激光原理复习资料.doc

1， 全息照相是利用激光的相干性好特性的照相方法。2， 能够完善解释黑体辐射实验曲线的是普朗克公式,3，什么是黑体辐射？写出公式,并说明它的物理意义。答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。公式：物理意义：在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。4，爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是 自发辐射 、 受激发射 、 受激吸收 。5，按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是（） A，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。 B，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光相干。 C，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。 D，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光相干。6，Einstein系数有哪些？它们之间的关系是什么？答：系数：自发跃迁爱因斯坦系数A21，受激吸收跃迁爱因斯坦系数B12，受激辐射跃迁爱因斯坦系数B21关系：，f1, f2为E1, E2能级的统计权重(简并度)。7，自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命的关系为（） A, B, C, D, 8，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？答：光的相干性:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。相干体积：如果在空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性，则称为相干体积。9，光腔的损耗主要有 几何偏折损耗 、 衍射损耗 、 透射损耗 和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。10，若两块反射镜，其曲率半径分别为R140cm，R2100cm组成稳定谐振腔，则腔长L的取值范围0L40cm或100L140cm 。11，在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与哪些因素有关？答：损耗因素几何偏折损耗： 与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。衍射损耗： 与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。腔镜反射不完全引起的损耗： 与腔镜的透射率、反射率有关。材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起的损耗：与介质材料的加工工艺有关。12，对称共焦腔在稳定图上的坐标为（0, 0）13粒子数反转分布状态微观粒子满足负温度分布。14谱线加宽中的非均匀加宽包括 多普勒加宽 、 晶格缺陷加宽 两种加宽。15 碰撞加宽谱线为洛仑兹线型16 加宽类型及机制a)均匀加宽自然加宽 机制：原子的自发辐射引起的。碰撞加宽 机制：大量原子（分子、离子）之间的无规则碰撞。晶格振动加宽： 机制：晶格振动使激活离子处于随周期变化的晶格场，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化。b)非均匀加宽多普勒加宽 机制：由于作热运动的发光原子（分子所发出）辐射的多普勒频移引起的。晶格缺陷加宽 机制：晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷部位的理想晶格场不同，因而处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于镜体不同部位的激活离子的发光中心频率不同。c)综合加宽气体工作物质的综合加宽 机制：由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。固体激光工作物质综合加宽 机制：由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。液体工作物质的综合加宽 机制：溶于液体中的发光分子与其它分子碰撞而导致自发辐射的碰撞加宽。17 如何理解均匀加宽和非均匀加宽？答：均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，对于均匀加宽，每个发光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，或者说，每一个原子对光谱内任一频率都有贡献。非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的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是由哪一部分原子发射的。18 如何求自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽？答：自然加宽线宽： (为原子在能级的自发辐射寿命)碰撞加宽： 多普勒加宽：(M为原子量)19设掺Er磷酸盐玻璃中，Er离子在激光上能级上的寿命为10 ms，则其谱线宽度为 15.9 Hz 。