激光原理第六版思考题资料

1、3 3 受激辐射过程：特点：非自发的,全相同。受激辐射跃迁几率 W21 dn12、1 W12-（.）st dtni 有外来光照射；增强光的强度；与原光子性质、状态完 二（ dn21 dt st 激光原理复习思考题 第一章： 1 1、LASERLASER 英文名称的含义是什么？激光是何时发明的？ 受激发射实现光放大（激光）。19601960 年梅曼世界上第一台红宝石激光器 2 2、激光的基本特性是什么？ 单色性：指光强按频率的分布状况，激光的频谱宽度非常窄。相干性：时间相干性和空间 相干性都很好。方向性：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束的发 散角很小。高亮度：在单位面积、单

2、位立体角内的输出功率特别大 3 3、激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 激光器基本组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统三大部分。工作物质是激光器的核心。 谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈。泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量 4 4、什么是黑体辐射？写出 PlanckPlanck 公式，并说明它的物理意义。 黑体辐射是黑体温度 T T 和辐射场频率 v v 的函数，用单色能量密度 PvPv 来描述：在单位体积内,频率处于 v v附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量（JmJm- -3s3s）。黑体辐射的普朗克公式 一8二h31 一En一3h； ekbT-1 5 5、什么是光

3、波模式和光子态？ 在自由空间，具有任意波矢的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的空间 内,只能存在一系列独立的具有特定波矢 k k 的平面单色驻波。 这种能够存在于腔内的驻波某一波矢k k 为标志）称为电磁波的模式或光波模。一个光波模在相空间也占有一个相格。此，一个光波模等效于一个光子态 6 6、如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？ 光的相干性（在不同的空间点上、在不同时刻的光波场的某些特性的相关性。光场的相干函 数来度量）。如果在空间体积 VcVc 内各点的光波场都具有明显的相干性，则 VcVc 称为相干体积。 Vc=AcVc=AcLcLc, ,AcAc

4、-相干面积，LcLc-相干长度，相干时间 TcTc 是光沿传播方向通过相干长度 LcLc 所 需的时间。Lc=ccLc=cc 7 7、什么是光子简并度？ 处于同一光子态的光子数称为光子简并度。具有以下几种相同的含义：同态光子数、同一 模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。 8 8、激光的基本物理基础是什么？ 光与物质的共振相互作用，特别是其中的受激辐射是激光器的物理基础 9 9、描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。 光跃迁中将同时存在着光的自发辐射、受激吸收和受激辐射三个过程。1 1 自发辐射过程：特 点：1 1）自发产生；2 2）辐射是独立的。

5、自发跃迁几率八 dndn21x1 1 A21=（）sp- dtn2 2 2 受激吸收过程：特点：非自发的，有外来光照射；减弱光的强度。受激吸收跃迁几率 V V （以 1010、EinsteinEinstein 系数有哪些？他们之间的关系是什么? A21A21: :自发跃迁爱因斯坦系数。B12B12 只与原子性质有关，称为受激吸收爱因斯坦系数。 只与原子性质有关，称为受激辐射爱因斯坦系数。爱因斯坦系数的基本关系式 反转分布才有可能实现。激励(或泵浦)过程是光放大的必要条件 1313、 什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？ 要使激光物质能对光进行放大，必须使物质中的受激辐射大于受激吸收，或者说必

6、须使高能 级的粒子数大于低能级的粒子数一一即要实现粒子数反转分布”。只有当外界向物质供应能量(称为激励或泵浦过程)从而使物质处于非热平衡态时，粒子数反转分布才有可能实现。一般采用光激励、放电激励、化学激励等方法 1414、 如何定义激光增益？什么是小信号增益？什么是增益饱和？(可结合第四章内容) 放大作用的大小通常用增益系数 g g 来描述。设在光传播方向上 z z 处的光强为 I(z)I(z), ,则增益系 数定义为表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数 dI(z)1g- dzI(z) I0I0 为 z=0z=0 处的初始光强属于小信号增益情况。光强的增加是由于高能级原子向低能级受激跃

