激光原理第六版思考題

1、激光原理復(fù)習(xí)思考題第一章：1、 LASER英文名稱的含義是什么？激光是何時發(fā)明的？ 受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大（激光）。1960年梅曼世界上第一臺紅寶石激光器2、 激光的基本特性是什么？單色性： 指光強(qiáng)按頻率的分布狀況，激光的頻譜寬度非常窄。相干性：時間相干性和空間相干性都很好。方向性：普通光向四面八方輻射，而激光基本沿某一直線傳播，激光束的發(fā)散角很小。高亮度：在單位面積、單位立體角內(nèi)的輸出功率特別大3、 激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？激光器基本組成包括：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)三大部分。工作物質(zhì)是激光器的核心。諧振腔的作用：模式選擇、提供軸向光波模的反饋。泵浦系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提

2、供外界能量4、 什么是黑體輻射？寫出Planck公式，并說明它的物理意義。黑體輻射是黑體溫度T和輻射場頻率n的函數(shù)，用單色能量密度r來描述：在單位體積內(nèi)，頻率處于n附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量(J×m-3×s）。黑體輻射的普朗克公式5、 什么是光波模式和光子態(tài)？在自由空間，具有任意波矢的單色平面波都可以存在。但在一個有邊界條件限制的空間V內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢k的平面單色駐波。這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波（以某一波矢k為標(biāo)志）稱為電磁波的模式或光波模。一個光波模在相空間也占有一個相格。因此，一個光波模等效于一個光子態(tài)6、 如何理解光的相干性？何謂相干時間、相

3、干長度、相干面積和相干體積？光的相干性（在不同的空間點(diǎn)上、在不同時刻的光波場的某些特性的相關(guān)性。光場的相干函數(shù)來度量）。如果在空間體積Vc內(nèi)各點(diǎn)的光波場都具有明顯的相干性，則Vc稱為相干體積。Vc=AcLc，Ac-相干面積，Lc-相干長度，相干時間tc是光沿傳播方向通過相干長度Lc所需的時間。 Lc=ctc7、 什么是光子簡并度？處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡并度 。具有以下幾種相同的含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。8、 激光的基本物理基礎(chǔ)是什么？光與物質(zhì)的共振相互作用，特別是其中的受激輻射是激光器的物理基礎(chǔ)9、 描述能級的光學(xué)躍遷的三大

4、過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。光躍遷中將同時存在著光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射三個過程。自發(fā)輻射過程：特點(diǎn)：1）自發(fā)產(chǎn)生；2）輻射是獨(dú)立的。自發(fā)躍遷幾率 2受激吸收過程：特點(diǎn)：非自發(fā)的，有外來光照射；減弱光的強(qiáng)度。受激吸收躍遷幾率3受激輻射過程：特點(diǎn)：非自發(fā)的，有外來光照射；增強(qiáng)光的強(qiáng)度；與原光子性質(zhì)、狀態(tài)完全相同。受激輻射躍遷幾率10、 Einstein系數(shù)有哪些？他們之間的關(guān)系是什么？A21：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)。B12只與原子性質(zhì)有關(guān)，稱為受激吸收愛因斯坦系數(shù)。B21只與原子性質(zhì)有關(guān)，稱為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。愛因斯坦系數(shù)的基本關(guān)系式11、 什么是熱平衡時能級粒子數(shù)的分布？熱平衡

5、條件下，物質(zhì)原子數(shù)分布服從玻爾茲曼分布，n2（或n1）保持不變，即從能級E2躍遷到能級E1的粒子數(shù)應(yīng)等于從能級E1躍遷到能級E2上的粒子數(shù) 12、 產(chǎn)生激光的必要條件是什么？只有當(dāng)外界向物質(zhì)供應(yīng)能量（稱為激勵或泵浦過程）從而使物質(zhì)處于非熱平衡態(tài)時，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布才有可能實(shí)現(xiàn)。激勵（或泵浦）過程是光放大的必要條件13、 什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？要使激光物質(zhì)能對光進(jìn)行放大，必須使物質(zhì)中的受激輻射大于受激吸收，或者說必須使高能級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)即要實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”。 只有當(dāng)外界向物質(zhì)供應(yīng)能量（稱為激勵或泵浦過程）從而使物質(zhì)處于非熱平衡態(tài)時，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布才有可能實(shí)現(xiàn)。一

