激光原理作业
思考练习题1
4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比
q q 激自
1
=
2000
，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ??=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求
q q 激自
为若干？
答：（1）
3
1734
3
6333/10857.310
63.68)106.0(2000188m s J h h c q q ??=????=?=---ννννρρπρπλρνπ＝自激
（2）9
43436333106.710510
63.68)106328.0(88?=?????==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激
5．在红宝石Q 调制激光器中，有可能将全部Cr 3＋
(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。
设红宝石直径0.8cm ，长8cm ，铬离子浓度为2×1018cm －
3，巨脉冲宽度为10ns 。求：(1)
输出0.6943μm 激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命τ＝10－
2s ，问自发辐射功率为多少瓦？ 答：（1）最大能量
J
c
h d r h N W 3.2106943.010
31063.61010208.0004.06
8
3461822=???
???????=?
???=?=--πλ
ρπν
脉冲平均功率＝瓦8
961030.210
10103.2?=??=--t W （2）瓦自
自自145113.211200
2021=??
?
??-?==?
?
?
??-==?-e h N P e n dt e n N t A τνττ
11．静止氖原子的3S 2→2P 4谱线的中心波长为0.6328μm ，设氖原子分别以±0.1c ,±0.5c 的
速度向着接收器运动，问接收到的频率各为多少？ 答：Hz c
c c
c 14
6
80
1.010241.5106328.01039.01.19.01.111?=???=?=
-+=-+λ
υυνν 同理可求：Hz c 14
1.010288.4?=-ν；
Hz c 145.010211.8?=+ν；Hz c 145.010737.2?=-ν
12．设氖原子静止时发出0.6328μm 红光的中心频率为4.74×1014Hz ，室温下氖原子的平均速率设为560m/s 。求此时接收器接收频率与中心频率相差若干？
答：
Hz
c 814606
8
0010848.81074.4108667.1)108667.11()10
35601()1(?=???=???+=?+=+=--νννυνν
13．(1) 一质地均匀的材料对光的吸收为0.01mm -1、光通过10cm 长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几? (2) —光束通过长度为1m 的均匀激活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。 答；（1）368.01
)0()()0()(10001.0===?
=?--e
e I z I e
I z I Az
（2）11693.02ln 2)
0()
()0()(-?==?==?
=m G e I z I e
I z I G Gz
思考练习题2
1. 利用下列数据，估算红宝石的光增益系数n 2－n 1＝5?1018cm -3，1/f (ν)＝2×1011 s -
1，t 自发
＝211
A -≈3?10-
3s ，λ＝0.6943μm ，μ＝l.5，g 1＝g 2。
答：
)(8)(8)(8)()(2
22133321333212121
νπμλννμνπμννπμννμ
νf A n f h c h c A n G c h B A f h c nB G ???=???=????
?
???=
?=1
11
224318
71.010
215.18)106943.0(1031105)(---=???????=cm G πν 2. He-Ne 激光器中，Ne 原子数密度n 0＝n 1+n 2＝l012 cm -3，1/f (ν)＝15×109 s -
1，λ＝0.6328μm ，
t 自发＝21
1
A -=10-17s ，g 3＝3，g 2＝5，11μ≈,又知E 2、E 1能级数密度之比为4，求此介质的增益系数G 值。
答：11
112211
211
1123
122101031410
81021410?=-=????????=?=????=+=-n g g n n n n E E cm n n n 比能级数密度之比为和 3
3
2121333332121888νπνπνπμh c A B c h c h B A =?== 19
2617112212172.0105.118)106328.0(1010314)(8)()(--=?????=?=?=cm
f A n f h c nB G πνπλννμ
ν(a)要制作一个腔长L ＝60cm 的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围如何？(b)稳定腔的
一块反射镜的曲率半径R 1＝4L ，求另一面镜的曲率半径取值范围。 答：（a ）R R R ==21；cm R R
L
R L 301)1)(1(0≥?≤--≤ （b ）L R L R R L
R L R L 31)1(4301)1)(1(0222
21-≤≥?≤-?≤?≤--
≤或 4. 稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R 1＝40cm ，R 2＝100cm ，求腔长L 的取值
范围。 答：
cm L cm L L
L R L R L 1401004001)100
1)(401(01)1)(1(021≤≤≤≤?≤--≤?≤--
≤或研究激光介质增益时，常用到“受激发射截面”()e σν(cm 2)概念，它与增益系数()G ν(cm
－
1
)的关系是()
()e G n
νσν=
?，n ?为反转粒子数密度，试证明：具有上能级寿命为τ，线型函数为()f ν的介质的受激发射截面为222
(()8e c f νσνπνμτ
=）
。 证明：τμπνννμπντννμνπμνσννσνπμννμ
ν2222
223332133
32121
21
8)()(81)(8)()
()(8)()(f c f c f h c h c A n G c h B A f h c nB G e e =?=?=??
??
?
