激光原理復(fù)習(xí)資料

1、1， 全息照相是利用激光的相干性好特性的照相方法。2， 能夠完善解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線的是普朗克公式,3，什么是黑體輻射？寫出公式,并說明它的物理意義。答：黑體輻射：當(dāng)黑體處于某一溫度的熱平衡情況下，它所吸收的輻射能量應(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場(chǎng)之間應(yīng)處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)，這種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。公式：物理意義：在單位體積內(nèi)，頻率處于附近的單位頻率間隔中黑體的電磁輻射能量。4，愛因斯坦提出的輻射場(chǎng)與物質(zhì)原子相互作用主要有三個(gè)過程，分別是 自發(fā)輻射 、 受激發(fā)射 、 受激吸收 。5，按照原子的量子理論，原子可以通過自發(fā)輻射和受激輻射的

2、方式發(fā)光，它們所產(chǎn)生的光的特點(diǎn)是（） A，兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光相干，原子受激輻射的光與入射光不相干。 B，兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光不相干，原子受激輻射的光與入射光相干。 C，兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光不相干，原子受激輻射的光與入射光不相干。 D，兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光相干，原子受激輻射的光與入射光相干。6，Einstein系數(shù)有哪些？它們之間的關(guān)系是什么？答：系數(shù)：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)A21，受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)B12，受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)B21關(guān)系：，f1, f2為E1, E2能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重(簡并度)。7，自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)與激發(fā)態(tài)E2平均壽命的關(guān)系為（） A,

3、 B, C, D, 8，如何理解光的相干性？何謂相干時(shí)間、相干長度、相干面積和相干體積？答：光的相干性:在不同的空間點(diǎn)上、在不同的時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特性的相關(guān)性。相干時(shí)間：光沿傳播方向通過相干長度所需的時(shí)間，稱為相干時(shí)間。相干長度：相干光能產(chǎn)生干涉效應(yīng)的最大光程差，等于光源發(fā)出的光波的波列長度。相干體積：如果在空間體積內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則稱為相干體積。9，光腔的損耗主要有 幾何偏折損耗 、 衍射損耗 、 透射損耗 和材料中的非激活吸收、散射、插入物損耗。10，若兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R140cm，R2100cm組成穩(wěn)定諧振腔，則腔長L的取值范圍0L40cm或100L140

4、cm 。11，在激光諧振腔中一般有哪些損耗因素，分別與哪些因素有關(guān)？答：損耗因素幾何偏折損耗： 與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關(guān)。衍射損耗： 與腔的菲涅爾數(shù)、腔的幾何參數(shù)、橫模階次有關(guān)。腔鏡反射不完全引起的損耗： 與腔鏡的透射率、反射率有關(guān)。材料中的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物所引起的損耗：與介質(zhì)材料的加工工藝有關(guān)。12，對(duì)稱共焦腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（0, 0）13粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微觀粒子滿足負(fù)溫度分布。14譜線加寬中的非均勻加寬包括 多普勒加寬 、 晶格缺陷加寬 兩種加寬。15 碰撞加寬譜線為洛侖茲線型16 加寬類型及機(jī)制a)均勻加寬自然加寬 機(jī)制：原子的自發(fā)輻射引起的。碰撞加寬 機(jī)制：

5、大量原子（分子、離子）之間的無規(guī)則碰撞。晶格振動(dòng)加寬： 機(jī)制：晶格振動(dòng)使激活離子處于隨周期變化的晶格場(chǎng)，激活離子的能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量在某一范圍內(nèi)變化。b)非均勻加寬多普勒加寬 機(jī)制：由于作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原子（分子所發(fā)出）輻射的多普勒頻移引起的。晶格缺陷加寬 機(jī)制：晶格缺陷部位的晶格場(chǎng)將和無缺陷部位的理想晶格場(chǎng)不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級(jí)將發(fā)生位移，導(dǎo)致處于鏡體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同。c)綜合加寬氣體工作物質(zhì)的綜合加寬 機(jī)制：由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。固體激光工作物質(zhì)綜合加寬 機(jī)制：由晶格熱振動(dòng)引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬。液體工作物質(zhì)的綜合加寬 機(jī)