7、 迁的结果，或，光放大是以单位体积内集居数差值 n2(z)n2(z)- -n1(z)n1(z)的减小为代价的。并且，光强 I I 越大，n2(z)n2(z)- -n1(z)n1(z)减少得越多，所以实际上 n2(z)n2(z)- -n1(z)n1(z)随 z z 的增加而减少，增益系数也随 z z 的增加而减少，这一现象称为增益饱和效应。 1515、 什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？ 由于在腔内总是存在频率在 Y Y 附近的微弱的自发辐射光(相当于初始光强 I0)I0),它经过多 次受激辐放大就有可能在轴向光波模上产生光的自激振荡。激光器是一个光的自激振动器。 振荡条件：任意小的初始

8、光强 I0I0 都能形成确定大小的腔内光强 ImIm 的条件 Im=(g。_：)k0g0.二 1616、 如何理解激光的空间相干性与方向性？如何理解激光的时间相干性？如何理解激 光的相干光强？ 激光的方向性越好，它的空间相干性程度就越高。激光的相干时间正和单色性 AvAv 存在简 单的关系祀=1/1/AvAv 即单色性越高，相干时间越长。相干光强决定于具有相干性的光子的数目或同态光子的数目第二章：开放式光腔与高斯光束 1 1、什么是谐振腔的谐振条件？ 发生相长干涉的条件是：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(即相差是 2n2n 的整数晦)。c这就是 F F-

9、-P P 腔沿轴向传播 0q。 的平面波谐振条件Lq2qM2LB21B21 B21 1111、 什么是热平衡时能级粒子数的分布? 热平衡条件下，物质原子数分布服从玻尔兹曼分布， 迁到能级 E1E1 的粒子数应等于从能级 E1E1 跃迁到能级 n2n2(或 n1)n1)保持不变，即从能级 E2E2 跃 E2上的粒子数 1212、 产生激光的必要条件是什么? 只有当外界向物质供应能量(称为激励或泵浦过程) 从而使物质处于非热平衡态时，粒子数 2 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目 6 6、什么是激光谐振腔的稳定性条件? 0gg21 L g1-1-,g2-1- R1 7 7、画出激光谐振腔

10、的稳定性图，并标出几种典型的谐振腔在图中的位置。 8 8、如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？ 把开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。 往返所经受的能量损耗称为模的往返损耗。自再现模经一次往返所发生的相移称为往返相 移，该相移等于 2 2 口的整数倍，这就是模的谐振条件 9 9、 求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数和本征值各代表什么？本征函数代表自再现模所应满足的积分方程式，本征值代表自再现模的单程损耗 书 p54,p62p54,p62 如何计算基模高斯光束的主要参量：腰斑的大小、腰斑的位置、镜面上光斑的大小、 任意位置处激光光斑的大小、等相位面曲率

11、半径、光束的远场发散角、模体积 用参数 8 80 0(或 f)f)及束腰位置表征高斯光束，用参数 8 8(z)(z)和 R(z)R(z)表征高斯光束 _2，、w(z)、21/2 W0=w(z)1() ,R(z) 光斑的大小. .0s0s= =. .L 纵模的频率 q=q, c纵模间隔 c纵模的数目 LL/入 0q0q 2L 2L 3 3、在激光谐振腔中有哪些损耗因素？ 几何偏折损耗衍射损耗透射损耗 固有损耗 4 4、哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？ 损耗参数：平均单程损耗因子 6 6 光子在腔内的平均寿命 品质因数 Q Q 四者之间的关系： Q-2： R=2. :一c R和模式线

12、宽Sc无源谐振腔的 L 5 5、熟悉射线矩阵光学，会进行推导。 傍轴光线在腔内完成一次往返总的变化矩阵为 ，HR0m =TR1TLTR2TL 1 当凹面镜向着腔内时, R R 取正值；当凸面镜向着腔内时，R R 取负值 R2 自再现模一次 1010、 能画出圆形镜、方形镜几个横模的光斑花样吗? 1111、 二W22 R(z)=z(1-()z z=R(z)1( 1R(z) 2，、 -w(z) 2-1 ) 等相位面的曲率半径为 =f”) 远场发散角：定义为两根渐近线之间的夹角a=lim2L= 0z,二z2 1.WsiWs2 一般稳定球面腔的基模模体积可以定义为V00=万LJII2- 如果知道了某给

