激光原理复习题

激光原理复习题

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：每个方程的意义：

1）第一个方程为法拉第电磁感应定律，揭示了变化的磁场能产生电场。

2）第二个方程则为Maxwell的位移电流假设。这组方程描述了电荷和电流激发电磁场、以及变化的电场与变化的磁场互相激发转化的普遍规律。

第二个方程是全电流安培环路定理，描述了变化的电场激发磁场的规律，表示传导电流和位移电流（即变化的电场）都可以产生磁场。

第二个方程意味着磁场只能是由一对磁偶极子激发，不能存在单独的磁荷（至少目前没有发现单极磁荷）3）第三个方程静电场的高斯定理：描述了电荷可以产生电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。

4）第四个方程是稳恒磁场的高斯定理，也称为磁通连续原理。

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：赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理设计的电磁波发生器实验。

（赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。有麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于年，赫兹的实验成功了，而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。）

光速。188

2）从麦克斯韦的电磁场理论可以知道：如果在空间某处发生了变化的电场，就会在空间引起变化的磁场，这个变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场，这样形成互相联系的不可分割的统一体，变化的电场和磁场并不局限于空间某个区域，而要由近及远向周围空间传播开去，电磁场这样由近及远的传播，就形成电磁波。

3、光波是高频电磁波部分，它的产生与一般的电磁波不同，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：各光子的方向、偏振、初相位等状态是无规则的，独立的，粒子体系为非相干光源。（普通光源）

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：三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收

受激辐射是产生激光的最重要机理。

（1） 受激辐射只能在频率满足hv=E 2-E 1的光子的激励下发生的；

（2） 不同粒子发射的光子与入射光子的频率、相位、偏振等状态相同；这样，光场中相同光子数目

增加，光强增大，即入射光被放大——光放大过程；

（3） 受激辐射的粒子系统是相干光源。

受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而各原子的受激辐射的相位不再是无规则分布的，二应有和外界辐射场相同的相位。

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是必要条件。

答：()2202,⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆∆=l l

l w w w w w g l l w τ1=∆ ()l w w gl τ10,∞

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被无限放大，这是由于光强的的增加，而翻转粒子数会减少。这就是饱和效应。那么在增益系数之中是如何表示的，请说明各个物理量的意义？

答：()021,v v n g σ∆=

n ∆（粒子数反转）)

(1)(00饱和光强集居数s I n v1I +∆= ()()020

221021,~8v v g v v πσA v v =（单位面积）， 7、 激光的产生的一个重要条件是要有光学谐振腔。光学谐振腔的作用主要有哪几个？

答：光学谐振腔（常称谐振腔）是激光器的重要组成部分。

它的主要作用有两个方面（以下两种表述一样）：

①提供轴向光波的光学反馈；②控制振荡模式的特性（激光器所采用的谐振腔都属于开放式谐振腔）。

⑴产生与维持激光振荡； ⑵控制输出光束的质量。

8、光学谐振腔的中会有横模和纵模，通常表示为

mnq TEM 。请问它的角标中m,n,q 表示的意义分别

是什么？ 答：一个激光的模式应该有三个独立的序号，即应采用mnq TEM 来表示谐振腔的模式，其中q 是纵模序数（阶次），在轴对称的情况下，m,n 分别表示沿X 和Y 方向的节线数；在旋转对称的情况下m 表示径向的节线数目，n 表示沿辐角的节线数。

9、激光的特点有哪些？

答：空间相干性和时间相干性强；方向性好；单色性好；亮度高。 第二章 电磁场与物质相互作用

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

答：用经典力学描述原子内部电子运动，其物理模型就是按简谐震动或阻尼振动规律运动的电偶极子，称为简谐振子。简谐振子模型认为：原子中的电子被与位移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置x=0，当电子偏离平衡位置而具有位移时，就受到一个恢复力f=-kx 的作用。电子运动方程为：0=+∙

∙kx x m

当运动电子具有加速度时，他将发射电磁波能量，将电子运动方程修正为：020=++∙∙∙x x x ωγ