光电子课后习题答案汇总
张永林第二版《光电子技术》课后习题答案解析

1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少?波长:380~780nm 400~760nm频率:385T~790THz 400T~750THz能量:1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么?为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量?为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应,分析光电敏感器件的光电特性,以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算,常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于:前者是物理(或客观)的计量方法,称为辐射度量学计量方法或辐射度参数,它适用于整个电磁辐射谱区,对辐射量进行物理的计量;后者是生理(或主观)的计量方法,是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算,称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域,是对光强度的主观评价,超过这个谱区,光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射,所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处,将λ~λ+dλ范围内发射的辐射通量dΦe,除以该波长λ的光子能量hν,就得到光源在λ处每秒发射的光子数,称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯,假设各向发光均匀,悬挂在离地面1.5m的高处,用照度计测得正下方地面的照度为30lx,求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器(波长为632.8nm )发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上,该漫反射屏的发射比为0.85,求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.362 1.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v v v v v K V lmd I d S Rh R RI cd dI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v v v v v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书,不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 随温度T 的升高而减小。
光电子技术第三版安毓英刘继芳等著习题答案完整版

学习资料收集于网络,仅供学习和参考 ,如有侵权,请联系网站删除第一章1. 设在半径为 R c 的圆盘中心法线上,距盘圆中心为 l 0 处有一个辐射强度为 I e 的点源 S ,如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
解:因为 Ie d ed,SdSR c d d21 cosl 0d2sin R cr且l 0第 1.1 题图2 1l 02R c 2所以 eI e d2 I e 1l 0R c 2l 022. 如图所示,设小面源的面积为 A s ,辐射亮度为 L e ,面源法线与 l 0 的夹角为 s ;被照面的面积为 A c ,到面源 A s 的距离为 l 0。
若 c 为辐射在被照面 A c 的入射角,试计算小面源在 A c 上产生的辐射照度。
dI e L e A r cos rsA c解:亮度定义 :L el 0强度定义 : I ed e A scd第 1.2 题图可得辐射通量: d e L e A s cos s d在给定方向上立体角为: A c cos cdl 02则在小面源在 A 上辐射照度为:d eL e A s cos s cos ccdAl 023.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源(如红外装置面对的天空背景),其各处的辐亮度 L e 均相同,试计算该扩展源在面 积为 A d 的探测器表面上产生的辐照度。
答:由 L ed得 dA d cosdA cosL e d dA cos ,且 d2 r 2d l2rdrl 则辐照度: E eL ed L e2l 2 r 22 04. 霓虹灯发的光是热辐射吗?学习资料收集于网络,仅供学习和参考,如有侵权,请联系网站删除不是热辐射。
霓虹灯发的光是电致发光,在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体,当两极间的电压增加到一定数值时,气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击,使原子中的电子受到激发。
当它由激发状态回复到正常状态会发光,这一过程称为电致发光过程。
光电子技术课后习题答案

第一章1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上,距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ,如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
解:因为ΩΦd d ee I =, 且 ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-===Ω⎰22000212cos 12sin c R R l l d d rdSd c πθπϕθθ 所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π2. 如图所示,设小面源的面积为∆A s ,辐射亮度为L e ,面源法线与l 0的夹角为θs ;被照面的面积为∆A c ,到面源∆A s 的距离为l 0。
若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角,试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。
