激光原理课后习题 陈鹤鸣 赵新彦

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激光原理及应用课件—陈鹤鸣第12章 激光与物质的相互作用

激光原理及应用课件—陈鹤鸣第12章 激光与物质的相互作用

增加。
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20
12.4.3 液体、固体的光化学反应
一般而言,液体中的反应效率比气体中的要小(这里 额效率是指量子吸收量,用单个光子的反应比例表 示)。这是因为能量迁移造成了驰豫,产生了再复合 的逆反应。
光子的能量一部分用于光解离,一部分转变为热能。 一旦产生解离,周围的溶质争相返回形成再复合,称 为“回笼效应”,这也是溶液等物质的量子吸收量变 小的另一个原因
热反应是正向反应; 激光引起的光化学反应通过有效地进行分子(原子)选 择、反应场或空间的选择以及微粒子操作等方式,即使 在不升高温度的情况下也可以发生
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15
12.4.1 激光切断分子
切断分子的第一步是使分子吸收光,称之为激励光子。 切断分子的首要条件使分子具备的能量要大于解离能, 因此激光切断分子的过程也称为光解离反应。
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1. 直接解离
由于处于分子结合间的电子偏离位置不同,从而 形成结合和反结合轨道的电子状态。在结合轨道存 在极小的能量值。相反,反结合轨道对于分离态来 说是比较稳定的轨道。在激光作用下,分子一旦被 激励到反结合轨道,分子结合键便会瞬间断裂,这 就是直接解离。
在解离过程中,光激励时间非常短,只有飞秒级, 因此,电子在接收能量的过程中,相对较重的原子 核处于近似静止的状态。切断结合键的激光光子能 量必须大于分离能。
使材料处于松散状态,致使材料蒸发。 光化学效应蒸发的必要条件:光子的能量 > 分子的结合能。
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12.4 激光诱导化学过程
半导体芯片是经过了许多的薄膜加工过程制作而成的。在 热分解、等离子体、离子束等能源作用下,分子首先被分 解,然后再重新组合制成薄膜,这一过程分别称为热过程、 等离子体过程等。如果使用激光,薄膜可以做得更微细、 杂质含量更少。而这一过程是从化学反应开始的,称为激 光诱导化学过程。

激光原理课后习题

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。

激光原理课后习题-陈鹤鸣-赵新彦精选全文完整版

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1.3 什么是时间相干性和空间相干性?怎样定义相干时间和相干长度?时间相干性:光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性,描述的是光束传播方向上的各点的相位关系,与光束单色性密切相关。

空间相干性:光场中不同的空间点在同一时刻的光场的相干性,描述的是垂直于光束传播方向的平面上各点之间的相位关系,与光束方向性密切相关。

相干时间t c,即光传播方向上某点处可以使不时刻光波场之间有相干性的最大时间间隔。

相干长度L c指的是可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔。

二者实质上是相同的。

L c=t c∙c=C∆ν1.4 为使He-Ne激光器的相干长度达到1Km,它的单色性∆λ/λ0应是多少?L c=C∆ν⁄=1Km ∆ν=3×105Hz∆λλ0=∆νν0=∆νc∙λ0=6.328×10−112.3 如果激光器和微波激射器分别在λ=10μm、λ=500nm和ν=3000MHz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?W=Pt=nhν当λ=10μm时, ν=cλ=3×1013Hz n=5.03×1019当λ=500nm时,ν=cλ=6×1014Hz n=2.51×1018当ν=3000MHz时,n=5.03×10232.4 设一对激光能级为E2和E1(f2=f1),相应频率为ν(波长为λ),能级上的粒子数密度分别为n2和n1,求:(1)当ν=3000MHz,T=300K时n2n1⁄=?(2)当λ=1μm,T=300K时n2n1⁄=?(3)当λ=1μm,n2n1⁄=0.1时,温度T=?(1)E2−E1=hν=1.99×10−24 J k b=1.38×10−23J K⁄n2 n1=f2f1e−(E2−E1)k b T=0.9995(2)同理得n2n1⁄=1.4×10−21(3)同理得T =6.26×103K2.10 激光在0.2m 长的增益介质中往复运动的过程中,其强度增加了30%。

