激光原理第一章答案.
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 2cd d d d ννλνλλ=−⇒=−λ 则 ooνλνλΔΔ=再有 c c c L c τν==Δ得106.32810o o o c o c cL 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：cP nh nh νλ==由此可得： PP n h hcλν==其中为普朗克常数，为真空中光速。
346.62610J 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2211()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：3492231 6.62610310exp 11.3810300n n −−⎛⎞×××=−≈⎜⎟××⎝⎠(b) 当，T=300K 时： λ=1μm 34822361 6.62610310exp 01.381010300n n −−−⎛⎞×××=−≈⎜⎟×××⎝⎠(c) 当，n n 时：λ=1μm 21/0.1=C 3+r −×cm348323612 6.62610310 6.2610K ln(/) 1.381010ln10b hc T k n n λ−−−×××===××××4. 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
EE125_HW1激光原理第一章作业答案
EE125Principles of LasersProf.Cheng WangShanghaiTech UniversityHomework1Note:•Please try tofinish 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 PDFfile to yanht@ with subjectEE125HW1ID 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.Figure1.21/21.3A laser cavity consists of two mirrors with reflectivities R1=1and R2=0.5 while the internal loss per pass is L i=1%.Calculate the total logarithmic losses per pass.If the length of the active material is l=7.5cm and the transition cross section isσ=2.8×10−19cm2,calculate then the threshold inversion.1.4Consider a He-Ne laser,in order to make the coherence length equal to1km, what is the monochromaticity∆λ/λ0?(Hint:the output center wavelength of He-Ne laser isλ0=632.8nm)1.5The beam from a ruby laser(λ∼=694nm)is sent to the moon after passing through a telescope of1m diameter.Calculate the approximate value of beam diameter on the moon assuming that the beam has perfect spatial coherence(the distance between earth and moon is approximately384,000km).1.6The brightness of probably the brightest lamp so far available(PEK Labs type 107/109,excited by100W of electrical power)is about95W/(cm2·sr)in its most intense green line(λ=546nm).Compare this brightness with that of a1W Argon laser(λ=514.5nm),which can be assumed to be diffraction limited(Hint:β=1.22for plane wave).2/2。
激光原理课后习题
激光原理课后习题第1章习题1. 简述激光器的基本结构及各部分的作用。
2. 从能级跃迁角度分析，激光是受激辐射的光经放大后输出的光。
但是在工作物质中，自发辐射、受激辐射和受激吸收三个过程是同时存在的，使受激辐射占优势的条件是什么？采取什么措施能满足该条件？3. 叙述激光与普通光的区别，并从物理本质上阐明造成这一区别的原因。
4. 什么是粒子数反转分布？如何实现粒子数反转分布？5. 由两个反射镜组成的稳定光学谐振腔腔长为m，腔内振荡光的中心波长为 nm，求该光的单色性/的近似值。
6. 为使He-Ne激光器的相干长度达到1 km，它的单色性/应是多少？7. 在2cm3的空腔内存在着带宽为 nm，波长为m的自发辐射光。
试问：（1）此光的频带范围是多少？（2）在此频带范围内，腔内存在的模式数是多少？（3）一个自发辐射光子出现在某一模式的几率是多少？8. 设一光子的波长为510-1 m，单色性/=10-7，试求光子位置的不确定量x。