6、制：溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰撞而導(dǎo)致自發(fā)輻射的碰撞加寬。17 如何理解均勻加寬和非均勻加寬？答：均勻加寬：引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的，對(duì)于均勻加寬，每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)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，或者說，每一個(gè)原子對(duì)光譜內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非均勻加寬：原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。18 如何求自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬的線寬？答：自然加寬線寬： (為原子在能級(jí)的自發(fā)輻射壽命)碰撞加寬： 多普勒加寬：(M為原子量)19設(shè)摻Er磷酸鹽玻璃中，Er離子在激光上

7、能級(jí)上的壽命為10 ms，則其譜線寬度為 15.9 Hz 。20譜線加寬中的均勻加寬包括 自然加寬 、 碰撞加寬 、 晶格振動(dòng)加寬 三種加寬。21 靜止氖原子的3S2-2P4譜線的中心波長為0.6328mm，設(shè)氖原子以-0.5c的速度向著接收器運(yùn)動(dòng)，則接收到的頻率為 2.7371014 Hz 。22 激光器基橫模選擇方法包括： 選擇腔型和腔參數(shù) 、 光闌選模 、 自孔徑選模 、棱鏡選模和微調(diào)諧振腔 。23 He-Ne激光器中，輔助氣體氦氣的作用是 提高泵浦效率 。24 半導(dǎo)體激光器主要的泵浦方式為電注式和光泵浦兩種。25 一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收系數(shù)為，光通過10cm長的該材料后，出射光強(qiáng)為

8、入射光強(qiáng)的百分之幾？ 如果一束光通過長度為1M地均勻激勵(lì)的工作物質(zhì)，如果出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，試求該物質(zhì)的增益系數(shù)。 解答：設(shè)進(jìn)入材料前的光強(qiáng)為，經(jīng)過距離后的光強(qiáng)為，根據(jù)損耗系數(shù)的定義，可以得到：則出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的百分比為：根據(jù)小信號(hào)增益系數(shù)的概念：，在小信號(hào)增益的情況下，上式可通過積分得到 26靜止氖原子的3S2-2P4譜線的中心波長為0.6328mm，設(shè)氖原子以+0.1c的速度向著接收器運(yùn)動(dòng)，則接收到的頻率為 5.241014 Hz 。27 CO2激光器中，除含CO2氣體外，還含有氮?dú)夂秃猓渲械獨(dú)馄鸬教岣呒す馍夏芗?jí)的激勵(lì)效率作用，氦氣起到激光下能級(jí)的抽空作用。28激光器調(diào)Q技術(shù)

9、主要包括：電光Q開關(guān)、聲光Q開關(guān)和染料Q開關(guān)。29在有源腔中，由于吸收物質(zhì)的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更遠(yuǎn)離中心頻率，這種現(xiàn)象叫做頻率推斥。30在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器穩(wěn)定狀態(tài)（）。 A, 增益系數(shù)隨泵浦功率增加 B, 增益系數(shù)隨光強(qiáng)增加而減少 C, 小信號(hào)增益系數(shù)隨光強(qiáng)增加 D, 增益系數(shù)等于閾值增益系數(shù)31什么是譜線加寬？有哪些加寬類型？加寬機(jī)制是什么？答：(1)譜線加寬：由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻率附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)，這就叫譜線加寬。32調(diào)Q激光器通?？色@得（ns）量級(jí)短脈沖。33鎖模激光器通常可獲得（ps）量級(jí)短脈沖。34為什么存在線寬極限？它取決于

