光电(第二版)习题答案1-9章

第一章绪论

1. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？

光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。

光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。

光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。

光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。

光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。

光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。

2．谈谈你对光电子技术的理解。

光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。

3．谈谈光电子技术各个发展时期的情况。

20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。

20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及CCD的问世。

20世纪80年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。

20世纪90年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，

形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。

21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。

⒋举出几个你所知道的光电子技术应用实例。

如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。

⒌据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？

等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL）。

第二章 光学基础知识与光场传播规律

⒈填空题

⑴光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。

⑵两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是(0,1,2,)m m δλ==±±L L δ为光程差。 ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为01E 、02E ，位相差为φV ，则其干涉光强为

22

010201022cos E E E E φ++V ，两列波干涉相长的条件为2(0,1,2,)m m φπ==±±V

L L ⑷波长λ的光经过孔径D 的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为1.22

f D

λ

。

⒉在玻璃( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线(0.75)m λμ

=的反射。

⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。

⑵如紫外线(0.42)m λμ=垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？

⑴

1.5n == 正入射时，

当n

=时，膜系起到全增透作用

1.225n ===，正入射下相应的薄膜厚度最薄为

0.75

0.15344 1.225

h m n

λμ=

=

=?

⑵正入射时，反射率为

22

22

0000

2222

0000

22()cos (

)sin 22()cos ()sin G

G G

G n n nh

nh

n n n n

n n nh nh n n n n

ππλλρππλλ-+-=

+++正 22

00

22

22

000

2()cos 3.57%22()cos ()sin G G G nh

n n n n nh

nh n n n n πλππλλ-=

=+++

⒊有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为()U r 及*()U r 。比较它

们的强度、波前和波前法线。以平面波(()exp(x U r A jk +=-与球面波

()()exp()U r A r jkr =-为例。

平面波(()exp(x U r A jk +=-的强度2I A =,因波前可以是任意的曲面，故它的波前

即为波前函数()U r ，波前法线垂直于波前。

它的共轭波*(()exp(x U r A jk +=的强度2I A =，

波前函数同样是该波的表达式，波前法线垂直于波前。

球面波()()exp()U r A r jkr =-的强度为2()I A r =，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。

它的共轭波*()()exp()U r A r jkr =的强度为2()I A r =，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。

⒋光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔（半径为a 和b ，a>>b ）上，发生夫琅和费衍射，求光强度dI 的角分布。 见物理光学

⒌一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6j ＋的介质表面上，求

⑴此光波在介质中的方向（折射角）。 ⑵光波在介质中的衰减系数。 ⑴

2123n =+= n =

由112sin sin n n θθ=得2sin 6

θ= 2arcsin 6θ=

⑵衰减系数72(0.6)0.6 1.310n

r k πλ

=-?-=

?=?

⒍输出波长λ＝632.8nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS 和2ThF 形成

的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？

设玻璃的折射率G n ＝1.5 由题意： 0

2

2

20220()

0.995()P H H L

G P H H L G

n n n n n n n n n n λρ??-??

?

?=≥??+???

?

正，，即22222.5 1.51()

1.5 1.50.9975

2.5 1.51()

1.5 1.5P P -≤-+ 即 250.0025() 1.5 1.99753P ??≥ 25

()532.73

P ≥ 212.3P = 7P ≈ 故至少涂覆7个双层。

⒎ 有m 个相距为d 的平行反射平面。一束光以倾角θ投射反射面。设每一反射平面仅反射一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明sin 2d

λθ=时，合成的

反射波强度达到最大值，这一角度θ称为Bragg 角。

d

d

因各辐射波的反射波幅值相等，当它们反射波叠加，相位依次相差2π的整数倍时，合成的反射波强度达到最大值，最简单情况下，相位相差2π。 如图所示：2sin 2k d θπ= 即

22sin 2d π

θπλ

= 故当sin 2d

λ

θ=时，反射波强度达到最大值。

⒏ 从麦克斯韦通式（2－28）出发，推导波动方程（2－44）。

B

E t

???=-? 对该式取旋度左边＝2()()E E E ????=??-?g 右边＝()B t ???-?（由00B H M μμ=+）0()H M t μ?

=-??+?

由s D D

H J E J t t σ????=+=++?? 上式 0

()s D E J M t t μσ????=-+++????????

