1-习题集-激光原理
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。
[精品]《激光原理》思考题和练习1.doc
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《激光原理》复习思考题第一章激光的基本原理SER英文名称的含义是什么？2・激光是什么时候发明的？发明激光的科学家和丁•稈师是谁？3.激光的基木物理基础是什么？4.激光的基木特性是什么？5.激光有哪些特征参量？6.激光器的主要组成部分有哪些？并描述备个部分的基木作用。
7.激光器有哪些类型？你如何对激光器进行分类。
8.激光的主要应用有哪些，请详细描述你所熟悉的激光应用。
9.什么是黑体辐射？请写出PLANCK公式，并说明它的物理意义。
10.什么是光波模式和光了状态？II.如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度、面积和体积？12.光波模式、光了状态和光了的相格空间是同一概念吗？13.何谓光子的简并度？14.请描述能级的光学跃迁的三大过稈，并写出它们的特征和跃迁几率。
15.EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？16.如何推导出EINSTEIN关系？17.产生激光几个必要条件是什么？18.什么是热平衡时能级粒子数的分布？19.什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？20.你如何理解“负温度”效应21.如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？22.什么是自激振荡？产生激光振荡的基木条件是什么？23.如何理解激光的模式：横模、纵模？24.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？第二章开放式光腔与高斯光束1.请描述激光谐振腔和激光镜片的类型？2.什么是谐振腔的谐振条件？3.如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数H?4.如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？5.在激光谐振腔屮有哪些损耗因素？6.请熟悉射线矩阵光学，例如：（1）光束在白由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射；（4）介质中传播等。
7.什么是激光谐振腔的稳定性条件？如何有谐振腔的矩阵光学推导出来？8・请曲出激光谐振腔的稳定性图，并标出几种典型的谐振腔型在图屮的位置。
9.你如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？10.你理解菲涅耳■基尔赫夫方稈屮每一项的物理意义吗？11.你能写出圆形镜谐振腔前几个模式的光场分布函数吗？你理解它们毎一项的物理意义吗？12.为什么稳定腔的激光光束为高斯光束？什么是基横模？你能逝出前几个横模的光斑图形和光强分布图吗？13.在你同时考虑激光的横模和纵模时，激光谐振的条件是什么？14.请写出拉盖尔■高斯光束的行波场的表达式，并说明每一项的物理意义？15.你如何计算基模高斯光束的主要参最：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积等？16.什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性，你如何理解它们？17.对于一般稳定球血腔，你如何计算它们的主要参量？18.什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？19・你掌握高斯光束的三种表征方法吗？什么是它们的q参数？20.如何用ABCD方法来变换高斯光束？请熟悉儿种情况下的ABCD变换矩阵。
激光原理及应用的试题库
激光原理及应用的试题库
一、激光原理
•激光的定义及基本特性
•激光的产生原理
•激光的工作性能指标
•激光的发展历程
二、激光的应用
2.1 激光在医学领域的应用
•激光在眼科手术中的应用
•激光在皮肤美容中的应用
•激光在牙科治疗中的应用
2.2 激光在通信领域的应用
•激光在光纤通信中的应用
•激光在无线通信中的应用
•激光在卫星通信中的应用
2.3 激光在制造业的应用
•激光在激光切割中的应用
•激光在激光焊接中的应用
•激光在激光打标中的应用
2.4 激光在科研领域的应用
•激光在物理实验中的应用
•激光在化学实验中的应用
•激光在生物实验中的应用
三、激光原理及应用的试题
3.1 激光原理试题
1.什么是激光? 写出激光的定义及基本特性。
2.请简要描述激光的产生原理。
3.列举并解释激光的工作性能指标。
4.描述激光的发展历程。
3.2 激光应用试题
1.激光在眼科手术中的应用有哪些? 请简要描述其原理。
2.激光在光纤通信中的作用是什么? 请简要解释。
3.你了解哪些激光在制造业中的应用? 请简单列举并描述一项。
4.举例说明激光在科学研究中的应用。
四、总结
•概述激光原理及基本特性
•简述激光在不同领域的应用
•介绍激光原理及应用的试题
•强调激光技术的重要性及发展前景。
激光原理习题-问答精选全文完整版
10、什么是频率牵引？
12、高阶高斯光束有哪些？
13、什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性?