6、般采用光激勵、放電激勵、化學(xué)激勵等方法14、 如何定義激光增益？什么是小信號增益？什么是增益飽和？（可結(jié)合第四章內(nèi)容）放大作用的大小通常用增益系數(shù)g來描述。設(shè)在光傳播方向上z處的光強(qiáng)為I(z) ，則增益系數(shù)定義為 表示光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)I0為z=0處的初始光強(qiáng)屬于小信號增益情況。光強(qiáng)的增加是由于高能級原子向低能級受激躍遷的結(jié)果，或，光放大是以單位體積內(nèi)集居數(shù)差值n2(z)-n1(z)的減小為代價的。并且，光強(qiáng)I越大， n2(z)-n1(z)減少得越多，所以實(shí)際上n2(z)-n1(z)隨z的增加而減少，增益系數(shù)也隨z的增加而減少，這一現(xiàn)象稱為增益飽和效應(yīng)。15、 什么是自激

7、振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的條件是什么？由于在腔內(nèi)總是存在頻率在n附近的微弱的自發(fā)輻射光（相當(dāng)于初始光強(qiáng)I0） ，它經(jīng)過多次受激輻放大就有可能在軸向光波模上產(chǎn)生光的自激振蕩。激光器是一個光的自激振動器。振蕩條件：任意小的初始光強(qiáng)I0都能形成確定大小的腔內(nèi)光強(qiáng)Im的條件16、 如何理解激光的空間相干性與方向性？如何理解激光的時間相干性？如何理解激 光的相干光強(qiáng)？激光的方向性越好，它的空間相干性程度就越高。激光的相干時間tc 和單色性Dn存在簡單的關(guān)系tc1/Dn即單色性越高，相干時間越長。相干光強(qiáng)決定于具有相干性的光子的數(shù)目或同態(tài)光子的數(shù)目第二章：開放式光腔與高斯光束1、 什么是諧振腔的諧振條件？發(fā)生相

8、長干涉的條件是：波從某一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來位置時，應(yīng)與初始出發(fā)波同相（即相差是2p的整數(shù)倍）。 這就是F-P腔沿軸向傳播的平面波諧振條件2、 如何計(jì)算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目? 縱模的頻率 縱模間隔 縱模的數(shù)目L/0q3、 在激光諧振腔中有哪些損耗因素？幾何偏折損耗 衍射損耗 透射損耗 固有損耗4、 哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？損耗參數(shù)：平均單程損耗因子d 光子在腔內(nèi)的平均壽命tR和模式線寬nDc 無源諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q 四者之間的關(guān)系：5、 熟悉射線矩陣光學(xué)，會進(jìn)行推導(dǎo)。傍軸光線在腔內(nèi)完成一次往返總的變化矩陣為當(dāng)凹面鏡向著腔內(nèi)時，R取正值；當(dāng)凸面鏡向著

9、腔內(nèi)時，R取負(fù)值6、 什么是激光諧振腔的穩(wěn)定性條件？7、 畫出激光諧振腔的穩(wěn)定性圖，并標(biāo)出幾種典型的諧振腔在圖中的位置。8、 如何理解激光諧振腔衍射理論的自再現(xiàn)模？把開腔鏡面上的經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)場分布稱為開腔的自再現(xiàn)模或橫模。自再現(xiàn)模一次往返所經(jīng)受的能量損耗稱為模的往返損耗。自再現(xiàn)模經(jīng)一次往返所發(fā)生的相移稱為往返相移，該相移等于2的整數(shù)倍，這就是模的諧振條件的面9、 求解菲涅耳基爾霍夫衍射積分方程得到的本征函數(shù)和本征值各代表什么？本征函數(shù)代表自再現(xiàn)模所應(yīng)滿足的積分方程式，本征值代表自再現(xiàn)模的單程損耗10、 能畫出圓形鏡、方形鏡幾個橫模的光斑花樣嗎？書p54,p6211、 如何計(jì)算基模高斯