200002()s J D E M t t t t

μμσμμ????

=----??????

在电介质中，一般有0M =,从而0μμ=，0B H μ=，于是上式可化为

2 ()E E

??-?

g＝

2

000

2

s

J

D E

t t t μμσμ

???

---

???

＝

2

000

2

()

s

E P J

E

t t t

ε

μμσμ

?+?

?

---

???

第三章激光原理与技术

1．填空

⑴最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960 年由美国家的梅曼制作的红宝石激光器。

⑵光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。

⑶激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。

⑷今有一个球面谐振腔，r1=1.5m,r2=-1m,L=80cm,它属于稳定腔。

2．试简单说明以下光电子学术语的科学含义：

⑴受激辐射(画出二能级图)

处于激发态E2上的原子，在频率为υ21的外界光信号作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为

21

hυ、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。

⑵谱线的多普勒加宽

多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。

⑶谱线的自然加宽

自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。

⑷光放大

光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为

0()

Iυ,距离x处光强为()

Iυ，且

1

2

1

2

N N g g <，则

2121121212121212

()()()0()()d dI g

N N B h dt I g ρυυυρυυ==-> 可见光强在激活介质中不断

放大，为此，我们引入激活介质的增益系数()G υ

()

()()dI G I dx

υυυ=

式中，()dI υ是传播距离dx 时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于()0dI υ>，因而()0G υ>，所以()G υ可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3.计算与推导

⑴λ＝0.5μm 时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K 时，什么波长下自发辐射率相等？

自发辐射率为A 21，受激辐射率为W 21。212121()w B ρυ=g 。

由爱因斯坦关系式可知：33

21213

218A h n

B c πυ=

， 由普朗克公式可知：33

21213

2181

()exp()1h n h c kT πυρυυ=-g ， 由题意A 21＝W 21，故321

exp()11h kT

υ-=， 33348333

2132363

ln 2ln 2 6.6310(310)0.69317.19101.3810(0.510)

h hc T K k k υλ---????====????g g 当T=300K 时，

334833

12

23

ln 2 6.6310(310)0.6931 2.997101.3810300

hc kT λ--????===???g 41.44210M λ=?

⑵He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ，求最靠近632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵

模频率间隔。如果增益曲线宽度为91.510?Hz,则可能引起的纵模总数是多少？

气体的折射率1n ≈ 由2q c

q nL υ=

得 59

2210.2 6.3210632.810

nL q λ-??===?? 纵模频率间隔8

83107.5102210.2

q c Hz nL υ?===???V

实际振荡纵模总数981.5101137.510T q q υυ??

???=+=+=???????????

V V V ⑶红宝石激光器的工作物质有特性：7321510/N N cm -=?、300K 处，

1101

210()

Hz g υυ≈

=?V ，3310s s τ-=?，144.32610Hz υ=?，n=1.78,求其在中心频率处的增益系数()G υ。

⑷一维电子振荡器在电磁场E(t)作用下的运动方程如式（3－2），推导简谐电场与简谐振

子条件下，复极化率()χω%的表达式。

电子运动方程为22

2d x dx m m x m eE dt dt

ωγ=---，在简谐电场和简谐振子条件下，则瞬时电场()E t 与位置偏移()x t 为

()()j t x t x e ωω=

()()j t E t E e ωω=

()E ω、()x ω表示对应于频率ω的振幅值，将()x t 、()E t 代入运动方程，并求解得220()

()()e E x m j r

ωωωωω=-

-+g 在平面光波场作用下，原子在光场作用下产生感应极化，形成电偶极振子

Re(())j t p ex p e ωω=-=

22

2

0()

()()e E p m j r

ωωωωω=-+g 设单位体积中原子数为N ，则介质极化强度 Re(())j t P Np P e ωω==

20220()

()()()()Ne E P E m j r

ωωχωεωωωω==-+g

又 '''

00()()()()()P E j E ωχωεωχωχωε??==-??

