激光原理考试复习(学生).doc

1. 任何一个共焦腔与 等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔 地等价于一个共焦腔。2. 激光器的基本结构包括三部分，即 、 、 。3. 影响腔内电磁场能量分布的因素有 、 、 。4. 有一个谐振腔，腔长L=1m，折射率为1，在1500MH的范围内所包含的纵模个数为 个。5. 激光束的基本特性是 、 、 、 。6. 光和物质相互作用产生受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性，这些特性是指 和 。7. He-Ne激光器是典型的四能级系统，有三条主要激光谱线，其激光谱线及波长分别为 、 、 。8. 若光束通过1m长的激光介质以后，光强增大了一倍，此介质的增益系数G为 。9. 要制作一个腔长L60cm的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围 。10. 连续工作的CO2激光器输出功率为50W(有效截面内的功率)，聚焦后的基模有效截面直径50mm，每平方厘米平均功率为 。11. 稳定腔的一块反射镜的曲率半径R14L，求另一面镜的曲率半径取值范围 。12. 一共焦腔(对称)L0.40m，0.6328mm，束腰半径，离腰56cm处的光束有效截面半径为 。13. 如果激光器在输出1W连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是 。14. 一束光通过长度为1m的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物质的增益系数为 。15. 设某固体激光器谐振腔长50cm，固体激光介质棒长30cm，其折射率为1.6，其本征纵模的频率间隔为 。16. 设某激光器谐振腔长50cm，反射镜面半径为2cm，光波波长为400nm，则此腔的菲涅耳数为 。17. 在连续工作状态下，激光腔内光子数密度N随时间的变化可表示为 。18. 小信号情况下， 反转粒子数及增益系数与 无关，与泵浦几率成正比。增益系数与入射光的频率有关。19. 非均匀加宽工作物质中反转粒子数的饱和行为会产生“烧孔”效应。当入射光频率为v2时，将使中心频率在 范围内的粒子有饱和作用，在曲线上形成一个以v2为中心的孔，孔的深度为 ，孔的宽度为 。20. 谐振腔对不同阶数的横模有不同 损耗，这一性能是实现横模选择的基础。 21. 激光器的振荡频率范围是由工作物质的 决定。22. 为了有效的选择横模，衍射损耗在模的总损耗中必须 。23. 下图是红宝石的能级结构和跃迁示意图。请说明图中以下符号的意义。 W13 受激吸收几率(激励几率) 、W21 受激发射几率 E2 激光上能级 E1 基态能级, 又是激光下能级, 也是抽运能级、 A21 自发发射几率 24. 请完成下面的表格：激光器名称工作物质粒子工作物质形态激光谱线波长能级系统类型激励方式红宝石固态三能级系统光泵浦He-NeNe原子气体四能级系统能量的共振移1.LASER 英文名称的含义是什么？激光是何时发明的？Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。2.激光的基本特性是什么？答：激光四性：单色性、相干性、方向性和高亮度。这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。3.激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。4.系数有哪些？它们之间的关系是什么？答：系数：自发跃迁爱因斯坦系数，受激吸收跃迁爱因斯坦系数，受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系：，为能级的统计权重(简并度)5.什么是谐振腔的谐振条件？如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目？答：(1)谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干涉条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相（即相差为的整数倍）。如果以表示均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为。为光在真空中的波长，为腔的光学长度，为正整数。(2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目：纵模的频率:；纵模间隔:纵模的数目:对于满足谐振条件频率为的波，其纵模数目,为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽)。6.在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与哪些因素有关？答：损耗因素几何偏折损耗： 与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。衍射损耗： 与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。腔镜反射不完全引起的损耗： 与腔镜的透射率、反射率有关。材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起的损耗：与介质材料的加工工艺有关。7.什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？答：(p65)(1)任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价;(2)任一满足稳定条件的球面腔唯一地等价于某一个共焦腔。即如果某一个球面腔满足稳定性条件，则必定可以找到而且也只能找到一个共焦腔，其行波场的某两个等相位面与给定球面腔的两个反射镜面相重合。8.