激光基本知识第二章答案解析
周炳琨激光原理第二章习题解答(完整版)
周炳琨激光原理第二章习题解答（完整版）1.试利用往返矩阵证明对称共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。
证明：设从镜M1→M 2→M 1,初始坐标为⎪⎪⎭⎫⎝⎛θ00r ，往返一次后坐标变为⎪⎪⎭⎫⎝⎛θ11r =T⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛θ00r ,往返两次后坐标变为⎪⎪⎭⎫⎝⎛θ22r =T •T ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛θ00r而对称共焦腔，R 1=R 2=L则A=1-2R L 2=-1B=2L ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-2R L 1=0 C=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+121R L 21R 2R 2=0 D=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--211R L 21R L 21R L 2=-1所以，T=⎪⎪⎭⎫⎝⎛--1001故，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛θ22r =⎪⎪⎭⎫⎝⎛--1001⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--1001⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛θ00r =⎪⎪⎭⎫⎝⎛θ00r 即，两次往返后自行闭合。
2．试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。
解：共轴球面腔的稳定性条件为0<g 1•g 2<1,其中g 1=1-1R L ,g 2=1-2R L （a 对平凹腔：R 2=∞,则g 2=1,0<1-1R L <1，即0<L<R1(b)对双凹腔：0<g 1•g 2<1, 0<⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-21R L 1R L 1<1 L R >1，L R >2或L R <1L R <2且LR R >+21(c)对凹凸腔：R 1=1R ,R 2=-2R ,0<⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-21R L 1R L 1<1，L R >1且LR R <-||213．激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m 的凸面镜和曲率半径为2m 的凹面镜组成，工作物质长0.5m ，其折射率为1.52，求腔长L 在什么范围内是稳定腔。
高中物理 知识点考点解析含答案 知识讲解 光的衍射、偏振、色散、激光 基础
光的衍射、偏振、色散、激光【学习目标】1．了解光的衍射现象及观察方法． 2．理解光产生衍射的条件．3．知道几种不同衍射现象的图样．5．知道振动中的偏振现象，偏振是横波特有的性质． 6．明显偏振光和自然光的区别．7．知道光的偏振现象及偏振光的应用． 8．知道光的色散、光的颜色及光谱的概念． 9．理解薄膜干涉的原理并能解释一些现象．10．知道激光和自然光的区别． 11．了解激光的特点和应用．【要点梳理】 要点一、光的衍射 1．光的衍射现象当单色光通过很窄的缝或很小的孔时，光离开了直线路径，绕到障碍物的阴影里去，光所达到的范围会远远超过它沿直线传播所应照明的区域，形成明暗相间的条纹或光环． 2．产生明显衍射的条件障碍物的尺寸可以跟光的波长相近或比光的波长还要小时能产生明显的衍射．对同样的障碍物，波长越长的光，衍射现象越明显；对某种波长的光，障碍物越小，衍射现象越明显．由于波长越长，衍射性越好，所以要观察到声波的衍射现象就比观察到光波的衍射现象容易得多． 3．三种衍射现象和图样特征 (1)单缝衍射． ①单缝衍射现象．如图所示，点光源S 发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿着直线传播，传播到光屏上的AB 区域；若缝足够窄，则光的传播不再沿直线传播，而是传到几何阴影区，在AA BB ''、区还出现亮暗相间的条纹，即发生衍射现象．要点诠释：衍射是波特有的一种现象，只是有的明显，有的不明显而已． ②图样特征．单缝衍射条纹分布是不均匀的，中央亮条纹与邻边的亮条纹相比有明显的不同：用单色光照射单缝时，光屏上出现亮、暗相间的衍射条纹，中央条纹宽度大，亮度也大，如图所示，与干涉条纹有区别．用白光照射单缝时，中间是白色亮条纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，最远离中央的是红光．(2)圆孔衍射．①圆孔衍射的现象．如图甲所示，当挡板AB上的圆孔较大时，光屏上出现图乙中所示的情形，无衍射现象发生；当挡板AB上的圆孔很小时，光屏上出现图丙中所示的衍射图样，出现亮、暗相间的圆环．②图样特征．衍射图样中，中央亮圆的亮度大，外面是亮、暗相间的圆环，但外围亮环的亮度小，用不同的光照射时所得图样也有所不同，如果用单色光照射时，中央为亮圆，外面是亮度越来越暗的亮环．如果用白光照射时，中央亮圆为白色，周围是彩色圆环．(3)圆板衍射．