10、什么？答：(1)由于存在著自發(fā)輻射，穩(wěn)定振蕩時(shí)的單程增益略小于單程損耗，有源腔的凈損耗不等于零，雖然該模式的光子數(shù)密度保持恒定，但自發(fā)輻射具有隨機(jī)的相位，所以輸出激光是一個(gè)具有衰減的有限長波列，因此具有一定的譜線寬度，這種線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的，因而是無法排出的，因此稱為線寬極限。(2)取決于輸出功率、損耗及腔長。輸出功率越大，線寬就越窄；減小損耗和增加腔長也可以使線寬變窄。35紅寶石激光器是典型的三能級(jí)系統(tǒng)。36YAG激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)37對(duì)稱共焦腔基模的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為（ ） A, B, C, D, 38在一定溫度下，自發(fā)輻射幾率是受激輻射幾率的()倍。A， B, C, D,

11、39調(diào)制激光器的工作原理，目前常用的幾種調(diào)方法。答：(1)工作原理通過某種方法使諧振腔的損耗因子(或)值按照規(guī)定的程序變化，在泵浦源剛開始時(shí)，先使光腔具有高損耗因子，激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到較高的水平，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，使腔的損耗因子突然降到，閾值也隨之突然降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)。于是在極短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)存儲(chǔ)的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?，形成一個(gè)很強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。(2)調(diào)方法 電光開關(guān)、聲光調(diào)開關(guān)、染料開關(guān)40自然加寬譜線為洛侖茲線型。41對(duì)稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（）。A，(-1，-1) B，（0, 0）

12、C，（1，1） D，（0，1）42多普勒加寬發(fā)生在 （氣體）介質(zhì)中 43在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器穩(wěn)定狀態(tài)（）。 A, 增益系數(shù)隨泵浦功率增加 B, 增益系數(shù)隨光強(qiáng)增加而減少 C, 小信號(hào)增益系數(shù)隨光強(qiáng)增加 D, 增益系數(shù)等于閾值增益系數(shù)44非均勻加寬？答：原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。45什么是光波模式和光子態(tài)？什么是相格？答：光波模式:在一個(gè)有邊界條件限制的空間內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢的平面單色駐波。這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波（以某一波矢為標(biāo)志）稱為光波模式。光子態(tài):光子在由坐標(biāo)與動(dòng)量所支撐的相空間中所處的狀

13、態(tài),在相空間中，光子的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一個(gè)相格。相格:在三維運(yùn)動(dòng)情況下，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系為，故在六位相空間中，一個(gè)光子態(tài)對(duì)應(yīng)（或占有）的相空間體積元為，上述相空間體積元稱為相格。46 模式競(jìng)爭：在均勻加寬的激光器中，開始時(shí)幾個(gè)滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中相互競(jìng)爭，結(jié)果總是靠近中心頻率的一個(gè)縱模獲勝，形成穩(wěn)定的振蕩，其他的縱模都被抑制而熄滅。47激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件？答(1)振蕩條件：滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一；頻率落在工作物質(zhì)的譜線范圍內(nèi)，即對(duì)應(yīng)增益系數(shù)大于等于閾值增益系數(shù)。 (2)穩(wěn)定工作條件：增益系數(shù)等于于閾值增益系數(shù)。 48哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？答

14、：(1) 描述參數(shù) a)平均單程損耗因子： （I0為初始光強(qiáng)，I1為往返一周后光強(qiáng)） b)腔內(nèi)光子的平均壽命： c)品質(zhì)因數(shù)： (2)關(guān)系：腔的損耗越小，平均單程損耗因子越小，腔內(nèi)光子的平均壽命越長，品質(zhì)因數(shù)越大。49什么是頻率排斥？。答：在有源腔中，由于吸收物質(zhì)的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更遠(yuǎn)離中心頻率，這種現(xiàn)象叫做頻率推斥。50激光器一般包括哪三個(gè)基本單元？各單元的主要作用是什么？答：激光工作物質(zhì)：用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用的物質(zhì)體系。接收來自泵浦源的能量，對(duì)外發(fā)射光波并能夠強(qiáng)烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱為激活物質(zhì)。泵浦源：提供能量，實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光學(xué)諧振腔：a)

