激光原理答案.doc

激光原理作业copyrightdfchen作业一1、布隆伯根(Nicolaas Bloembergen) 是在哪一年提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想？请介绍一下他的简单情况。1958年，布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）提出利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构思。布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。他提出了一个能够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象的一般理论框架。他和他的学派在以下三个方面为非线性光学奠定了理论基础：一、物质对光波场的非线性响应及其描述方法；二、光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；三、光通过界面时的非线性反射和折射的理论。他把各种非线性光学效应应用于原子、分子和固体的光谱学研究，从而形成了激光光谱学的一个新领域非线性光学光谱学。1981年诺贝尔物理学奖-激光光谱学与电子能谱学 布隆姆贝根 肖洛 凯.西格班1981年诺贝尔物理学奖的一半授予马萨诸塞州坎伯利基哈福大学的布隆姆贝根（Nicolaas Bloembergen,1920- ）和美国加利福尼亚州斯坦福大学的肖洛（Arthur L.Schawlow,1921- ）,以表彰他们在发展激光光谱学所作的贡献；另一半授予瑞典乌普沙拉（Uppsala）大学的凯.西格班（Kai M.Siegbahn,1918- ）,以表彰他在高分辨率电子能谱学所作的贡献。布隆姆贝根的主要工作是在激光光谱学、非线性光学、核磁共振以及电子顺磁共振等领域。他的科学成就式多方面的。特别是，他对激光光谱学的发展是从一条独特的道路上做出的。2. 简单介绍神光I、神光II、神光III？神光高功率激光装置是由中国科学院、中国工程物理研究院、国家高技术863和国家高技术863主题四方共同投资，由高功率激光物理国家实验室负责研制的、迄今国内规模最大的高功率激光聚变实验装置，也是世界上为数不多的激光聚变实验装置之一。神光装置由激光器、激光自动准直、激光精密靶场、激光参数测量、储能供电、精密装校及环境保障等分系统组成。它是数百台套激光单元和组件的集成，并在空间立体排布成8条激光放大链，每条激光放大链终端输出口径为240mm，8束激光输出能量总和6kj/1ns，最高输出功率1013W。就瞬时功率而言，比全国发电量的总和还要大许多倍。 神光装置是我国目前惯性约束聚变、X光激光、材料高压状态方程等前沿领域进行物理实验的最大激光驱动装置。该装置上进行的物理实验已在近期取得阶段性的重大成果，具有重大的社会效益和经济效益。“神光二号”的问世标志中国高功率激光科研和激光核聚变研究已进入世界先进行列。目前，只有美国、日本等少数国家能建造如此精密的巨型激光器。“神光二号”的总体技术性能已进入世界前五位。2003年1月“神光二号巨型激光器研制成功”被568名中国科学院院士和中国工程院院士投票评选为“2002年中国十大科技进展”。3. 简单介绍梅曼发明的世界第一台红宝石固态激光器1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。梅曼于1955年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学。在休斯实验室梅曼做微波激射器的研究工作，并发展了红宝石微波激射器，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光器首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行微波激射器的经验多年，他预感到红宝石作为激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石的量子效率很低，如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率，没有想到，荧光效率竟是75%，接近于1。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。经过9个月的奋斗，做出了第一台激光器。