激光原理复习题答案

激光原理复习题

1. 麦克斯韦方程中

0000./.0t t μμερε????=-???????=+????=???=?B E E

B J E B

麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果？

答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两个分别表

示电场和磁场的散度；

(2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋电

场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的;

(3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 t

E ??=? 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这种交替的不断变换会导致电磁波的产生。

2, 产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？

答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。

3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？

答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。

4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？

答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有

关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。

5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中扮演什么角色？

答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。

6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也被无限放大，这是由于光强的的增加，而翻转粒子数会减少的饱和效应所致。那么在增益系数中这一过程是如何表示的，请说明各个物理量的意义？ 答： , 其中 为小信号增益系数。 为饱和光强。 大信号 增益系数，它是频率的函数 。从式子中看到，光达到饱和时，增益系数就不再增加了。

7激光产生的一个重要条件要有光学谐振腔。光学谐振腔的作用主要有哪几个？答：光学谐振腔具有以下作用：提供光学正反馈；就是说增强光放大作用，对产生的激光模式进行控制，使激光具有极好的方向性（沿轴线），使激光具有极好的单色性。

8.光学谐振腔中会有横模和纵模，通常表示为mnp TEM 。请问它的角标中m n p ，，表示的意义分别是什么？

答：在光学谐振腔中，满足一定的相位关系的波方能够稳定存在。即是ka=m π, kb=n π,

kl=p π,(m,n,p)代表激光的一个模式，m,n 分别代表横街面积x,y 方向出现的节线数，称为横模序数，p 为沿轴出现的节点数，称为纵模序数。

9：激光的特点有哪些？

1=+s

g g I I 0g g s I s I

答：相干性强，单色性佳，方向性好，高亮度。

1在原子的简谐振子模型中是如何考虑原子自发辐射的，哪个物理量表示的是原子本身特点？

答：原子的自发辐射会导致能量损失，因此核外电子的运动可看作阻尼运动。则有

()。间，表示原子本身特点为谐振子的辐射衰减时γτγγ1;;0x

0202===++-t iw t e e x t x x w x r 为弹性恢复系数。，为振子固有频率。k m

k w w =200 γ经典辐射阻尼系数，亦称经典辐射能量衰减率

1. 在外场作用下的原子被极化，其中极化系数的实部和虚部各表示的物理意

义是什么？

答：实部表示介质的折射率，改变电磁场在介质中的传播速度；虚部表示介质对入射场的吸收或者放大；

2激光介质的增益系数和极化系数的实部还是虚部有关？为什么？

答：与虚部有关；虚部表示介质对入射场的吸收或者放大，虚部会导致场振幅的指数衰减，对光强造成影响，而增益系数与光强的吸收或放大有关。

3谱线的线型因子中分为均匀加宽线型因子和非均匀加宽线型因子。请问为什么原子辐射会有线型，或辐射宽度？两种不同线型因子的区别是啥？

答：原子发射的光是在频率υ附近某个频率范围内的，故产生了谱线加宽，即是辐射宽度。均匀加宽中，每个原子有相同的中心频率，对辐射场有相同的响应，每个单独原子的谱线和整个体系的谱线作同样的展宽；而在非均匀加宽中，每个原子具有不同的中心频率，它们对其中心频率附近小范围内的辐射做出贡献，在没有展宽单个原子谱线的情况下使整个体系的谱线予以展宽。

4线型因子中又分为洛伦茨线型和高斯线型，它们分别对应着那种加宽机理？ 答：洛伦兹线型对应自然加宽和碰撞加宽；高斯线型对应多普勒加宽。

5非均匀加宽介质对应的辐射线型因子的主要特点是什么？以气体的多普勒加宽为例说明。

答：是高斯分布函数，满足归一化条件，有最大值。

多普勒线性函数就是原子数按表观中心频率的分布函数

()()????????--???? ??=20202221002,g ~v v Tv k mc b D b e T k m c πυυυ （1）具有高斯函数形式

当时，具有最大值0υυ= ()21

002,g ~???

? ??=T k m c b D πυυυ ； 式（1）也可改写为下述形式()()?????????--??

? ???=2202421

D 022,g ~D In D e In υυυπυυυ 满足归

一化条件 7，建立四能级系统的速率方程的主要考虑是什么？一共有几个方程？写出其中的光子数变化方程的表示，并说明各个物理量的意义。

答：

5个方程；()Rl

l l l N vN n f f n dt N τυυσ-???? ??-=0211122,d ； l N 光子数密度 ；()021,υυσ发射截面 ；v 工作物质中的光速;Rl τ 光子寿命 8速率方程主要描述了什么物理量的变化规律？求解速率方程的主要目的是为了解决那些物理问题？

答：能量粒子数密度随时间变化的微分方程；

研究各能级粒子数随光强的关系

9饱和效应对均匀加宽和非均匀加宽的影响有何不同烧孔效应物理机理是什么？ 答：均匀加宽情况下的增益饱和效应的强弱与频率有关，在中心频率处饱和

效应最强，偏离中心频率越远饱和效应越弱。对于非均匀加宽，饱和效应的强弱与频率无关。

烧孔效应：在非均匀加宽情况下，当频率为V，强度为I的强光入射时将

引起V一定范围内反转粒子数的增益饱和，使各自与频率的关系曲线上

烧出一个孔来，即烧孔效应，表示入射光I对反转粒子数的选择性消耗。 1激光器的振荡阈值中有翻转粒子数阈值和增益阈值，它们和那些物理量相关？

答：不同模式（频率）具有不同的受激辐射截面，反转粒子数密度不同，则反转粒子数阈值不同；阈值增益系数由单程损耗决定，不同纵模具有相同的阈值，不同横模具有不同的单程损耗，其阈值增益不同。