什么是腔的菲涅尔数？它与腔的损耗有什么关系？答：菲涅尔数：称为腔的菲涅尔数（为孔半径，腔长）。即从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅尔半周期带的数目（对平面波阵面而言）。与腔的损耗关系:衍射损耗随腔的菲涅尔数的减小而增大。9.高斯光束的表征方法有哪些？什么是参数？高斯光束参数的变换规律是什么？答：(1)表征方法用束腰半径(或共焦参数)及束腰位置表征高斯光束；b)用光斑半径及等相位面曲率半径表征高斯光束；c)用参数表征高斯光束。(2) 参数：其定义为(3)高斯光束参数的变换规律：当高斯光束在自由空间或通过光学系统时，参数满足，称其为高斯光束的，其中为光学系统的光线变换矩阵的4个矩阵元。10.什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？答：(1)谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。(2)加宽类型及机制a)均匀加宽自然加宽 机制：原子的自发辐射引起的。碰撞加宽 机制：大量原子（分子、离子）之间的无规则碰撞。晶格振动加宽： 机制：晶格振动使激活离子处于随周期变化的晶格场，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化。b)非均匀加宽多普勒加宽 机制：由于作热运动的发光原子（分子所发出）辐射的多普勒频移引起的。晶格缺陷加宽 机制：晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷部位的理想晶格场不同，因而处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于镜体不同部位的激活离子的发光中心频率不同。c)综合加宽气体工作物质的综合加宽 机制：由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。固体激光工作物质综合加宽 机制：由晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。液体工作物质的综合加宽 机制：溶于液体中的发光分子与其它分子碰撞而导致自发辐射的碰撞加宽。11. 激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线型。答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。非均匀加宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。12.描述非均匀加宽工作物质中的增益饱和的“烧孔效应”，并说明原理。答：(1)对于非均匀加宽工作物质中，在其增益曲线曲线上，在频率处产生一个凹陷，凹陷宽度约为，频率处的凹陷最低点下降到小信号增益系数的倍，以上现象称为增益曲线的烧孔效应。(2)原理：在非均匀加宽工作物质中，频率的强光只在附近宽度约为的范围内引起反转集居数的饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集居数没有影响。若有一频率为的弱光同时入射，如果频率处在强光造成的烧孔范围之内，则由于反转集居数的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数。如果频率处于烧孔范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响而仍等于小信号增益系数，所以在增益曲线曲线上，在频率处产生一个凹陷，凹陷宽度约为。13.调制激光器的工作原理，目前常用的几种调方法。答：(1)工作原理通过某种方法使谐振腔的损耗因子(或)值按照规定的程序变化，在泵浦源刚开始时，先使光腔具有高损耗因子，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平，然后在适当的时刻，使腔的损耗因子突然降到，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级存储的大部分粒子的能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。(2)调方法(p221-223) 电光调、声光调、被动调14.激光器的锁模原理以及利用振幅调制锁模和位相调制锁模的方法。答：(1)锁模原理：使激光器中各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有一定的超短脉冲，这种激光器称为锁模激光器。(2)振幅调制锁模的方法：调制激光工作物质的增益或腔内损耗，均可使激光振幅得到调制，如果调制频率，可实现锁模。(3)位相调制锁模锁模：在激光器谐振腔内插入一电光晶体，利用晶体折射随外加电压的变化，产生相位调制。15.叙述下兰姆凹陷稳频的工作原理。答：非均匀增宽型介质激光器谱线的输出功率随频率的变化是钟型的，即在谱线的中心频率处形成一个兰姆凹陷，兰姆凹陷的宽度较谱线的宽度窄，而凹陷的中心频率就是谱线的中心频率。当输出频率在中心频率附近有微小的变化就会引起输出功率的显著变化。因此通过对输出光强的检测，输出一个与光强变化相对应的信号去控制腔长，从而把频率稳定在中心频率处。16.激光器为什么要选取单纵模？一般有哪几种选模方法？答：因为在很多场合要提高激光束的单色性和相干性，所以要选取单纵模。选模方法有：（1）短腔法，缩短腔长，加大相邻纵模之间的间隔。（2）法布里珀罗标准具法，在谐振腔里加入一个法布里珀罗标准具。（3）三反射镜法，将激光器的一个反射镜用三块反射镜的组合来代替，相当于一个激光谐振腔现在由一个长腔和一个短腔组成。17.简述四能级系统产生受激的基本原理和特点。它与三能级系统的区别在哪里？答：四能级系统的基态不是发出激光的低能级，由基态抽运到亚稳态的能级上的粒子不稳定，很快会自发跃迁到能级上，是发出激光的高能级，在上的粒子能够受激发射的光子跃迁到能级上发出激光，而上粒子寿命很短，能级一般都空着，因此四能级系统很容易实现粒子数反转，这是四能级与三能级的主要区别。