20谱线加宽中的均匀加宽包括 自然加宽 、 碰撞加宽 、 晶格振动加宽 三种加宽。21 静止氖原子的3S2-2P4谱线的中心波长为0.6328mm，设氖原子以-0.5c的速度向着接收器运动，则接收到的频率为 2.7371014 Hz 。22 激光器基横模选择方法包括： 选择腔型和腔参数 、 光阑选模 、 自孔径选模 、棱镜选模和微调谐振腔 。23 He-Ne激光器中，辅助气体氦气的作用是 提高泵浦效率 。24 半导体激光器主要的泵浦方式为电注式和光泵浦两种。25 一质地均匀的材料对光的吸收系数为，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？ 如果一束光通过长度为1M地均匀激励的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。 解答：设进入材料前的光强为，经过距离后的光强为，根据损耗系数的定义，可以得到：则出射光强与入射光强的百分比为：根据小信号增益系数的概念：，在小信号增益的情况下，上式可通过积分得到 26静止氖原子的3S2-2P4谱线的中心波长为0.6328mm，设氖原子以+0.1c的速度向着接收器运动，则接收到的频率为 5.241014 Hz 。27 CO2激光器中，除含CO2气体外，还含有氮气和氦气，其中氮气起到提高激光上能级的激励效率作用，氦气起到激光下能级的抽空作用。28激光器调Q技术主要包括：电光Q开关、声光Q开关和染料Q开关。29在有源腔中，由于吸收物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更远离中心频率，这种现象叫做频率推斥。30在连续运转激光器稳定状态（）。 A, 增益系数随泵浦功率增加 B, 增益系数随光强增加而减少 C, 小信号增益系数随光强增加 D, 增益系数等于阈值增益系数31什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？答：(1)谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。32调Q激光器通常可获得（ns）量级短脉冲。33锁模激光器通常可获得（ps）量级短脉冲。34为什么存在线宽极限？它取决于什么？答：(1)由于存在着自发辐射，稳定振荡时的单程增益略小于单程损耗，有源腔的净损耗不等于零，虽然该模式的光子数密度保持恒定，但自发辐射具有随机的相位，所以输出激光是一个具有衰减的有限长波列，因此具有一定的谱线宽度，这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排出的，因此称为线宽极限。(2)取决于输出功率、损耗及腔长。输出功率越大，线宽就越窄；减小损耗和增加腔长也可以使线宽变窄。35红宝石激光器是典型的三能级系统。36YAG激光器是典型的四能级系统37对称共焦腔基模的远场发散角为（ ） A, B, C, D, 38在一定温度下，自发辐射几率是受激辐射几率的()倍。A， B, C, D, 39调制激光器的工作原理，目前常用的几种调方法。答：(1)工作原理通过某种方法使谐振腔的损耗因子(或)值按照规定的程序变化，在泵浦源刚开始时，先使光腔具有高损耗因子，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平，然后在适当的时刻，使腔的损耗因子突然降到，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级存储的大部分粒子的能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。(2)调方法 电光开关、声光调开关、染料开关40自然加宽谱线为洛仑兹线型。41对称共心腔在稳定图上的坐标为（）。A，(-1，-1) B，（0, 0） C，（1，1） D，（0，1）42多普勒加宽发生在 （气体）介质中 43在连续运转激光器稳定状态（）。 A, 增益系数随泵浦功率增加 B, 增益系数随光强增加而减少 C, 小信号增益系数随光强增加 D, 增益系数等于阈值增益系数44非均匀加宽？答：原子体系中每个原子只对谱线内与它的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是由哪一部分原子发射的。45什么是光波模式和光子态？什么是相格？答：光波模式: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的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。光子态:光子在由坐标与动量所支撑的相空间中所处的状态,在相空间中，光子的状态对应于一个相格。相格:在三维运动情况下，测不准关系为，故在六位相空间中，一个光子态对应（或占有）的相空间体积元为，上述相空间体积元称为相格。46 模式竞争：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。47激光器的振荡条件是什么？稳定工作条件？答(1)振荡条件：满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一；频率落在工作物质的谱线范围内，即对应增益系数大于等于阈值增益系数。 (2)稳定工作条件：增益系数等于于阈值增益系数。 48哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？答：(1) 描述参数 a)平均单程损耗因子： （I0为初始光强，I1为往返一周后光强） b)腔内光子的平均寿命： c)品质因数： (2)关系：腔的损耗越小，平均单程损耗因子越小，腔内光子的平均寿命越长，品质因数越大。49什么是频率排斥？。