2请描述空间烧孔效应的物理过程。

答：当频率一定的纵模在腔内形成稳定振荡事产生一个驻波场。波腹处光强最大，波节处光强最小，消耗反转粒子数后，波腹处光强最小而波节处光强最大，则形成了空间烧孔。可见空间烧孔的形成过程由驻波腔和粒子空间转移慢引起的。

3请描述短脉冲激发过程中的弛豫震荡过程的物理机理。

答：四个阶段。（激光器的尖峰效应的四个阶段）

4激光器的频率牵引过程指的是与纵模间相关的物理过程，请简述物理机理？

答：当激光器的纵模频率与增益介质的中心频率不重合时，纵模频率在振荡过程中会牵向中心频率靠拢。由于腔内增益介质的折射率吧对振荡频率存在色散，这种色散关系与激活介质的增益系数及增益曲线有关。在有源腔中，由于增益物质的色散，纵模频率比无源腔纵模频率更靠近谱线中心频率，则就是频率牵引。

5激光器的无源腔和有源腔的线宽与那些物理量有关？

答：无源腔线宽由无源腔内的光子寿命决定，有源腔的线宽取决于净损耗δ。

补充理解：无源腔（g=0,吸收与发射的光子数相等）线宽—谐振腔本征线宽，有源腔线宽---激光谐振腔线宽

1光学谐振腔是激光器的重要组成部分，它的作用是提供轴向的光波模的正反

馈以及保证激光器的单模振荡。激光器的谐振腔主要是开放式谐振腔，为什么？ 衍射损耗仅发生在镜面的边缘，而开放式谐振腔中心振幅大，边缘振幅小的场会尽可能少的受到衍射损耗的影响，这样经过多次渡越后，除了振幅整体下降，其横向分布将不发生变化，即在腔内往返传输一次后可以“再现”出发时的振幅分布，即自再现模，这样就很好的保证了激光器的单模振荡。

2光学谐振腔分为哪三种情况？

答：稳定腔：指腔内任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不溢出腔外，是低损耗腔；

非稳定腔：指任一束傍轴光线都不可能永远存在于腔内，是高损耗腔； 介稳腔：是指某些特定的傍轴光线在腔内往返传播而不溢出。

3光学谐振腔的稳定条件是什么？

答： 1、 2、g1=0,g2=0.(1,2表示下标啊) 1. 谐振腔的损耗分为选择性损耗和非选择性损耗，分别对应哪几种损耗？ 答：选择性损耗则是与横模阶次密切相关的衍射损耗，阶次越高相应的衍射损耗越大；非选择性损耗与横模阶次无关，如投射，吸收，散射损耗。 2光子的平均寿命与损耗的关系如何？

答：光子的平均寿命定义为腔内光强衰减为初始值的1/e 时所需要的时间。t=L/δC,腔内损耗δ越大，则t 越小，腔内光强衰减越快。

3研究光在谐振腔中的传输主要讨论的是与那种损耗相关？

2. 研究光学谐振腔中光的传输过程基于的物理思想是什么？

3. 光强在谐振腔中的镜面上呈高斯分布，这也是激光输出的空间强度分布形式。121212

011,1g g L L g g R R <

这一结果是什么物理原因所导致的。

4.激光器分为连续和脉冲，另外还有气体，固体和液体，以及半导体激光器。

其中气体和固体激光器的输出线宽有何不同？

5.激光输出中的不同模式的产生原因是什么？

激光器的谐振腔通常都比较长，在受激辐射的波长范围内，它可能同时是好几

个波长的整数倍，因此会有好几种波长都得到谐振，这样的激光器就会输出好

几种波长的光（由于受激辐射带宽本身很窄，所以这几个波长也非常接近），

这就是多纵模。

激光器的谐振腔反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固体激光器中，

工作物质受热发生凸透镜效应，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异

的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相

同的光束，这就是多横模。

光学谐振腔与高斯光束

1.YAG激光器是属于4能级系统，请问4能级系统与三能级系统激光器的主要物理差

异在哪里？答，三，下能级e1是基态系统，上能级e2是亚稳态能级，e3为抽用高能级。其主要特征是下能级为基态，发光过程中下能及粒子数一直保存有相当的数量。四，下能级不是基态能级，是一个激发态，激励能量比三能级小得多

2.染料激光器为什么可以实现的频率可调谐输出？

图1、图2为染料激光器的典型结构示意图和几种染料的典型调谐范围。图1中用Nd:YAG激光经过倍频之后产生的 5320埃激光作为泵浦源去激励染料。在振荡器部分,条纹间距为d的衍射光栅和输出镜构成谐振腔。这时,只有波长满足

2d cosθ＝mλ,m＝0，1，2，… 的光束才具有低的损耗，能形成激光振荡。因此，旋转光栅（改变θ角）,就能改变输出激光的波长。在谐振腔内还插入一个放在压力室中的标准具。变压力室中的气压,可使标准具中气体的折射率随之而变,从而获得输出波长的精细调谐。图中还有一级放大，以增加输出激光的功率。

3.请简述半导体激光器的工作原理，说明同质结和异质结的区别。

是激励方式，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导体晶体的理解面形成两个反

射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光震荡，反馈，产生光的辐射放大，输出激光。

同质结就是同一种半导体形成的结，包括pn结，pp结，nn结。

异质结就是不同半导体形成的结，包括pn结，np结，pp结，nn结。异质结就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。同质结就是同一种半导体形成的结。双异质结是利用不同折射率的材料对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进

行限制

请说明He-Ne激光器、

CO激光器、Ar 激光器属于几能级系统，输出的常用波长分

2

别为多少