激光原理第六版思考题资料

1、?激光原理?复习思考题第一章：1、LASER英文名称的含义是什么激光是何时创造的受激发射实现光放大激光.1960年梅曼世界上第一台红宝石激光器2、激光的根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,而激光根本沿某一直线传播,激光束的发散角很小.高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大3、激光器主要由哪些局部组成各局部的作用是什么激光器根本组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统三大局部.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应.泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能量4、什么是

2、黑体辐射写出Planck公式,并说明它的物理意义.黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率v的函数,用单色能量密度Pv来描述：在单位体积内,频率处于v附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量Jm-3s.黑体辐射的普朗克公式一8二h31一En一3h；ekbT-15、什么是光波模式和光子态V以因在自由空间,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的平面单色驻波.这种能够存在于腔内的驻波某一波矢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、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

3、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Vc内各点的光波场都具有明显的相干性,那么Vc称为相干体积.Vc=AcLc,Ac-相干面积,Lc-相干长度,相干时间Tc是光沿传播方向通过相干长度Lc所需的时间.Lc=cc7、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、激光的根本物理根底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根底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

4、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自发辐射过程：特点：1自发产生；2辐射是独立的.自发跃迁几率八dn21x1A21=sp-dtn22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3受激辐射过程：特点：非自发的,全相同.受激辐射跃迁几率W21dn12、1W12-.stdtni有外来光照射；增强光的强度；与原光子性质、状态完二dn21dtst10、Einstein系数有哪些他们之间的关系是什么?B21A21:自发跃迁爱因斯坦系数.B12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.爱因斯坦系数的根本关系式B2

5、111、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E1的粒子数应等于从能级E1跃迁到能级n2(或n1)保持不变,即从能级E2跃E2上的粒子数12、产生激光的必要条件是什么?只有当外界向物质供给能量(称为鼓励或泵浦过程)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.鼓励(或泵浦)过程是光放大的必要条件13、 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给能量(称为鼓励或泵浦过程)从而使物质处于非热平衡

6、态时,粒子数反转分布才有可能实现.一般采用光鼓励、放电鼓励、化学鼓励等方法14、 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来描述.设在光传播方向上z处的光强为I(z),那么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)I0为z=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迁的结果,或,光放大是以单位体积内集居数差值n2(z)-n1(z)的减小为代价的.并且,光强I越大,n2(z)-n1(z)减少得越多,所以实际上n2(z)-n1(z)随z的增加而减少,增益系数也随z的增

7、加而减少,这一现象称为增益饱和效应.15、 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附近的微弱的自发辐射光(相当于初始光强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：任意小的初始光强I0都能形成确定大小的腔内光强Im的条件Im=(g._：)k0g0.二16、 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Av存在简单的关系祀=1/Av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

8、目第二章：开放式光腔与高斯光束1、什么是谐振腔的谐振条件发生相长干预的条件是：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2n的整数晦).c这就是F-P腔沿轴向传播0q.的平面波谐振条件Lq2qM2L2、如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目纵模的频率''q=q,c纵模间隔c纵模的数目L'/入0q2L2L3、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、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光子在腔内的平均寿命品质因数Q四者之间的关系：Q-2：R=2.:一cR和模式线宽Sc无源谐振腔

9、的L5、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=Tr1TlTr2TL1当凹面镜向着腔内时,R取正值；当凸面镜向着腔内时,R取负值6、什么是激光谐振腔的稳定性条件?0gg21LR2g1-1-,g2-1-R17、画出激光谐振腔的稳定性图,并标出几种典型的谐振腔在图中的位置.8、如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模自再现模一次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口的整数倍,这就是模的谐振条件9、求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分方程得到的本

10、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10、能画出圆形镜、方形镜几个横模的光斑把戏吗?书p54,p6211、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、等相位面曲率半径、光束的远场发散角、模体积用参数80(或f)及束腰位置表征高斯光束,用参数8(z)和R(z)表征高斯光束_2,、w(z)、21/2W0=w(z)1(),R(z)二W22R(z)=z(1-()zz=R(z)1(1R(z)2,、-w(z)2-1)等相位面的曲率半径为=f)光斑的大小.0s=.l远场发散角：定义为两根渐近线之

11、间的夹角a=lim2L=0z,二z21.WsiWs2一般稳定球面腔的基模模体积可以定义为V00=万LjiI2-'©0和位置z如果知道了某给定位置处的6(z)和R(z),可决定高斯光氐腰斑的大小12、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箱斯函娄13、 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

