激光原理第六版思考題資料

1、3 3 受激輻射過程：特點：非自發(fā)的,全相同。受激輻射躍遷幾率 W21 dn12、1 W12-（.）st dtni 有外來光照射；增強光的強度；與原光子性質(zhì)、狀態(tài)完 二（ dn21 dt st 激光原理復(fù)習(xí)思考題 第一章： 1 1、LASERLASER 英文名稱的含義是什么？激光是何時發(fā)明的？ 受激發(fā)射實現(xiàn)光放大（激光）。19601960 年梅曼世界上第一臺紅寶石激光器 2 2、激光的基本特性是什么？ 單色性：指光強按頻率的分布狀況，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

2、位立體角內(nèi)的輸出功率特別大 3 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)為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供外界能量 4 4、什么是黑體輻射？寫出 PlanckPlanck 公式，并說明它的物理意義。 黑體輻射是黑體溫度 T T 和輻射場頻率 v v 的函數(shù)，用單色能量密度 PvPv 來描述：在單位體積內(nèi),頻率處于 v v附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量（JmJm- -3s3s）。黑體輻射的普朗克公式 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 內(nèi),只能存在一系列獨立的具有特定波矢 k k 的平面單色駐波。 這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波某一波矢k k 為標志）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。此，一個光波模等效于一個光子態(tài) 6 6、如何理解光的相干性？何謂相干時間、相干長度、相干面積和相干體積？ 光的相干性（在不同的空間點上、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 VcVc 內(nèi)各點的光波場都具有明顯的相干性，則 VcVc 稱為相干體積。 Vc=AcVc=AcLcLc, ,AcAc

4、-相干面積，LcLc-相干長度，相干時間 TcTc 是光沿傳播方向通過相干長度 LcLc 所 需的時間。Lc=ccLc=cc 7 7、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 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 9、描述能級的光學(xué)躍遷的三大過程，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。1 1 自發(fā)輻射過程：特 點：1 1）自發(fā)產(chǎn)生；2 2）輻射是獨立的。

5、自發(fā)躍遷幾率八 dndn21x1 1 A21=（）sp- dtn2 2 2 受激吸收過程：特點：非自發(fā)的，有外來光照射；減弱光的強度。受激吸收躍遷幾率 V V （以 1010、EinsteinEinstein 系數(shù)有哪些？他們之間的關(guān)系是什么? A21A21: :自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)。B12B12 只與原子性質(zhì)有關(guān)，稱為受激吸收愛因斯坦系數(shù)。 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 反轉(zhuǎn)分布才有可能實現(xiàn)。激勵(或泵浦)過程是光放大的必要條件 1313、 什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？ 要使激光物質(zhì)能對光進行放大，必須使物質(zhì)中的受激輻射大于受激吸收，或者說必

6、須使高能 級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)一一即要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”。只有當外界向物質(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)分布才有可能實現(xiàn)。一般采用光激勵、放電激勵、化學(xué)激勵等方法 1414、 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 g 來描述。設(shè)在光傳播方向上 z z 處的光強為 I(z)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)后光強增長的百分數(shù) dI(z)1g- dzI(z) I0I0 為 z=0z=0 處的初始光強屬于小信號增益情況。光強的增加是由于高能級原子向低能級受激躍

7、 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)n2(z)- -n1(z)n1(z)的減小為代價的。并且，光強 I I 越大，n2(z)n2(z)- -n1(z)n1(z)減少得越多，所以實際上 n2(z)n2(z)- -n1(z)n1(z)隨 z z 的增加而減少，增益系數(shù)也隨 z z 的增加而減少，這一現(xiàn)象稱為增益飽和效應(yīng)。 1515、 什么是自激振蕩？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 Y Y 附近的微弱的自發(fā)輻射光(相當于初始光強 I0)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

8、光強 I0I0 都能形成確定大小的腔內(nèi)光強 ImIm 的條件 Im=(g。_：)k0g0.二 1616、 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？ 激光的方向性越好，它的空間相干性程度就越高。激光的相干時間正和單色性 AvAv 存在簡 單的關(guān)系祀=1/1/AvAv 即單色性越高，相干時間越長。相干光強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 1、什么是諧振腔的諧振條件？ 發(fā)生相長干涉的條件是：波從某一點出發(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 2n2n 的整數(shù)晦)。c這就是 F F-

