北交大激光原理 第1章 Suggests for solving problems

1、第第 1 章章 緒論緒論一、一、學(xué)習(xí)要求與重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)要求與重點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求1 掌握電偶極振子模型，理解模型的近似；2 掌握電偶極振子模型對(duì)介質(zhì)自發(fā)輻射、吸收的解釋，以及對(duì)介質(zhì)譜線加寬機(jī)制和線型函數(shù)的解釋；3 了解電偶極振子模型對(duì)介質(zhì)色散的解釋；4 了解介質(zhì)譜線加寬機(jī)制，理解兩種線型函數(shù)產(chǎn)生機(jī)制的差異；5 了解典型激光器中工作物質(zhì)的加寬類型；6 掌握愛因斯坦唯象理論，理解譜線加寬對(duì)愛因斯坦躍遷系數(shù)的影響；7 了解光和物質(zhì)相互作用的近代理論。重點(diǎn)重點(diǎn)1 電偶極振子模型，及其近似；2 介質(zhì)自發(fā)輻射、吸收、譜線加寬機(jī)制和線型函數(shù)的經(jīng)典理論；3 典型加寬機(jī)制和線型函數(shù)；4 愛因斯坦唯象理論，以

2、及譜線加寬對(duì)愛因斯坦躍遷系數(shù)的影響；難點(diǎn)難點(diǎn)1 電偶極振子模型的近似假設(shè)；2 電偶極振子模型對(duì)介質(zhì)自發(fā)輻射、吸收的解釋，以及線型函數(shù)的引入；3 綜合加寬；4 譜線加寬對(duì)愛因斯坦躍遷系數(shù)的影響；二、知識(shí)點(diǎn)總結(jié)二、知識(shí)點(diǎn)總結(jié)1.經(jīng)典理論經(jīng)典理論 偶極振子相互作用相互作用：光電場(chǎng)與電物質(zhì)：電偶極振子光：電磁波理論的內(nèi)在邏輯：介質(zhì)極化 電偶極振子模型 電偶極振子運(yùn)動(dòng)方程 均勻加寬線型函數(shù)：洛倫茲函數(shù)比譜線寬度：與壽命成反虛數(shù)部：選擇性吸收實(shí)數(shù)部：反常色散復(fù)數(shù)物質(zhì)散射吸收損耗光電場(chǎng)有外光電場(chǎng)解：射無外光電場(chǎng)解：自發(fā)輻非鐵磁質(zhì)極化強(qiáng)度 n2.線寬線寬 高寬同寬時(shí)非均勻加寬高斯函數(shù)均勻加寬洛倫茲函數(shù)線型函數(shù)

3、：歸一相對(duì)寬度一樣波數(shù)寬度波長(zhǎng)寬度頻率寬度線寬：描述：3dBor FWHM激光工作物質(zhì)躍遷中心波長(zhǎng)加寬類型線寬工作條件紅寶石694.3nm均勻加寬300GHzT=300K高摻雜紅寶石694.3nm非均勻加寬1GHzT 1330 帕P 10m 遠(yuǎn)紅外500MHz 無線電波。2 某電臺(tái)發(fā)射功率為 10 千瓦，頻率為 1.6MHz，試求：每秒鐘發(fā)射多少光子？若是向空間各向均勻發(fā)射，在相距 5km 處一直徑 2 米圓天線每秒最多能接收到多少光子？解題思考：解題思考：關(guān)鍵概念：關(guān)鍵概念：光是電磁波，光子能量關(guān)鍵公式：關(guān)鍵公式：PNh解題關(guān)鍵點(diǎn)：解題關(guān)鍵點(diǎn)：各向均勻發(fā)射的電臺(tái)發(fā)射球面電磁波解：解：每秒鐘發(fā)