??????==?= 5. 推导均匀增宽型介质，在光强I ，频率为ν的光波作用下，增益系数的表达式(2-19)。
证明：2200
22000
)2
)(1()()(])2(
)[()(1 )()(ννννννννν++-?+-=
+=s s I G f I G G 而：())
()(2)2()(12)()()(2)()( )()( )(002200000
00021000021
00ννπνννπννννννπνννμνννμ
νG G f f G f f h c B n G f h c
B n G ??+-?==???
?
?
???
??
?=?=?≈依据上面两式可得：
2
2000
2)2
)(1()()()2(
)(ν
ννννν?++-?=
s I I G G ；即证。
9. 饱和光强()s I ν是激光介质的一个重要参数。证明均匀增宽介质在中心频率0ν处的饱和光强0
00()()s e h I ννσντ
=
，并计算均匀增宽介质染料若丹明6G 在0λ＝0.5950μm 处的饱和光
强。(已知τ＝5.5×l 0—
9s ，ν?＝4.66×1013Hz ，μ＝1.36)
答：(1)τνσνννπννσννμμτνπνννμνννστμνπν)()(2
)()()(2)()()()
()(2)(0000000021210e s e s e s h I f f h c c I f h c nB G n G B c I =????
?????=
?=?
????
?
??
??
?=?=?=
(2) 2
53
2200022
0020000/10213.34)()(8)()()()(cm W hc h I f c h I e s e e s ?=?==???
?????==
λ
ν
μπτνσνντμπνννστ
νσνν 10. 求He -Ne 激光的阈值反转粒子数密度。已知λ＝6328?，1/f (ν)ν≈?＝109Hz ，μ＝1，
设总损耗率为a 总，相当于每一反射镜的等效反射率R ＝l －L a 总＝98.33％，τ＝10—
7s ，
腔长L ＝0.1m 。 答：31592672222
2/10048.110)
106328.0(1.00167.0108)(18)
(8m f L R
f c a n ?=???
?=
-=
?--πνλτπμντμπν总
阈＝
11. 红宝石激光器是一个三能级系统，设Cr 3＋
的n 0＝1019／cm 3，τ21=3?10-3
s ，今以波长λ＝
0.5100μm 的光泵激励。试估算单位体积的阈值抽运功率。
答：33419
10342102103/6501031051.021********.622cm W hcn V n h P =????????==---λττν＝阈
13. Y AG 激光器为四能级系统。已知n ?阈＝1.8×1016cm －
3，τ32＝2.3?10-4
s 。如以波长0.75μm
的光泵激励。求单位体积的阈值功率并与上题比较红宝石的阈值功率是它的几倍。
答：(1)34434
10163232144/21103.21075.01063.6103108.1/cm W hc
n V h n P =????????=?=?---λττν阈阈阈＝
(2)倍数＝65/2.1=31
思考练习题3
1．腔长为0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率0ν＝5.85?l014Hz ，荧光线宽ν?＝6?l08 Hz ，问它可能存在几个纵模?相应的q 值为多少？ (设μ=1)
答：Hz L c
q 88
1035
.0121032?=???==
?μν， 210
31068
8
=??=??=q n νν，则可能存在的纵模数有三个，它们对应的q 值分别为： 6
8
141095.110
31085.522?=??=?=?=νμμνc L q L qc ，q ＋1=1950001，q －1＝1949999
2．He —Ne 激光器的中心频率0ν＝4.74×1014Hz ，荧光线宽ν?＝1.5?l09Hz 。今腔长L ＝lm ，问可能输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？
答：Hz L c
q 8
8105.11
121032?=???==?μν，10105.1105.189=??=??=q n νν
即可能输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则：
m c L L
c
q 2.0105.110329
8
=??=?<∴=
?
故腔长最长不得大于m 2.0。
3．（1）试求出方形镜对称共焦腔镜面上30TEM 模的节线位置的表达式(腔长L 、光波波长λ、方形镜边长a )（2）这些节线是否等间距？
答：（1）
πλλπ43,02128)1()(0
)(X F 213
3
33
32
332
2
L x x L
x
X X X e
dX d e X H e
X H X X X ±
==????
?
