激光原理復(fù)習(xí)題答案

激光原理復(fù)習(xí)題麥克斯韋方程中麥克斯韋方程最重要的貢獻(xiàn)之一是揭示了電磁場(chǎng)的內(nèi)在矛盾和運(yùn)動(dòng)；不僅電荷和電流可以激發(fā)電磁場(chǎng)，而且變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)也可以相互激發(fā)。在方程組中是如何表示這一結(jié)果？答：（1）麥克斯韋方程組中頭兩個(gè)分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的旋度，后兩個(gè)分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的散度；(2)由方程組中的1式可知,這是由于具有旋度的隨時(shí)間變化的電場(chǎng)(渦旋電場(chǎng)),它不是由電荷激發(fā)的,而是由隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)激發(fā)的;(3)由方程組中的2式可知，在真空中，,=0，則有；這表明了隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)；相反一個(gè)空間變化的磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)隨時(shí)間變化的電場(chǎng)。這種交替的不斷變換會(huì)導(dǎo)致電磁波的產(chǎn)生。2,產(chǎn)生電磁波的典型實(shí)驗(yàn)是哪個(gè)？基于的基本原理是什么？答：產(chǎn)生電磁波的典型實(shí)驗(yàn)是赫茲實(shí)驗(yàn)。基于的基本原理：原子可視為一個(gè)偶極子，它由一個(gè)正電荷和一個(gè)負(fù)電荷中心組成，偶極矩在平衡位置以高頻做周期振蕩就會(huì)向周圍輻射電磁波。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是利用了振蕩電偶極子產(chǎn)生電磁波。3光波是高頻電磁波部分，高頻電磁波的產(chǎn)生方法和機(jī)理與低頻電磁波不同。對(duì)于可見光范圍的電磁波，它的產(chǎn)生是基于原子輻射方式。那么由此原理產(chǎn)生的光的特點(diǎn)是什么？答：大量原子輻射產(chǎn)生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位隨機(jī)的光，它們是非相干光。4激光的產(chǎn)生是基于愛因斯坦關(guān)于輻射的一般描述而提出的。請(qǐng)問(wèn)愛因斯坦提出了幾種輻射，其中那個(gè)輻射與激光的產(chǎn)生有關(guān)，為什么？答：有三種：自發(fā)輻射，受激輻射，受激吸收。其中受激輻射與激光的產(chǎn)生有關(guān)，因?yàn)槭芗ぽ椛浒l(fā)出來(lái)的光子與外來(lái)光子具有相同的頻率，相同的發(fā)射方向，相同的偏振態(tài)和相同的相位，是相干光。5光與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)被介質(zhì)吸收或放大。被吸收時(shí)，光強(qiáng)會(huì)減弱，放大時(shí)說(shuō)明介質(zhì)對(duì)入射光有增益。請(qǐng)問(wèn)增益系數(shù)是與原子相關(guān)的哪個(gè)物理量成正比？這個(gè)物理量在激光的產(chǎn)生過(guò)程中扮演什么角色？答：增益系數(shù)正比于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)：激光產(chǎn)生的必要條件之一就是原子中有反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的存在。6在激光的產(chǎn)生過(guò)程中，由于光強(qiáng)會(huì)被不斷的放大，但不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的激光也被無(wú)限放大，這是由于光強(qiáng)的的增加，而翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)會(huì)減少的飽和效應(yīng)所致。那么在增益系數(shù)中這一過(guò)程是如何表示的，請(qǐng)說(shuō)明各個(gè)物理量的意義？答：,其中為小信號(hào)增益系數(shù)。為飽和光強(qiáng)。大信號(hào)增益系數(shù)，它是頻率的函數(shù)。從式子中看到，光達(dá)到飽和時(shí)，增益系數(shù)就不再增加了。