13、定位置处的 6(z)6(z)和 R(z)R(z), ,可决定高斯光氐腰斑的大小 1212、高阶高斯光束有哪些? 镜向上场分布 腔中任一 一点的场夕 不基横模 方形镜共焦月 空厄米特一高斯函 数厄米特- - 高 斯函专 炳斯函查 圆形镜共焦月 H 拉蛊尔图斯困 数拉蛊小 F 斯函2 2 箱斯函娄 1313、 什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？ 任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任一满足稳定性条件的球面腔唯一地等价于某 一共焦腔。“等价”指具有相同的行波场。这种等价性深刻地揭示出各种稳定腔(共焦腔也是其中之一)之间的内在联系，使得可以利用共焦腔模式理论的研究结果来解析地表述一般稳定球面腔

14、模的特征 1414、 如何计算一般稳定球面腔的主要参量？ L(R2-L) z1一 (L-R1)(L-R2) _-L(R1-L) z2一 (L-R1)(L-R2) f2L(R-L)(R2-L)(R1R2-L) f2 (L-F1)(L-R2)2 1515、 什么是腔的菲涅耳数？它与腔的损耗有什么关系？ 定义稳定球面腔的有效菲涅耳数Nefi=a2/(啊：)对一般稳定球面腔，每一个反射镜对 应着一个有效菲涅耳数，然后按共焦腔白小程彳冠损覆曲线查得一般稳定球面腔的损耗值 参数以 z)z)和 R(z)R(z)表征高斯光束nw2(z)2二/2九R(z)J1J1 W0=w(z)1(许)z=R(z)1(Tw)

15、、一.，,=-in一 图斯光束的 q q 参数：q(z)R(z)w2(z)参数 q q 将。(z)(z)和 R(z)R(z)统一在一个表达式中, 知道了高斯光束在某位置处的 q q 参数值，可由下式求出该位置处。和 R(z)R(z)的数值 1717、 高斯光束 q q 参数的变换规律是什么？ AqiB q2二- _,Cq1D，一q q 参数的变换规律可统一表不为：M1M1q q 参数也称为图斯束复曲率半径。结论: 高斯光束经任何光学系统变换时服从 ABCDABCD 公式，由光学系统对傍轴光线的变换矩阵所决 定。 1818、 非稳腔与稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？ 1 稳定腔(无几何

16、偏折损耗)-(AD)-1,10:二g1g2：二1 1，一、, 2(AD)；-1g1g2：二0 0 0 和位置 z z 1616、 高斯光束的表征方法有哪些？什么是 q q 参数? 非稳腔(具有较高的几何损耗) 1- 2（AD）1gig21 第四章：电磁场与物质的共振相互作用 1 1、什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？ 由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有一个 频率范围，称为谱线加宽。加宽类型有均匀加宽，非均匀加宽，综合加宽。如果引起加宽的 物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽。非均匀加宽的特点：原子体系 中不同原子向谱线的不

17、同频率发射。一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽主要是晶格 热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽，对于气体工作物质，主要的加宽类型 就是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。 2 2、如何定义线型函数和谱线宽度？ P(v)P(v)是描述自发辐射功率按频率分布的函数。在总功率 P P 中，分布在 wv+dwv+dv v 范围内的光功 率为 P Pdvp整 F F 军储也引入谱线的线型函数g(v,v0) 的一半，即(v0+,v0)=(v0,v0)=00)按上式定义的必称为谱线宽度222 3 3、如何理解均匀加宽和非均匀加宽？ 如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作

18、均匀加宽。每个原子都以 整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，即每一发光原 子对光谱线内任一频率都有贡献。自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽属于均匀加宽。非均 匀加宽的特点：原子体系中不同原子向谱线的不同频率发射，或者说，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的某一频率范围是由哪一部分 原子发射的。或者说，多普勒加宽并没有加宽每个原子的谱线，而仅仅使各原子谱线的中心 位置有了移动，由于不同速率原子的谱线位置移动不同，从总的效果来看也加宽了谱线，每 一发光原子只对谱线的某些频率有贡献 4 4、如何求自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线

19、宽? 一，、L1 碰撞加范gL（/0）=： 22,LL2 （一0）（-2） 5 5、如何理解受激发射截面？与哪些因素有关? 2 线型函数在 3 刈时有最大值,并在一土 时下降到最大值 自然加宽NV0)=爱 1 /2/%N2 （一。）（-2） c 多普勒加宽gDG,%)=一 02二KT ln22A21 4-32-0D A21 :21=,22广21 4二2、；。 发射截面 6 6、分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁过程，并写出速率方程。 三能级系统速率方程组： 各能级集居数随时间变化的方程和激光器腔内的光子数密度随时间变化的规律 dn。一 n1WI3-n3(S32A31) dt dn2