14、如何计算一般稳定球面腔的主要参量？
15、什么是腔的菲涅耳数？它与腔的损耗有什么关系？
16、高斯光束的表征方法有哪些？什么是q参数？
17、高斯光束q参数的变换规律是什么？
18、什么是高斯光束的自再现变换？
19、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔有什么关系物理基础是什么？
9.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。
10、Einstein系数有哪些？他们之间的关系是什么？
11、什么是热平衡时能级粒子数的分布？
12、产生激光的必要条件是什么？
13、什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？
14、如何定义激光增益？什么是小信号增益？什么是增益饱和？（可结合第三章内容）
7.分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁过程，并写出速率方程。
8.说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理，并写出激光增益的表达式。
9.饱和光强有什么含义？怎么定义的？
10、什么是小信号增益、大信号增益？
11、在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增益系数如何变化？
12、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明原理。
15、什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？
16、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？
第二章
开放式光腔与高斯光束
1.什么是谐振腔的谐振条件？
2.如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目?
3.在激光谐振腔中有哪些损耗因素？
第一章激光原理练习题
第一章激光原理练习题第一章激光原理练习题一、填空题（本大题共4个小题，每题3分，共12分）1.光学谐振腔的稳定与否是由谐振腔的决定的。
2.平凹腔是由一块平面镜和一块曲率半径为R的凹面镜组成的光学谐振腔，按照两镜之间距离可分为半共焦腔和。
3.一般情况下粒子数密度反转分布与的线型函数有关。
4.小信号粒子数密度反转与能级寿命有关。
二、选择题（本大题共4个小题，每题3分，共12分）1. 粒子数密度反转分布的表达式表明了粒子数密度按照谐振腔内光波频率分布，与有关。
A光强B饱和光强C中心频率D小信号粒子数密度反转2.光学谐振腔的作用是。
A倍增工作介质作用长度提高单色光能密度B控制光束传播方向。
C对激光进行选频D改变激光频率3. 饱和光强I s是激光工作物质的光学性质，不同物质差别很大,氦氖激光器（632.8nm谱线）I s大约为。
A. 0.3W/mm2B. 7.0W/mm2C. 0.6W/mm2D. 0.5W/mm24.平凹腔按照两镜之间距离可分为。
A半共焦腔B半共心腔C共焦腔D共心腔三、简答题（本大题共4个小题，每题5分，共20分）1.请解释增益饱和的物理意义。
2.请解释什么是不稳定腔。
3.什么是平行平面腔？4 .请解释粒子数密度反转分布值的饱和效应。
四、计算题（本大题共4个小题，共56分）1.四能级激光器中，激光上能级寿命为τ3 =10-3 s，总粒子数密度n0 =3×108m-3 ,当抽运几率达到W14 =500/s时，求小信号反转粒子数密度为多少？(10分）2.某激光介质的增益系数G=2/m，初始光强为I0 ，求光在介质中传播z=0.5m后的光强。
（不考虑损耗与增益饱和）(14分）3.激光器为四能级系统，已知3能级是亚稳态能级，基态泵浦上来的粒子通过无辐射跃迁到2能级，激光在3能级和2能级之间跃迁的粒子产生。