12、)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模的特征14、 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)215、 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16、高斯光束的表征方法有哪些什么是q参数?参数以z)和R(z)表征高斯光束nw2(z)2二/2

13、»九R(z)J1W0=w(z)1(许)z=R(z)1(Tw)、一.,=-in一图斯光束的q参数：q(z)R(z)w2(z)参数q将.(z)和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参数值,可由下式求出该位置处.和R(z)的数值17、 高斯光束q参数的变换规律是什么AqiBq2二-_,Cq1D,一q参数的变换规律可统一表不为：M1q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ABCD公式,由光学系统对傍轴光线的变换矩阵所决定.18、 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(无几何偏折损耗)-(AD)-1,10:二g1g2：二11,一

14、、,非稳腔(具有较高的几何损耗)2(AD)；-1g1g2：二01-2AD1gig21第四章：电磁场与物质的共振相互作用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,那么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

15、均匀加宽.2、如何定义线型函数和谱线宽度P(v)是描述自发辐射功率按频率分布的函数.在总功率P中,分布在wv+dv范围内的光功率为Pdvp整F军储也引入谱线的线型函数g(v,v0)线型函数在3刈时有最大值,并在一土时下降到最大值的一半,即(v0+",v0)=(v0",v0)="0'"0)按上式定义的必称为谱线宽度2223、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,那么这种加宽称作均匀加宽.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奉献.自然加宽

16、、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央频率相应的局部有奉献,因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一局部原子发射的.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央位置有了移动,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奉献4、如何求自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽?自然加宽N"V0)=爱1/2/%N2一.-2一,、L1碰撞加范gL/0=：22,'Ll2一0-2c多普勒加宽gDG,%)=一02二KTln

17、22A214-32-0D5、如何理解受激发射截面与哪些因素有关?2a21:21=,22广214二2、；.发射截面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)dtdn2,f2=-(n2-ni),-121(''','0)N-n2(S21,A21),n3s32dtf1NiRln1n2n3=n芈-.必)；力0)Ni-dtf1四能级系统速率方程组电3=n0W3-n3(S32%)dtdn2,f2(n2R)；-21(&#

18、39;J0)Ni-&(S21A21)n3s32dtf1dn0-An1S10-n0W03n3A30dtn0n1n2n3=n当-9小)二21("、0)小1-»dtf1ri7、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处光强为I(z),z+dz处光强为dI(z)gI(z)+dI(z),那么增益系数定义为“I(z)dz增益系数的表达式为21Alg=：n；%c,、°)=n-一rg(',°)8->0非均匀加宽增益的表达式n'A21/、H2gCJbKUT

19、"10)-Hed'0(1i.)2()214Isn02Al8；：1KI)、g0('1)s.一、,I8、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)比较时,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)造成的衰减相比较.因此当时,心与光强无关；以可与Is(v1)比较时,An吃的增加而减小.当IyIs(v1)时,9、什么是小信号增益、大信号增益在I¥mmIs时的增益是小信号增益.当Ip可与Is(3)比较时是大信号增益10、 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

20、加宽工作物质,强光入射会引起反转集居数密度An的下降,而An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-I11IsCi)Is?1)在非均匀加宽工作物质中,频率V1的强光只在5附近宽度约为云的范围内引起反转集居数的饱和,对表观中央频率处在烧孔范围外的反转集居数没有影响.假设有一频率为v的弱光同时入射,如果频率v处在强光造成的烧孔范围之内,那么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处于烧孔范围之外,那么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v1处产生一

21、个凹陷,凹陷的宽度由加表示.频率"1处的凹陷最低点下降到小信号增益系数的(1+I/s)*倍11、 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的光入射时,将使表观中央频率大致在I一厂Av："h一一.1Is2范围内的粒子有饱和作用.因此在An(v)曲线上形成一个以v1为中央的孔,武的深度为nk)一n(、1)、nk)Is"、1孔的宽度dv为16V=1+k4VHIsHL孔的面积5s为§sr-An0(v1)sAvh1J,/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、激光器有哪些类型激光器按泵浦方式可分

22、为连续激光器和脉冲激光器两大类2、激光器的振荡条件是什么稳定工作条件又是什么n2(t)：1W13nA11W132因此长脉冲激光器如果脉冲泵浦持续时间t0>>72(长脉冲),脉冲激光器也到达稳定状态,也可看成一个连续激光器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.,、6g(、)-gt74、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,结果总是靠近中央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央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降,而只是在增益曲线