激光物理簡(jiǎn)答題

第一章激光器的基本原理1、問(wèn)：產(chǎn)生激光的條件是什么?1、問(wèn)：產(chǎn)生激光的條件是什么?（戴大鵬）答：1.受激輻射是激光產(chǎn)生的必要條件；2.要形成激光，工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，這是產(chǎn)生激光的第二個(gè)條件；3.選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，使其在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上的電子比低能級(jí)上的電子還多，即形成粒子束反轉(zhuǎn)，這是形成激光的第三個(gè)條件；4.激光中開(kāi)始產(chǎn)生的光子是自發(fā)輻射產(chǎn)生的，其頻率和方向是雜亂無(wú)章的。要使得頻率單純，方向集中，就必須有一個(gè)諧振腔，這是形成激光的第四個(gè)條件；5.只有使光子在腔中振蕩一次產(chǎn)生的光子數(shù)比損耗掉的光子要多得多，才能有放大作用，這是產(chǎn)生激光的第五個(gè)條件。2、問(wèn)：什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？（鐘雙金）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（populationinversion）是激光產(chǎn)生的前提。兩能級(jí)間受激輻射幾率與兩能級(jí)粒子數(shù)差有關(guān)。在熱平衡狀態(tài)下，粒子數(shù)按能態(tài)的分布遵循玻耳茲曼分布律，這種情況得不到激光。為了得到激光，就必須使高能級(jí)E2上的原子數(shù)目大于低能級(jí)E1上的原子數(shù)目，因?yàn)镋2上的原子多，發(fā)生受激輻射，使光增強(qiáng)（也叫做光放大）。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須設(shè)法把處于基態(tài)的原子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)E2，處于高能級(jí)E2的原子數(shù)就可以大大超過(guò)處于低能級(jí)E1的原子數(shù)。這樣就在能級(jí)E2和E1之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：通常實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要依靠?jī)蓚€(gè)以上的能級(jí)：低能級(jí)的粒子通過(guò)比高能級(jí)還要高一些的泵浦能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)。一般可以用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)激光材料，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來(lái)照射光學(xué)諧振腔內(nèi)的介質(zhì)原子，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激發(fā)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了使激光持續(xù)輸出，必須不斷地“泵浦”以補(bǔ)充高能級(jí)的粒子向下躍遷的消耗量。3、什么叫縱模、橫模？由譜線寬度和腔長(zhǎng)來(lái)估算可能振蕩的縱模數(shù)目答案：光場(chǎng)在腔內(nèi)的縱向和橫向分布分別叫做縱模和橫模。橫模數(shù)目門(mén)=譜線寬度/c縱模數(shù)目門(mén)=譜線寬度/（c/2*腔長(zhǎng)L）

第二章激光器的速率方程理論題目：1.請(qǐng)寫(xiě)出考慮泵浦過(guò)程及激光作用的激光器速率方程。（作圖）（第一題木有方法在簡(jiǎn)化了）寫(xiě)出譜線加寬機(jī)制及加寬線型簡(jiǎn)述一下調(diào)Q激光器的工作原理答案:1.考慮泵浦過(guò)程以及激光作用激光器的速率方程光子數(shù)〃方程；—=WDn-Kfndt。二m黨激悟射截面二巧=E7損耗項(xiàng)亡=*＞（萬(wàn)\）+%￡jLi ]dNf一*-用1沖di竺-WDnatdnec，———WDn-Kvidi2.譜線加寬機(jī)制及加寬線型一、均勻加寬 均勻加寬的線型函數(shù)：1-自然加寬 洛倫茲線性函數(shù)碰撞加寬(1)彈性碰撞 二、非均勻加寬非彈性碰撞晶格振動(dòng)加寬 非均勻加寬的線型函數(shù)：高斯函數(shù)3.簡(jiǎn)述一下調(diào)Q激光器的工作原理K=O)IQ岑=(G；-K，)n-Cn2Q,即光學(xué)諧振腔的0?,是指損耗?？梢?jiàn)，Q與損耗成反比。調(diào)做是使腔的很低，再突然地迅速使0?升高，也就是使腔的0?突變，或損耗突變口先使激光器的腔的0?很低，損耗很大，激光器不能產(chǎn)生激光，這就可以在激光的上能級(jí)積累大量的激發(fā)態(tài)原子，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)很多。當(dāng)損耗驟降，Q值突然升高時(shí)，迅速產(chǎn)生很窄的光脈沖“在適當(dāng)?shù)臈l件下可得到單個(gè)的約10ns的激光脈沖=