解:亮度定义:r r ee A dI L θ∆cos =强度定义:ΩΦ=d d I ee可得辐射通量:Ω∆=Φd A L d s s e e θcos在给定方向上立体角为:20cos l A d c c θ∆=Ω则在小面源在∆A c 上辐射照度为:20cos cos l A L dA d E cs s e e e θθ∆=Φ=3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源(如红外装置面对的天空背景),其各处的辐亮度L e 均相同,试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。
答:由θcos dA d d L e ΩΦ=得θcos dA d L d e Ω=Φ,且()22cos rl A d d +=Ωθ 则辐照度:()e e e L d rlrdrl L E πθπ=+=⎰⎰∞20022224. 霓虹灯发的光是热辐射吗?l 0SR c第1.1题图L e ∆A s ∆A cl 0 θsθc第1.2题图不是热辐射。
霓虹灯发的光是电致发光,在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体,当两极间的电压增加到一定数值时,气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击,使原子中的电子受到激发。
(整理)光电子习题答案

课后题答案1.1设半径为R c 的圆盘中心发现上,距圆盘中心为l 0处有一辐射强度为I e 的点源S ,如下图所示。
试计算该点光源发射到圆盘的辐射功率。
思路分析:要求e φ由公式e e d E dA φ=,ee d I d φ=Ω都和e φ有关,根据条件,都可求出。
解题过程如下: 法一ee d E dAφ=故:20cR e e E dA πφ=⎰又:20ee I E l =代入上式可得:220e e c I R l φπ=法二:ee d I d φ=Ω220c R l e e Id πφ=Ω⎰220e c e I R l πφ=1.2如下图所示,设小面源的面积为s A ∆,辐射亮度为L e ,面源法线与l 0的夹角为s θ;被照面的面积为c A ∆,到面源s A ∆的距离为l 0。
若c θ为辐射在被照面c A ∆的入射角,试计算小面源在c A ∆上产生的辐射照度。
思路分析:若求辐射照度e E ,则应考虑公式20ee I E l =。
又题目可知缺少I e ,则该考虑如何求I e 。
通过课本上的知识可以想到公式cos ee dI L dS θ=,通过积分则可出I e 。
解题过程如下:解:20ee I E l =由cos ee dI L dS θ=可得cos sA e e I L dS θ∆=⎰= cos e s L A θ∆,故:2200cos e e se I L A E l l θ∆== 1.3假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源(如红外装置面对的天空背景),其各处的辐射亮度L e 均相同。
试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐射照度。
思路分析:题目中明确给出扩展源是按朗伯余弦定律发射辐射的,且要求辐射照度E e ,由公式ee d E dAφ=可知,要解此题需求出e d φ,而朗伯体的辐射通量为cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=⎰,此题可解。
解题过程如下:解:ee d E dAφ=cos e e e d L dS d L dS φθπ=Ω=⎰e e e L dSE L dAππ== 1.4霓虹灯发的光是热辐射吗?答:霓虹灯发光是以原子辐射产生的光辐射,属于气体放电,放电原理后面章节会涉及到。
光电子学教程_课后作业答案

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03电子科学与技术
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系:相干面积,相干体积的 物理意义。 答:根据
lc c c , c 1 1 c c , lc
故:光源频率宽度 越窄,相干时间越长,相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义:从单位面积光源辐射出的 光波,在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐 射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。
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9. 经典物理观点:跃迁所发出的电磁波不是单色波,而是分 布在中心频率附近的一个小的频率范围的单色波的组合, 在谱图上正好表现为一定宽度。 量子力学观点:由测不准关系,在某一时刻,粒子所处的 能级也是不确定的,即能级不是单一的,跃迁的结果也就 相当发出了多种不同频率的光子,形成了谱线宽度。自发 辐射过程中这种增宽效益是不可避免的,也是谱线宽度所 能达到的最低值,因而决不存在线宽为0的情况,即不可 能发出绝对的单色光。 由此可见,没有绝对单一波长的光波存在。
1好好学习天天上上03电子科学与技术光电子学课程作业光电子学课程作业参考用标准答案参考用标准答案202162203电子科学与技术章节目录第五章第五章光辐射的探测光辐射的探测第四章第四章光辐射在介质中波导中的传播光辐射在介质中波导中的传播第三章第三章激光振荡与工作特性激光振荡与工作特性第二章第二章介质中的光增益介质中的光增益第一章第一章光与物质相互作用基础光与物质相互作用基础第六章第六章发光器件发光器件第七章第七章光电转换器件光电转换器件第八章第八章第八章第八章光波调制光波调制03电子科学与技术电子科学与技术companylogo好好学习天天
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光电子习题及答案

光电子习题及答案光电子习题及答案光电子学是研究光与电子相互作用的学科,它广泛应用于光电器件、光通信、光储存等领域。
在学习光电子学的过程中,习题是检验自己理解和掌握程度的重要方式。
下面,我们来讨论一些光电子学的习题及其答案。
1. 什么是光电效应?它与光子和电子之间的相互作用有什么关系?光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时,会引起电子的发射现象。