激光原理及应用课件—陈鹤鸣第7章 激光特性的控制与改善

激光原理及应用课件—陈鹤鸣第7章 激光特性的控制与改善

e TEM00 模: g00ol r1r2 (1 00 ) 1
e TEM
模:
01
g01ol
r1r2 (1 01 ) 1
2022/11/19
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激光器以 TEM00
模单模运转
5
横模选择原理
与横模阶数无关的损耗: 腔镜透射率,腔内元件吸收、散射损耗等
与横模阶数相关的损耗: 衍射损耗
15
纵模选择方法
标准具透过率:
T (
)
(1
(1 R)2
R)2 4R sin2(
2
)
1
1 4R (1 R)2
sin 2 (
2
)
标准具透射峰对应的频率:
m
m
c
2d cos
m q
单纵模输出
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m
osc
16
纵模选择方法
3. 复合腔法
用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜, 则其组合反射率是频率的函数。
决定横模鉴别能力的因素:
10 00 、 d
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10 / 00 值与菲涅耳数N的关系
10 00
随N增加而变大
d
随N增加而减小
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7
横模选择方法
改变谐振腔的结构和参数:气体激光器 在一定谐振腔内插入附加选模元件:固体激光器
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7.2.2 稳 频 方 法
主动稳频技术:
选取一个稳定的参考标准频率,当外界影响使激光频率偏 离此特定的标准频率时,鉴别器产生一个正比于偏离量的误 差信号,此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长, 使激光频率回到标准的参考频率上,达到稳频目的。

激光原理部分课后习题答案

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

激光原理及应用陈鹤鸣答案

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激光原理及应用陈鹤鸣答案1、4.列车员说火车8点42分到站,8点42分指的是时间间隔.[判断题] *对错(正确答案)2、59.1911年,卢瑟福在α粒子散射实验的基础上,提出了原子核式结构模型。

下列关于这个模型的说法中正确的是()[单选题] *A.原子核位于原子的中心(正确答案)B.电子静止在原子核周围C.原子核带负电D.原子核占据了原子内大部分空3、2.运动员将足球踢出,球在空中飞行是因为球受到一个向前的推力.[判断题] *对错(正确答案)4、53.下列实例中不能用光的直线传播解释的是()[单选题] *A.水中倒影(正确答案)B.手影的形成C.日食和月食D.小孔成像5、其原因错误的是()*A.使用的用电器总功率过大B.电路中有断路(正确答案)C.开关接触不良(正确答案)D.电路的总电阻过大(正确答案)6、关于家庭电路和安全用电,下列说法正确的是()[单选题]A.我国家庭电路电压为380VB.发生短路会导致家庭电路中总电流过大(正确答案)C.用湿布擦正在发光的台灯D.在未断开电源开关的情况下更换灯泡7、验电器是实验室里常常用验电器来检验物体是否带电。

用带正电的玻璃棒接触验电器的金属球,可以发现验电器原来闭合的两片金属箔张开一定的角度,如图61所示。

以下判断中正确的是()[单选题]A.金属球带正电,金箔片都带负电,它们因排斥而张开B.金属球带正电,金箔片都带正电,它们因排斥而张开(正确答案)C.金属球带负电,金箔片都带正电,它们因吸引而张开D.金属球带负电,金箔片都带负电,它们因吸引而张开8、54.如图所示,2019年4月10日人类首张黑洞照片的问世,除了帮助我们直接确认了黑洞的存在外,还证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。

下列关于宇宙的描述中,不正确的是()[单选题] *A.地球是太阳系内的一颗行星B.太阳和太阳系最终会走向“死亡”C.宇宙处于普遍的膨胀之中D.太阳是宇宙的中心(正确答案)9、考虑空气阻力,在空气中竖直向上抛出的小球,上升时受到的合力大于下降时受到的合力[判断题] *对(正确答案)错答案解析:上升时合力等于重力加上空气阻力,下降时合力等于重力减去空气阻力10、在图65的四种情境中,人对物体做功的是()[单选题]A.提着桶在水平地面上匀速前进B.举着杠铃保持杠铃静止C.用力搬石头但没有搬动D.推着小车前进(正确答案)11、23.三个质量相等的实心球,分别由铝、铁、铜制成,分别放在三个大小相同的空水杯中,再向三个空水杯中倒满水(物体都能浸没,水没有溢出,ρ铝<ρ铁<ρ铜),则倒入水的质量最多的是()[单选题] *A.铝球B.铁球C.铜球(正确答案)D.无法判断12、司机驾车时必须系安全带,这是为了防止向前加速时惯性带来的危害[判断题] *对错(正确答案)答案解析:防止刹车时惯性带来的危害13、关于物质的密度,下列说法正确的是()[单选题] *A. 一罐氧气用掉部分后,罐内氧气的质量变小,密度不变B. 一只气球受热膨胀后,球内气体的质量不变,密度变大C. 一支粉笔用掉部分后,它的体积变小,密度变小D. 一块冰熔化成水后,它的体积变小,密度变大(正确答案)14、能量在转化过程中是守恒的,所以能源是“取之不尽,用之不竭”的[判断题] *对错(正确答案)答案解析:能量在转化和转移的过程中是有方向的,所以需要节能15、如图59所示,“蛟龙号”载人深潜器是我国首台自主设计、研制的作业型深海载人潜水器,设计最大下潜深度为级,是目前世界上下潜最深的作业型载人潜水器。

