激光原理复习资料 21页

.-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。-.word.zl\n.-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τ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：相干光能产生干预效应的最大光程差，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，那么称为相干体积。-.word.zl\n.-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，假设两块反射镜，其曲率半径分别为R1＝40cm，R2＝100cm组成稳定谐振腔，那么腔长L的取值范围0≤L≤40cm或100≤L≤140cm。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-.word.zl\n.-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〕之间的无规那么碰撞。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？-.word.zl\n.-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奉献。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局部有奉献，因而可以区分谱线上的某一频率是由哪一局部原子发射的。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10ms，那么其谱线宽度为15.9Hz。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，那么接收到的频率为2.737×1014Hz。-.word.zl\n.-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。23He-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地均匀鼓励的工作物质，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：那么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-.word.zl\n.-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，那么接收到的频率为5.24×1014Hz。27CO2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鼓励效率作用，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。-.word.zl\n.-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。-.word.zl\n.-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，在泵浦源刚开场时，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，上能级存储的大局部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〔〕。-.word.zl\n.-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局部有奉献，因而可以区分谱线上的某一频率是由哪一局部原子发射的。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，开场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？-.word.zl\n.-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根本单元？各单元的主要作用是什么？-.word.zl\n.-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泼状态，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响；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奉献。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，那么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。-.word.zl\n.-54Q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，在泵浦源刚开场时，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，上能级存储的大局部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那么：(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：-.word.zl\n.-(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:-.word.zl\n.-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=0.9922≈1mm，即束腰位置距R1右侧1.125m-.word.zl\n.-(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-.word.zl\n.-?(3)等价共焦腔的具体位置如以下图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，T＝300K时n2/n1为多少？(2)假设原子跃迁时发光波长＝1μm，n2/n1＝0.1时，那么温度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)-.word.zl\n.-〔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L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R1＝1.5m,R2＝3m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〕-.word.zl\n.-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77K温度下Kr85的605.7nm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：-.word.zl\n.-得到：===88.86(cm)对于单色性的He-Ne激光器，相干长度为：=632.8×10-9×108=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1.1523μm。这条谱线的自发辐射几率A为6.54×106s-1秒,放电管气压P≈260帕;碰撞系数α≈700KHz/帕;激光温度T=400K;M=112;试求:(1)均匀线宽ΔνH;(2)多普勒线宽ΔνD;-.word.zl\n.-(1)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-.word.zl