光电效应的基本过程是光子与金属或半导体中的电子相互作用,使得电子获得足够的能量从而逃逸出材料表面。
光电效应的关键在于光子的能量必须大于或等于材料中电子的逸出功,才能引起电子的发射。
2. 什么是光电子倍增管?它的工作原理是什么?光电子倍增管是一种利用光电效应和二次发射效应来放大光信号的器件。
它由光阴极、倍增极、收集极和阳极组成。
当光照射到光阴极上时,光子与光阴极表面的电子发生光电效应,产生光电子。
这些光电子经过倍增极的二次发射作用,使得光电子的数量增加。
最后,这些光电子被收集极吸收,产生电流信号,经过放大后输出到阳极。
3. 什么是光电二极管?它与普通二极管有什么不同?光电二极管是一种利用光电效应来转换光信号为电信号的器件。
它由光阴极、势阻极和阳极组成。
当光照射到光阴极上时,光子与光阴极表面的电子发生光电效应,产生光电子。
这些光电子经过势阻极的势垒层,产生电流信号,经过放大后输出到阳极。
与普通二极管相比,光电二极管对光信号更加敏感,能够将微弱的光信号转换为电信号。
4. 什么是光通信?它的优势和应用领域有哪些?光通信是利用光信号传输信息的通信方式。
它通过光纤或自由空间传输光信号,具有大带宽、低损耗、抗干扰等优势。
光通信广泛应用于电话、互联网、电视等领域。
在长距离通信中,光通信可以实现高速、大容量的数据传输,满足现代社会对通信带宽的需求。
此外,光通信还被用于军事通信、卫星通信等领域。
5. 什么是光储存?它的原理和应用有哪些?光储存是利用光信号存储和读取信息的技术。
光电子技术课后答案期末考试

光电子技术课后答案期末考试一、简答题(共10题,每题2分)1.光电效应是指什么现象?请举例说明。
光电效应是指当光照射到金属表面时,金属中的自由电子被光子激发后脱离金属表面成为自由电子的现象。
例如,太阳能电池中的光电效应将太阳光转化为电能。
2.光纤通信的工作原理是什么?光纤通信是利用光纤作为传输介质,通过光的全反射来传输信号。
光信号被转换为光脉冲后,通过发射器发送到光纤中。
光脉冲沿着光纤传输,在传输过程中会发生衰减和色散,因此需要使用光纤放大器和补偿器来补偿这些损耗。
最后,光脉冲到达接收器,转换为电信号进行解析和处理。
3.请简述激光有哪些特点,并说明其应用领域。
激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特点。
单色性指激光是单一频率的光束;方向性指激光具有非常狭窄的束发散角,能够聚焦在非常小的区域;相干性指激光光束的波长相位关系保持稳定;高亮度指激光具有很高的光功率密度。
激光的应用领域非常广泛,包括激光加工、医疗器械、通信、测量仪器等。
它在材料切割、焊接、打标、光刻等方面有重要应用;在医学领域,激光被用于手术切割、皮肤美容等;在通信领域,激光被用于高速光纤通信;在测量仪器中,激光被用于测距、测速等。
4.光栅的工作原理是什么?光栅是一种光学元件,可以通过光的干涉作用将入射光分解成多个不同波长的次级光波。
光栅的工作原理基于光的干涉,当入射光线通过光栅时,光栅上的间隙会产生光的干涉,使得光被分解成不同波长的光,从而形成光的光谱。
光栅的分辨本领取决于光栅的刻线数量和入射光的波长。
5.请简述光电二极管的结构和工作原理。
光电二极管是一种半导体器件,其结构由P型半导体和N型半导体组成。
当光线照射到P-N结上时,光子激发了半导体材料中的电子,使其跃迁到导带中,产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对在电场的作用下会转移到两侧的电极上,产生电流。
6.光电二极管的特性曲线是什么样的?光电二极管的特性曲线呈现出光电流和反向饱和电流之间的关系。
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1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少? 波长:380~780nm 400~760nm 频率:385T~790THz 400T~750THz 能量:1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么?为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量?为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应,分析光电敏感器件的光电特性,以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算,常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于:前者是物理(或客观)的计量方法,称为辐射度量学计量方法或辐射度参数,它适用于整个电磁辐射谱区,对辐射量进行物理的计量;后者是生理(或主观)的计量方法,是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算,称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域,是对光强度的主观评价,超过这个谱区,光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射,所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处,将λ~λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ,除以该波长λ的光子能量h ν,就得到光源在λ处每秒发射的光子数,称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯,假设各向发光均匀,悬挂在离地面1.5m 的高处,用照度计测得正下方地面的照度为30lx ,求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器(波长为632.8nm )发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上,该漫反射屏的发射比为0.85,求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.3621.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v vv v vK V lm d I d S RhR R I cddI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v vvv v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书,不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升高而减小。