7激光產(chǎn)生的一個(gè)重要條件要有光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔的作用主要有哪幾個(gè)？答：光學(xué)諧振腔具有以下作用：提供光學(xué)正反饋；就是說(shuō)增強(qiáng)光放大作用，對(duì)產(chǎn)生的激光模式進(jìn)行控制，使激光具有極好的方向性（沿軸線），使激光具有極好的單色性。8.光學(xué)諧振腔中會(huì)有橫模和縱模，通常表示為。請(qǐng)問(wèn)它的角標(biāo)中表示的意義分別是什么？答：在光學(xué)諧振腔中，滿足一定的相位關(guān)系的波方能夠穩(wěn)定存在。即是ka=mπ,kb=nπ,kl=pπ,(m,n,p)代表激光的一個(gè)模式，m,n分別代表橫街面積x,y方向出現(xiàn)的節(jié)線數(shù)，稱為橫模序數(shù)，p為沿軸出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，稱為縱模序數(shù)。9：激光的特點(diǎn)有哪些？燒孔效應(yīng)：在非均勻加寬情況下，當(dāng)頻率為V，強(qiáng)度為I的強(qiáng)光入射時(shí)將引起V一定范圍內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增益飽和，使各自與頻率的關(guān)系曲線上燒出一個(gè)孔來(lái)，即燒孔效應(yīng)，表示入射光I對(duì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的選擇性消耗。1激光器的振蕩閾值中有翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值和增益閾值，它們和那些物理量相關(guān)？答：不同模式（頻率）具有不同的受激輻射截面，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度不同，則反轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值不同；閾值增益系數(shù)由單程損耗決定，不同縱模具有相同的閾值，不同橫模具有不同的單程損耗，其閾值增益不同。2請(qǐng)描述空間燒孔效應(yīng)的物理過(guò)程。答：當(dāng)頻率一定的縱模在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩事產(chǎn)生一個(gè)駐波場(chǎng)。波腹處光強(qiáng)最大，波節(jié)處光強(qiáng)最小，消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)后，波腹處光強(qiáng)最小而波節(jié)處光強(qiáng)最大，則形成了空間燒孔?？梢娍臻g燒孔的形成過(guò)程由駐波腔和粒子空間轉(zhuǎn)移慢引起的。3請(qǐng)描述短脈沖激發(fā)過(guò)程中的弛豫震蕩過(guò)程的物理機(jī)理。答：四個(gè)階段。（激光器的尖峰效應(yīng)的四個(gè)階段）4激光器的頻率牽引過(guò)程指的是與縱模間相關(guān)的物理過(guò)程，請(qǐng)簡(jiǎn)述物理機(jī)理？答：當(dāng)激光器的縱模頻率與增益介質(zhì)的中心頻率不重合時(shí)，縱模頻率在振蕩過(guò)程中會(huì)牽向中心頻率靠攏。由于腔內(nèi)增益介質(zhì)的折射率吧對(duì)振蕩頻率存在色散，這種色散關(guān)系與激活介質(zhì)的增益系數(shù)及增益曲線有關(guān)。在有源腔中，由于增益物質(zhì)的色散，縱模頻率比無(wú)源腔縱模頻率更靠近譜線中心頻率，則就是頻率牽引。5激光器的無(wú)源腔和有源腔的線寬與那些物理量有關(guān)？答：無(wú)源腔線寬由無(wú)源腔內(nèi)的光子壽命決定，有源腔的線寬取決于凈損耗δ。補(bǔ)充理解：無(wú)源腔（g=0,吸收與發(fā)射的光子數(shù)相等）線寬—諧振腔本征線寬，有源腔線寬---激光諧振腔線寬1光學(xué)諧振腔是激光器的重要組成部分，它的作用是提供軸向的光波模的正反饋以及保證激光器的單模振蕩。激光器的諧振腔主要是開放式諧振腔，為什么？衍射損耗僅發(fā)生在鏡面的邊緣，而開放式諧振腔中心振幅大，邊緣振幅小的場(chǎng)會(huì)盡可能少的受到衍射損耗的影響，這樣經(jīng)過(guò)多次渡越后，除了振幅整體下降，其橫向分布將不發(fā)生變化，即在腔內(nèi)往返傳輸一次后可以“再現(xiàn)”出發(fā)時(shí)的振幅分布，即自再現(xiàn)模，這樣就很好的保證了激光器的單模振蕩。2光學(xué)諧振腔分為哪三種情況？