9、-P P 腔沿軸向傳播 0q。 的平面波諧振條件Lq2qM2LB21B21 B21 1111、 什么是熱平衡時能級粒子數(shù)的分布? 熱平衡條件下，物質(zhì)原子數(shù)分布服從玻爾茲曼分布， 遷到能級 E1E1 的粒子數(shù)應(yīng)等于從能級 E1E1 躍遷到能級 n2n2(或 n1)n1)保持不變，即從能級 E2E2 躍 E2上的粒子數(shù) 1212、 產(chǎn)生激光的必要條件是什么? 只有當外界向物質(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) 2 2、如何計算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目 6 6、什么是激光諧振腔的穩(wěn)定性條件? 0gg21 L g1-1-,g2-1- R1 7 7、畫出激光諧振腔

10、的穩(wěn)定性圖，并標出幾種典型的諧振腔在圖中的位置。 8 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)?；驒M模。 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 2 口的整數(shù)倍，這就是模的諧振條件 9 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 書 p54,p62p54,p62 如何計算基模高斯光束的主要參量：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

11、半徑、光束的遠場發(fā)散角、模體積 用參數(shù) 8 80 0(或 f)f)及束腰位置表征高斯光束，用參數(shù) 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 縱模的頻率 q=q, c縱模間隔 c縱模的數(shù)目 LL/入 0q0q 2L 2L 3 3、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 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 6 6 光子在腔內(nèi)的平均壽命 品質(zhì)因數(shù) Q Q 四者之間的關(guān)系： Q-2： R=2. :一c R和模式線

12、寬Sc無源諧振腔的 L 5 5、熟悉射線矩陣光學(xué)，會進行推導(dǎo)。 傍軸光線在腔內(nèi)完成一次往返總的變化矩陣為 ，HR0m =TR1TLTR2TL 1 當凹面鏡向著腔內(nèi)時, R R 取正值；當凸面鏡向著腔內(nèi)時，R R 取負值 R2 自再現(xiàn)模一次 1010、 能畫出圓形鏡、方形鏡幾個橫模的光斑花樣嗎? 1111、 二W22 R(z)=z(1-()z z=R(z)1( 1R(z) 2，、 -w(z) 2-1 ) 等相位面的曲率半徑為 =f”) 遠場發(fā)散角：定義為兩根漸近線之間的夾角a=lim2L= 0z,二z2 1.WsiWs2 一般穩(wěn)定球面腔的基模模體積可以定義為V00=萬LJII2- 如果知道了某給

13、定位置處的 6(z)6(z)和 R(z)R(z), ,可決定高斯光氐腰斑的大小 1212、高階高斯光束有哪些? 鏡向上場分布 腔中任一 一點的場夕 不基橫模 方形鏡共焦月 空厄米特一高斯函 數(shù)厄米特- - 高 斯函專 炳斯函查 圓形鏡共焦月 H 拉蠱爾圖斯困 數(shù)拉蠱小 F 斯函2 2 箱斯函婁 1313、 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

14、模的特征 1414、 如何計算一般穩(wěn)定球面腔的主要參量？ 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)Nefi=a2/(?。?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)，然后按共焦腔白小程彳冠損覆曲線查得一般穩(wěn)定球面腔的損耗值 參數(shù)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(許)z=R(z)1(Tw)

15、、一.，,=-in一 圖斯光束的 q q 參數(shù)：q(z)R(z)w2(z)參數(shù) q q 將。(z)(z)和 R(z)R(z)統(tǒng)一在一個表達式中, 知道了高斯光束在某位置處的 q q 參數(shù)值，可由下式求出該位置處。和 R(z)R(z)的數(shù)值 1717、 高斯光束 q q 參數(shù)的變換規(guī)律是什么？ AqiB q2二- _,Cq1D，一q q 參數(shù)的變換規(guī)律可統(tǒng)一表不為：M1M1q q 參數(shù)也稱為圖斯束復(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 ABCDABCD 公式，由光學(xué)系統(tǒng)對傍軸光線的變換矩陣所決 定。 1818、 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？ 1 穩(wěn)定腔(無幾何

16、偏折損耗)-(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 參數(shù)? 非穩(wěn)腔(具有較高的幾何損耗) 1- 2（AD）1gig21 第四章：電磁場與物質(zhì)的共振相互作用 1 1、什么是譜線加寬？有哪些加寬類型？加寬機制是什么？ 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。非均勻加寬的特點：原子體系 中不同原子向譜線的不

17、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 2、如何定義線型函數(shù)和譜線寬度？ P(v)P(v)是描述自發(fā)輻射功率按頻率分布的函數(shù)。在總功率 P P 中，分布在 wv+dwv+dv v 范圍內(nèi)的光功 率為 P Pdvp整 F F 軍儲也引入譜線的線型函數(shù)g(v,v0) 的一半，即(v0+,v0)=(v0,v0)=00)按上式定義的必稱為譜線寬度222 3 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