4、射多少光子數(shù)：PNh33034610 109.4 10 (/s)6.626 101.6 10個(gè)圓天線每秒最多能接收到光子數(shù)：224NNrR30222269.4 1019.4 10 (/s)4 510個(gè)3 為使氦氖激光器的相干長(zhǎng)度達(dá)到 1km，它的單色性 / 應(yīng)該是多少？解題思考：解題思考：關(guān)鍵概念：關(guān)鍵概念：相干長(zhǎng)度，光波單色性關(guān)鍵公式：關(guān)鍵公式：，ccL解題關(guān)鍵點(diǎn)：解題關(guān)鍵點(diǎn)：1）常見氦氖激光器的輸出激光波長(zhǎng)一般取 630nm。2）譜線寬度的相對(duì)值以波長(zhǎng)和頻率的表示相同。解：解：因?yàn)?ccL所以單色性 9103ccc630 106.30 101 10LL4 有一支輸出波長(zhǎng)為 632.8nm，

5、線寬為 103Hz，輸出功率為 1mW 的氦氖激光器，問：（1）每秒發(fā)出的光子數(shù)目是多少？（2）如果氦氖激光器輸出光束的直徑是 1 毫米。那么對(duì)于一個(gè)黑體來說，要求它在相等的時(shí)間內(nèi)從相等的面積上向相同的頻率間隔內(nèi)發(fā)射出與相同數(shù)量的光子，所需溫度應(yīng)多高？5 按激光介質(zhì)分類，有哪幾類激光器，各有什么特征？解題思考：解題思考：關(guān)鍵概念：關(guān)鍵概念：激光介質(zhì)，激光器分類解題關(guān)鍵點(diǎn)：解題關(guān)鍵點(diǎn)：1）激光介質(zhì)通常按物象分類。2）激光器特征可從體積質(zhì)量大小、堅(jiān)固與否、激光輸出強(qiáng)弱、光束質(zhì)量好壞、能量利用效率如何等方面陳述。解：解：按激光介質(zhì)分類，激光器可分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體和光纖激光器等 5 類。固體

6、激光器通常具有體積小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、輸出激光強(qiáng)、能量利用率較高的特征，光束質(zhì)量也較好。氣體激光器通常具有光束質(zhì)量好的特征，一般體積較大，能夠輸出激光強(qiáng)，但能量利用率較低。液體激光器通常具有光束質(zhì)量好的特征，一般體積較大較復(fù)雜，能量利用率較低。半導(dǎo)體激光器通常具有體積小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、輸出激光強(qiáng)、能量利用率高的特征，輸出光束質(zhì)量也差。光纖激光器通常具有體積小、散熱好、輸出激光強(qiáng)、輸出光束質(zhì)量好、能量利用率高的特征。是目前高能激光器的一個(gè)發(fā)展方向。6 設(shè)一光子的波長(zhǎng)=500nm，單色性，試求光子的位置不確定量。若7010 x光子波長(zhǎng)變?yōu)?0.5nm（x 射線）和（射線） ，則相應(yīng)的又是多少?討論所nm1055x得的結(jié)果。解題思考：解題思考：關(guān)鍵概念：關(guān)鍵概念：光子動(dòng)量，測(cè)不準(zhǔn)原理關(guān)鍵公式：關(guān)鍵公式：，hpxph 解題關(guān)鍵點(diǎn)：解題關(guān)鍵點(diǎn)：由線寬求動(dòng)量不確定量解：解：因?yàn)?hp2hp又因?yàn)閤ph 所以2x對(duì)于光波長(zhǎng) 500nm：97500 105(m)10 x 對(duì)于光波長(zhǎng) 0.5nm：970.5 105(mm)10 x 對(duì)于光波長(zhǎng)：nm105514775 105 10 (m)10 x 討論：討論：顯然，光波長(zhǎng)越短其空間不確定度越小。射線在空間上已可以說有確切位置。Reference1、 激光原理 周炳昆 高以智等 2004 國(guó)防工業(yè)出版社2、