激光原理习题答案1~3章

激光原理习题答案1~3章

第一章 激光的基本原理习题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:若输出功率为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346.62610J s h -=⨯⋅为普朗克常数,8310m/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 ⨯ =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λ),能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ,求(a) 当ν=3000MHz ,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波尔兹曼统计分布:(a) 当ν=3000MHz ,T=300K 时:(b) 当λ=1μm ,T=300K 时:cP nh nh νλ==P P n h hcλν==2211()exp exp exp n E E h hc n KT KT K T νλ-⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-=-=- ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦3492231 6.62610310exp 11.3810300n n --⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⎝⎭34822361 6.62610310exp 01.381010300n n ---⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⨯⎝⎭(c) 当λ=1μm ,21/0.1n n =时: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7-143510s A =⨯,7-142110s A =⨯和7-141310s A =⨯,试求该分子4E 能级的自发辐射寿命4τ。

激光原理课后题

激光原理课后题

激光原理课后题
以下是一道激光原理的课后题,希望能够帮助到您:
问题:简述激光的产生原理。

答案:激光的产生原理主要涉及到三个基本要素:激活介质、泵浦源和共振腔。

激活介质:这是指能够产生激光的物质,如某些特定的气体、液体或固体。

这些物质中的原子或分子通常具有较高的能级,当它们被激发到高能级状态时,它们可能会释放出光子,从而产生激光。

泵浦源:这是用来激发激活介质的装置。

它可以将能量传递给激活介质,使原子或分子从低能级跃迁到高能级。

泵浦源通常是电能的供应者,如电池或太阳能电池板。

共振腔:这是用来反射和聚焦光线的装置。

它可以帮助减少光线的散射,并增加光线的强度。

在共振腔内,光线会反复反射和传播,这使得光线的能量更加集中,从而产生激光。

当这三个要素都具备时,就会产生激光。

泵浦源提供能量,激活介质中的原子或分子释放出光子,这些光子在共振腔内被反射和聚焦,最终形成激光。

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变换矩阵T = [
������ ������
1 ������ ] = [− 2 ������ ������1
0 1 ������ 1 2 ] [ ] [ 1 0 1 − ������ 2
0 1 1] [0
������ ] 1
由题,������1 = ������2 = L (本题的共焦腔代指对称共焦腔) 2������ ������1 A=1− =− = −1 ������2 ������2 B = 2L (1 −
2 2 ������ ������2 − ������1 )= =0 ������2 2������2 2 2 2������ C = − [ + (1 − )] = 0 ������1 ������2 ������1
2L 2������ 2������ ������2 D = − [ − (1 − ) (1 − )] = − = −1 ������1 ������1 ������2 ������1 1 0 故������ 2 = [ ]为单位矩阵,光线往返两次自行闭合,系统稳定。 0 1 注:因为已证明光线往返自行闭合,所以稳定性不用再考虑 AD。
W = Pt = nhν 当 λ = 10μm 时, ν = = 3 × 1013 Hz
λ c
n = 5.03 × 1019 n = 2.51 × 1018
当 λ = 500nm 时, ν = = 6 × 1014 Hz
λ
c
当 ν = 3000MHz 时, n = 5.03 × 1023
2.4 设一对激光能级为������������ 和������������ (������������ = ������������ ),相应频率为������(波长为������) ,能级上的粒子 数密度分别为������������ 和������������ ,求:
������‘
3.12
试写出圆形共焦腔������������������������������ 和������������������������������ 模在镜面上场的分布函数������������������ (������, ������)和
������������������ (������, ������),并计算各节线的位置。
等价共焦腔腔长������′ = 2������ = 图略
2√14 5
(╯°Д°)╯︵ ┻━┻
4.2 某高斯光束的束腰半径为������������ = ������. ������������������������, ������ = ������������. ������������������。 求与束腰相距 30cm、 10m、1000m 远处的光斑半径������及波前曲率半径 R。
Lc = t c ∙ c = ∆ν
1.4 为使 He-Ne 激光器的相干长度达到 1Km,它的单色性∆������/������������应是多少?
Lc = C⁄∆ν = 1Km ∆ν = 3 × 105Hz ∆λ ∆ν ∆ν = = ∙ λ = 6.328 × 10−11 λ0 ν0 c 0
C
