激光原理復習題答案

激光原理復習題麥克斯韋方程中麥克斯韋方程最重要的貢獻之一是揭示了電磁場的內(nèi)在矛盾和運動；不僅電荷和電流可以激發(fā)電磁場，而且變化的電場和磁場也可以相互激發(fā)。在方程組中是如何表示這一結果？答：（1）麥克斯韋方程組中頭兩個分別表示電場和磁場的旋度，后兩個分別表示電場和磁場的散度；(2)由方程組中的1式可知,這是由于具有旋度的隨時間變化的電場(渦旋電場),它不是由電荷激發(fā)的,而是由隨時間變化的磁場激發(fā)的;(3)由方程組中的2式可知，在真空中，,=0，則有；這表明了隨時間變化的電場會導致一個隨時間變化的磁場；相反一個空間變化的磁場會導致一個隨時間變化的電場。這種交替的不斷變換會導致電磁波的產(chǎn)生。2,產(chǎn)生電磁波的典型實驗是哪個？基于的基本原理是什么？答：產(chǎn)生電磁波的典型實驗是赫茲實驗?；诘幕驹恚涸涌梢暈橐粋€偶極子，它由一個正電荷和一個負電荷中心組成，偶極矩在平衡位置以高頻做周期振蕩就會向周圍輻射電磁波。簡單地說就是利用了振蕩電偶極子產(chǎn)生電磁波。3光波是高頻電磁波部分，高頻電磁波的產(chǎn)生方法和機理與低頻電磁波不同。對于可見光范圍的電磁波，它的產(chǎn)生是基于原子輻射方式。那么由此原理產(chǎn)生的光的特點是什么？答：大量原子輻射產(chǎn)生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位隨機的光，它們是非相干光。4激光的產(chǎn)生是基于愛因斯坦關于輻射的一般描述而提出的。請問愛因斯坦提出了幾種輻射，其中那個輻射與激光的產(chǎn)生有關，為什么？答：有三種：自發(fā)輻射，受激輻射，受激吸收。其中受激輻射與激光的產(chǎn)生有關，因為受激輻射發(fā)出來的光子與外來光子具有相同的頻率，相同的發(fā)射方向，相同的偏振態(tài)和相同的相位，是相干光。5光與物質相互作用時，會被介質吸收或放大。被吸收時，光強會減弱，放大時說明介質對入射光有增益。請問增益系數(shù)是與原子相關的哪個物理量成正比？這個物理量在激光的產(chǎn)生過程中扮演什么角色？答：增益系數(shù)正比于反轉粒子數(shù)：激光產(chǎn)生的必要條件之一就是原子中有反轉粒子數(shù)的存在。6在激光的產(chǎn)生過程中，由于光強會被不斷的放大，但不會導致產(chǎn)生的激光也被無限放大，這是由于光強的的增加，而翻轉粒子數(shù)會減少的飽和效應所致。那么在增益系數(shù)中這一過程是如何表示的，請說明各個物理量的意義？答：,其中為小信號增益系數(shù)。為飽和光強。大信號增益系數(shù)，它是頻率的函數(shù)。從式子中看到，光達到飽和時，增益系數(shù)就不再增加了。7激光產(chǎn)生的一個重要條件要有光學諧振腔。光學諧振腔的作用主要有哪幾個？答：光學諧振腔具有以下作用：提供光學正反饋；就是說增強光放大作用，對產(chǎn)生的激光模式進行控制，使激光具有極好的方向性（沿軸線），使激光具有極好的單色性。8.光學諧振腔中會有橫模和縱模，通常表示為。請問它的角標中表示的意義分別是什么？答：在光學諧振腔中，滿足一定的相位關系的波方能夠穩(wěn)定存在。即是ka=mπ,kb=nπ,kl=pπ,(m,n,p)代表激光的一個模式，m,n分別代表橫街面積x,y方向出現(xiàn)的節(jié)線數(shù)，稱為橫模序數(shù)，p為沿軸出現(xiàn)的節(jié)點數(shù)，稱為縱模序數(shù)。9：激光的特點有哪些？燒孔效應：在非均勻加寬情況下，當頻率為V，強度為I的強光入射時將引起V一定范圍內(nèi)反轉粒子數(shù)的增益飽和，使各自與頻率的關系曲線上燒出一個孔來，即燒孔效應，表示入射光I對反轉粒子數(shù)的選擇性消耗。1激光器的振蕩閾值中有翻轉粒子數(shù)閾值和增益閾值，它們和那些物理量相關？答：不同模式（頻率）具有不同的受激輻射截面，反轉粒子數(shù)密度不同，則反轉粒子數(shù)閾值不同；閾值增益系數(shù)由單程損耗決定，不同縱模具有相同的閾值，不同橫模具有不同的單程損耗，其閾值增益不同。2請描述空間燒孔效應的物理過程。答：當頻率一定的縱模在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩事產(chǎn)生一個駐波場。波腹處光強最大，波節(jié)處光強最小，消耗反轉粒子數(shù)后，波腹處光強最小而波節(jié)處光強最大，則形成了空間燒孔?？梢娍臻g燒孔的形成過程由駐波腔和粒子空間轉移慢引起的。3請描述短脈沖激發(fā)過程中的弛豫震蕩過程的物理機理。答：四個階段。（激光器的尖峰效應的四個階段）4激光器的頻率牽引過程指的是與縱模間相關的物理過程，請簡述物理機理？答：當激光器的縱模頻率與增益介質的中心頻率不重合時，縱模頻率在振蕩過程中會牽向中心頻率靠攏。