若光子波长变为510-4 m（X射线）和510-8 m（射线），则相应的x又是多少？9. 设一对激光（或微波辐射）能级为E2和E1，两能级的简并度相同，即g1=g2，两能级间跃迁频率为（相应的波长为），能级上的粒子数密度分别为n2和n1。
试求在热平衡时：（1）当=3000 MHz，T=300 K时，n2/n1=?（2）当=1 m，T=300 K时，n2/n1=?（3）当=1 m，n2/n1=时，T=?为1kHz，输出功率P为1 mW的单模He-Ne 10. 有一台输出波长为 nm，线宽s为1 mrad，试问：激光器，如果输出光束直径为1 mm，发散角（1）每秒发出的光子数目N 0是多少？（2）该激光束的单色亮度是多少？（提示，单模激光束的单色亮度为20)(πθννs A PB ?=） 11. 在2cm 3的空腔内存在着带宽为110-4 m ，波长为510-1 m 的自发辐射光。
试问：（1）此光的频带范围是多少？（2）在此频带宽度范围内，腔内存在的模式数是多少？（3）一个自发辐射光子出现在某一模式的几率是多少？第2章习题1. 均匀加宽和非均匀加宽的本质区别是什么？2. 为什么原子（分子，离子）在能级上的有限寿命会造成谱线加宽？从量子理论出发，阐明当下能级不是基态时，自然线宽不仅和上能级的自发辐射寿命有关，而且和下能级的自发辐射寿命有关，并给出谱线宽度与激光上、下能级寿命的关系式。
激光物理简答题
第一章激光器的基本原理1、问：产生激光的条件是什么？(戴大鹏)答： 1.受激辐射是激光产生的必要条件； 2.要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级，这是产生激光的第二个条件； 3.选择适当的物质，使其在亚稳态能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子束反转，这是形成激光的第三个条件；4.激光中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向是杂乱无章的。
要使得频率单纯，方向集中，就必须有一个谐振腔，这是形成激光的第四个条件；5. 只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子要多得多，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。
2、问：什么是粒子数反转？(钟双金)粒子数反转 (population inversion )是激光产生的前提。
两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。
在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律，这种情况得不到激光。
为了得到激光，就必须使高能级 E2 上的原子数目大于低能级 E1 上的原子数目，因为 E2 上的原子多，发生受激辐射，使光增强(也叫做光放大) 。
为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态 E2，处于高能级 E2 的原子数就可以大大超过处于低能级 E1 的原子数。
这样就在能级 E2 和 E1 之间实现了粒子数的反转。
实现粒子数反转的条件：通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。
3、什么叫纵模、横模？由谱线宽度和腔长来估算可能振荡的纵模数目答案：光场在腔内的纵向和横向分布分别叫做纵模和横模。
横模数目 n=谱线宽度/c纵模数目 n=谱线宽度/ (c/2*腔长 L)第二章激光器的速率方程理论答案：第三章 密度矩阵1：考虑衰减过程、原子的泵浦或激发过程，写出在初始光场为零时的光学布洛 赫方程并说明各项含义。
激光原理部分课后习题答案
µ
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练习： 思考练习题2第 题 练习： （思考练习题 第9题）.
第 二 章
§ 2 4 非 均 匀 增 宽 型 介 质 的 增 益 系 数 和 增 益 饱 和 .
连 续 激 光 器 的 原 理
µ hν 0 f (ν 0 ) πc∆ν c I s (ν 0 ) = hν 0 σ e (ν 0 ) ⇒ I s (ν 0 ) = 2 µτ σ e (ν ) = ⇒ ∆n σ e (ν 0 )τ 2 µ f (ν 0 ) = G (ν ) = ∆nB21 hνf (ν ) π∆ν c hν 0 （2） I s (ν 0 ) = σ e (ν 0 )τ ⇒ 2 c f (ν 0 ) σ e (ν 0 ) = 2 8πν 0 µ 2τ hν 0 4π 2 hcµ 2 ∆ν I s (ν 0 ) = = = 3.213 × 10 5 W / cm 2 σ e (ν 0 )τ λ3 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 二 章
§ 2 4 非 均 匀 增 宽 型 介 质 的 增 益 系 数 和 增 益 饱 和 .
练习： 思考练习题2第 题 练习： （思考练习题 第6题）. 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)。
∆ν 2 0 ) ]G (ν ) G (ν ) 2 = G (ν ) = I f (ν ) I ∆ν 2 1+ (ν − ν 0 ) 2 + (1 + )( ) I s f (ν 0 ) Is 2
.