在1818年，法国物理学家菲涅耳提出波动理论时，著名的数学家泊松根据菲涅耳的波动理论推算出圆板后面的中央应出现一个亮斑，这看起来是一个荒谬的结论，于是在同年，泊松在巴黎科学院宣称他推翻了菲涅耳的波动理论，并把这一结果当作菲涅耳的谬误提了出来但有人做了相应的实验，发现在圆板阴影的中央确实出现了一个亮斑，这充分证明了菲涅耳理论的正确性，后人把这个亮斑就叫泊松亮斑．小圆板衍射图样的中央有个亮斑——泊松亮斑，图样中的亮环或暗环间的距离随着半径的增大而减小．4．衍射光栅(1)构成：由许多等宽的狭缝等距离排列起来形成的光学仪器．(2)特点：它产生的条纹分辨程度高，便于测量．(3)种类：⎧⎨⎩透射光栅反射光栅．5．衍射现象与干涉现象的比较种类项目单缝衍射双缝干涉不同点产生条件只要狭缝足够小，任何光都能发生频率相同的两列光波相遇叠加条纹宽度条纹宽度不等，中央最宽条纹宽度相等条纹间距各相邻条纹间不等各相邻条纹等间距亮度中央条纹最亮，两边变暗清晰条纹，亮度基本相等相同点干涉、衍射都是波特有的现象，属于波的叠加；干涉、衍射都有明暗相间的条纹6．三种衍射图样的比较如图所示是光经狭缝、小孔、小圆屏产生的衍射图样的照片．由图可见：(1)光经不同形状的障碍物产生的衍射图样的形状是不同的．(2)衍射条纹的间距不等．(3)仔细比较乙图和丙图可以发现小孔衍射图样和小圆屏衍射图样的区别：①小圆屏衍射图样的中央有个亮斑——著名的“泊松亮斑”；②小圆屏衍射图样中亮环或暗环间距随着半径的增大而减小，而圆孔衍射图样中亮环或暗环间距随半径增大而增大；③乙图背景是黑暗的，丙图背景是明亮的．要点二、光的偏振1．光是横波光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，但不能由此确定光究竟是横波还是纵波．要点诠释：电磁波是横波，电磁波中的电场强度E和磁感应强度B都与波的传播方向垂直．既然光是电磁波，也应该是横波，光的作用主要是由其电场强度E引起的．2．偏振现象(1)狭缝对横波、纵波的影响：如果在波的传播方向上放一带狭缝的木板，不管狭缝方向如何，纵波都能自由通过狭缝；对横波，只有狭缝的方向与横波质点的振动方向相同时，横波才能毫无阻碍地通过狭缝；当狭缝的方向与质点的振动方向垂直时，横波就不能通过狭缝，这种现象叫做横波的偏振．如图所示．(2)横波独有的特征：偏振现象是横波所特有的，故利用偏振现象可判断一列波是横波或是纵波．(3)光的偏振现象说明光波是横波．3．自然光和偏振光(1)自然光：从普通光源直接发出的自然光是无数偏振光的无规则集合，所以直接观察时不能发现光强偏向哪一个方向．这种沿着各个方向振动的光波强度都相同的光叫自然光．自然光介绍：太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。
激光原理第二章习题答案
2.1 证明：如图2.1所示，当光线从折射率1η的介质，向折射率为2η的介质折射时，在曲率半径R 的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-2121201ηηηηηR 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R 取正（负）值。
证明：由图可知 11201θ⋅+⋅=x x 又)()(222111θηθη-=-RxR x 21121122x R ηηηθθηη-∴=+ ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∴11212122201θηηηηηθx Rx ∴变换矩阵为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-2121201ηηηηηR 2.2 试求半径R=4cm,折射率η=1.5的玻璃球的焦距和主面的位置1h 和2h 。
解：变换矩阵⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=2112121221210110101n n R n n n l n n R n n n M 把11=n ，5.12=n ，cm R R 421=-=，cm l 8=代入，可得⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⨯-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=3531316355.1145.115.10110815.145.1101M )(12f h A -=, f C 1-=, )(11f h D -= 求得 mm f 30-= mm h 201= mm h 202=2.3 焦距1f =5cm 和2f =-10c=m 的两个透镜相距5cm 。
第一个透镜前表面和第二个透镜后表面为参考平面的系统，其等效焦距为多少？焦点和主平面位置在何处？距1f 前表面20cm 处放置高为10cm 的物体，能在2f 后多远地方成像？像高为多少？ 解：（1）2110101010********1131101011110552A B L M CD f f ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥====⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-----⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦)(12f h A -=, f C 1-=, )(11f h D -=，求得cm f 5-= cm h 5.21= cm h 52-=第一个透镜前表面与前主面的距离为2.5cm ，第二个透镜后表面与后主面的距离为-5cm,前主面离焦点的距离为-5cm ，） （2）21201011===l x θ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡45252110235150235150111122θθθx x D C B A xcm l cm x 2,5.222-==（距2f 后表面-2cm ）2.4 一块折射率为η，厚度为d 的介质放在空气中，其两界面分别为曲率半径等于R 的凹球面和平面，光线入射到凹球面上。