10、光束的主要參量：腰斑的大小、腰斑的位置、鏡面上光斑的大小、 任意位置處激光光斑的大小、等相位面曲率半徑、光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角、模體積用參數(shù)w0（或f）及束腰位置表征高斯光束，用參數(shù)w(z)和R(z)表征高斯光束光斑的大小等相位面的曲率半徑為遠(yuǎn)場發(fā)散角：定義為兩根漸近線之間的夾角一般穩(wěn)定球面腔的基模模體積可以定義為如果知道了某給定位置處的w(z)和R(z)，可決定高斯光束腰斑的大小w0和位置z12、 高階高斯光束有哪些？13、 什么是一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價性?任意一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價；任一滿足穩(wěn)定性條件的球面腔唯一地等價于某一共焦腔。“等價”指具有相同的行波場。這種等價性深刻地揭

11、示出各種穩(wěn)定腔（共焦腔也是其中之一）之間的內(nèi)在聯(lián)系，使得可以利用共焦腔模式理論的研究結(jié)果來解析地表述一般穩(wěn)定球面腔模的特征14、 如何計(jì)算一般穩(wěn)定球面腔的主要參量？15、 什么是腔的菲涅耳數(shù)？它與腔的損耗有什么關(guān)系？定義穩(wěn)定球面腔的有效菲涅耳數(shù) 對一般穩(wěn)定球面腔，每一個反射鏡對應(yīng)著一個有效菲涅耳數(shù)，然后按共焦腔的單程衍射損耗曲線查得一般穩(wěn)定球面腔的損耗值16、 高斯光束的表征方法有哪些？什么是q參數(shù)？參數(shù)w(z)和R(z)表征高斯光束高斯光束的q參數(shù): 參數(shù)q將w(z)和R(z)統(tǒng)一在一個表達(dá)式中，知道了高斯光束在某位置處的q參數(shù)值，可由下式求出該位置處w(z)和R(z)的數(shù)值17、 高斯光束

12、q參數(shù)的變換規(guī)律是什么？q參數(shù)的變換規(guī)律可統(tǒng)一表示為: q參數(shù)也稱為高斯束復(fù)曲率半徑。結(jié)論：高斯光束經(jīng)任何光學(xué)系統(tǒng)變換時服從ABCD公式，由光學(xué)系統(tǒng)對傍軸光線的變換矩陣所決定。18、 非穩(wěn)腔與穩(wěn)定腔的區(qū)別是什么？舉例說明哪些是非穩(wěn)腔？穩(wěn)定腔（無幾何偏折損耗）非穩(wěn)腔（具有較高的幾何損耗）第四章：電磁場與物質(zhì)的共振相互作用1、 什么是譜線加寬？有哪些加寬類型？加寬機(jī)制是什么？由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，即光譜不是單一頻率的光波，而包含有一個頻率范圍，稱為譜線加寬。加寬類型有均勻加寬，非均勻加寬，綜合加寬。如果引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，則這種加寬稱作均勻加寬。非均勻加寬的

13、特點(diǎn)：原子體系中不同原子向譜線的不同頻率發(fā)射。一般情況下，固體激光工作物質(zhì)的譜線加寬主要是晶格熱振動引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬，對于氣體工作物質(zhì)，主要的加寬類型就是由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。2、 如何定義線型函數(shù)和譜線寬度？P(n)是描述自發(fā)輻射功率按頻率分布的函數(shù)。在總功率P中，分布在nn+dn范圍內(nèi)的光功率為P(n)dn ，數(shù)學(xué)表示為 引入譜線的線型函數(shù) 線型函數(shù)在n=n0時有最大值，并在 時下降到最大值的一半，即 按上式定義的nD稱為譜線寬度3、 如何理解均勻加寬和非均勻加寬？如果引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，則這種加寬稱作均勻加寬。每個原子都以整個

14、線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，即每一發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。自然加寬、碰撞加寬和晶格振動加寬屬于均勻加寬。非均勻加寬的特點(diǎn)：原子體系中不同原子向譜線的不同頻率發(fā)射，或者說，每個原子只對譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的?；蛘哒f，多普勒加寬并沒有加寬每個原子的譜線，而僅僅使各原子譜線的中心位置有了移動，由于不同速率原子的譜線位置移動不同，從總的效果來看也加寬了譜線，每一發(fā)光原子只對譜線的某些頻率有貢獻(xiàn)4、 如何求自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬的線寬？自然加寬碰撞加寬多普勒加寬5、 如何理解