?????=-=-==--）＝（ （2）这些节距是等间距的
4．连续工作的CO 2激光器输出功率为50W ，聚焦后的基模有效截面直径2w ＝50μm ，计算(1)每平方厘米平均功率(50W 为有效截面内的功率) (2)试与氩弧焊设备(104W ／cm 2)及氧乙炔焰(103W ／cm 2)比较，分别为它们的多少倍？
答：（1）每平方厘米的平均功率为：262
42/10546.2)1025(50W 50cm W ?=?=-ππω （2）6.25410
10546.24
6
=?；是氩弧焊的6.254倍。
38
6
10546.210
10546.2?=?；是氧乙炔焰的2546倍。 5．(a)计算腔长为1m 的共焦腔基横模的远场发散角，设λ＝6328?，10km 处的光斑面积多大。(b)有一普通探照灯，设发散角为2?，则1km 远处的光斑面积多大？
答：（1）基横模的远场发散角rad L 310
10269.110632822222--?=??==ππλθ
（2）10km 处的光斑尺寸m L z L z 347.6]1041[2106328])2(1[2810
210=?+?=+=-=π
πλω
10km 处的光斑面积2225572.126347.6m S =?==ππω （3）1km 处的光斑尺寸m tg r o
455.1711000=?=
1km 处的光斑面积2221711.957455.17m r S =?=?=ππ
7．一共焦腔(对称)L ＝0.40m ，λ＝0.6328μm ，束腰半径mm w 2.00=，求离腰56cm 处的光
束有效截面半径。 答：mm z z 6.0))
102(56.0106328(1102.0)(122
4103
2200
56
.0=????+?=+=---=ππωλωω
9．考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔，波长λ＝0.5145μm ，腔长L ＝1m ，腔镜曲率半
径R 1=1.5m ，R 2=4m 。试计算光腰尺寸和位置，两镜面上的光斑尺寸，并画出等效共焦腔的位置。 答：（1）束腰半径
mm L R R L R R L R L R L 348666.0]5
.35.45.1)105145.0[(])2())()(()[(4
1
2
2641221212120=??=-+-+--=-ππλω（2）束腰位置765.33)2()(2121==-+-=
L R R L R L z m ；m z L z 7
1
76112=-=-=
（3）两镜面上的光斑尺寸分别为：
mm L R R L R L L R R L s 532596.0]5
.45.0325.2[105145.0]))(()([4
1
641
2112211=????=-+--=-ππλω
mm L R R L R L L R R L s 355064.0]5
.435.016[105145.0]))(()([4
164
121212
22=????=-+--=-ππλω
（4）m L
R R L R R L R L R L f 7
2.55
.36.25
.35.435.02))()((212121==??=-+-+--=
10．欲设计一对称光学谐振腔，波长λ＝10.6μm ，两反射镜间距L ＝2m ，如选择凹面镜曲
率半径R =L ，试求镜面上光斑尺寸。若保持L 不变，选择L R >>，并使镜面上的光斑尺寸
s w ＝0.3cm ，问此时镜的曲率半径和腔中心光斑尺寸多大？
答：（1）镜面光斑尺寸（此时可把它看作对称共焦腔）：
mm L s s 5977.22106.10621=??===-π
πλωω
（2）此时不能当作对称共焦腔，但是仍然是对称光学谐振腔，只是L R R R >>==21，根据（3-50）式可得镜面光斑尺寸为（舍去一个与L 近似相等的解）：
()()m
R R R L R L R L L R L R L L R R L s 91.53])
22(2[5977.2])2([)2(41
2
4
1
24
1
2
≈?=-??=-=?
?
?
???---=
πλπλω
（3）()()()()
()mm
L R L L R R L R R L R L R L w 734.2]4
)2911.52(2)106.10[(
4
224
1
2
6
4
12
4
12
2121212
0=-???=???
?
????-??
? ??=???
?????-+-+--??
? ??=-π
πλπλ 思考练习题4
1．腔长30 cm 的氦氖激光器荧光线宽为1500MHz ，可能出现三个纵横。用三反射镜法选取单纵横，问短耦合腔腔长(23L L +)应为若干。
答：L
L L c
??=+?2103)(2832μν＝短；
m L L L 2.02105.1329<+=?
11TEM ，22TEM 横模。若在腔内接近镜面处加小孔光阑选取横模，试问：
(1)如只使00TEM 模振荡，光阑孔径应多大？
(2)如同时使00TEM ，11TEM 模振荡而抑制22TEM 振荡，光阑孔径应多大？
答：(1)TEM 00模在镜面处的光斑半径为mm L s 20.02
.0106328.06=??==-π
πλω 所以光阑孔径应该为0.2mm
(2)TEM 11模在镜面处的光斑半径为mm m s s
35.02.0312=?=+='ωω
所以光阑孔径为0.35mm
5．用如图（4－33）所示的倒置望远镜系统改善由对称共焦腔输出的光束方向性。已知二透镜的焦距分别为f 1＝2.5cm ，f 2＝20cm ，0w ＝0.28mm ，11f l >>(L l 紧靠腔的输出镜面)，求
该望远镜系统光束发散角的压缩比。
图（4-33） 第5题
答：31.1125
.220
012=?==
'ωωf f M 7．设一声光偏转器，声光材料为碘酸铅晶体，声频可调制度为ν?＝300MHz 。声波在介质中的速度s υ＝3×103m/s ，而入射光束直径D ＝1mm ，求可分辨光斑数。 答：当声频改变ν?时，衍射光偏转的角度为：νμυλ
φ?=
?s
； 而高斯光束的远场发散角为：0
μπωλ
θ=
；
可分辨光斑数为：15710
3105.0103003
360
=?????=???=
?=
-πνωπνφ
φ
s
n 8．有一多纵模激光器纵模数是1000个，腔长为1.5m ，输出的平均功率为1W ，认为各纵模振幅相等。 （1）试求在锁模情况下，光脉冲的周期、宽度和峰值功率各是多少？
（2）采用声光损耗调制元件锁模时，调制器上加电压0cos 2u V ft π=。试问电压的频
8率f 为多大？
答：（1）周期s c L T 8
8
1010
35.122-=??==；宽度s N T 128100.51100021012--?≈+?=+=τ 峰值功率w I N I 6
2
02
100.412001)12(?≈?=+=
（2）频率Hz L c f 88
105
.121032=??==
9．钕玻璃激光器的荧光线宽F ν?＝7.5×1012Hz ，折射率为1.52，棒长l ＝20cm ，腔长L ＝30cm ，如果处于荧光线宽内的纵模都能振荡，试求锁模后激光脉冲功率是自由振荡时功率的多少倍。
答：Hz L c
88
107.3)1.02.052.1(21032?=+??==?μν；4100.2?≈??=ν
νF N 倍数＝N ＝20000倍
激光原理第一章答案
