第一章作业(激光技术--蓝信钜
激光原理第一章答案
第一章 激光的基本原理1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλΔ应是多少? 提示: He-Ne 激光器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2cd d d d ννλνλλ=−⇒=−λ 则 ooνλνλΔΔ=再有 c c c L c τν==Δ得106.32810o o o c o c cL L λλνλνν−ΔΔ====× 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：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则：cP nh nh νλ==由此可得： PP n h hcλν==其中为普朗克常数，为真空中光速。
346.62610J s h −=×⋅8310m/s c =×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)，能级上的粒子数密度分别为n 和，求λ21n (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当，T=300K 时，λ=1μm 21/?n n = (c) 当，n n 时，温度T=？λ=1μm 21/0.1=解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则2211()exp exp exp b b n E E h h n k T k T k νb c T λ⎡⎤⎛⎞⎛−=−=−=−⎜⎟⎜⎢⎥⎣⎦⎝⎠⎝⎞⎟⎠(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时：3492231 6.62610310exp 11.3810300n n −−⎛⎞×××=−≈⎜⎟××⎝⎠(b) 当，T=300K 时： λ=1μm 34822361 6.62610310exp 01.381010300n n −−−⎛⎞×××=−≈⎜⎟×××⎝⎠(c) 当，n n 时：λ=1μm 21/0.1=C 3+r −×cm348323612 6.62610310 6.2610K ln(/) 1.381010ln10b hc T k n n λ−−−×××===××××4. 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
激光原理及应用课件
1.1 激光发展的历史
• 突破
– 1958年Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文 “Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一种 新事物登上了历史舞台。
– 1960年5月，休斯实验室的Maiman研制的红宝石激光 器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一 台激光器。
1.1 激光发展的历史
– 1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能 级固体激光器；
– 1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第 一台氦氖气体激光器；
– 1962年，GaAs半导体激光器； – 1963年，液体激光器； – 1964年，CO2激光器； – 1964年，离子激光器； – 1964年，Nd：YAG固体激光器； – 1965年，HCl化学激光器； – 1966年，生物染料激光器； – 从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞
– 17世纪—对光的本性的探求：
• 波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更 斯、虎克；
• 微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；
– 19世纪：
• 光的波动本性有了进一步发展，杨氏双缝干涉，菲 涅耳波动理论等
• 电磁场理论、麦克斯韦方程组（法拉第、麦克斯韦、 坡印廷、赫兹等）
1.1 激光发展的历史
激光概述
辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射；
激光概述
粒子数反转
激光原理就是要研 究光的受激辐射是 如何在激光器内产 生并占主导地位而 抑制自发辐射！
He-Ne激光器工作原理图
Байду номын сангаас
激光原理第一章答案
第一章 激光的基本原理1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλΔ应是多少? 提示: He-Ne 激光器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2cd d d d ννλνλλ=−⇒=−λ 则 ooνλνλΔΔ=再有 c c c L c τν==Δ得106.32810o o o c o c cL L λλνλνν−ΔΔ====× 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：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则：cP nh nh νλ==由此可得： PP n h hcλν==其中为普朗克常数，为真空中光速。
346.62610J s h −=×⋅8310m/s c =×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)，能级上的粒子数密度分别为n 和，求λ21n (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当，T=300K 时，λ=1μm 21/?n n = (c) 当，n n 时，温度T=？λ=1μm 21/0.1=解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则2211()exp exp exp b b n E E h h n k T k T k νb c T λ⎡⎤⎛⎞⎛−=−=−=−⎜⎟⎜⎢⎥⎣⎦⎝⎠⎝⎞⎟⎠(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时：3492231 6.62610310exp 11.3810300n n −−⎛⎞×××=−≈⎜⎟××⎝⎠(b) 当，T=300K 时： λ=1μm 34822361 6.62610310exp 01.381010300n n −−−⎛⎞×××=−≈⎜⎟×××⎝⎠(c) 当，n n 时：λ=1μm 21/0.1=C 3+r −×cm348323612 6.62610310 6.2610K ln(/) 1.381010ln10b hc T k n n λ−−−×××===××××4. 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
