激光原理部分题答案

1、07级光信息激光原理复习提纲简答题1、简述自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的联系与区别。(1)受激辐射过程是一种被迫的、受到外界光辐射控制的过程。没有外来光子的照射，就不可能发生受激辐射。受激辐射所产生的光子与外来激励光子属于同一光子状态， 具有相同的位相、传播方向和偏振状态。激光来自受激辐射，普通光来自自发辐射。两种光在本质上相同：既是电磁波，又是粒子流，具有波粒二象性；而 不同之处：自发辐射光没有固定的相位关系，为非相干光， 而激光有完全相同的位相关系，为相干光。自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃 迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。(5)受激吸收是与受激

2、辐射相反的过程，它的几率与受激辐射几率一样取决于吸收系数和 外来光单色辐射能量密度的乘积。PPT上有)2、二能级系统有无可能通过光泵浦实现稳态粒子数反转？(不能,E2B12B21A21Ei当B12B21即W12W21W在光和原子相互作用达到稳定条件下A21 n2dtB21 VbdtBi2 ndtA21W得到不满足粒子数反转，所以不能实现。3、简述均匀增宽和非均匀增宽的区别。 (类型，贡献不同 ppt上有)简述光谱线增宽类型，它们之间的联系与区别自然加宽晶格振动加宽谱线加宽菲均匀加宽均匀增宽的共同特点引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的都是光辐射偏离简谐波引起的谱线加宽非均匀增宽的共同特点原子

3、体系中每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，因而可以区分谱线上某一频率范围是由哪一部分原子发射的。均匀增宽同非均匀增宽的区别是均匀增宽中每一个原子对谱线宽度内任意频率都有贡 献，且贡献相同；而非均匀增宽中每一个原子只对其速度所对应的频率有贡献，即不同速 度的原子的作用是不同的。5、画图简述三能级和四能级系统产生激光的能级跃迁过程。(PPt)4、原子能级（1）三能级系统（红宝石激光）11X抽运X V激励Ei,P 1E3泵浦高能级（寿命很短）无辐射跃迁激光上能级亚稳态能级E2Ei长寿命h = E2-E1基态激光下能级工作物质在这些能级间的跃迁过程:泵浦（Wp无辐射跃迁（S32）受

4、激跃迁（W21）(2)四能级系统激励抽运E2E3E4泵浦高能级 无辐射跃迁 激光上能级h = E3 -E2激光下能级无辐射跃迁E1 基态泵浦(Wp) f无辐射跃迁(S43)f受激跃迁(W32) f无辐射跃迁(S21)6、简述激光形成条件。(三要素，谐振腔，泵浦)（ppt 有）7、如何使激光器内受激辐射大于受激吸收和自发辐射，从而实现光放大。8、谐振腔稳定性的条件？稳定条件：0 < ( 1-L /R1 ) ( 1-L /R2 ) <1R1，R2为球面镜曲率半径，L为腔长，凹面反射镜的 R取正，凸面反射镜的 R取负。9、简述均匀增宽介质和非均匀增宽介质增益饱和的区别?比较均匀加宽和非均

5、匀加宽的增益系数和增益饱和均匀增宽：G( V) 2早非均匀增宽：Gd(v)Gd( V)1 -(1 占12I s4光波I使非均匀增宽型介质发生增益饱和的速率要比均匀增 宽型介质缓慢。毘光波I使均匀增宽型介质对各种频率的光波的增益系数都下降 同样的倍数；而对非均匀增宽型介质它只能引起某个范围内的光 波的增益系数下降，并且下降的倍数不同。4实际上均匀增宽型与非均匀增宽的饱和作用影响的频率范围是 一样大的。由于多普勒增宽比均匀增宽宽得多，因此相同频率范 围对于多普勒增宽只能烧一个孔。10、什么是烧孔效应和兰姆凹陷。(图配文字)匚倉烧孔效应非均匀增宽型粒子数密度反转分布的饱和作用V 、宽n(V)烧孔表明

6、：频率为V ，强度为I的光波仅使围绕中心频率 度为V 1 I/Is 1/2 V范围内的粒子有饱和作用，因此在A 曲线上形成一个以V 1为中心的凹陷，习惯上把它叫做Lamb 凹陷对于多普勒增宽，光波I使频率为1，即速度Uc附近的粒子数密度反转分布饱和；同样沿负轴传播的光波I也会使速度为沿腔轴负方向传播的频率U （其对应的频率为V 1 = V0 ）的反转粒子数密度饱和，即c个孔。Lamb凹陷：在多普 勒增宽线型的中心频率0,光波只在增益曲线 上烧一个孔。（对应沿 腔轴运动速度为零）2为的光波将在增益曲线上的附近烧一11、何为自再现模，解释自再现模积分方程中本征函数和本征值的物理含义。当两个镜面完全

7、相同时，经过多次腔内反射后，场分布将不再受衍射作用的影响，形 成一种稳定的场分布（虽然光强等比例衰减，各点相位发生同样大小滞后），即场分布经过一次往返后能够“再现”出来，这个稳定的横向场分布就是谐振腔的自再现模或横模。本征函数umn:表示在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，就是自再现模，通常 叫做“横模”，m、n称为横模序数。m、n称为横模序数。本征值S mn指对于一次渡越的衍射损耗（单程衍射损耗）G（） gD（v12、简述饱和光强是如何决定腔内光强以至激光器输出功率大小的。=G阈s不同激光工作物质的饱和光强Is的值不相同。有些介质，如二氧化碳，其饱和光强值很大。由二氧化碳构成的激光器，即使

8、腔内光强的数值已经很大，与介质的饱和光强Is的比值仍远小于1，介质对光波的增益仍然很大。知道腔内光强的数值大到足以与饱和光强相比拟时， 介质对光波的增益才开始下降而出现饱和现象。因此，由饱和光强大的二氧化碳介质制成 的激光器，腔内光强将会很强。而另外一些介质，例如氦-氖激光器的工作物质，饱和光强很小。在氦-氖激光器中，腔内光强不是很强时，与饱和光强相比已经是一个不可忽略的值 了，因此介质在不大的光强之下就使增益系数开始下降，出现了增益饱和现象。这时，光波在介质中的放大率开始下降，随着光强值I继续增加，比值I/Is继续增大，I被放大的相对增长率 G （ v0）继续下降，直至光放大过程趋于停止。因

9、此，饱和光强值小的介质，腔 内光强一定不会很强。可见，饱和光强的确是介质的一个重要参量，它决定着腔内光强以 致激光器输出功率的大小。计算题1、要制作一个腔长 L = 60cm的对称稳定腔，(1) 反射镜的曲率半径取值范围如何？(2) 若稳定腔的一块反射镜的曲率半径R1 = 4L,求另一面镜的曲率半径取值范围?2、激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m的凸面镜和曲率半径为 2m的凹面镜组成，求腔=6 I08Hz,长L在什么范围内是稳定腔？3、腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率 0 = 5.85 l014 Hz,荧光线宽问它可能存在几个纵模 ？相应的纵模阶数q值为多少？(设 =1)2X1018 cm-3，巨脉冲宽度为10ns。求：输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m激光的最大能量和脉冲平均功率?出 0.6943最大能量r2 d h c 2.3J脉冲平均功率:2.310 1010；2.30 108 W5、He-Ne激光器的中心频率0 = 4.74氷014Hz,荧光线宽=1.5 l09 Hz。若腔长L = l m ,问可能输出的纵模数为几个？为获得单纵模输出,1.5 109腔长最长为多少?q 1.5 10810可能存在的纵模数有11个cAv 2 Av止