第一章 激光的基本原理 1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλΔ应是多少? 提示: He-Ne 激光 器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2 c d d d d ν νλνλλ =? ?=? λ 则 o o ν λ νλΔΔ= 再有 c c c L c τν == Δ得106.32810o o o c o c c L L λλνλνν?ΔΔ====× 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000MHz ν输出1W 连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： c P nh nh νλ==由此可得： P P n h hc λ ν= = 其中为普朗克常数，为真空中光速。 34 6.62610 J s h ?=×?8310m/s c =×所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ×=500nm λ时： 18-1=2.510s n ×=3000MHz ν时： 23-1=510s n ×3．设一对激光能级为2E 和1E (21f f =)，相应的频率为ν(波长为)，能级上的粒子数密度分别为n 和，求 λ21n (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当，T=300K 时，λ=1μm 21/?n n = (c) 当，n n 时，温度T=？ λ=1μm 21/0.1=解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则 2 211()exp exp exp b b n E E h h n k T k T k νb c T λ??????=?=?=?????? ???????? (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时： 3492 231 6.62610310exp 11.3810300n n ????×××=?≈??××? ? (b) 当，T=300K 时： λ=1μm 3482 2361 6.62610310exp 01.381010300n n ?????×××=?≈??×××??
华中科技大学激光原理2002-2015历年真题
华科考研激光原理2002--2015真题 2015年（839） 一、简单 1、激光产生的必要条件？ 2、激光的四种特性？选择一种说明其用途 3、谐振腔的稳区图，并写明稳定腔和非稳腔的位置 4、四能级系统速率方程和图示 二、共焦腔与一般稳定腔的对应计算 三、行波腔的均匀加宽和多普勒加宽的最大输出功率计算 四 2015激光原理（900） 一、简答题 1、△n 大于0，激光器是否能够产生自激振荡？ 2、光学谐振腔的结构和作用 3、共焦腔与一般腔的等价性 4、均匀加宽与非均匀加宽的特点 5、连续激光器从开始振荡到产生稳定输出增益系数的变化情况 6、光学模式以及横模和纵模 二、三能级四能级的本质区别，以及为什么四能级更容易产生粒子数反转
三、三能级能级示意图，速率方程 四、稳定腔，非稳腔，临界腔计算判断(很简单) 五，光线传输矩阵相关的题 2014年 一.解释题 1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15) 2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15) 4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15) 二．解答题 1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。 （1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。 （2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。 （3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ?，横模间隔m υ?,n υ?. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25) 3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。(20) 4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有：
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。
华中科技大学激光原理考研题库及复习资料
华中科技大学《激光原理》考研题库及答案 1．试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000m ，ν=3000MHz 的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为：188346 341105138.210 31063.6105.01063.61?=????=? ?= =---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1 ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=）则有：1]300 1038.11031063.6exp[2393412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 36 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 18 1221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且202110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918810084.51064.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000 m 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体
激光原理简答题(西南科技大学)
光学谐振腔的作用 1、提供正反馈（放大）作用（1）腔镜的反射率（吸收、透射少，反射率大；反之亦然）；（2）腔镜的形状及组合方式。 2、控制振荡光束，表现在三个方面（1）控制纵模的数目—光的模式少，光子的简并度高 （2）控制高阶横模—基模光强大、光斑小、发散角小（3）控制各种损耗—在增益一定的条件下，通过控制损耗来控制激光的输出。 横模的形成 a 、谐振腔中稳定的激光等效于任何波面的光通过一系相同列光栏后形成的自再现光场 b 、光栏有衍射，因此在光束的不同位置光将形成干涉叠加，这种稳定的叠加就形成了横模 c 、不同位置稳定场形成的条件不同，故而有不同频率。不同频率的横模的光场有不同的横向分布，它们是重叠在激光腔的同一空间内。 1、损耗的种类 （1）几何损耗：非平行轴的光线，折、反出腔外的损耗。 ① 光腔结构和尺寸影响的损耗；② 横模阶次的高低不同损耗不同。一般，高阶模的损耗大。 （2）衍射损耗：反射镜尺寸有限、腔中有插件，必有衍射。 ① 损耗与菲涅尔数N=a2/Lλ有关，该常数越小，损耗越大。② 与腔的几何结构有关，参数g=1-L/R 越小损耗越大。③ 与横模的阶次有关，阶次越高损耗越大。 （3）腔镜反射不完全引起的损耗 ① 反射镜吸收、散射引起的损耗；②反射镜的部分出射引起的损耗（对固体激光器可达50%） （4）非激活吸收、散射引起的损耗① 腔内加插件引起的损耗 a 、产生偏振光的布儒斯特窗口 b 、提高激光瞬间强输出功率的调Q 元件 c 、各种用途的加载调制元件 ② 非激活介质的吸收、散射 两个相同腔面共振漠视的积分方程 意义 腔内可能存在着得稳定的共振光波场，他们由一个腔面传播到另一个腔面的过程中虽然经受了衍射效应，但这些光波场在两个腔面处得相应振幅分布和相位分布保持不变，亦即共振光波场在腔内多次往返过程中始终保持自洽或自再现的条件。 方形镜共焦腔： 长椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成厄米多项式与高斯函数乘积的形式。 圆形镜共焦腔： 超椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。 单程衍射损耗 损耗随着菲涅耳系数N 的增大而迅速减小 菲涅耳系数相同时，不同横模的损耗不同，模的阶次越高，损耗越大； 共焦腔模的损耗要小于平面腔模的损耗，这是因为共焦腔对光束会聚作用的结果。 自再现模的衍射损耗小于均匀平面波的衍射损耗，因为自再现模的形成过程反应了衍射损耗的影响，从而使得边缘部分强度变小，衍射损耗的作用变小。 1 模式的损耗随菲涅耳数N 值的增大而急剧减小； 2 共焦腔损耗＜共心腔损耗＜平面腔损耗 3 基模的损耗<高阶模的损耗，模阶次越高，损耗越大； 稳定腔的优点：衍射损耗小 稳定腔的缺点：模体积小，利用的反转粒子数少， 平行平面腔的优点：模体积大 平行平面腔的缺点：调节精度很高 一、非稳定腔的优点和缺点： 非稳定腔的优点：大的可控模体积，通过扩大反射镜的尺寸，扩大模的横向尺寸； 可控的衍射耦合输出，输出耦合率与腔的几何参数g 有关；容易鉴别和控制横模； 易于得到单端输出和准直的平行光束。 非稳定腔的缺点：输出光束截面呈环状；光束强度分布是不均匀的，显示出某种衍射环。 高斯光束聚焦的方法(1)采用短焦距透镜，使f 尽量减小；(2)使入射高斯光束腰斑远离透镜焦点，满足： 若使一个稳定腔所产生的高斯光束与另一个稳定腔产生的高斯光束相匹配，需在合适的位置放置一个焦距适当的透镜，使两束高斯光束互为物象共轭光束。该透镜称为模匹配透镜。 f z
激光原理MOOC答案详解
1.2 1 谁提出的理论奠定了激光的理论基础？ ?A、汤斯 ?B、肖洛 ?C、爱因斯坦 ?D、梅曼 正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 2 氢原子3p态的简并度为? ?A、2 ?B、10 ?C、6 正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 3 热平衡状态下粒子数的正常分布为： ?A、处于低能级上的粒子数总是等于高能级上的粒子数?B、处于低能级上的粒子数总是少于高能级上的粒子数?C、处于低能级上的粒子数总是多于高能级上的粒子数正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 4 原子最低的能量状态叫什么？ ?A、激发态 ?B、基态 ?C、.亚稳态 正确答案：B 我的答案：B得分： 10.0分 5 对热辐射实验现象的研究导致了？ ?A、德布罗意的物质波假说 ?B、爱因斯坦的光电效应
?C、普朗克的辐射的量子论 正确答案：C 我的答案：A得分： 0.0分 6 以下关于黑体辐射正确的说法是： ?A、辐射的能量是连续的 ?B、黑体一定是黑色的 ?C、 辐射能量以hν为单位 正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 7 热平衡状态下各能级粒子数服从： ?A、A. 高斯分布 ?B、玻尔兹曼分布 ?C、正弦分布 ?D、余弦分布 正确答案：B 我的答案：B得分： 10.0分 8 以下说法正确的是： ?A、受激辐射光和自发辐射光都是相干的 ?B、受激辐射光和自发辐射光都是非相干的 ?C、受激辐射光是非相干的，自发辐射光是相干的 ?D、受激辐射光是相干的，自发辐射光是非相干的正确答案：D 我的答案：D得分： 10.0分 9 下列哪个物理量不仅与原子的性质有关，还与场的性质有关？?A、自发跃迁几率 ?B、受激吸收跃迁几率 ?C、受激辐射跃迁爱因斯坦系数 正确答案：B 我的答案：B得分： 10.0分 10
激光原理及技术习题答案
激光原理及技术部分习题解答（陈鹤鸣） 第一章 4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ?应当是多少？ 解：相干长度C c L υ = ?，υ?是光源频带宽度 85 3*10/3*101C c m s Hz L km υ?=== 22 510 8 (/) 632.8*3*10 6.328*103*10/c c c c nm Hz c m s λλυυυυλλλυλ-=??=?=???=?== 第二章 4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？ 解： T k E E b e n 121 2 n -- = 其中1 2**E E c h E c h -= ?=λ ν λ h c h == ?*E （1）
（2） 10 * 425 .121 48 300 * 10 * 38 .1 10 10 *3 * 10 * 63 .6 1 223 6 8 34 ≈ = = = =- - - - - - - e e e n n T k c h b λ （3） K n n k c h b 3 6 23 8 34 1 2 10 * 26 .6 )1.0( ln * 10 * 10 * 8 .3 1 10 *3 * 10 * 63 .6 ln * T= - = - = - - - λ 9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数1 01 .0- =mm α (2) 0 1 01 100 366 0I . e I e I e I I. z= = = =- ? - α 即经过厚度为0.1m时光能通过36.6% 10.解：
激光原理简答题整理
1.什么是光波模式？ 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。 2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？ 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:相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。 3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？ 答:光子简并度:处于同一光子态的光子数称为光子简并度。光子简并度有以下几种相同含义: 同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。联系: 激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。 4.什么是黑体辐射？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。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。 5.描述能级的光学跃迁的二大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。 答：(1)自发辐射:处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。 