作业二1、已知：He-Ne的谱线带宽为1.5GHz，求：激光的相干长度。解答：2. 已知：可见光谱的波长范围：400-700 nm；计算：a) 可见光的频率范围；b) 紫光与红光光子的能量差；解答：在可见光谱区，紫光的波长最短，红光的波长最长。 紫光的频率为：红光的频率为： 紫光光子的能量： 红光光子的能量：紫光光子能量与红光光子能量差为：作业三1、爱因斯坦系数的相互关系？2. 已知：氩离子激光器的荧光谱线宽为10GHz；单模带宽为7.5MHz； 求解：（1）氩氩离子激光器发射的荧光谱线的相干长度 （2）氩离子激光器单模运行时的相干长度1、2、作业四1、He-Ne 激光器谐振腔长50 cm，激射波长632.8nm，荧光光谱线宽为： 求：纵模频率间隔，谐振腔内的纵模序数及形成激光振荡的纵模数； 解:2. 已知：He-Ne激光器谐振腔长50 cm，若模式m的波长为 632.8 nm；计算：纵模 m+1 的波长；纵模的频率间隔为：解：由：lm = 0.6328000*10-6 m 可以得到： 由：则有：故：lm = 632.8000 nm , lm+1 = 632.7996 nm相邻纵模的波长差：lm - lm+1 =4*10-13 m作业五1、已知：激光器谐振腔长1 m，由一个半径为1.5 m的凹透镜和半径为10 cm的凸透镜组成；试判断该谐振腔的稳定性；由符号规则，凸透镜的半径应为负值（P79），即 R2 = -0.1 m， R1 = 1.5 m谐振腔的几何参数为： g1 = 1-L/R1 = 1+1/1.5 = 0.33 g2 = 1-L/R2 = 1+1/0.1 = 11由稳定性判断规则： g1*g2 = 0.33*110因此该谐振腔为非稳定谐振腔2、He-Ne激光器的中心频率是 ，荧光线宽是 ，今腔长 ，问它可能输出的纵模数为多少？为获得单纵模输出，腔长最长为多长？作业六一激光器采用球面镜，两个反射镜的曲率半径分别为 ，谐振腔长为 ， 波长为 。 求： 证明谐振腔为稳定腔，并确定它的等价共焦腔；该谐振腔产生的基模高斯光束的束腰半径与腰位置；该谐振腔产生的基模高斯光束在球面腔两镜面上的光斑半径。该稳定谐振腔唯一地等价于某一共焦腔：以共焦腔的光轴中心为坐标原点，则球面腔的两面反射镜位于 ，作业七1 试计算：光腰 的大小及位置；两个反射镜上光斑半径；画出等效共焦腔的位置。解，已知：谐振腔的几何参数(3) 画出等效共焦腔的位置。2. 考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔，波长 腔长 ，腔镜曲率半径为 。 试计算：该球面镜的束腰半径和位置；两面镜上的光斑尺寸；画出等效共焦腔的位置。解作业八1. 已知：He-Ne 激光器的出射激光器束腰直径为1.2mm, 发散角为1mrad；现利用开普勒望远镜原理对 该光束进行扩束准直，两透镜焦距分别为1cm, 和6cm.设激光器的出射激光束腰斑位于副镜镜面上 求： 准直后的激光直径与发散角；2.一高斯光束的光腰半径w02cm，波长 ，从距离透镜为d的地方垂直入射到焦距f4cm的透镜上。求（1）d0，（2）d1m时，出射光束的光腰位置和光束发散角。作业九1.如何解释兰姆凹陷？答：利用以上二图定性解释兰姆凹陷的成因。当 时， ，输出功率P02.描述均匀加宽激光介质的模式竞争。 3.一台连续Nd：YAG激光器，激光波长为1.06um，已知谐振腔腔长为20cm，YAG棒长为10cm，泵浦平均波长750nm，激光上能级自发辐射平均寿命为0.23*10-3s，系统的总量子效率 ，荧光线宽为6cm-1，光泵浦的总效率为1，激光器达到单程损耗为0.08，介质折射率为1.82。计算该激光器的阈值集居数密度反转和阈值泵浦功率密度。解：激光器的阈值集居数密度反转为式中受激发射截面经查表可知（P288）：介质中的阈值泵浦功率密度：1. 估算CO2激光器波长为10.6um的激光跃迁在400k下的多普勒线宽，讨论在什么气压范围内该跃迁谱线从非均匀加宽过渡到均匀加宽为主（取压力加宽系数平均值为6.5MHz/Torr）（P274 习题4.6）2. 由四能级系统激光介质速率方程讨论为实现集居数反转分布稳态泵浦几率应满足什么条件？计算达到稳态分布时的 值并讨论所得到的结果。（P275 习题4.10）1.利用速率方程分析调Q激光器的输出峰值功率解：以三能级系统为三能级系统反转粒子数密度和光子密度的速率方程调Q激光器脉冲的持续时间约为几十纳秒，在这样短的时间内自发辐射及泵浦激励的影响忽略不计3. 由三能级激光系统的速率方程导出激光器弛豫振荡频率和阻尼衰减速率