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
第二章光生物物理-激光基本知识与应用
—激光的基本知识与应用
授课教师：张 旸 联系方式：新逸夫教学楼226室 电子邮件：
本章的主要内容
第一节 光学的基本知识
– 要点：根据光学的各个不同发展时期讲述每个时期产 生的光学知识与理论。
第二节 激光的基本知识与应用
– 要点：主要讲述激光的发展史，激光的概念特点应用 ，重点讲述激光产生的原理。
1965年，第一台可产生 大功率激光的器件— 二氧化碳激光器诞生。
1967年，第一台Ｘ射线 激光器研制成功。
1997年，美国麻省理工 学院的研究人员研制出 第一台原子激光器。
中国第一台激光器（1961）
激光的特点
激光的高亮度
光源的亮度，就是指光源在单位面积上，向某一个 方向的单位立体角内所发出的光的功率。
– 用途：定位、导向、测距等。用激光测定地球 与月球的距离，精度已达到1.5m。
激光的特点
激光的单色性好
– 发出的光占有的波段很窄。通常把波长范围小于几埃的 一段辐射，称为单色光。
– 单色性最好的激光是氦氖激光（波长为6328×10-8cm ），谱线范围宽度在室温下为1×10-15cm。
太阳光经过三棱镜后，太阳光被分成 红橙黄绿青蓝紫，各种不同的颜色。
关于成影现象的认识
பைடு நூலகம்– 日晷、中国古代历法器具
光学发展简史 - 几何光学时期
这一时期可以称为光学发展史上的转折点。 在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠
定了几何光学的基础。
光的反射定律
光的折射定律
光学发展简史 - 波动光学时期
19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解 释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。
光学发展简史 - 量子光学时期
激光专业知识
工作物质 全反射镜
激光输出
激光 部分反射镜
L
光学谐振腔
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图详解
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——工作物质
激光作为光学家族的一员，具有波粒二相性，一方面激光是由无数光子组成，具有光的 粒子性；另一方面，其本身也是一种电磁波。
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——核聚变
激光控制核聚变
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——激光导航星
天文台（激光导航星）
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第一章 激光的概述
第五节 激光技术的应用——测距与激光雷达
激光测距与激光雷达
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第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图
基态和激发态：当原子内所有电子处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低，我 们称原子处于基态；当一个或多个原子电子处于较高的能级时，我们 称原子处于激发态。
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第二章 激光的认识
第四节 激光产生的原理——受激吸收/自发辐射
受激吸收：原子吸收入射光子（h=Eh-El），从低能态（El）跃迁到高能态（Eh）。
一般而言，激光的产生需要3个条件：
工作物质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。 关键是能在这种介质中实现粒子数反转，就被称为激活介质(active medium) 或工作物质。
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第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——激励源
激励源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处 于上能级的粒子数增加。如：电激励、光激励、热激励、化学激励等各种激励 方式被形象化地称为泵浦或抽运；只有不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下 能级，不断获得激光输出。