I ( z ) = I ( 0) e
− Az
I ( z) 1 − 0.01⋅100 ⇒ =e = = 0.368 I ( 0) e
激光原理第一章
其中 m, n, q = 0, 1, 2, · · · 分别代表沿三边所含的半波数目。这时波矢 ⃗ k 所满足应满足 kx = m π , ∆x ky = n π , ∆y kz = q π ∆z
每一组 m, n, q 对应腔内的一种模式（包含两个偏振） 。 在由 kx , ky , kz 所张开的波矢空间中，每个模式对应一个点，所有模式点呈周期性排列。每一模式沿 kx , ky , kz 三个方向与相邻模式的间隔分别为 ∆kx = π , ∆x ∆ky = π , ∆y ∆kz = π ∆z
证明： k 区间的模式数。 k ∼ ⃗ k +d⃗ • 首先考虑，波矢大小处于 ⃗ 在波矢空间中，波矢大小处于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的体积为 4π ⃗ k d⃗ k 对于驻波模来说所有模式点只位于 kx ky kz 直角坐标系的第一个 1/8 相限，再考虑到一个空间模 式包含 2 个偏振模。因此，波矢大小位于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的模式数为 ⃗ ⃗ 1 4π k d k 2× π3 8 V • 然后再考虑，频率位于 ν ∼ ν + dν 区间内的模式数。 2π 2π 2π 2π 由于 ⃗ ν ，因此频率范围 ν ∼ ν + dν 对应波矢大小位于区间 ν∼ ν+ dν ，该区 k = c c c c 间在波矢空间所对应的体积为 4π 2 2π 4π 2 ν 2 dν c c 因此，其中的模式数为 2× 1 4π 8 4π 2 2 2π ν dν 8πν 2 c2 c = V dν π3 c3 V
于是工作物质的增益系数为 g = α + ln (2.72)/l = 0.2 cm−1 。
第一章
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激光原理及应用1-6章部分课后答案
激光原理及应用部分课后答案1-4为使He-Ne 激光器的相干长度达到1KM ，它的单色性0λλ∆应是多少？2-2当每个模式内的平均光子数（光子简并数）大于1时，以受激辐射为主。
2-3如果激光器和微波激射器分别在um 10=λm 500n =λ和z 3000MH =ν输出1W 连续功率，问美秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？2-4当一对激光能级为E2和E1（f1=f2），相应的频率为v （波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1,q 求：（1）当v=3000MHZ ，T=3000K 时，n2/n1=？（2）当λ=1um ，T=3000K 时，n2/n1=？（3）当λ=1um ，n2/n1=0时，温度T=？解：2-5激发态的原子从能级E2跃迁到E1时，释放出λ=5um的光子，求这个两个能级的能量差。
若能级E1和E2上的原子数分别为N1和N2，试计算室温T=300K的N2/N值。
2-7如果工作物质的某一跃迁是波长为100nm的远紫外光，自发辐射跃迁概率1621s10-=A，试问：（1）改跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B21是多少？（2）为使受激辐射跃迁概率比自发辐射跃迁概率大三倍，腔内的单色能量密度νρ应为多少？2-9某一物质受光照射，沿物质传播1mm的距离时被吸收了1%，如果该物质的厚度是0.1m,那么入射光中有百分之几能通过该物质？并计算该物质的吸收系数α。
2-10激光在0.2m 长的增益介质中往复运动过程中，其增强了30%。
求该介质的小信号增益系数0G 。
假设激光在往复运动中没有损耗。
3-2CO2激光器的腔长L=100cm,反射镜直径D=1.5cm,两镜的光强反射系数分别为r1=0.985,r2=0.8.求由衍射损耗及输出损耗所分别引起的δ，τ。
3-4，分别按下图中的往返顺序，推导近轴光线往返一周的光学变换矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D C B A ，并证明这两种情况下的）（D A +21相等。
激光原理作业答案
J / K *300K
47.99
21
n1
h c
(3)n2
e
kT
T
h c
6252.9K
n1
k ln
n2 n1
解
2：
n2
E2 E1
e kbT
其中
h*c
h*c
n1
E E2 E1
E h *c h
（1） n e e e 1 2
h*c kb *T
6.63*1034 *3*109 1.38*10 23 *300
*
8
*
3.14 * 6.63 *1034 (6*107 )3
7.71*105 s1
s
1 A21
1.297 *106 s
（3） 60nm时 A21 7.71*108 s1
（4） 0.6nm时 A21 7.71*1014 s1
（5） v
I S
10 106
105 w / m2
W 21 B21 * 1019 *105 1014 m * s3
目录
第一章 ..............................................................................................................................................2 第二章 ..............................................................................................................................................2 第三章 ..............................................................................................................................................7 第四章 ............................................................................................................................................17 第五章 ............................................................................................................................................28 第六章 ............................................................................................................................................30 第七章 ............................................................................................................................................31 第八章 ............................................................................................................................................32 第九章 ............................................................................................................................................33
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10ns ,求激光的最大能量输出和脉冲功率。解:红宝石激光器输出中心波长为694.3nm λ=激光的最大能量2
9
3.410
4
d
c
W Nh n lh
J νπ
λ
-===⨯
脉冲功率0.34W P W t
==
5.试证明,由于自发辐射,原子在2E能级的平均寿命为2
c
P nh nh νλ
==P P n h hc
λν
=
=
2
211(exp exp exp b b b n E E h hc n k T k T k T νλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫
-=-=-=- ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭
3492
231 6.62610310exp 11.3810300n n --⎛⎫
⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⎝
24422/1106100.06n n A τ-==⨯⨯⨯=
78
34433/51010
0.5n n A τ-==⨯⨯=
比较可知,在能级2E和3E、2E和4E、3E和4E之间实现了粒子数反转。
7.证明,当每个模式内的平均光子数(光子简并度大于1时,辐射光中受激辐射占优势。解:光子简并度1E n h ν
解:(1由((
1dI z dz
I z α=-
得((z I z I α-=e x p 0
所以出射光强与入射光强之比为
8
47
4
434241
111 1.110s
910
A A A A τ-=
=
=
≈⨯++⨯4
所以出射光强只占入
射光强的百分之三十七。
(2初始光很弱,则对应小信号增益(0
0exp I z I g z =则
=
>和单色能量密度N E n E V d ννρν
=
=则
1E n h n h ν
ν
ρν
ν==
>再有
2121A n h B νν=得
212121
21
1B W E n h n h A A ν
ννρρν
ν
=
=
=
=>
所以辐射光中受激辐射占优势
8.(1一质地均匀的材料对光的吸收系数为-1
0.01mm ,光通过10cm长的该材料后,出射光强为入射光强的百分之几?(2一束光通过长度为1m的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍,试求该物质的增益系数(假设光很弱,可不考虑增益或吸收的饱和效应。
t s νλ
=
=,联立(1(2可解得2697T K =.