激光原理与技术
绪论
激 光——利用受激辐射的光放大
“LASER” stands for Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation
一、多方面的应用需求激励激光器的研究 (1)高的单色性和相干性要求 光纤通信、干涉计量、光全息、光谱分析等！ (2)高功率、高能量、高强度要求 激光核聚变、激光武器、非线性光学、激光加工等！ (3)好的方向性要求 准直、激光导航、激光雷达等！ (4)良好的时间分辨率 观测超快过程： (comp. : time scale of molecular vibrations ~ 100 fs time scale of electronic motion ~ 100 as)
2、能源上：激光核聚变！ 3、信息处理上：激光全息、光通信等。
4、医学上：激光美容、激光手术刀等。
5、军事上：制成激光雷达和各种激光武器！
致盲致眩武器、战术性武器（击毁装甲车、飞机、战术 导弹等）、战略性武器（可以摧毁远程导弹、洲际导弹 和卫星）。
美国波音公 司用于反导 的机载激光 武器系统。
6、工业上：激光准直、激光导航、激光打孔、光刻集成 电路等。
LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1960 T. H. Maiman first laser, made from a ruby crystal 1961 A. Javan et al. first gas laser (HeNe) 1961 E. Snitzer Nd3+:glass - laser (1.06 μm) 1962 several authors GaAs – diode laser (840 nm) 1964 C. K. N. Patel CO2 - laser (10 μm) 1964 J. E. Geusic et al. Nd3+: YAG-Laser (Y3Al5O12, 1.06 μm)
第一章作业答案
思考练习题11、答：粒子数分别为：188346341105138.21031063.6105.01063.61⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯==---λνc h q n239342100277.51031063.61⨯=⨯⨯⨯==-νh q n 2、答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=）则有：1]3001038.11031063.6exp[2393412≈⨯⨯⨯⨯⨯-==---kT h e n n ν（2）K T Te n n kT h 3623834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[⨯=⇒=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-==----ν3、答：（1）1923181221121011.3]27001038.11064.1exp[4----⨯=⨯⨯⨯-⨯=⇒=⋅⋅n n e g n g n kT h ν且202110=+n n可求出312≈n（2）功率＝W 918810084.51064.13110--⨯=⨯⨯⨯4、答：（1）3173436333/10857.31063.68)106.0(2000188m s J h h c q q ⋅⨯=⇒⨯⨯⨯=⇒=---ννννρρπρπλρνπ＝自激（2）943436333106.71051063.68)106328.0(88⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激5、在红宝石Q 调制激光器中，有可能将全部Cr3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。
设红宝石直径0.8cm ，长8cm ，铬离子浓度为2×1018cm －3，巨脉冲宽度为10ns 。
求：(1)输出0.6943m 激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命＝10－2s，问自发辐射功率为多少瓦？答：（1）最大能量J ch d r h N W 3.2106943.01031063.61010208.0004.0683461822=⨯⨯⋅⨯⋅⨯⨯⋅⋅⨯=⋅⋅⋅⋅=⋅=--πλρπν 脉冲平均功率(峰值功率)＝瓦8910302101032⨯=⨯=-..t W（2）瓦自自自1451011321122002021=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯==⎪⎭⎫⎝⎛-==⎰-e h N P e n dt e n N t A .τνττ解2：已知τ=10-2 st A e n t n 21202-=)(在时间段t=0-τ发生自发辐射的粒子数密度：)()()()(120202211021---=-=-=∆e n e n n n n t A τ发生自发辐射的粒子数：)(1201--=∆=∆e V n nV N自发辐射的功率：瓦14501013211120=-⨯=-=∆=--.)(.)(e e Vhv n NhvP ττ9、证明：自发辐射时在上能级上的粒子数按（1-26）式变化：t A e n t n 21202)(-＝自发辐射的平均寿命可定义为()dt t n n ⎰∞=2201τ式中()dt t n 2为t 时刻跃迁的原子已在上能级上停留时间间隔dt 产生的总时间，因此上述广义积分为所有原子在激发态能级停留总时间，再按照激发态能级上原子总数平均，就得到自发辐射的平均寿命。
《激光》 作业设计方案
《激光》作业设计方案一、作业设计目标通过本次关于“激光”的作业设计，旨在让学生深入了解激光的原理、特性、应用等方面的知识，培养学生的科学思维能力、探究能力和实践能力，激发学生对科学技术的兴趣。
二、作业内容1、知识回顾（1）让学生回顾课堂上所学习的激光的定义、产生原理和基本特性，以简答题的形式进行，例如：简述激光产生的受激辐射过程。
（2）要求学生列举至少三种常见的激光类型，并简要描述其特点和应用领域。
2、拓展阅读提供一些关于激光的科普文章或专业文献，让学生阅读后回答相关问题，例如：阅读某篇关于激光在医疗领域应用的文章，总结激光在手术中的优势。
3、实验设计（1）设计一个简单的激光实验，让学生在家中利用常见材料进行操作，如利用激光笔和镜子观察光的反射和折射。
