)原理得到了黑體輻射能量按波長分布為：瑞利-金斯公式：根據(jù)經(jīng)典的電磁理論和能量均分定，認(rèn)為腔內(nèi)為駐波振蕩維恩公式短波段與實驗曲線相符合，長波時偏離實驗曲線；瑞利-金斯公式，當(dāng)波長很長很長時與實驗曲線符合，短波長會發(fā)生紫外光災(zāi)難。Plank假設(shè)黑體由帶電諧振子組成，并假設(shè)諧振子能量不能連續(xù)變化，只能去一系列分立值，且，E=hn,與實驗曲線完全符合。第二章1、為什么有線性和非線性光學(xué)，他們有什么區(qū)別？線性光學(xué)：普通光場與物質(zhì)相互作用，物質(zhì)與光場呈線性關(guān)系。非線性光學(xué)：強光場與物質(zhì)相互作用，物質(zhì)與光場呈非線性關(guān)系。

4、線性光學(xué)：激光問世以前基本上研究弱光束在介質(zhì)中的傳播，確定介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的折射率或極化率與光強無關(guān)，介質(zhì)的極化強度正比于光波的電場強度E，光波疊加時遵守線性疊加原理。區(qū)別：1）光場與物質(zhì)相互作用的基本理論： 普通光入射到介質(zhì)中，電極化強度矢量P與光場E之間呈線性關(guān)系：p=e0c1E 強光入射到介質(zhì)中，電極化強度矢量P與光場E之間不再呈簡單的線性關(guān)系，而是呈冪級關(guān)系：P=c(1)E+c(2)E2+c(3)E3.2)光與物質(zhì)相互作用的基本規(guī)律單一頻率的光入射到非線性介質(zhì)中，其頻率不發(fā)生任何變化，不同頻率的光同時入射時，彼此不發(fā)生耦合作用，也不會發(fā)生任何新的頻率，麥?zhǔn)戏匠淌蔷€性微分方程，包含E的高次方

5、項。 單一頻率的光入射到特定介質(zhì)中，可產(chǎn)生倍頻輻射，不同頻率的光同時入射時，可通過介質(zhì)彼此發(fā)生耦合作用，并在新頻率處產(chǎn)生混頻輻射，麥?zhǔn)戏匠淌欠蔷€性微分方程，只含E的一次方項。3）光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象 折射，衍射，吸收等與光場呈線性關(guān)系。 二次、三次諧振，光參量放大與振蕩，自聚焦，受激輻射，飽和吸收。2、從量子力學(xué)的觀點看，平面波是怎樣產(chǎn)生的?推導(dǎo)之，寫出它對應(yīng)的傅里葉變換。自由粒子：指的是不受外力的作用靜止或勻速運動的質(zhì)點，因此其能量E和動量P都是常量，根據(jù)de Brogli關(guān)系E=h=w, P=h/e=, w=2, =h/2，可以看出自由粒子的頻率和波失均為常量E=hW,都是常量的波應(yīng)該是

6、平面波，可以用以下函數(shù)描述，=A(0)(r-wt)或=Aexpi (r-wt) 即自有粒子的波函數(shù)。它將粒子的波動同其能量和動量聯(lián)系起來。F=FAexpi/(pr-Et)= Aexpi/(pr)Fexp(-iEt/)= Aexpi/(pr)(w0+w)其中w0=E/ 3、一個光脈沖一般用一個高斯波包表示，請寫出其具體的數(shù)學(xué)形式以及相應(yīng)的傅里葉變換。4、請寫出非線性參數(shù)互相作用的“和頻”“差頻”“參數(shù)放大”等幾種情況的詳細(xì)物理過程。和頻：頻率為V1和V2的兩束光（其中至少有一束光為激光），同時入射到某些介質(zhì)中時，產(chǎn)生頻率為 V3=V1-V2的光束差頻：頻率為V1和V2的兩束光（V1>V2,其中至少有一束光為激光），同時入射到某些介質(zhì)中時，產(chǎn)生頻率為 V3=V1+V2的光束參數(shù)放大：當(dāng)一種頻率較低的弱信號與另一頻率較高的強激勵光束同時入射到非