1能级与基态（0能级）之间主要是无辐射跃迁。
（1）在能级图上划出主要跃迁线。
（2）若2能级能量为4eV，1能级能量为2eV，求激光频率；(16分）4.求非均匀加宽激光器入射强光频率为1012Hννν=-?,光强为13sI Iν=时，该强光大信号增益系数下降到峰值增益系数的多少倍？(16分）一、填空题1. 几何形状2. 半共心腔3. 激光工作物质4. 抽运速率二．选择题1．ABCD 2.ABC 3. A 4. AB三．简答题1．介质中粒子数密度反转分布值因受激辐射的消耗而下降，光强越强，受激辐射几率越大，上能级粒子数密度减少得越多，使粒子数密度反转分布值下降越多，进而使增益系数也同时下降，直到达到饱和光强，光放大过程停止。
激光原理练习题及答案
激光原理练习题及答案一、选择题1. 激光的产生是基于以下哪种物理现象？A. 光电效应B. 康普顿散射C. 受激辐射D. 黑体辐射答案：C2. 激光器中的“泵浦”是指什么？A. 激光器的启动过程B. 激光器的冷却过程C. 激光器的增益介质D. 激光器的输出过程答案：A3. 以下哪种激光器不是按照工作物质分类的？A. 固体激光器B. 气体激光器C. 半导体激光器D. 脉冲激光器答案：D二、填空题4. 激光的三个主要特性是________、________和________。
答案：单色性、相干性和方向性5. 激光器中的增益介质可以是________、________或________等。
答案：固体、气体或半导体三、简答题6. 简述激光与普通光源的区别。
答案：激光与普通光源的主要区别在于激光具有高度的单色性、相干性和方向性。
普通光源发出的光波长范围较宽，相位随机，方向分散，而激光则具有单一的波长，相位一致，且能沿特定方向高度集中。
7. 解释什么是激光的模式竞争，并说明其对激光性能的影响。
答案：激光的模式竞争是指在激光腔中，不同模式（横模和纵模）之间争夺增益介质提供的增益资源。
模式竞争可能导致激光输出不稳定，影响激光的质量和效率。
通过优化腔体设计和使用模式选择器可以减少模式竞争，提高激光性能。
四、计算题8. 假设一个激光器的增益介质长度为10cm，泵浦效率为80%，增益系数为0.01cm^-1。
计算在不考虑任何损耗的情况下，激光器的增益。
答案：增益 = 增益系数× 增益介质长度× 泵浦效率 = 0.01× 10× 0.8 = 0.89. 如果上述激光器的输出镜的反射率为90%，计算腔内光强每通过一次腔体增加的百分比。
答案：增益百分比 = (1 - 反射率) × 增益 = (1 - 0.9) × 0.8 = 0.08 或 8%五、论述题10. 论述激光在医学领域的应用及其原理。
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。
激光原理试题及答案
激光原理试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 激光的产生原理是基于以下哪种效应？A. 光电效应B. 康普顿效应C. 受激辐射D. 多普勒效应答案：C2. 激光器中，用于提供能量的介质被称为什么？A. 增益介质B. 反射介质C. 吸收介质D. 传输介质答案：A3. 激光器中，用于将光束聚焦的元件是：A. 透镜B. 棱镜C. 反射镜D. 滤光片答案：A4. 激光的波长范围通常在：A. 红外线B. 可见光C. 紫外线D. 所有选项5. 以下哪种激光器是固态激光器？A. CO2激光器B. 氩离子激光器C. 钕玻璃激光器D. 所有选项答案：C6. 激光的相干性意味着：A. 波长一致B. 相位一致C. 频率一致D. 所有选项答案：D7. 激光器的输出功率通常用以下哪种单位表示？A. 瓦特B. 焦耳C. 牛顿D. 伏特答案：A8. 激光切割机利用激光的哪种特性进行切割？A. 高亮度B. 高方向性C. 高单色性D. 高相干性答案：A9. 激光冷却技术主要应用于：B. 工业C. 物理学研究D. 军事答案：C10. 激光二极管通常使用的半导体材料是：A. 硅B. 锗C. 砷化镓D. 碳化硅答案：C二、填空题（每题2分，共20分）1. 激光的英文全称是________。