特征：a)自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程，无需外来光。b)每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为V，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。自发跃迁爱因斯坦系数： (2)受激吸收:处于低能态的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。 特征：a)只有外来光子能量时，才能引起受激辐射。 b)跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的有关。受激吸收跃迁概率：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为辐射场） (3)受激辐射:处于上能级的原子在频率为的辐射场 作用下，跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。 受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。特征：a) 只有外来光子能量时，才能引起受激辐射；b)受激 辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、 偏振方向、相位等性质完全相同。受激辐射跃迁概 率：（为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场） 6.激光器速率方程中的系数有哪些？它们之间的 关系是什么？ 答：自发跃迁爱因斯坦系数，受激吸收跃迁爱因斯 坦系数，受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系： 7.激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是 什么？ 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跃状态，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馈； 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。 8.什么是热平衡时能级粒子数的分布？什么是粒 子数反转？如何实现粒子数反转？ 答:热平衡时能级粒子数的分布:在物质处于热平衡 状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔 兹曼分布。粒子数反转:使高能级粒子数密度大于低 能级粒子数密度。 如何实现粒子数反转:外界向物质供给能量（称为激 励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。 9.如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信 号增益？增益饱和？ 答??激光增益定义:表示光通过单位长度激活物质 后光强增长的百分数。小信号增益:当光强很弱时， 集居数差值不随z变化，增益系数为一常数，称为 线性增益或小信号增益。大信号增益: 在放大器中 入射光强与（为饱和光强）相比拟时，，为大信号 增益。增益饱和:当光强足够强时，增益系数g也随 着光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。 10.什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什 么？答:自激振荡:不管初始光强多么微弱，只要放 大器足够长，就总是形成确定大小的光强，这就是 自激振荡的概念。 产生条件: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。 11.激光的基本特性是什么？ 答:激光四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。 这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。 12.如何理解激光的空间相干性与方向性？如何 理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光 强？ 答：（1)激光的方向性越好，它的空间相干性程度 越高。（2)激光的相干时间和单色性存在着简单关 系，即单色越好，相干时间越长。（3)激光具有很 高的亮度，激光的单色亮度，由于激光具有极好的 方向性和单色性，因而具有极高的光子简并度和单 色亮度。 13.什么是谐振腔的谐振条件？如何计算纵模的 频率、纵模间隔和纵模的数冃？ 答：（1)谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干涉 条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔 内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同 相（即相差为的整数倍）。如果以表示均匀平面波 在腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为。A 为光在真空中的波长，L为腔的光学长度，q为正 整数。 (2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目、 纵模的频率、纵模间隔： 纵模的数目：对于满足谐振条件频率为的波，其纵 模数目，为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的 那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽）。 14.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:a、几何偏折损耗：与腔的类型、腔 的几何尺寸、模式有关。b、衍射损耗：与腔的菲涅 尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。c、腔镜反射 不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。 d、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。 15.哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关 系如何？（P29-31) 答：(1)描述参数:a)平均单程损耗因子：（为初始 光强，为往返一周后光强）b)腔内光子的平均寿命： c)品质因数：⑵去重：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。 16.如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？ 答：开腔镜面上，经过足够多次往返后，能形成这 样一种稳恒场，其分布不再受衍射的影响，在腔内 往返一次能够再现出发时的场分布。这种稳恒场经 一次往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场 分布按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小 的滞后。把这种开腔镜面上的经一次往返能再现的 稳恒场分布称为开腔的自再现模。 17.求解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分方程得到的本 征函数和本征值各代表什么？ 答：本征函数:描述腔的一个自再现模式或横模。其 模描述镜面上场的振幅分布，幅角描述镜面上场的 相位分布。本征倌:表示自再现模在渡越一次时的幅 值衰减和相位滞后。其模值量度自再现模在腔内往 返一次的功率损耗，幅角量度自再现模的单程相移， 从而也决定模的谐振频率。