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第一章1. 光电子器件按功能分为哪几类?每类大致包括哪些器件?光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显示器件。
光源器件分为相干光源和非相干光源。
相干光源主要包括激光器和非线性光学器件等。
非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。
光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。
光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。
光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器等。
光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。
光显示器件包括CRT、液晶显示器、等离子显示器、LED显示。
2.谈谈你对光电子技术的理解。
光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术,以光源激光化,传输波导(光纤)化,手段电子化,现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征,是一门新兴的综合性交叉学科。
⒌据你了解,继阴极射线管显示(CRT)之后,哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体?等离子体显示(PDP),液晶显示(LCD),场致发射显示(EL),LED显示。
第二章:光学基础知识与光场传播规律⒈ 填空题⑴ 光的基本属性是光具有波粒二象性,光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等;光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。
⑵ 两束光相干的条件是频率相同、振动方向相同、相位差恒定;最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪;两束光相长干涉的条件是(0,1,2,)m m δλ==±±,δ为光程差。
⑶两列同频平面简谐波振幅分别为01E 、02E ,位相差为φ,则其干涉光强为22010201022cos E E E E φ++,两列波干涉相长的条件为2(0,1,2,)m m φπ==±±⑷波长λ的光经过孔径D 的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为1.22f D λ。
⒉ 在玻璃( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线(0.75)m λμ=的反射。
⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。
⑵如紫外线(0.42)m λμ=垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上,反射功率占入射功率百分之多少?⑴玻璃的折射率1.5n ==,正入射时,当n =作用,所以 1.225n ===,正入射下相应的薄膜厚度最薄为0.750.15344 1.225h m n λμ===⨯ ⑵正入射时,反射率为 222200002222000022()cos ()sin 22()cos ()sin G G G G n n nhnh n n n n n n nh nh n n n n ππλλρππλλ-+-=+++正 2200222200002()cos 3.57%22()cos ()sin G G G nh n n n n nhnh n n n n πλππλλ-==+++⒍输出波长λ=632.8nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和MgF 2形成的,这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。
问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5%?设玻璃的折射率G n =1.5 由题意: 02220220()0.995()P H H L G P H H L G n n n n n n n n n n λρ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥=≥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦正,,即 9975.0)5.1/5.2()5.1/5.2(1)5.1/5.2()5.1/5.2(12222≤+-p p 即 745.1910025.0167.49975.15.15.22=⋅≥⎪⎭⎫ ⎝⎛p 15.529.102≈⇒=p p 故至少涂覆6个双层。
第三章 激光原理与技术1.填空⑴最早的电光源是炭弧光灯,最早的激光器是 1960 年由美国人梅曼制作的 红宝石激光器。
⑵光在各向同性介质中传播时,复极化率的实部表示色散与频率的关系,虚部表示物质吸收与频率的关系。
⑶激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。
激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应,必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。
⑷今有一个球面谐振腔,r1=1.5m ,r2=-1m ,L=80cm ,它属于稳定腔。
2.试简单说明以下光电子学术语的科学含义:⑴受激辐射(画出二能级图)处于激发态E2上的原子,在频率满足1221E E hv -=的入射光作用下,从E2能级跃迁到E1能级,在跃迁过程中,原子辐射出能量为21h υ、与入射光处于同一状态的光子,这两个光子又可以去诱发其他发光粒子,产生更多状态相同的光子,这一发射过程称为受激发射过程。
⑵谱线的多普勒加宽多普勒展宽是由于气体物质中热运动速度不同的发光粒子发出的光的表观中心频率不同造成的谱线加宽。