答案：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation2. 激光器的三个主要组成部分是________、________和________。
答案：工作物质、激励源、光学谐振腔3. 激光器中，________用于提供能量，________用于产生激光。
答案：激励源、工作物质4. 激光的________特性使其在通信领域有广泛应用。
答案：高相干性5. 激光器的________特性使其在医疗手术中具有高精度。
答案：高方向性6. 激光冷却技术中，激光与原子相互作用的效应被称为________。
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解：
f
F 20 2 0 2 2.67 m ， 0 '2 ( F l )2 w2 ( z ) 2 2
z 2 2 1 ( )
（1）当 1 103 rad , 0.5145 m, z 3.8 105 km 时 光腰半径为 w0
2
3.3 104 m
一、课堂作业题答案
1. （ 习 题 2.11 ） 如 图 ， 已 知 ：
0 3mm, 10.6um, z1 2cm, d 50cm, f1 2cm, f 2 5cm 。求： 02 和 z2 ，并
叙述聚焦原理。
解答; 方法一。复杂方法
解答二：简单方法
聚焦原理
第一个透镜， 物距等于焦距， 具有最大焦点，
F 20 2
（1） ( F l )
0
2
f 2 1.885m2
l 1.39m
（2） ( F l )
F 20 2
0
2
f 2 568.9m2
l 23.87m
3. 如图所示，假设一高斯光束垂直入射到折射率为 n 的介质块上，试问： (1)在左图情况下，出射光束发散角为多大？ (2)若将介质块的位置左移，使其左端面移至
一定成立，因此，只要满足 稳定条件。 类似的分析可以知道，
凸凹腔的稳定条件是： R1 0
R2 L ,且 R1 R2 L 。
双凹腔的稳定条件是： R1 L ， R2 L
（第一种情况）
R1 L ， R2 L 且 R1 R2 L （第二种情况）
R1 R2 R L 2
由稳定腔的条件： 1
2
0 1 1 L 1 1 0 1 f
0 1 L A B 1 0 1 C D
L L 1 L L A D 1, 得： 0 1 2 2 ， f 或f L 2 3 2 f f
月球表面被照亮的面积为 S w2 ( z ) 1.13 105 km 2 （2）当 1 106 rad , 0.5145 m, z 3.8 105 km 时 光腰半径为 w0
0.33m
月球表面被照亮的面积为 S w2 ( z ) 0.113km 2 4、 （杨可成习题 2.16）一染料激光器输出激光束的波长为 0.6328um ，光 腰半径为 60um 。使用焦距为 5cm 的凸透镜对其聚焦，入射光腰到透镜的距离为 0.50m 。问：离透镜 4.8cm 处的出射光斑为多大？
z 20 R (z) z 1 2 z
（2）求 A （3）解方程
3、月球距地球表面 3.8 105 km ，使用波长 0.5145 m 的激光束照射月球表面。 当（1）光束发散角为 1.0 103 rad ； （2）光束发散角为 1.0 106 rad 时，月球表 面被照亮的面积为多少？两种情况下，光腰半径各为多少？
z l1
处（右图） ，若介质块足
够长，使光束的光腰位于介质块内，此时束腰大小和位置是多少？
答案： （1） 因为折射率介质只改变光束长度方向矩阵，不改变角度。 所以经过过介质后出射光线的发散角， 和原来光束一样， 只是光腰位 置会发生变化。自己计算发散角公式。
4. （周炳琨习题 2.20）激光器的谐振腔有两个相同的凹面镜组成，它出射波 长为λ的基模高斯光束，今给定功率计，卷尺以及半径为 a 的小孔光阑， 试 叙述测量该高斯光束焦参数 f 的实验原理及步骤。 解：