22

2

01()()Ne m j r χωωωω=-+g 4．简述题

⑴ 简述激光的特点。

激光的特点主要表现在以下四个方面：①激光具有激光极好的方向性②激光的单色性非常好③激光的相干性好④激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。

⑵ 分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。 Ⅰ单色辐射场与粒子体系的相互作用

如图3－8所示，粒子线型函数为()g υ，中心频率为0υ，谱线宽度为υV

，辐射场υρ的中心频率为'0υ，带宽为'υV

。单色辐射场与粒子体系相互作用过程，要求粒子体系的展宽要远大于辐射场宽度，即υV

与'υV 间满足公式'υυ>>V V ，'υV 很小，于是21221()()()st dN N B g d dt υρυυ+∞

-∞

=?中被积函数只有在'

0υ附近一个很窄的范围'υV

内不为零。且在'υV 内()g υ可以认为不便，于是单色辐射场能量密度可表 示为

''()()()ρυρυδυυ=-g

'''''21221221221()()()()()()()st dN

N B g d N B g N W dt υρυδυυυυρυυ+∞

-∞

=-==?

''223

21'''''''21

21213'32'33'

()()()()()()()888s

A c I I A c W

B g g g g n h n h n h υυλυυρυυρυυυπυπυπυτ====g g 式中，''()

c I n

υρυ=（单位：2W m ）为光辐射强度。

上式表明由于谱线宽度，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率'0υ并不一定要精

确位于()g υ的中心频率0υ处才能产生受激辐射，而是在0υ附近一定频率范围内均可，跃迁概

率的大小取决于单色光场中心频率'0υ相对于线型函数中心频率0υ的位置，'0υ－0υ越小，则21W 越大，当'0υ＝0υ时，受激跃迁概率最大。这种相互作用不仅与'υρ、21B 有关，而且还与()g υ有关。

Ⅱ连续辐射光场与粒子体系相互作用

当连续辐射光场与粒子体系相互作用时（图3－9），满足条件'υυ>>V V ，于是21221()()()st dN

N B g d dt υρυυ+∞

-∞

=?中被积函数只有在0υ附近很小的范围内（υV

量级）才不为零，且υV

内可以认为'()ρυ近似为常量0()ρυ，于是 '2122122102210221()()()()()()st dN

N B g d N B g d N B N W dt υρυυρυυυρυ+∞

+∞

-∞-∞====?? 式中，0()ρυ为连续辐射光场在粒子线型函数中心频率0υ处的单色能量密度。 可见，连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率0υ的那部分辐射场才能引发粒子

体系受激辐射，其他部分实际上被粒子体系所散射。

⑶ 试推导爱因斯坦关系式。

设一个原子系统有两特定能级1E 、2E ，（1E < 2E ），其简并度分别为1g 、2g ，若原子系统在温度T 处于热平衡状态，1E 、2E 能级的原子数密度分别为1N 、2N ，则原子系统从辐射场中吸收能量21h υ后，单位时间内从1E 跃迁到2E 能级的原子数为

1212211()N B N ρυ?=

式中，21()ρυ表示热平衡状态下光辐射场的能量密度。

处于2E 上的原子，可以通过自发辐射与受激辐射两种途径跃迁至1E 上，单位时间内，

21E E →的原子数21N ?为

[]212121212()N A B N ρυ?=+g

由于系统处于热平衡状态，则应有以下关系式成立2112N N ?=?即

[]211212121212()()B N A B N ρυρυ=+g g

因而有

22112

1212121

()()N B N A B ρυρυ=+g g 又由于在热平衡状态下，1N 、2N 按照玻尔兹曼分布

2212121

1

exp()exp()N E E h g N KT KT

g υ

-=-

=- 式中，K 为玻尔兹曼常量。于是有

212112*********()exp()1

A B g h B B g kT

ρυυ=

-g g g 在热平衡条件下，光辐射的能量密度21()ρυ又可由普朗克公式给出

33

21213

2181

()exp()1

h n h c kT

πυρυυ=-g

式中，c 为真空光速，于是比较上述两式，可知

121212B g B g =

33

21213

218A h n

B c πυ=

这即为爱因斯坦关系式。

⑷ 为什么二能级系统不能产生激光？

（画出二能级图）当外界激励能量作用于二能级体系物质时，首先建立起自发辐射，在体系中有了初始光辐射之后，一方面物质吸收光，使1N 减少、2N 增加；另一方面由于物质中存在辐射过程，使2N 减小、1N 增加，两种过程同时存在，最终达到1N ＝2N 状态，光吸收和受激发射相等，二能级系统不再吸收光，达到所谓的自发辐射状态，这种状态下2N 不再继续增加；即便采用强光照射，共振吸收和受激发射以相同的概率发生，也不能实现粒子数反转。