答：穩(wěn)定腔：指腔內(nèi)任一束傍軸光線經(jīng)過(guò)任意多次往返傳播而不溢出腔外，是低損耗腔；非穩(wěn)定腔：指任一束傍軸光線都不可能永遠(yuǎn)存在于腔內(nèi)，是高損耗腔；介穩(wěn)腔：是指某些特定的傍軸光線在腔內(nèi)往返傳播而不溢出。3光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定條件是什么？答：1、2、g1=0,g2=0.(1,2表示下標(biāo)啊)諧振腔的損耗分為選擇性損耗和非選擇性損耗，分別對(duì)應(yīng)哪幾種損耗？答：選擇性損耗則是與橫模階次密切相關(guān)的衍射損耗，階次越高相應(yīng)的衍射損耗越大；非選擇性損耗與橫模階次無(wú)關(guān)，如投射，吸收，散射損耗。2光子的平均壽命與損耗的關(guān)系如何？答：光子的平均壽命定義為腔內(nèi)光強(qiáng)衰減為初始值的1/e時(shí)所需要的時(shí)間。t=L/δC,腔內(nèi)損耗δ越大，則t越小，腔內(nèi)光強(qiáng)衰減越快。3研究光在諧振腔中的傳輸主要討論的是與那種損耗相關(guān)？研究光學(xué)諧振腔中光的傳輸過(guò)程基于的物理思想是什么？光強(qiáng)在諧振腔中的鏡面上呈高斯分布，這也是激光輸出的空間強(qiáng)度分布形式。這一結(jié)果是什么物理原因所導(dǎo)致的。激光器分為連續(xù)和脈沖，另外還有氣體，固體和液體，以及半導(dǎo)體激光器。其中氣體和固體激光器的輸出線寬有何不同？激光輸出中的不同模式的產(chǎn)生原因是什么？激光器的諧振腔通常都比較長(zhǎng)，在受激輻射的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它可能同時(shí)是好幾個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍，因此會(huì)有好幾種波長(zhǎng)都得到諧振，這樣的激光器就會(huì)輸出好幾種波長(zhǎng)的光（由于受激輻射帶寬本身很窄，所以這幾個(gè)波長(zhǎng)也非常接近），這就是多縱模。激光器的諧振腔反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固體激光器中，工作物質(zhì)受熱發(fā)生凸透鏡效應(yīng)，導(dǎo)致腔內(nèi)經(jīng)過(guò)工作物質(zhì)、與基模方向略有差異的某些光也可能符合多次反射的諧振條件，于是激光器會(huì)輸出幾個(gè)方向各不相同的光束，這就是多橫模。光學(xué)諧振腔與高斯光束YAG激光器是屬于4能級(jí)系統(tǒng)，請(qǐng)問(wèn)4能級(jí)系統(tǒng)與三能級(jí)系統(tǒng)激光器的主要物理差異在哪里？答，三，下能級(jí)e1是基態(tài)系統(tǒng)，上能級(jí)e2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，e3為抽用高能級(jí)。其主要特征是下能級(jí)為基態(tài)，發(fā)光過(guò)程中下能及粒子數(shù)一直保存有相當(dāng)?shù)臄?shù)量。四，下能級(jí)不是基態(tài)能級(jí)，是一個(gè)激發(fā)態(tài)，激勵(lì)能量比三能級(jí)小得多染料激光器為什么可以實(shí)現(xiàn)的頻率可調(diào)諧輸出？圖1、圖2為染料激光器的典型結(jié)構(gòu)示意圖和幾種染料的典型調(diào)諧范圍。圖1中用Nd:YAG激光經(jīng)過(guò)倍頻之后產(chǎn)生的5320埃激光作為泵浦源去激勵(lì)染料。在振蕩器部分,條紋間距為d的衍射光柵和輸出鏡構(gòu)成諧振腔。這時(shí),只有波長(zhǎng)滿足2dcosθ＝mλ,m＝0，1，2，…的光束才具有低的損耗，能形成激光振蕩。因此，旋轉(zhuǎn)光柵（改變?chǔ)冉牵?就能改變輸出激光的波長(zhǎng)。在諧振腔內(nèi)還插入一個(gè)放在壓力室中的標(biāo)準(zhǔn)具。變壓力室中的氣壓,可使標(biāo)準(zhǔn)具中氣體的折射率隨之而變,從而獲得輸出波長(zhǎng)的精細(xì)調(diào)諧。圖中還有一級(jí)放大，以增加輸出激光的功率。請(qǐng)簡(jiǎn)述半導(dǎo)體激光器的工作原理，說(shuō)明同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)的區(qū)別。是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的理解面形成兩個(gè)反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光震蕩，反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。同質(zhì)結(jié)就是同