⑶谱线的自然加宽自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁,从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的谱线加宽。
⑷光放大引入激活介质的增益系数()G υ()()()dI G I dxυυυ= 式中,()dI υ是传播距离dx 时的光强的增量。
这说明:介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度距离时,光强增加的百分数。
由于()0dI υ>,因而()0G υ>,所以()G υ可以表示光在激活介质当中的放大特性。
3. 计算与推导(1)λ=0.5μm 时,什么温度下自发辐射率与受激辐射几率相等?T=300K 时,什么波长下自发辐射与受激辐射几率相等?自发辐射率为A 21,受激辐射率为W 21。
212121()w B ρυ=。
由爱因斯坦关系式可知:3321213218A h n B c πυ=, 由普朗克公式可知:33212132181()exp()1h n h c kTπυρυυ=- ,(a )由题意A 21=W 21,故321exp()11h kTυ-=, 333483332132363ln 2ln 2 6.6310(310)0.69317.19101.3810(0.510)h hc T K k k υλ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯⨯⨯ (b )当T=300K 时,3348331223ln 2 6.6310(310)0.6931 2.997101.3810300hc kT λ--⨯⨯⨯⨯===⨯⨯⨯ 41.44210M λ=⨯(2)He-Ne 激光器的反射镜间距为0.2m ,求最靠近632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。
如果增益曲线宽度为91.510⨯Hz,则可能引起的纵模总数是多少?解:气体的折射率1n ≈,由2q c q nL υ= 得 592210.2 6.3210632.810nL q λ-⨯⨯===⨯⨯ 纵模频率间隔883107.5102210.2q c Hz nL υ⨯===⨯⨯⨯ 实际振荡纵模总数981.5101137.510T q q υυ⎡⎤⎡⎤⨯=+=+=⎢⎥⎢⎥⨯⎢⎥⎣⎦⎣⎦(3)红宝石激光器的工作物质特性:7321510/N N cm -=⨯、300K 处,1101210()Hz g υυ≈=⨯,3310s s τ-=⨯,144.32610Hz υ=⨯,n=1.78,求其在中心频率处的增益系数()G υ。
解: 因为 12212121212128)2/(1)2/(g g A N g g N K N g g N G m πλνπνπ'∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-='∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=νλτn c g g A ===,,212211 所以: ()cm v n c N N G m /1046.9)1036.4(78.11024109105411221421122072222212-⋅=⋅⋅⋅⋅⋅⋅='∆-=πτνπ4.简述题⑴简述激光的特点。
激光的特点主要表现在以下四个方面:①激光的方向性很好;②激光的单色性很好;③激光的相干性很好;④激光具有极高的亮度和单色亮度。
⑷为什么二能级系统不能产生激光?当外界激励能量作用于二能级体系物质时,首先建立起自发辐射,在体系中有了初始光辐射之后,一方面物质吸收光,使N减少、2N增加;另一方面由于1物质中存在辐射过程,使N减小、1N增加,两种过程同时存在,最终达到1N=2N状态,光吸收和受激发射相等,二能级系统不再吸收光,达到所谓的自发辐2射状态,这种状态下N不再继续增加;即便采用强光照射,共振吸收和受激发2射以相同的概率发生,也不能实现粒子数反转。
⑸以一个三能级原子系统为例,说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。
激光工作物质提供形成激光的能级结构体系,是激光产生的内因。
要产生激光,工作物质只有高能态(激发态)和低能态(基态)是不够的,还至少需要有一个亚稳态能级,它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小的自发辐射概率,从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布。
这样,激光工作物质应至少具备三个能级。
设E1是基态,E2是亚稳态,E3是激发态。
外界激发作用使粒子从E1能级跃迁到E3能级。
由于E3的寿命很短(ns量级),因而不允许粒子停留,跃迁到E3的粒子很快通过非辐射迟豫过程跃迁到E2能级。
当把一半以上的粒子抽运到E2,就实现了粒子数反转分布,此时若有光子能量为hυ=E2-E1的入射光,则将产生光的受激辐射,发射hυ的光,从而实现光放大。
泵浦源提供形成激光的能量激励,是激光形成的外因。
主要有以下几种泵浦方式:①光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。
光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构,使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。
不论哪种光学谐振腔,它们都有一个共同特性,那就是都是开腔,即侧面没有边界的腔,这使偏轴模不断耗散,以保证激光定向输出。
谐振腔还具有选频作用,即自发辐射荧光线宽内只有满足谐振条件的纵模能形成振荡输出。
⑺分析激光产生的条件。
激光产生的两个必要条件:粒子数反转分布和减少振荡模式数;两个充分条件:阈值条件和增益饱和。
粒子数反转使得受激辐射超过受激吸收,才能得到光放大。
要想得到方向性很好、单色性很好的激光,还必须减少振荡模式数。
这是因为:第一:受激发射可以沿各个方向产生,难以形成极强的光束;第二,受激辐射光有很多频率,对应很多模式,每一模式的光都将携带能量,难以形成单色亮度很强的激光。
所以,必须采用谐振腔,使光束来回通过激活介质时,沿轴向得到放大,而和轴线有较大夹角的光束,则由侧面逸出激活介质,不能形成激光振荡;光束在腔内多次的来回反射,极少频率的光满足干涉相长条件,频率得到筛选,这样可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡。
光在腔内传播时,存在着各种损耗,所以只有光的增益能超过这些损失时,光波才能被放大,从而在腔内振荡起来,称这个条件为振荡阈值条件。