⑸ 以一个三能级原子系统为例，说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。

激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源、和光学谐振腔。

激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因。要产生激光，工作物质只有高能态（激发态）和低能态（基态）是不够的，还至少需要有这样一个能级，它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率，从而实现其与低能级之间

得粒子数反转分布，这样得能级称为亚稳态能级。这样，激光工作物质应至少具备三个能级。 （画三能级图）如图所示，其中E1是基态，E2是亚稳态，E3是激发态。外界激发作用使粒子从E1能级跃迁到E3能级。由于E3的寿命很短（1.0E-9s 量级），因而不允许粒子停留，跃迁到E3的粒子很快通过非辐射迟豫过程跃迁到E2能级。由于E2能级是亚稳态，寿命较长（1.0E-3s 量级），因而允许粒子停留。于是，随着E1的粒子不断被抽运到E3，又很快转到E2，因而粒子在E2能级上大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为h υ＝E2－E1的入射光，则将产生光的受激辐射，发射h υ的光，从而实现光放大。

泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态，即处于非激活状态，故欲建立粒子数反转分布状态，就必须用外界能量

来激励工作物质。我们把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源。事实上，激光器不过是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。主要有以下几种泵浦方式：①光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。

光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。谐振腔分为稳态腔（低损耗腔）和非稳定腔（高耗散腔）两大类。

⑹ 分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点。

（画四能级图）四能级系统能级结构如图所示，由于4E 到3E 、 2E 到 1E 的无辐射跃迁概率都很大，而3E 到2E 、3E 到 1E 的自发跃迁概率都很小，这样，外界激发使1E 上的粒子不断被抽运到4E ，又很快转到亚稳态3E ，而2E 留不住粒子，因而2E 、3E 很容易形成粒子数反转，产生h υ＝3E －2E 受激辐射。四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低。

⑺ 分析激光产生的条件。

激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。

粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件

21

21

N N g g >，相应地有21()d ρυ0>，表示光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能 密度将不断增加。我们称这种状态的物质为激活介质。

要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，

难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。

光在谐振腔内传播时，由于2R <1，光在镜面上总有一部分投射损失，且镜面和激活介质总还存在着西都、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，这就是说，记挂更年期必须满足某个条件才能“起振”，称这个条件为振荡阈值条件。往返一次光束强度变化过程为1021232431,,,L L I I G I I R I I G I I R ====，于是

2

4012L I I R R G =

如果40I I <，则光束通过激活介质振荡一次后，强度减小，从而多次振荡后光强将不断衰减，因而无法形成激光振荡；若40I I >，则随着振荡的不断进行，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。课件，形成激光振荡的条件为40I I ≥

于是，激光振荡必须满足的最起码条件为2

121L

R R G = 由之可得增益的阈值为

121

()ln 2th G R R L

υ=-

又 1

2

12

()()()th g G N N Kg g υυ=- 于是由此还可推出激光振荡的反转粒子数阈值公式

112112

2

1222121ln 4ln ()2()()

th g R R g R R N N g K Lg A g Lg πυλυ-=-=-g 理论和时间结果表明：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即()G υ应写为(,)G I υ。

这种(,)G I υ随着I 的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。

设想某种工作物质在泵浦作用下（无外加光场）实现了粒子数反转，即

00

2121

0N N N g g =->V

当外加光强出现时，感应了21E E →的受激发射和12E E →的受激吸收，两种过程的概率相等（2112W W =）,由于1

2

1

2

N N g g <，因而21E E →的粒子数大于12E E →的粒子数，其

结果使新平衡下的反转粒子数0N N

⑻ 简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。 一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。

① 均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。Ⅰ自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。由于它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的，因

而称为自然展宽。222

01

()14()()

2s

N s

g τυπυυτ=

-+可见()N g υ表达式具有洛伦兹型。Ⅱ

碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞引起的谱线展宽。碰撞展宽分为两种情况。一种是当处于激发态的粒子与其他粒子和器壁发生非弹性碰撞，从而将自己的能量传送出去回到基态。另一种是粒子发射的波列发生无规则相位突

变而引起展宽。但此时粒子能量并不发生明显变化，这种碰撞称消相碰撞。由于碰撞的随机性，我们用平均碰撞时间来表征碰撞过程，其线型函数也如同由随机自发跃迁所引起的自然展宽那样，具有形式

2

20()2()()2c

c c g υυυπυυ=

??