说明:解题时涉及激光器波长或物理常数未给出时,查课本附录。
0.01100
1
out in
e
e
e
0.37
l
I I α--⨯-===≈1out in 1
ln ln 20.69m I g l I -⎛⎫=
=≈ ⎪⎝⎭
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
W P t N h N h νλ
===
则每秒发出的光子数为15
1
3.210Pt P N s
c
hc
hλλLeabharlann -===⨯=
(25
2
2
4.0510s P P B W m
s A A νννπθ
-=
==⨯⋅⋅∆∆Ω
∆
(3黑体辐射普朗克公式3
/3
811
b h k T
h c
e
ννπνρ=
- (1
再有已知0(/s N h A ct N νρνν=∆=(2其中, 1c
即该物质的增益系数约为10.69m -。
9.有一台输出波长为632.8nm ,线宽s ν∆为1KHz,输出功率P为1mW的单模氦氖激光器。如果输出光束直径是1mm ,发散角0θ为1mrad。试问(1每秒发出的光子数目0N是多少?
(2该激光束的单色亮度是多少?
(3对一个黑体来说,要求它从相等的面积上和相同的频率间隔内,每秒发射出的光子数到与上述激光器相同水平时,所需温度应为多高?解:(1根据c
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:
时所用的时间,即1
220(n t n e -=(2,用字
母2
s τ表示。
比较(1(2两式可知,2
211s A τ=,即: 2
21
1s A τ=
。
6.某一分子的能级4E到三个较低能级1E、2E和3E的自发跃迁几率分别是7-1
43510s A =⨯,
7-142110s A =⨯和7-141310s A =⨯,试求该分子4E能级的自发辐射寿命4τ。若7
⎭348
2
2361 6.62610310exp 01.381010300n n ---⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⨯⎝⎭
(c当λ=1μm ,21/0.1n n =时:
4.在红宝石调Q激光器中,有可能将几乎全部3
+r C离子激发到激光上能级并产生激光巨脉
冲。设红宝石棒直径为1cm ,长度为7.5cm ,3
21
1s A τ=
。
证明:自发辐射跃迁几率21212
1
sp dn A dt n ⎛⎫=
⎪
⎝⎭,再有212sp
dn dn dt dt ⎛⎫=- ⎪
⎝⎭所以2212n A dt
dn -=分离变量,积分
220
(2210
2
n t t n dn A dt n =
-⎰
⎰
可得: (22021(e x p n t n A t =- (1再有能级寿命为粒子数下降到初始值的1e
b h
c T k n n λ---⨯⨯⨯=
=
=⨯⨯⨯⨯
解:该分子4E能级的自发辐射寿命4τ为:
在连续激发达到稳态时,则有1230n n n ∆=∆=∆=即对能级3E、2E和1E分别有:
44333/n A n τ=
44222/n A n τ= 44111/n A n τ=
所以可得:
7
7
14411/31051015n n A τ-==⨯⨯⨯= 79
1510
s τ-=⨯,
9
2610s τ-=⨯,8
3110s τ-=⨯,在对4E连续激发并达到稳态时,试求相应能级上的粒子数比值
14/n n、24/n n和34/n n ,并回答这时在哪两个能级间实现了集居数反转。
34
8
3
23
6
12 6.62610310
6.2610K
ln(/
1.3810
10
ln 10
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