激光原理复习题(考研可参考)
第一章 电磁波 1. 麦克斯韦方程中 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； ⑶由方程组中的2式可知，在真空中，，J =0，则有 *B 0 0卡 ；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 激光原理复习题 B 0J .E .B B t E 0 0 t / 0 0
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
激光原理考试基本概念
第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 19、自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几 第七章 激光特性的控制与改善 习题 1．有一平凹氦氖激光器，腔长0.5m ，凹镜曲率半径为2m ，现欲用小孔光阑选出TEM 00模，试求光阑放于紧靠平面镜和紧靠凹面镜处的两种情况下小孔直径各为多少？(对于氦氖激光器，当小孔光阑的直径约等于基模半径的3.3倍时，可选出基模。) 解：腔长用L 表示，凹镜曲率半径用1R 表示，平面镜曲率半径用2R 表示，则 120.5m ,2m ,L R R ===∞ 由稳定腔求解的理论可以知道，腔内高斯光束光腰落在平面镜上，光腰半径为 0121 4 1 ()] 0.42m m w L R L = = -≈ 共焦参量为2 207 0.420.87m 632810 w f ππλ -?= = ≈? 凹面镜光斑半径为 10.484m m w w w ==≈ 所以平面镜端光阑直径为 03.3 1.386m m D w =?=平 凹面镜端光阑直径为 13.3 1.597m m D w =?=凹 2．图7.1所示激光器的M 1是平面输出镜，M 2是曲率半径为8cm 的凹面镜，透镜P 的焦距F =10cm ，用小孔光阑选TEM 00模。试标出P 、M 2和小孔光阑间的距离。若工作物质直径是5mm ，试问小孔光阑的直径应选多大？ 图 7.1 1 2 解：如下图所示： 1 2 P 小孔光阑的直径为： 3 1.0610100 2 2mm 0.027mm 2.5 f d a λππ-??==? ≈? 其中的a 为工作物质的半径。 3．激光工作物质是钕玻璃，其荧光线宽F ν?=24.0nm ，折射率η=1.50，能用短腔选单纵模吗？ 解：谐振腔纵模间隔 2 22q q c L L νηλ λη?=?= 所以若能用短腔选单纵模，则最大腔长应该为 2 15.6μm 2L λ ηλ = ≈? 所以说，这个时候用短腔选单纵模是不可能的。 6．若调Q 激光器的腔长L 大于工作物质长l ，η及' η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，试求峰值输出功率P m 表示式。 解：列出三能级系统速率方程如下： 2121 (1) 2 (2) R dN l N cN n dt L d n N n dt στσυ=?-'?=-? 式中，()L l L l ηη''=+-，η及' η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，N 为工作物质中的平均光子数密度，/,/R c L c υητδ'==。 由式(1)求得阈值反转粒子数密度为： 第一章激光的基本原理 1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλ?应是多少? 提示: He-Ne 激光 器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2 c d d d d ννλνλλ λ =- ?=- 则 o o ν λ νλ??= 再有 c c c L c τν == ?得 10 6.32810 o o o c o c c L L λλ ν λνν-??= = = =? 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000M H z ν输出1W 连续功率,问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少? 解:设输出功率为P ,单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ,则: 由此可得: 其中34 6.62610 J s h -=??为普朗克常数,8 310m/s c =?为真空中光速。 所以,将已知数据代入可得: =10μm λ时: 19-1 =510s n ?=500nm λ时: 18-1 =2.510s n ?=3000M H z ν时: 23-1=510s n ? 3.设一对激光能级为2E 和1E (21f f =,相应的频率为ν(波长为λ,能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ,求 (a 当ν=3000M H z ,T=300K 时,21/?n n = (b 当λ=1μm ,T=300K 时,21/?n n = (c 当λ=1μm ,21/0.1n n =时,温度T=? 解:当物质处于热平衡状态时,各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则 (a 当ν=3000M H z ,T=300K 时: (b 当λ=1μm ,T=300K 时: c P nh nh νλ ==P P n h hc λν = 华科考研激光原理2002--2014真题 2013年 一、简答： 1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。 2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。 3.试写出二能级的速率方程。并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。 4.说出三种粒子跃迁的方式。并给出各自的特点。 5.什么是增益饱和，在激光器增益中的作用。 二、 三、就是那个三个镜的三角环形腔，周版书上的原题，求腔的稳定性。 四、激光模式的匹配。两个平凹腔，分别给出腔长和半径，先计算稳定性，再求透镜放在两腔之间什么地方以及透镜的焦距才能实现两高斯光速的匹配。五、大信号增益。 （1）给出初始光强I0>> 饱和光强Is，和腔长L求输出光强； （2）求极限光输出功率（单位输出面积的）。 2012年 题型：简答题5个，一个10分。计算4个，一个25分。 一、简答： 1，什么是兰姆凹陷，说明形成条件。 2，何为激光模式，解释横模、纵模。 3，反转粒子数密度大于零时，是否能形成稳定振荡，说明理由。 4，非均匀加宽和均匀加宽各有什么特点？ 5，高斯光束有什么特点？ 