由于腔內(nèi)增益介質的折射率吧對振蕩頻率存在色散，這種色散關系與激活介質的增益系數(shù)及增益曲線有關。在有源腔中，由于增益物質的色散，縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近譜線中心頻率，則就是頻率牽引。5激光器的無源腔和有源腔的線寬與那些物理量有關？答：無源腔線寬由無源腔內(nèi)的光子壽命決定，有源腔的線寬取決于凈損耗δ。補充理解：無源腔（g=0,吸收與發(fā)射的光子數(shù)相等）線寬—諧振腔本征線寬，有源腔線寬---激光諧振腔線寬1光學諧振腔是激光器的重要組成部分，它的作用是提供軸向的光波模的正反饋以及保證激光器的單模振蕩。激光器的諧振腔主要是開放式諧振腔，為什么？衍射損耗僅發(fā)生在鏡面的邊緣，而開放式諧振腔中心振幅大，邊緣振幅小的場會盡可能少的受到衍射損耗的影響，這樣經(jīng)過多次渡越后，除了振幅整體下降，其橫向分布將不發(fā)生變化，即在腔內(nèi)往返傳輸一次后可以“再現(xiàn)”出發(fā)時的振幅分布，即自再現(xiàn)模，這樣就很好的保證了激光器的單模振蕩。2光學諧振腔分為哪三種情況？答：穩(wěn)定腔：指腔內(nèi)任一束傍軸光線經(jīng)過任意多次往返傳播而不溢出腔外，是低損耗腔；非穩(wěn)定腔：指任一束傍軸光線都不可能永遠存在于腔內(nèi)，是高損耗腔；介穩(wěn)腔：是指某些特定的傍軸光線在腔內(nèi)往返傳播而不溢出。3光學諧振腔的穩(wěn)定條件是什么？答：1、2、g1=0,g2=0.(1,2表示下標啊)諧振腔的損耗分為選擇性損耗和非選擇性損耗，分別對應哪幾種損耗？答：選擇性損耗則是與橫模階次密切相關的衍射損耗，階次越高相應的衍射損耗越大；非選擇性損耗與橫模階次無關，如投射，吸收，散射損耗。2光子的平均壽命與損耗的關系如何？答：光子的平均壽命定義為腔內(nèi)光強衰減為初始值的1/e時所需要的時間。t=L/δC,腔內(nèi)損耗δ越大，則t越小，腔內(nèi)光強衰減越快。3研究光在諧振腔中的傳輸主要討論的是與那種損耗相關？研究光學諧振腔中光的傳輸過程基于的物理思想是什么？光強在諧振腔中的鏡面上呈高斯分布，這也是激光輸出的空間強度分布形式。這一結果是什么物理原因所導致的。激光器分為連續(xù)和脈沖，另外還有氣體，固體和液體，以及半導體激光器。其中氣體和固體激光器的輸出線寬有何不同？激光輸出中的不同模式的產(chǎn)生原因是什么？激光器的諧振腔通常都比較長，在受激輻射的波長范圍內(nèi)，它可能同時是好幾個波長的整數(shù)倍，因此會有好幾種波長都得到諧振，這樣的激光器就會輸出好幾種波長的光（由于受激輻射帶寬本身很窄，所以這幾個波長也非常接近），這就是多縱模。激光器的諧振腔反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固體激光器中，工作物質受熱發(fā)生凸透鏡效應，導致腔內(nèi)經(jīng)過工作物質、與基模方向略有差異的某些光也可能符合多次反射的諧振條件，于是激光器會輸出幾個方向各不相同的光束，這就是多橫模。光學諧振腔與高斯光束YAG激光器是屬于4能級系統(tǒng)，請問4能級系統(tǒng)與三能級系統(tǒng)激光器的主要物理差異在哪里？答，三，下能級e1是基態(tài)系統(tǒng)，上能級e2是亞穩(wěn)態(tài)能級，e3為抽用高能級。其主要特征是下能級為基態(tài)，發(fā)光過程中下能及粒子數(shù)一直保存有相當?shù)臄?shù)量。四，下能級不是基態(tài)能級，是一個激發(fā)態(tài)，激勵能量比三能級小得多染料激光器為什么可以實現(xiàn)的頻率可調諧輸出？圖1、圖2為染料激光器的典型結構示意圖和幾種染料的典型調諧范圍。圖1中用Nd:YAG激光經(jīng)過倍頻之后產(chǎn)生的5320埃激光作為泵浦源去激勵染料。在振蕩器部分,條紋間距為d的衍射光柵和輸出鏡構成諧振腔。這時,只有波長滿足2dcosθ＝mλ,m＝0，1，2，…的光束才具有低的損耗，能形成激光振蕩。因此，旋轉光柵（改變θ角）,就能改變輸出激光的波長。在諧振腔內(nèi)還插入一個放在壓力室中的標準具。變壓力室中的氣壓,可使標準具中氣體的折射率隨之而變,從而獲得輸出波長的精細調諧。圖中還有一級放大，以增加輸出激光的功率。請簡述半導體激光器的工作原理，說明同質結和異質結的區(qū)別。是激勵方式，利用半導體物質在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的理解面形成兩個反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光震蕩，反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。同質結就是同