激光原理第二章答案
第二章开放式光腔与XX光束1.证明如图2.1所示傍轴光线进入平面介质界面的光线变换矩阵为证明：设入射光线坐标参数为，出射光线坐标参数为，根据几何关系可知傍轴光线则，写成矩阵形式得证2.证明光线通过图2.2所示厚度为d的平行平面介质的光线变换矩阵为。
证明：设入射光线坐标参数为，出射光线坐标参数为，入射光线首先经界面1折射，然后在介质2xx自由传播横向距离d，最后经界面2折射后出射。
根据1题的结论和自由传播的光线变换矩阵可得化简后得证。
3.试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合证：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示:其往返矩阵为:由于是共焦腔，则有R i = R2 = L将上式代入计算得往返矩阵T m [A D1"101〔01 一可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合。
于是光线在腔内往返任意多次均不会溢出腔外，所以共焦腔为稳定腔。
4.试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。
解：共轴球面腔稳定性条件其中对平凹共轴球面镜腔有则，再根据稳定性条件可得。
对双凹共轴球面腔有，则根据稳定性条件可得。
对凹凸共轴球面镜腔有，则根据稳定性条件可得。
5•激光器的谐振腔由一面曲率半径为的凸面镜和曲率半径为的凹面镜组成，工作物质长，其折射率为1.52，求腔长L在什么范围内是稳定腔。
解：设两腔镜和的曲率半径分别为和，工作物质长，折射率当腔内放入工作物质时，稳定性条件中的腔长应做等效，设工作物质长为,工作物质左右两边剩余的腔长分别为和，贝y。
设此时的等效腔长为，则光在腔先经历自由传播横向距离，然后在工作物质左侧面折射，接着在工作物质中自由传播横向距离，再在工作物质右侧面折射，最后再自由传播横向距离，则。
］「1 ql1 °=1 町n J(0dj o 冷0 1-所以等效腔长等于1 ■01.17m<L ：：2.17m6. 图2.3所示三镜环形腔，已知，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。
激光原理第二章习题答案
2.19某共焦腔氦氖激光器，波长λ＝0.6328μm ，若镜面上基模光斑尺寸为0.5mm ，试求共焦腔的腔长，若腔长保持不变，而波长λ＝3.39μm ，问：此时镜面上光斑尺寸多大？ 解：20/ 1.24s L m ωπλ=≈0/1.16mms L ωλπ==2.20考虑一台氩离子激光器，其对称稳定球面腔的腔长L=1m ，波长λ= 0.5145μm ，腔镜曲率半径R=4m ，试计算基模光斑尺寸和镜面上的光斑尺寸。
解：1/42021/42242()(2)(22)(2) 4.65104L R L R L R L RL L mλωπλπ-⎡⎤--=⎢⎥-⎣⎦⎡⎤-==⨯⎢⎥⎣⎦1/42121/4222422()()(2)4.9810(2)L R R L L R L R L R L mRL L λωωπλπ-⎡⎤-==⎢⎥--⎣⎦⎡⎤==⨯⎢⎥-⎣⎦2.21腔长L ＝75cm 的氦氖平凹腔激光器，波长λ＝0.6328μm ，腔镜曲率半径R ＝1m ，试求凹面镜上光斑尺寸，并计算该腔基模远场发散角θ。
解：1/41/4212211121121/41/422112212212()0.295mm()()(1)()0.591()()(1)s s R R L g L Lw L R L R R L g g g R R L g LL w mmL R L R R L g g g λλππλλππ⎡⎤⎡⎤-===⎢⎥⎢⎥-+--⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤-===⎢⎥⎢⎥-+--⎣⎦⎣⎦1/41/42221212120212121212(2)(2)220.0014rad=0.0782()()()(1)L R R g g g g L R L R L R R L L g g g g λλθππ⎡⎤⎧⎫--+-===⎨⎬⎢⎥--+--⎣⎦⎩⎭2.22设稳定球面腔的腔长L ＝16cm ，两镜面曲率半径为1R ＝20cm ，2R ＝－32cm ，波长λ=410-cm ，试求：（1）最小光斑尺寸0ω和最小光斑位置；（2）镜面上光斑尺寸1s ω、2s ω；（3）0ω和1s ω、2s ω分别与共焦腔（1R ＝2R ＝L ）相应值之比。
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第二章开放式光腔与高斯光束1.证明如图2.1所示傍轴光线进入平面介质界面的光线变换矩阵为121 0ηη⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦。
证明：设入射光线坐标参数为11,rθ，出射光线坐标参数为22,rθ，根据几何关系可知211122,sin sinr rηθηθ==傍轴光线sinθθ则1122ηθηθ=，写成矩阵形式2121121 0r rθθηη⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦得证2.证明光线通过图2.2所示厚度为d的平行平面介质的光线变换矩阵为1210 1dηη⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦。