答：在有源腔中，由于吸收物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更远离中心频率，这种现象叫做频率推斥。50激光器一般包括哪三个基本单元？各单元的主要作用是什么？答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。51什么是激光器谱线均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，对于均匀加宽，每个发光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，或者说，每一个原子对光谱内任一频率都有贡献。52什么是频率牵引？在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做频率牵引。53 什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？答：(1)任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价; (2)任一满足稳定条件的球面腔唯一地等价于某一个共焦腔。即如果某一个球面腔满足稳定性条件，则必定可以找到而且也只能找到一个共焦腔，其行波场的某两个等相位面与给定球面腔的两个反射镜面相重合。54 Q调制激光器的工作原理？答：通过某种方法使谐振腔的损耗因子(或Q)值按照规定的程序变化，在泵浦源刚开始时，先使光腔具有高损耗因子，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平。在适当的时刻，使腔的损耗因子突然降到，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级存储的大部分粒子的能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。55如何计算基模高斯光束的主要参量，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、光束的远场发射角、模体积。答：设稳定腔腔长为L，两腔镜和的曲率半径分别为和则：(1)腰斑位置距M1的距离为，距M2的距离为(2)M1镜面上光斑的大小： M1镜面上光斑的大小：(3)任意位置处激光激光光斑大小：(，)(4)等相位面曲率半径： (5)光束的远场发散角：(6)模体积：56 某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。解：光斑半径: 等相位面曲率半径: 57由凸面镜和凹面镜组成的球面腔，如图。凸面镜的曲率半径为2m，凹面镜的曲率半径为3m，腔长为1.5m。发光波长600nm。（12分）（1）判断此腔的稳定性；（2）求出等价共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置；（3）求出距凸面镜右侧5.125米处的束腰大小w及波面曲率半径R； 解: (1) 激光腔稳定条件此腔为稳定腔。(2) 得， f = 0. 99221mm，即束腰位置距R1 右侧1.125m(3) 距凸透镜右侧5.125米处，经计算为距束腰4米处。 58今有一球面腔，。试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的参数；在图中画出等价共焦腔的具体位置。Page98（10）解：(1)该球面腔的g参数 由此满足谐振腔的稳定性条件，因此该腔为稳定腔。(2)两反射镜距离等效共焦腔中心O点的距离和等价共焦腔的焦距分别为 ?(3)等价共焦腔的具体位置如下图 59热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密度为n1，设，求：(1)当原子跃迁时相应频率为3000MHz，T300K时n2/n1为多少？(2)若原子跃迁时发光波长1m，n2/n10.1时，则温度T为多高？说明为什么在光频下靠热激发产生粒子数反转是不可能的。解：（1）由公式 得到： (2分) （2） (2分) 需要如此高的热激发温度，因此靠热激发无法产生粒子数反转。 (2分) 60稳定双凹球面腔腔长L1m, 两个反射镜的曲率半径大小分别为R11.5m, R23m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。解：假设所要求的等价共焦腔的共焦参数为fe，以等价共焦腔中点为z坐标的原点，M1，M2两镜的z坐标为z1和z2，有等价共焦腔腔长 谐振腔与其等价对称共焦腔的相对位置图：（4分） 61在激光器出现以前，Kr85低气压放电灯是很好的单色光源。忽略自然加宽和碰撞加宽，估算77 K温度下Kr85的605.7 nm谱线的相干长度，并与单色性的He-Ne激光器比较。 解：根据相干长度的定义可知：, 为谱线加宽项。 忽略自然加宽和碰撞加宽 只有多普勒加宽的影响 根据多普勒加宽： 得到：= =88.86 (cm) 对于单色性的He-Ne激光器，相干长度为： =632.810-9108=6328 (cm) 通过计算发现：即使以前最好的单色光源与现在的激光光源相比，相干长度相差2个数量级，说明激光的相干性好。 62 氦氖激光器中Ne20能级2S2-2P4的谱线为1.1523m。这条谱线的自发辐射几率A为6.54106s-1秒, 放电管气压P260帕; 碰撞系数700KHz/帕; 激光温度T = 400K; M =112; 试求:(1) 均匀线宽H;(2) 多普勒线宽D;(3) 分析在气体激光器中, 哪种线宽占优势？解: (1) 自然加宽: Hz 碰撞加宽:Hz 均匀加宽: （2）多普勒线宽: （3）根据上述结论，该激光器多普勒线宽占优势