激光原理習(xí)題

1、1、 光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)基本過程：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收。2、 激光器的損耗指的是在激光諧振腔內(nèi)的光損耗，這種損耗可以分為兩類：內(nèi)部損耗、鏡面損耗。3、 形成激光的條件：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件。4、 激光的四個(gè)基本特性：高亮度、方向性、單色性和相干性。5、 激光調(diào)制方法：內(nèi)調(diào)制是指在激光生成的振蕩過程中加載調(diào)制信號(hào)，通過改變激光的輸 出特性而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制。 外調(diào)制則是在激光形成以后，再用調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，它并不改 變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光束的參數(shù)。就調(diào)制方法來講，也有振幅調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制以及脈沖調(diào)制等形式。6、 三種譜線增寬形式：自

2、然增寬、碰撞增寬、多普勒增寬。7、 單縱模激光器的選頻方法：短腔法、法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法、三反射鏡法。8、 激光器的基本結(jié)構(gòu)：激光工作物質(zhì)：能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激光放大。激勵(lì)能源：能將低能級(jí)的粒子不斷抽運(yùn)到高能級(jí)，補(bǔ)充受激輻射減少高能級(jí)上的粒子數(shù)。光學(xué)諧振腔：提高光能密度，保證受激輻射大于受激吸收。9、 高斯光束的基膜腰斑半徑（腰粗）公式：W=W=簡(jiǎn)答題：1、 用速率方程組證明二能級(jí)系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。2、 簡(jiǎn)述光頻電磁場(chǎng)與物質(zhì)的三種相互作用過程，并指出其影響因素。（畫圖說明）答:光與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)是光與物質(zhì)中的電子發(fā)生相互作用，使得電子在不同的能級(jí)之間躍遷。包括三種基本過程

3、：自發(fā)發(fā)射、受激輻射以及受激吸收。.自發(fā)發(fā)射在無外電磁場(chǎng)作用時(shí),粒子自發(fā)地從E2躍遷到E1,發(fā)射光子hv。(a)特點(diǎn):各粒子自發(fā)、獨(dú)立地發(fā)射的光子。各光子的方向、 偏振、初相等狀態(tài)是無規(guī)的, 獨(dú)立的，粒子體系為非相干光源。受激輻射:原處于高能級(jí)E2的粒子, 受到能量恰為hv=E2-E1的光子的激勵(lì), 發(fā)射出與入射光子相同的一個(gè)光子而躍遷到低能級(jí)E1 。特點(diǎn):受激發(fā)射只能在頻率滿足hv=E2-E1的光子的激勵(lì)下發(fā)生;不同粒子發(fā)射的光子與入射光子的頻率、位相、偏振等狀態(tài)相同; 這樣,光場(chǎng)中相同光子數(shù)目增加,光強(qiáng)增大,即入射光被放大 光放大過程。受激吸收:原處于低能級(jí)E1的粒子,受到能量恰為hv=E

4、2-E1的光子照射而吸收該光子的能量,躍遷到高能級(jí)E2。3、3、簡(jiǎn)述激光器的基本結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生激光的基本條件：有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)。有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。4,、什么是激光的調(diào)Q技術(shù)？詳細(xì)說明調(diào)Q原理。答：用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱為激光調(diào)Q技術(shù)。調(diào)Q原理指的是，采用某種辦法使諧振腔在泵浦源開始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)

5、數(shù)即使積累到很高水平也不會(huì)產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí)，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。5、激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？答：工作物質(zhì)： 這是激光器的核心，只有能實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的物質(zhì)才能作為激光器的工作物質(zhì)。目前，激光工作物質(zhì)已有數(shù)千種，激光波長(zhǎng)已由X光遠(yuǎn)至紅外光。例如氦氖激光器中，通過氦原子的協(xié)助，使氖原子的兩個(gè)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；.激勵(lì)能源（光泵） 它的作用是給工作物質(zhì)以能量，即將原子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)的外界能量。 通過強(qiáng)光照射工作物質(zhì)而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法稱為光泵法。例如紅寶石激光器，是利用大功率的閃光燈照射紅寶石（工作

6、物質(zhì)）而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，造成了產(chǎn)生激光的條件。通?？梢杂泄饽茉?、熱能源、電能源、化學(xué)能源等。光學(xué)共振腔 這是激光器的重要部件，其作用一是使工作物質(zhì)的受激輻射連續(xù)進(jìn)行；6、造成激光器線寬的原因有哪些？答：能級(jí)的有限壽命造成了譜線的自然寬度；發(fā)光粒子之間的碰撞造成了譜線的碰撞寬度（或壓力寬度）；發(fā)光粒子的熱運(yùn)動(dòng)造成了譜線的多普勒寬度。7、描述能級(jí)的光學(xué)躍遷的三個(gè)過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。答：光學(xué)躍遷中同時(shí)存在著光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射三個(gè)過程。（1）自發(fā)輻射過程：處于高能級(jí)E的一個(gè)原子自發(fā)的向E躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為hv的光子，這種過程稱為自發(fā)躍遷，由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光被稱為自發(fā)

7、輻射。特點(diǎn)：自發(fā)產(chǎn)生；輻射是獨(dú)立的。自發(fā)躍遷幾率：=（2）受激吸收過程：處于低能態(tài)E的一個(gè)原子，在頻率為v的輻射場(chǎng)作用（激勵(lì)）下，吸收一個(gè)能量為hv的光子并向E能態(tài)躍遷，這種過程稱為受激吸收躍遷。特點(diǎn)：非自發(fā)的，有外來光照射；增強(qiáng)光的強(qiáng)度；與原光子性質(zhì)、狀態(tài)完全相同。受激吸收躍遷幾率：W=（3）受激輻射過程：處于上能級(jí)E的原子在頻率為v的輻射場(chǎng)作用下，躍遷至低能態(tài)E,并輻射一個(gè)能量為hv的光子。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。特點(diǎn)：只有外來光子的能量hv=E-E時(shí)，才能引起受激輻射；受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的特性完全相同，即頻率相同、相位相同、偏振方向相同、傳播方向相同。受激輻射躍遷

8、幾率W=8、寫出激光輸出頻率的表達(dá)式并指出影響頻率的因素。（寫出共焦腔TEM模諧振頻率）答：對(duì)共焦腔的TEM00模的頻率為：v=q,q=1，2,3，從表達(dá)式上可以看出：腔長(zhǎng)變化、折射變化都是影響頻率穩(wěn)定的因素。環(huán)境溫度的起伏，激光管的發(fā)熱及機(jī)械振動(dòng)都會(huì)引起諧振腔幾何長(zhǎng)度的改變。溫度的變化、介質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)的起伏以及大氣的氣壓、濕度變化都會(huì)影響激光工作物質(zhì)及諧振腔裸露于大氣部分的折射率。9、簡(jiǎn)述激光在某個(gè)方面的應(yīng)用，說明原理并注明應(yīng)用了激光的哪個(gè)特性。答：激光在醫(yī)療美容方面的運(yùn)用。激光美容的原理是通過組織吸收高能量的激光后說產(chǎn)生的光熱反應(yīng)，是局部溫度在數(shù)秒內(nèi)驟然升高到數(shù)百度或更高，組織發(fā)生凝固性壞死，甚至炭化或汽化，與此同時(shí)，由于急劇發(fā)熱，組織的水分突然劇烈喪失，聚焦后，可以切割或燒灼病變組織。激光有著和普通光源顯著不同的特點(diǎn)，它的單色性、相干