寫(xiě)出在初始光場(chǎng)為零時(shí)的光學(xué)布洛第三章密度矩陣寫(xiě)出在初始光場(chǎng)為零時(shí)的光學(xué)布洛1:考慮衰減過(guò)程、原子的泵浦或激發(fā)過(guò)程，赫方程并說(shuō)明各項(xiàng)含義。'=ab答：p=_(i0+y)p+i力—1V(p-'=ab±ab abaabbp-(ih-1Vp+c.c.)aa abbaPL—P+G-Vp+c.c.)PL—bbbb abba(p-p)=-Y||「(p-p)-(p-p)]-2「i力-1Vp+c.c.aabb I-aabbaabb0」Labba--Yp，-Yp代表粒子數(shù)的衰減。aaa bbb（2） -Y±pab代表偶極矩的衰減。（3） p=-i?p的項(xiàng)，這是光場(chǎng)為零、衰減為零時(shí)的電偶極震蕩，振蕩頻率等ab ab于原子躍遷頻率。（4） （paa—pbb）中的最后一項(xiàng)2「i方-1Vp+c.c.］是受激輻射項(xiàng)。（5） 0瀝中的最后一項(xiàng)i方-匕6.廣？泌）表示光與原子（偶極子）的能量交換。2：什么是密度矩陣？二階密度矩陣的物理意義是什么？什么情況下是純系綜密度矩陣，什么情況下是混合系綜密度矩陣？答：密度矩陣是量子統(tǒng)計(jì)中描述系統(tǒng)狀態(tài)的量，對(duì)于paapba答：密度矩陣是量子統(tǒng)計(jì)中描述系統(tǒng)狀態(tài)的量，對(duì)于paapbaab來(lái)說(shuō)，其中bba為上能級(jí)，b為下能級(jí)，paa為原子在上能級(jí)的概率，pbb為原子在下能級(jí)的概率，pab為原子電偶極矩的正頻分量，pba為原子電偶極矩的負(fù)頻分量。當(dāng)一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)的波函數(shù)是已知的，該系統(tǒng)的狀態(tài)可由純系綜密度矩陣描述，對(duì)于不知道態(tài)矢量，只知道一定統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的量子力學(xué)系統(tǒng)，我們就用混合系綜密度矩陣描述。3：激光半經(jīng)典理論的近似條件主要有哪些？答：二能級(jí)近似，原子之間沒(méi)有直接作用，電偶極近似，旋轉(zhuǎn)波近似，慢變振幅近似，絕熱近似

第四章麥克斯韋一布洛赫方程1、M—B方程為:請(qǐng)簡(jiǎn)述M—B方程的物理意義。答：△E(x,t)-1EE(x,t)-目bE(x,t)=i3日)+ab、-afba⑴i3日)+ab、-afba⑴p(x,t)中的極化強(qiáng)度是場(chǎng)的輻射源，而P1,'）又和a四有關(guān)。反轉(zhuǎn)忽略（2）D0是無(wú)光場(chǎng)時(shí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，D0=N'0所以d0與D0反轉(zhuǎn)忽略（3）電偶極矩方程中第一項(xiàng)代表3 的自由振蕩，第二項(xiàng)代表耗散，Y±是— Y橫向弛豫速率，電偶極子一邊以角頻率3振蕩，一邊按±衰減，其輻射必有一Y定寬度，而譜線的半極大點(diǎn)的半寬度即等于上。J）a（4）利用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)D與d，極化強(qiáng)度p偵,〃與旦（原子電偶極矩）的關(guān)系。2、行波與二能級(jí)原子作用的M—B方程在討論反轉(zhuǎn)粒子數(shù)方程（4.55）；E1"b（-）-p（+）以一項(xiàng)該如何簡(jiǎn)E（x,tb（-）-P（+J=E（+）P（-）-E（+）P（+）+E（-）P（-）-E（-）P（+）

答:由E（+）,P（+）,E（-），P（-）的表達(dá)式顯而易見(jiàn)，E（+）P（+）,E（-）P（-）是分別按/- \expio-ot-^」和可以用旋轉(zhuǎn)E（/- \expio-ot-^」和可以用旋轉(zhuǎn)E（x,t:P（-）-P（+）expl-ilo-olt-' ｝」振蕩項(xiàng)，相對(duì)于E（+）P（-）這種項(xiàng)我們波近似將它們略去，故。\o"CurrentDocument"aE（+）（x,t）p（-）（x,t）+E（-）（x,t）p*）G,t）0 0 0 0*3、（1）問(wèn)：在量綱為1的哈肯的場(chǎng)方程中，"入"入的物理意義是什么?aa* °答："入"入代表第入個(gè)模的光子數(shù)。（2） 為什么將"稱為光場(chǎng)振幅？答：因?yàn)?與正頻率光場(chǎng)Ex（+）只差一個(gè)常數(shù)因子。（3） 在全量子理論中，七和、％分別代表什么？答：%是第入個(gè)模的光子的消滅算符，"就是第入個(gè)模的光子數(shù)算符。第五章哈肯的半經(jīng)典激光理論激光器的定態(tài)光強(qiáng)與那些因素有關(guān)？定態(tài)光強(qiáng)正比于增益與損耗之差。激光器的模式頻率、原子躍遷頻率、激光頻率之間的關(guān)系？當(dāng)Q鬲時(shí)，原子躍遷頻率充與激光頻率①不相等，也不等于被動(dòng)腔的模頻率Q。。只有當(dāng)原子躍遷頻率與腔的模頻率相等，即2=Q時(shí)，激光頻率才等于原