证明：设入射光线坐标参数为11,rθ，出射光线坐标参数为22,rθ，入射光线首先经界面1折射，然后在介质2中自由传播横向距离d，最后经界面2折射后出射。
根据1题的结论和自由传播的光线变换矩阵可得212121121 0 1 010 00 1r rdθθηηηη⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦化简后21211210 1dr rθθηη⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦得证。
3．试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。
证：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示：其往返矩阵为：由于是共焦腔，则有12R R L ==将上式代入计算得往返矩阵()()()121010110101nnnn n n r L r L ⎡⎤⎡⎤⎡⎤===-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦A B C D T T T T T 可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合。
于是光线在腔内往返任意多次均不会溢出腔外，所以共焦腔为稳定腔。
4.试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。
解：共轴球面腔稳定性条件1201g g <<其中121211,1L Lg g R R =--=- 对平凹共轴球面镜腔有12,0R R =∞>。
则1221,1Lg g R ==-，再根据稳定性条件 1201g g <<可得22011LR R L <-<>⇒。
对双凹共轴球面腔有，120,0R R >>则12121,1L Lg g R R =-=-,根据稳定性条件1201g g << 可得11221212010 01 1R LR L R L R L R R L L R R L<<⎧>⎧⎪<<⎨⎨>⎛⎫⎛⎫<--<⇒ ⎪⎩⎪+> ⎪⎝⎭⎝⎭⎩ 或。
对凹凸共轴球面镜腔有，120,0R R ><则12121,1,0L Lg g R R =-=>-根据稳定性条件1210101122110101A B L L T C D RR ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦1001T -⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦1201g g << 可得121120111R L R R R L L R L ⎛⎫⎛⎫<--<⇒ ⎪⎪⎝⎭+⎝><⎭⎧⎨⎩。
5. 激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m 的凸面镜和曲率半径为2m 的凹面镜组成，工作物质长0.5m ，其折射率为1.52，求腔长L 在什么范围内是稳定腔。
解：设两腔镜1M 和2M 的曲率半径分别为1R 和2R ，121m,2m R R =-= 工作物质长0.5m l =，折射率 1.52η=当腔内放入工作物质时,稳定性条件中的腔长应做等效,设工作物质长为l ,工作物质左右两边剩余的腔长分别为1l 和2l ，则12l l l L ++=。
设此时的等效腔长为L '，则光在腔先经历自由传播横向距离1l ，然后在工作物质左侧面折射，接着在工作物质中自由传播横向距离l ，再在工作物质右侧面折射，最后再自由传播横向距离2l ，则所以等效腔长等于 21()llL l l L l ηη'=++=-+再利用稳定性条件由(1)解出 2m 1m L '>> 则 所以得到：1.17m<2.17m L <6. 图2.3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，式(2.2.7)中的(cos )/2F R θ=，对于在与此垂直的平面内传输的弧矢光线，011 1 (1)21L L ''⎛⎫⎛⎫<-+< ⎪⎪⎝⎭⎝⎭10.5(1)0.171.52L L L ''=+⨯-=+21211011101110010100101101L l l l l l l ηηη⎡⎤'⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦⎡⎤++⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦/(2cos )F R θ=，θ为光轴与球面镜法线的夹角。
图2.1解：22222101011211010111442132221A B l l C D FF l l l l F F F l l Fl F ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎡⎤-+-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥⎣⎦()221312l l A D F F+=-+ 稳定条件 223111l lF F-<-+<左边有 22320210l lF Fl l F F -+>⎛⎫⎛⎫--> ⎪⎪⎝⎭⎝⎭所以有21l l F F ><或对子午线：对弧矢线： 对子午线和弧矢光线分别代入上述不等式得 子午光线 弧矢光线cos 2R F θ=子午2cos R F θ=弧矢R R <<>或R R <<>或任意光线需同时满足子午线与弧矢线的条件得7. 有一方形孔径的共焦腔氦氖激光器，L =30cm ，方形孔边长20.12cm d a ==，λ=632.8nm ，镜的反射率为121,0.96r r ==，其他的损耗以每程0.003估计。