二、计算： 1、某谐振腔中除两反射镜外所有光学元件的矩阵元是(A B C D)（2*2矩阵），求证其稳定性条件为0 2011年 一、简要回答下列问题 1.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性？ 2.简要描述三能级和四能级系统形成反转粒子数的区别，三能级系统形 成反转粒子数为什么比四能级系统要困难，试举例三能级和四能级激 光器各一种，并说明波长。 3.简述非稳腔的优缺点，画出实共焦望远镜的几何自再现波形。 4.分析均匀加宽固体激光器的模式竞争。 二、求所示谐振腔的稳定性 三、一种三能级系统激光器，其S32=5*106s-1, S21=0, A21=3*102s-1, A31=3*106 s-1, g1=g2, 腔只存在一个谐振模，不计各种损耗： a）求在外界泵浦情况下，该激光器的激光形成过程； b）列出完整的速率方程； c）稳态时，如果介质激光上下能级粒子数相等，则应为多少？ 激光原理考试基本概念 https://www.360docs.net/doc/fc6825426.html,work Information Technology Company.2020YEAR 第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）； d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 EE125Principles of Lasers Prof.Cheng Wang ShanghaiTech University Homework1 Note: ?Please try to?nish the homework on your own.Discussion is permissible,but identical submissions are unacceptable! ?Please prepare your submission in English only.No Chinese submission will be accepted. ?Please submit your homework in PDF?le to yanht@https://www.360docs.net/doc/fc6825426.html, with subject EE125HW1ID NAME. ?Please submit on time.NO late submission will be accepted. 1.1If the laser have a continuous output power of1W when(a)λ=10μm,(b)λ=500nm and(c)ν=3000MHz,what is the population each second N that are transition from E2to E1? 1.2If levels1and2of Fig.1.2are separated by an energy E2?E1such that the corresponding frequency isν(the wavelength isλ),the carrier density of each level is N2and N1.Assume that the two level have the same degeneracy. (a)Whenν=3000MHz,T=300K,calculate the ratio N2/N1. (b)Whenλ=1μm,T=300K,calculate the ratio N2/N1. (c)Whenλ=1μm,N2/N1=0.1,calculate T. Figure1.2 1/2 第1页 哈尔滨工业大学 共4页 二O—O年硕士研究生入学考试试题 考试科目：激光原理报考专业：物理电子学 考试科目代码：[817 ] 是否允许使用计算器：[是] 考生注意：答案务必写在答题纸上，并标明题号。答在试题上无效。 物理常数： 真空中光速c=3x 108[m/s] 普朗克常数h=6.626x 10-34[j?s] 电子电荷e=1.6x 10-19[c] 玻耳兹曼常数k=1.38 X0-23 [J/K] 一?填空(每空2分，共40分，按(1)、(2)……(20)顺序写在答题纸上) 1 ?频率为v温度为T的黑体辐射光源的光子简并度n=[ (1)]，模密度n v= [ (2)] 2. 红宝石激光器常用的发射波长为[⑶]nm ,其激光形成过程包括：Cr3+的受激吸收、 [(4)]、粒子数反转状态的形成、[(5)]、受激发射、在谐振腔的作用下产生激光。 3?增益饱和的物理机制为：当激光腔内光强I v增加时，由于强烈的受激发射导致[⑹] 减小，致使增益系数下降。均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(7)];非均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(8)]。 4?若某激光器的损耗系数为0.1cm-1，贝U达到激光振荡的阈值条件时增益系数G二 第2页[(9) ] cm-1;当四能级系统的受激发射截面为5X10-15cm2时，激光上能级粒子数密 共4页 度阈值n3t?(10) ］cm-3。 5?无源腔损耗描述参数中，光子的平均寿命T R与平均单程损耗因子S 的关系式为：［(11)］，品质因数(Q值)与光子的平均寿命T R的关 系式为：［(12)］ 6. 某高斯光束焦参数为f=1m，将焦距F=1m的凸透镜置于其腰右方l=2m处，计算经透 镜变换后的像光束的焦参数f为［(13)］及其腰距透镜的距离I为［(14)］。 7. 任意一个共焦球面腔与［(15)］个稳定球面腔等价；任一满足稳定性条件的球面腔 ［(16)］等价于某一个共焦腔。 8. 选横模的物理基础是：不同横模的［(17)］损耗不同，高阶横模比基模损耗［(18)］， 以此来抑制高阶横模，而只保留TEM 00模。 9. 激光工作物质的净增益线宽内包含有(2N+1)个纵模，假设各个纵模振幅均相等为E o, 如果锁模输出，其两个主脉冲(极大值)之间的时间间隔为［(19)］，锁模脉冲宽度为［(20)］。 二.简要回答下列问题(每题4分，共40分) 1. 原子的受激发射概念、受激发射系数和受激发射几率之间的关系式。 2. 什么是激光？与荧光光源相比激光有哪些特性？ 3. 三能级系统的缺点。 4. 激光为什么具有很好的单色性？ 5. 原子谱线非均匀加宽的特点、类型和线型。 6. 均匀加宽激光器中模的竞争概念。 7. 简述描述高斯光束的(f，z)参数、(3，R)参数、q参数之间的关系 8. 简述激光行波放大器设计中要重点考虑的几个问题。 9 .声光调Q工作原理。 2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1．填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性 为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？ 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么？ 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响？ 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模激光原理第七章答案
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