20、,f2 =-(n2-ni),-121(,0)N-n2(S21，A21)，n3s32 dtf1 n1n2n3=n 芈-。必)；力0)Ni- dtf1 四能级系统速率方程组电3=n0W3-n3(S32%) dt dn2,f2 (n2R)；-21(J0)Ni-&(S21A21)n3s32 dtf1 dn0-A n1S10-n0W03n3A30 dt n0n1n2n3=n 当-9小)二21(、0)小1- dtf1RI 7 7、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理，并写出激光增益的表达式。 通常用增益系数来描述经过单位距离后光强的增长率。设在 z z 处光强为 I(z),z+dzI(

21、z),z+dz 处光强为 dI(z)g I(z)+dI(z),I(z)+dI(z),则增益系数定义为“I(z)dz增益系数的表达式为 21Al g=：n；%c,、)=n-一rg(,) 8-0 非均匀加宽增益的表达式 8 8、饱和光强的含义？怎么定义的？ 饱和光强的物理意义：当入射光强度I军可以与 Is(v1)Is(v1)比拟时，受激辐射造成的上能级集 居数衰减率就可以与其它弛豫过程(自发辐身1寸及无辐射跃迁)造成的衰减相比拟。因此当 时，心与光强无关；以可与 Is(v1)Is(v1)比拟时，A An n 吃的增加而减小。当Iy Ni Rl nA21/、H2 gCJbKUT10) -He d0

22、(1i。)2( )214Is n02Al 8；：1KI )、g0(1) s”.一、,I Is(v1)Is(v1)时, 9 9、什么是小信号增益、大信号增益？ 在IMMIS时的增益是小信号增益。当Ip可与 Is(3)Is(3)比拟时是大信号增益 1010、 在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增益系数如何变化？ 对均匀加宽工作物质，强光入射会引起反转集居数密度 A An n 的下降，而 A An n 的下降又导致弱 光增益系数的下降in0a2i(v,V0)g：(v) 9H(I.1)-n-21户0)-I-I 11 IsCi)Is1) 在非均匀加宽工作物质中，频率V V1 1 的强光

23、只在 5 附近宽度约为云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 v v 的 弱光同时入射，如果频率 v v 处在强光造成的烧孔范围之内，则由于反转集居数密度的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数；如果频率 v v 处于烧孔范围之外，则弱光增益系数不 受强光的影响而仍然等于小信号增益系数。在增益系数的曲线上，在频率 v v1 1 处产生一个凹 陷，凹陷的宽度由加表示。频率 1 1 处的凹陷最低点下降到小信号增益系数的 (1+I/s)*倍 1111、 描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明原理。 当频率为 5、强度为 I,j

24、I,j 的光入射时，将使表观中心频率大致在I一厂Av ：H 一一.1Is2 范围内的粒子有饱和作用。因此在 A An(n(v v) )曲线上形成一个以 v v1 1 为中心的孔，武的深度为 L 孔的面积 5s5s 为SR-An0(v1) )sAVH 1J, /Is 通常把以上现象称为反转集居数的“烧孔”效应第五章：激光振荡特性 1 1、激光器有哪些类型？ 激光器按泵浦方式可分为连续激光器和脉冲激光器两大类 2 2、激光器的振荡条件是什么？稳定工作条件又是什么？ 2 如果脉冲泵浦持续时间 t072t072(长脉冲)，脉冲激光器也达到稳定状态,也可看成一个连续激光器 3 3、激光器的阈值参数怎么计算？ 阈值增益系数：激光自激振荡时，小信号增益系数满足。,、6 g(、)-gt7 4 4、在均匀加宽和非均匀加宽激光器中模式竞争有什么不同？ 在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心 频率川的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其它纵模都被抑制而熄灭。理想情况下，均匀加 宽稳态激光器的输出应是单纵模的，其频率总是落在谱线中心附近 非均匀加宽激光器的多纵模振荡：由于某一纵模光强的增加，并不会使整个增益曲线均匀下 nk)一n(、1)、nk) Is、1 孔的宽度dv为16V=1+k4VHIsH n2(t)： 1W13n A11W13 因此长脉冲激光器 降，而只是在增