此激光器能否作单模运转？如果想在共焦镜面附近加一个方形小孔阑来选择00TEM 模，小孔的边长应为多大？试根据图2.5.5作一个大略的估计。
氦氖增益由公式估算（l 为放电管长度，假设l L ≈）解：01TEM 模为第一高阶横模，并且假定00TEM 和01TEM 模的小信号增益系数相同，用0g表示。
要实现单模运转，必须同时满足下面两个关系式根据已知条件求出腔的菲涅耳数由图2.5.5可查得00TEM 和01TEM 模的单程衍射损耗为氦氖增益由公式计算。
代入已知条件有0e 1.075g l =。
将0e g l、00δ、01δ、1r 和2r 的值代入I 、II 式，两式的左端均近似等于1.05，由此可见式II 的条件不能满足，因此该激光器不能作单模运转。
为了获得基模振荡，在共焦镜面附近加一个方形小孔阑来增加衍射损耗。
若满足II 式的条件，则要求010.047δ>根据图2.5.5可以查出对应于01δ的腔菲涅耳数 '0.90N < 由菲涅耳数的定义可以算出相应的小孔阑的边长923R R <<>或04e1310g lld-=+⨯00001e 0.003) 1 I e 0.003) 1 IIg g δδ-->--<2270.06 1.930632.810a N L λ-===⨯⨯8.37006011010δδ--≈≈04e 1310g l L d-=+⨯220.83mma==同理利满足I式的条件可得20.7mma>因此，只要选择小孔阑的边长满足0.720.83mmmm a<<即可实现00TEM模单模振荡。
8．试求出方形镜共焦腔面上30TEM模的节线位置，这些节线是等距分布的吗？解：在厄米-高斯近似下，共焦腔面上的30TEM模的场分布可以写成令X=，则I式可以写成()22(/)30303(,)H ex yLv x y C Xλπ+-=式中()3H X为厄米多项式，其值为()33H8-12XX X=由于厄米多项式的零点就是场的节点位置，于是令()3H0X=，得1230;X X X===考虑到0sω=所以，30TEM模在腔面上有三条节线，其x坐标位置分别在0和0s/2处，节线之间0s/2；而沿y方向没有节线分布。
9. 求圆形镜共焦腔20TEM和02TEM模在镜面上光斑的节线位置。
解：在拉盖尔—高斯近似下，可以写成如下的形式()⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-ϕϕωωϕυωmmerLrCr srsnmmsmnmn sincos22,20222对于mnTEM，两个三角函数因子可以任意选择，但是当m为零时，只能选余弦，否则无意义对于20TEM：()⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-ϕϕωωϕυω2sin2cos22,20222222020srsserLrCr22(/)30303(,)H e Ix yLv x y Cλπ+-⎫=⎪⎪⎭120s30s0;;x x x===并且1220220=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛s r L ω，代入上式，得到()⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-ϕϕωϕυω2sin 2cos 2,202202020sr s e r C r ， 取余弦项，根据题中所要求的结果，我们取()02cos 2,202202020=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-ϕωϕυωsr s e r C r ，就能求出镜面上节线的位置。
即43,402cos 21πϕπϕϕ==⇒=同理，对于02TEM ，()202202202020220202000202222,ssr sr s s e r L C e r L r C r ωωωωωϕυ--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=404202202022412s s s r r r L ωωω+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛，代入上式并使光波场为零，得到()02412,202404202000202=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-sr s s s er r r C r ωωωωϕυ显然，只要0241240420220202=+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛s s s r r r L ωωω即满足上式镜面上节线圆的半径分别为：s s r r 0201221,221ωω-=+= 10. 今有一球面腔，1 1.5m R =，21m R =-，80cm L =。
试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的参数；在图上画出等价共焦腔的具体位置。
解：该球面腔的g 参数为由此，120.85g g =，满足谐振腔的稳定性条件1201g g <<，因此，该腔为稳定腔。