15、受激發(fā)射截面？與哪些因素有關(guān)？發(fā)射截面6、 分析三能級和四能級系統(tǒng)中粒子在各能級之間的躍遷過程，并寫出速率方程。三能級系統(tǒng)速率方程組：各能級集居數(shù)隨時間變化的方程和激光器腔內(nèi)的光子數(shù)密度隨時間變化的規(guī)律四能級系統(tǒng)速率方程組7、 說明均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的機(jī)理，并寫出激光增益的表達(dá)式。通常用增益系數(shù)來描述經(jīng)過單位距離后光強(qiáng)的增長率。設(shè)在z處光強(qiáng)為I(z)，z+dz處光強(qiáng)為I(z)+dI(z)，則增益系數(shù)定義為 增益系數(shù)的表達(dá)式為非均勻加寬增益的表達(dá)式8、 飽和光強(qiáng)的含義？怎么定義的？飽和光強(qiáng)的物理意義：當(dāng)入射光強(qiáng)度 可以與 Is(n1)比擬時，受激輻射造成的上能級集居數(shù)衰減率就

16、可以與其它弛豫過程（自發(fā)輻射及無輻射躍遷）造成的衰減相比擬。因此當(dāng) 時， Dn 與光強(qiáng)無關(guān)；當(dāng) 可與Is(n1)比擬時， Dn隨 的增加而減小。當(dāng) Is(n1)時，9、 什么是小信號增益、大信號增益？在 時的增益是小信號增益。當(dāng) 可與Is(n1)比擬時是大信號增益10、 在強(qiáng)光入射下，均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中，弱光的增益系數(shù)如何變化？對均勻加寬工作物質(zhì)，強(qiáng)光入射會引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度Dn的下降，而Dn的下降又導(dǎo)致弱光增益系數(shù)的下降在非均勻加寬工作物質(zhì)中， 頻率n1的強(qiáng)光只在n1附近寬度約為dn的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)的飽和，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集居數(shù)沒有影響。若有一頻率為n的弱

17、光同時入射，如果頻率n處在強(qiáng)光造成的燒孔范圍之內(nèi)，則由于反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的減少，弱光增益系數(shù)將小于小信號增益系數(shù)；如果頻率n處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響而仍然等于小信號增益系數(shù)。在增益系數(shù)的曲線上，在頻率n1處產(chǎn)生一個凹陷，凹陷的寬度由dn表示。頻率n1處的凹陷最低點(diǎn)下降到小信號增益系數(shù)的 倍11、 描述非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的“燒孔效應(yīng)”，并說明原理。當(dāng)頻率為n1、強(qiáng)度為 的光入射時，將使表觀中心頻率大致在范圍內(nèi)的粒子有飽和作用。因此在Dn(n)曲線上形成一個以n1為中心的孔，孔的深度為 孔的寬度dn為孔的面積dS為 通常把以上現(xiàn)象稱為反轉(zhuǎn)集居數(shù)的“燒孔”效應(yīng)第五章：激

18、光振蕩特性1、激光器有哪些類型？激光器按泵浦方式可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器兩大類2、激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件又是什么？如果脈沖泵浦持續(xù)時間t0>>t2（長脈沖），脈沖激光器也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此長脈沖激光器也可看成一個連續(xù)激光器3、激光器的閾值參數(shù)怎么計(jì)算？閾值增益系數(shù)：激光自激振蕩時，小信號增益系數(shù)滿足4、在均勻加寬和非均勻加寬激光器中模式競爭有什么不同？在均勻加寬激光器中，幾個滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中互相競爭，結(jié)果總是靠近中心頻率n0的一個縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其它縱模都被抑制而熄滅。理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應(yīng)是單縱模的，其頻率總是落在譜線中心附近非均勻加寬激光器的多縱模振蕩：由于某一縱模光強(qiáng)的增加，并不會使整個增益曲線均勻下降，而只是在增益曲線上造成對稱的兩個燒孔，只要縱模間隔足夠大，各縱模基本上互不關(guān)心，所有小信號增益系數(shù)大于gt的縱模都能穩(wěn)定振蕩。當(dāng)