18.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。19.简述均匀加宽的模式竞争答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。这种情况叫模式竞争。20.工业上的激光器主要有哪些应用？为什么要用激光器？答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。21. 说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。答：He-Ne激光器，632.8nm（红光），Ar+激光器，514.5nm（绿光），CO2激光器，10.6m（红外）22. 进一步提高光束质量的方法是对激光腔的模式进行选择，请问模式选择的思路是什么？答：模式选择的思路是：1）利用色散腔粗选频率，即选激光谱线；2）选横模 3）选单纵模，方法有：短腔法，F-P标准具法，复合腔法等23简要画出三能级系统的能级跃迁示意图，并写出相应的速率方程。思考练习题1 试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射0.5000mm，=3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？答：粒子数分别为： 2热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密度为n1，设，求：(1)当原子跃迁时相应频率为3000MHz，T300K时n2/n1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长1m，n2/n10.1时，则温度T为多高？答：（1）则有： （2）3已知氢原子第一激发态(E2)与基态(E1)之间能量差为1.64l018J，设火焰(T2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g1g2。求：(1)能级E2上的原子数n2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n2，求光的功率为多少瓦？答：（1）且 可求出 （2）功率4在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为21018cm3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943mm激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命102s，问自发辐射功率为多少瓦？答：（1）最大能量 脉冲平均功率 （2）7静止氖原子的3S22P4谱线的中心波长为0.6328mm，设氖原子分别以0.1c,0.5c的速度向着接收器运动，问接收到的频率各为多少？答：同理可求：； ；8(1) 一质地均匀的材料对光的吸收为0.01mm-1、光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几? (2) 光束通过长度为1m的均匀激活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。答；（1）（2）9 利用下列数据，估算红宝石的光增益系数n2n151018cm-3，1/f(n)21011 s-1，310-3s，0.6943mm，l.5，g1g2。10 He-Ne激光器中，Ne原子数密度n0n1+n2l012 cm-3，1/f(n)15109 s-1，0.6328mm，10-17s，g33，g25，,又知E2、E1能级数密度之比为4，求此介质的增益系数G值。答：（2） (a)要制作一个腔长L60cm的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围如何？(b)稳定腔的一块反射镜的曲率半径R14L，求另一面镜的曲率半径取值范围。答：（a）； （b）11. 稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R140cm，R2100cm，求腔长L的取值范围。答：12 实验测得He-Ne激光器以波长0.6328m工作时的小讯号增益系数为G03104/d(cm-1)，d为腔内毛细管内径(cm)。以非均匀增宽计算腔内光强I50Wcm2的增益系数G(设饱和光强Is30Wcm2时，d1mm)，并问这时为保持振荡稳定，两反射镜的反射率(设r1r2，腔长0.1m)最小为多少(除透射损耗外，腔内其它损耗的损耗率9104cm-1)?又设光斑面积A0.11mm2，透射系数0.008，镜面一端输出，求这时输出功率为多少毫瓦。答：（1）（2）（3）13 求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知6328，1/f(n)109Hz，1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率RlL98.33，107s，腔长L0.1m。答： 1314 腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率5.85l014Hz，荧光线宽6l08 Hz，问它可能存在几个纵模?相应的q值为多少？ (设=1)答：，则可能存在的纵模数有三个，它们对应的q值分别为：，q1=1950001，q1194999917HeNe激光器的中心频率4.741014Hz，荧光线宽1.5l09Hz。今腔长Llm，问可能输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？答：，即可能输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则： 故腔长最长不得大于。18（1）试