18、均勻加寬。每個原子都以 整個線型發(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。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：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，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 4 4、如何求自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬的線

19、寬? 一，、L1 碰撞加范gL（/0）=： 22,LL2 （一0）（-2） 5 5、如何理解受激發(fā)射截面？與哪些因素有關(guān)? 2 線型函數(shù)在 3 刈時有最大值,并在一土 時下降到最大值 自然加寬NV0)=愛 1 /2/%N2 （一。）（-2） c 多普勒加寬gDG,%)=一 02二KT ln22A21 4-32-0D A21 :21=,22廣21 4二2、；。 發(fā)射截面 6 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 dn。一 n1WI3-n3(S32A31) dt dn2

20、,f2 =-(n2-ni),-121(,0)N-n2(S21，A21)，n3s32 dtf1 n1n2n3=n 羋-。必)；力0)Ni- dtf1 四能級系統(tǒng)速率方程組電3=n0W3-n3(S32%) dt dn2,f2 (n2R)；-21(J0)Ni-&(S21A21)n3s32 dtf1 dn0-A n1S10-n0W03n3A30 dt n0n1n2n3=n 當-9小)二21(、0)小1- dtf1RI 7 7、說明均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的機理，并寫出激光增益的表達式。 通常用增益系數(shù)來描述經(jīng)過單位距離后光強的增長率。設(shè)在 z z 處光強為 I(z),z+dzI(

21、z),z+dz 處光強為 dI(z)g I(z)+dI(z),I(z)+dI(z),則增益系數(shù)定義為“I(z)dz增益系數(shù)的表達式為 21Al g=：n；%c,、)=n-一rg(,) 8-0 非均勻加寬增益的表達式 8 8、飽和光強的含義？怎么定義的？ 飽和光強的物理意義：當入射光強度I軍可以與 Is(v1)Is(v1)比擬時，受激輻射造成的上能級集 居數(shù)衰減率就可以與其它弛豫過程(自發(fā)輻身1寸及無輻射躍遷)造成的衰減相比擬。因此當 時，心與光強無關(guān)；以可與 Is(v1)Is(v1)比擬時，A An n 吃的增加而減小。當Iy Ni Rl nA21/、H2 gCJbKUT10) -He d0

22、(1i。)2( )214Is n02Al 8；：1KI )、g0(1) s”.一、,I Is(v1)Is(v1)時, 9 9、什么是小信號增益、大信號增益？ 在IMMIS時的增益是小信號增益。當Ip可與 Is(3)Is(3)比擬時是大信號增益 1010、 在強光入射下，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)，強光入射會引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度 A An n 的下降，而 A An n 的下降又導(dǎo)致弱 光增益系數(shù)的下降in0a2i(v,V0)g：(v) 9H(I.1)-n-21戶0)-I-I 11 IsCi)Is1) 在非均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率V V1 1 的強光

23、只在 5 附近寬度約為云的范圍內(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 v v 的 弱光同時入射，如果頻率 v v 處在強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 v v 處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不 受強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 v v1 1 處產(chǎn)生一個凹 陷，凹陷的寬度由加表示。頻率 1 1 處的凹陷最低點下降到小信號增益系數(shù)的 (1+I/s)*倍 1111、 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。 當頻率為 5、強度為 I,j

24、I,j 的光入射時，將使表觀中心頻率大致在I一廠Av ：H 一一.1Is2 范圍內(nèi)的粒子有飽和作用。因此在 A An(n(v v) )曲線上形成一個以 v v1 1 為中心的孔，武的深度為 L 孔的面積 5s5s 為SR-An0(v1) )sAVH 1J, /Is 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：激光振蕩特性 1 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 2、激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件又是什么？ 2 如果脈沖泵浦持續(xù)時間 t072t072(長脈沖)，脈沖激光器也達到穩(wěn)定狀態(tài),也可看成一個連續(xù)激光器 3 3、激光器的閾值參數(shù)怎么計算？ 閾值增益系數(shù)：激光自激振蕩時，小信號增益系數(shù)滿足。,、6 g(、)-gt7 4 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 頻率川的一個縱模得勝，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：由于某一縱模光強的增加，并不會使整個增益曲線均勻下 nk)一n(、1)、nk) Is、1 孔的寬度dv為16V=1+k4VHIsH n2(t)： 1W13n A11W13 因此長脈沖激光器 降，而只是在增