2.3 如果激光器和微波激射器分别在������ = ������������������������、 ������ = ������������������������������和������ = ������������������������������������������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?
4.4 ������������������ 激光器,采用平凹腔,凹面镜的曲率半径 R=2m,腔长 L=1m。求它所 产生的高斯光束的光腰大小和位置,共焦参量以及远场发散角。
由平面镜成像定理,该腔等价于腔长 L=2m 的对称共焦双凹腔,光腰在平 12 面镜位置 CO2激光器输出波长λ = 10.6 × 10−6 1 共焦参量������ = ������ = 1 2
(1)当������ = ������������������������������������������,T=300K 时������������ ⁄������������ = ? (2)当������ = ������������������,T=300K 时������������ ⁄������������ = ? (3)当������ = ������������������,������������ ⁄������������ = ������. ������时,温度 T=? (1)E2 − E1 = hν = 1.99 × 10−24 ������ ������������ = 1.38 × 10−23 ������⁄������
0
0 −������)������
= 1.3������0
=
������������1.3 = 0.6559 0.2 × 2
2.13
试从物理本质上阐明激光与普通光的差别。
不同于普通光的自发辐射, 激光是通过受激辐射及放大产生的, 其过程必须满足三要 素:工作物质、泵浦原、谐振腔,满足集居数反转和阈值条件并维持振荡。因此,激光 具有高单色性,高相干性,高方向性和高亮度等普通光不具备的特点。
3.10
有一个谐振腔,腔长 L=1m,两个反射镜中,一个全反,一个半反。半
反射镜的反射系数 r=0.99。求在 1500MHz 的范围内所包含的纵模个数,及 每个纵模的线宽(不考虑其他损耗) 。
ν������ = q ������ 3 × 108 =q ≤ 1.5 × 109 2������������ 2×1×1 q ≤ 10
λz 2 2) ������������0
ω(z) = ������0 √1 + ( R(z) = z[1 + (
2 ������������0 )2 ] λz
将z = 0.3, 10, 1000代入,得 ������1 = 0.0114 , ������2 = 0.0118 , ������3 = 0.296 ������1 = 4945 , ������2 = 158.3, ������3 = 1001.5
CO2激光器输出波长λ = 10.6 × 10−6 谐振腔菲涅尔数N = λL =
1 ������2 (0.75×10−2 ) 10.6×10−6 ×1
2
=5.3
������‘
衍射损耗������������ = ������ = 0.189 时间常数������1 = ������������ = 1.77 × 10−8 透射损耗������������ = − ln������1 ������2 = 0.119 时间常数������2 =
������ − 2 4������ 2 2������ 4 ������ = (1 − 2 + 4 )������ 0������ ������0������ ������0������ √2 令ν02 (r, φ) = 0,得r = √1 ± ������0������ 2
2
3.14
稳定双凹球面腔腔长 L=1m, 两个反射镜的曲率半径分别为������ ������ = ������. ������������,
3.1 简述光学谐振腔的作用。
光学谐振腔的主要作用:增加介质有效长度,容纳工作物质,提供正反馈,产生并维 持激光振荡,输出激光并控制激光质量(横模、光斑、振荡频率、发散角) 。
3.2 ������������������ 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������������ = ������. ������������������,������������ = ������. ������。求由衍射损耗及输出损耗所引起的������、������。
1.3 什么是时间相干性和空间相干性?怎样定义相干时间和相干长度?
时间相干性:光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性,描述的是光束传 播方向上的各点的相位关系,与光束单色性密切相关。 空间相干性:光场中不同的空间点在同一时刻的光场的相干性,描述的是垂直于光 束传播方向的平面上各点之间的相位关系,与光束方向性密切相关。 相干时间t c ,即光传播方向上某点处可以使不时刻光波场之间有相干性的最大时间 间隔。 相干长度Lc 指的是可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大 空间间隔。二者实质上是相同的。
1 透射损耗������������ = − ln������1 ������2 = 5.03 × 10−3 2 时间常数������������ = ������������ = 6.63 × 10−7 线宽∆ν = 1 = 2.4 × 105 ������������ 2������������
2
取余弦,令ν20 (r, φ) = 0,得φ 同理,对TEM02 ,有
= ,
4
������
3����� 4
2
������ − 2 ������������������0 ������ 0 0 ������ 2 ν02 (r, φ) = ������02 (√2 ) ������2 (2 2 ) ������ ������0������ { ������������������0 ������0������ ������0������
������(������2 − ������)(������1 − ������)(������1 + ������2 − ������) [(������ − ������1 ) + (������ − ������2 )]2
得������1
=−
4 5
������2 =
1 5
������ =
√14 5
2
对TEM20 ,将 m=2,n=0 代入,得
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