-+????

V V 。Ⅲ热振动展宽是由晶格热振动引起的谱线展宽，

在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大，但其线型函数解析式很难求，常用实验来测知。

② 非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。Ⅰ多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数

2

2

02

1()22

0()()2mc KT D c

m

g e

KT

υυυυυπ--=Ⅱ残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起

的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子0υ不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。

⑼ 简述光与物质的非共振与共振相互作用过程对介电常量的影响。 0000(1)D E P E E E εεχεχε=+=+=+

而由于极化机制不同，χ包括谐振分量r χ与非谐振分量n χ，于是 '0

0000()(1)()n r r r D E E E E E E εεχεχεεχεεχευε

=++=+=+= 式中

0(1)n εεχ=+，'0()1()r εευεχυε??

=+????

可见，光与物质的非谐振相互作用产生光的散射，引起0ε变成ε，即散射过程造成了物质折射率20n εε=；而光与物质谐振相互作用使ε变成'ε。

⑽ 激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型特点。

按激光工作物质的类型有如下划分： ⒈气体激光器

根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。

原子气体激光器最常见的是He-Ne 激光器，它发出的有0.6328m μ的红光和3.39m μ、1.15m μ两种红外光，He-Ne 激光器输出功率较小（几mW 到100mW ），能量转化效率较低（0.01％），氮气单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度可达几十公里。

离子气体激光器典型的有Ar +激光器，它输出多种波长，最强的是0.488m μ的蓝光和0.5145m μ的绿光，输出功率可达500MW/2cm ,最大功率可达150W ，能量转换效率为千分之几，其所需泵浦功率高，需耗散很多热量。

分子气体激光器中最具代表性的是2CO 激光器，输出为10.6m μ的红外线，其效率高达30％，输出功率近似与管子长度成正比。2CO 激光器的特点是：效率高、功率强、工作稳定、单色性好、波长适于光通信等。

准分子激光器的工作物质为稀有气体与卤素气体的混合气体，这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同。通常采用He 、Ne 将由数千帕的稀有气体合压力数百帕的卤素气体组成的混和气体稀释成数百千帕的混和气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微焦耳，发光效率1％，重复频率数

千赫兹。

⒉液体激光器

这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。其中最重要的一类是染料激光器，其主要优点是：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀性耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却、典型的是若丹明6G染料激光器。

它在脉冲工作时的波长是590nm，平均功率是100W，效率为0.5％。

⒊固体激光器

典型的例子有Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）。该类激光器可以脉冲工作，也可以

的激光为最强。这类激光器的最大有点是受激辐射跃迁连续工作，产生的跃迁中以1.06m

概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射，近几年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达10％。

⒋半导体激光器

同质结半导体激光器的激光工作物质为由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－Ⅴ族化合物，如GaAs，InP为直接带隙结构。具有输入您那过量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长。异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs所组成。与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄，阈值电流密度低、内部损耗低、电－光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。

量子阱半导体激光器功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化。AlGaAs/GaAs量子阱激光器的波长是980nm，平均功率为0.2W，转化效率为20－30％。AlGaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm，平均功率为100W。

⑾ 分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。

同质结半导体与发光二极管的联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p 侧和n 侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布； 同质结半导体与发光二极管的区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n 结的激发态电子相碰撞，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。

⑿ 简述尖峰振荡效应过程。

不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms 数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在s μ数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。

一个短脉冲的形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度21

21

N N N g g =

-V 的增减变化来解释。以氙灯泵浦为例，光泵浦使系统N V 增加，且增加速率在一个短脉冲周期内可看成不便；受激复试使N V 减小，且减少速率因腔内光子数密度φ的多少而变化。这样，可将一个短脉冲的形成过程分为四个阶段，如图3－27所示：

第一阶段（012t t t ::），从0t 时刻光泵浦开始，N V 的增长率占优势；直到1t 时刻N V 达到阈值条件N V ＝th N V 而产生激光，使激光器内光子数密度φ急剧增加；受激辐射使N V 减少速率也逐渐便快，但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率，N V 仍在增加，直到2t t =时刻，二者速率相等，N V 达到极值。