15、提供軸向光波模的正反饋；b)模式選擇，保證激光器單模振蕩，從而提高激光器的相干性。51什么是激光器譜線均勻加寬：引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的，對(duì)于均勻加寬，每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)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，或者說，每一個(gè)原子對(duì)光譜內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。52什么是頻率牽引？在有源腔中，由于增益物質(zhì)的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近中心頻率，這種現(xiàn)象叫做頻率牽引。53 什么是一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價(jià)性？答：(1)任意一個(gè)共焦球面腔與無窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔等價(jià); (2)任一滿足穩(wěn)定條件的球面腔唯一地等價(jià)于某一個(gè)共焦腔。即如果某一個(gè)球面腔滿足穩(wěn)定性條件，

16、則必定可以找到而且也只能找到一個(gè)共焦腔，其行波場(chǎng)的某兩個(gè)等相位面與給定球面腔的兩個(gè)反射鏡面相重合。54 Q調(diào)制激光器的工作原理？答：通過某種方法使諧振腔的損耗因子(或Q)值按照規(guī)定的程序變化，在泵浦源剛開始時(shí)，先使光腔具有高損耗因子，激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到較高的水平。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，使腔的損耗因子突然降到，閾值也隨之突然降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)。于是在極短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)存儲(chǔ)的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰浚纬梢粋€(gè)很強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。55如何計(jì)算基模高斯光束的主要參量，腰斑的位置、鏡面上光斑的大小、任意位置處激光光斑的

17、大小、等相位面曲率半徑、光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角、模體積。答：設(shè)穩(wěn)定腔腔長為L，兩腔鏡和的曲率半徑分別為和則：(1)腰斑位置距M1的距離為，距M2的距離為(2)M1鏡面上光斑的大?。?M1鏡面上光斑的大?。?3)任意位置處激光激光光斑大小：(，)(4)等相位面曲率半徑： (5)光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：(6)模體積：56 某高斯光束的腰斑半徑光波長。求與腰斑相距z=30cm處的光斑及等相位面曲率半徑。解：光斑半徑: 等相位面曲率半徑: 57由凸面鏡和凹面鏡組成的球面腔，如圖。凸面鏡的曲率半徑為2m，凹面鏡的曲率半徑為3m，腔長為1.5m。發(fā)光波長600nm。（12分）（1）判斷此腔的穩(wěn)定性；（2）求出等價(jià)共焦

18、腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置；（3）求出距凸面鏡右側(cè)5.125米處的束腰大小w及波面曲率半徑R； 解: (1) 激光腔穩(wěn)定條件此腔為穩(wěn)定腔。(2) 得， f = 0. 99221mm，即束腰位置距R1 右側(cè)1.125m(3) 距凸透鏡右側(cè)5.125米處，經(jīng)計(jì)算為距束腰4米處。 58今有一球面腔，。試證明該腔為穩(wěn)定腔；求出它的等價(jià)共焦腔的參數(shù)；在圖中畫出等價(jià)共焦腔的具體位置。Page98（10）解：(1)該球面腔的g參數(shù) 由此滿足諧振腔的穩(wěn)定性條件，因此該腔為穩(wěn)定腔。(2)兩反射鏡距離等效共焦腔中心O點(diǎn)的距離和等價(jià)共焦腔的焦距分別為 ?(3)等價(jià)共焦腔的具體位置如下圖 59熱平衡時(shí)，原子能級(jí)E2的數(shù)密度為n2，下能級(jí)E1的數(shù)密度為n1，設(shè)，求：(1)當(dāng)原子躍遷時(shí)相應(yīng)頻率為3000MHz，T300K時(shí)n2/n1為多少？(2)若原子躍遷時(shí)發(fā)光波長1m，n2/n10.1時(shí)，則溫度T為多高？說明為什么在光頻下靠熱激發(fā)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。解：（1）由公式 得到： (2分) （2） (2分) 需要如此高的熱激發(fā)溫度，因此靠熱激發(fā)無法產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 (2分) 60穩(wěn)定雙凹球面