二、本次课外题 （4 月 15）
1\.试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。
1 2 L 2 L 2 L2 1 解：共轴球面腔的 A D 1 ，如果满足 1 A D 1 ，则腔 2 R1 R2 R1 R2 2
是稳定腔，反之为非稳腔,两者之间存在临界腔，临界腔是否是稳定腔，要具体分析。 下面我们就根据以上的内容来分别求稳定条件。 对于平凹共轴球面腔，
5. （周炳琨习题 2.4）如图所示三镜环形腔，已知 l ，试画出其等效透镜序列 图，并求球面镜的曲率半径 R 在什么范围内该腔是稳定腔。图示环形腔为非 共轴球面镜腔。 在这种情况下， 对于在由光轴组成的平面内传输的子午光线， R cos ， （2.2.7） 式中的 f 对只在与此垂直的平面内传输的弧矢光线， 2
°
若为子午光线，由 f
R cos 30
2
°
则
4L 2L 4L R 或R 3 3 3 3
若为弧矢光线，由 f R 2 cos 30 ，则
L 3L R 或R 3R 2 3
2 ( l F ) F l ' lC F (l F ) 2 20 / 2 2 1 1 l 1 0 Im 1 / qC 2 1 2 2 ' F F 0 0
z 30 cm : (30 cm) 1.45 mm, R (30 cm) 0.79 m
z 10m : (10 m) 29.6 mm, R (10 m) 10.0 m z 1000m : (1000 m) 2.96 m, R (1000 m) 1000 m
不进行最小聚焦。第二个透镜，物距很长， 用于聚焦很小。二次聚焦，有利于更好获得 更小焦点
2、两支氦氖激光器的结构及相对位置如图所示，求在什么位置插入一焦距为多 大的透镜才能实现两个腔之间的模匹配？
做题思路 （1）高斯等相位面公式，求出 f=z0，z=L，R=球面曲率， 求 出 w，
0 lF F 2 f 20 '0 ' l ' F 0 F 2 f 20 0
2 1 A D 1 2L 2L 2L 1 2L 2 R1 R2 R1 R2 R2
( R1 )
所以，如果 1 1
2L 1 ，则是稳定腔。因为 L 和 R2 均大于零，所以不等式的后半部分 R2 L L 1 ，就能满足稳定腔的条件，因此， 1 就是平凹腔的 R2 R2
设计如下：首先明确焦参数的构成元素为腰斑半径
0 ，波长λ及 参数，根据提供的数据，
f z 1 f
2
激光器的波长为已知，我们不可能直接测量腔内的腰斑半径（因为是对称腔，束腰在腔内） ， 只能通过技术手段测量发射出来的光波场的腰斑半径， 然后利用 z
特别注意。你自己说明是采用的半角 还是全角！ ！ ！ ！ ！ ！ 此处是全角！ ！ ！但是公式是半角，有错误 周炳琨和杨克成版本不同
z 2 2 解：根据光斑尺寸为： w2 ( z ) w0 1 ( 2 ) w0
光束发散角为：
2
0
得到 w0 2 于是有
f R 2cos ， 为光轴与球面镜法线的夹角。
1 TR 2 R
解：
0 1 1 1 f
0 1
（2.2.7）
该三镜环形腔的往返矩阵为：
1 1 01 L T 1 0 10 1 f L L A D 1 3 f f
这里的 z 是由激光器腔中心到光功率计的距离，用卷尺可以测量。光功率计放置在紧贴小 孔光阑的后面，沿着光场横向移动，测量出 z 。把测量的 z 和 z 代入公式，可以求 出焦参数。 设计完毕（以上只是在理论上的分析，实际中的测量要复杂得多，实验室测量中会用透镜 扩束及平面镜反射出射光，增加距离进而增加测量精度）
（对称双凹腔）
1. 某高斯光束腰斑大小为 0 1.14mm ， 10.6 m 。求与束腰相距 30cm 、
10m 、 1000m 远处的光斑半径 及波前曲率半径 R .
z 2 f2 解: (z) 0 1 ( ) , R (z) z z f
,其中
0 2 f 0.385m