（2）要求学生记录实验过程和结果，并分析实验中出现的现象和问题。
4、案例分析给出一些激光在实际生活中的应用案例，如激光打印、激光测距、激光通信等，让学生分析其工作原理和优点。
5、创意写作（1）假设未来激光技术有了新的突破，让学生写一篇关于激光如何改变生活的科幻短文。
（2）或者让学生以“激光的奇妙之旅”为题，创作一个科普小故事，向其他同学介绍激光的知识。
三、作业形式1、书面作业包括简答题、论述题、实验报告等，要求学生以文字形式表达自己的理解和思考。
2、实践作业如实验操作、观察记录等，培养学生的动手能力和实践精神。
3、创意作业如科幻短文、科普故事等，激发学生的创造力和想象力。
四、作业难度作业难度分为基础、提高和拓展三个层次，以适应不同学生的学习水平。
1、基础层次主要涵盖课堂上的基础知识，如激光的定义、原理等，以简单的问答和描述为主，让大多数学生能够轻松完成。
2、提高层次涉及一些拓展性的知识和应用案例分析，需要学生在掌握基础知识的基础上进行一定的思考和分析，适合中等水平的学生。
3、拓展层次包括一些创新性的任务，如未来激光技术的设想、创意写作等，对学生的综合能力要求较高，适合学有余力的学生挑战。
激光原理与技术--第一章 辐射理论概要与激光产生的条件
光波是概率波——明条纹是光子到达概率大出，暗条纹是光子到达概率小处，
光
是符合波动规律
的
波
粒
康普顿效应
二 象
光电效应
说明光具有粒子性
光具有波粒二象性
性
光的干涉和衍射现象—— 说明具有波动性
少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 光的波粒二象性 在传播过程中波动性显著，在于物质作用是粒子性显著
E E 0 c o s t E 0 c o s 2 t
➢准单色波:实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如 ➢ 称为准单色波。
➢理想的单色平面波（简谐波） 设真空中电磁波的电矢量 在坐标原点沿x方向作简谐振动，磁矢量 在y方向 作简谐振动，频率均为 ，且t=0时两者的初位相均为零。则 、 的振动方程 分别为:
(3)频率和周期：光矢量每秒钟振动的次数 c 2 .9 9 8 1 0 8 m /s 3 1 0 8 m /s
(4)三者的关系 在真空中
各种介质中传播时，保持其 原有频率不变，而速度各不相同
实用文档
υcυ(0)
3、单色平面波
(1)平面波 ➢波阵面或同相面：光波位相相同的空间各点所连成的面 ➢平面波：波阵面是平面 (2)单色平面波：具有单一频率的平面波
跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的
光子，如图（1-8）所示。
图（1-8）光的受激辐射过程
(2)受激辐射的特点：
➢只有 hE2E当1 时，才能发生受激辐射
➢受激辐射的光子与外来光子的特性一样， 如频率、位相、偏振和传播方向
(场3)单同色理能从量E密2经度受为激辐 ，射则跃有迁： 到dE2 1n具有B2一n 12定的d跃t迁速率，在此假设外来光的光
激光原理第一章
其中 m, n, q = 0, 1, 2, · · · 分别代表沿三边所含的半波数目。这时波矢 ⃗ k 所满足应满足 kx = m π , ∆x ky = n π , ∆y kz = q π ∆z
每一组 m, n, q 对应腔内的一种模式（包含两个偏振） 。 在由 kx , ky , kz 所张开的波矢空间中，每个模式对应一个点，所有模式点呈周期性排列。每一模式沿 kx , ky , kz 三个方向与相邻模式的间隔分别为 ∆kx = π , ∆x ∆ky = π , ∆y ∆kz = π ∆z
证明： k 区间的模式数。 k ∼ ⃗ k +d⃗ • 首先考虑，波矢大小处于 ⃗ 在波矢空间中，波矢大小处于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的体积为 4π ⃗ k d⃗ k 对于驻波模来说所有模式点只位于 kx ky kz 直角坐标系的第一个 1/8 相限，再考虑到一个空间模 式包含 2 个偏振模。因此，波矢大小位于 ⃗ k ∼ ⃗ k +d⃗ k 区间的模式数为 ⃗ ⃗ 1 4π k d k 2× π3 8 V • 然后再考虑，频率位于 ν ∼ ν + dν 区间内的模式数。 2π 2π 2π 2π 由于 ⃗ ν ，因此频率范围 ν ∼ ν + dν 对应波矢大小位于区间 ν∼ ν+ dν ，该区 k = c c c c 间在波矢空间所对应的体积为 4π 2 2π 4π 2 ν 2 dν c c 因此，其中的模式数为 2× 1 4π 8 4π 2 2 2π ν dν 8πν 2 c2 c = V dν π3 c3 V
于是工作物质的增益系数为 g = α + ln (2.72)/l = 0.2 cm−1 。
第一章
第 5 页 (共 5 页)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章作业（激光技术--蓝信鉅，66页）
2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个
1／4波片，它的轴向应如何设置为佳? 若旋转1／4波片，它所提供
的直流偏置有何变化?
3，为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z切割的KDP晶
体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。试问：(1)为了使4
块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x和y轴取向应如何? (2)若
λ=0.628m，n。＝1.51，γ
63
＝23.6×10—12m／V，计算其半波电压，并
与单块晶体调制器比较之。
4．试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏光、
椭圆偏光和自然光)，并指出是根据什么现象? 如果一个纵向电光调
制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制? 为什么？
第一章补充作业：何谓 a. 电光调制、b. 声光调制、c. 磁光调制、d.
直接调制、e.空间光调制器？
第2章作业（激光技术--蓝信鉅，103页，带*号的研究生可以试做）
1．说明利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理，并简单说
明调Q脉冲形成过程中各参量随时间的变化。
3．有一带偏振棱镜的电光调Q YAG激光器，试回答或计算下列
问题：
(1)画出调Q激光器的结构示意图，并标出偏振镜的偏振轴和电
光晶体各主轴的相对方向。
(2)怎样调整偏振棱镜的起偏方向和晶体的相对位置才能得到理
想的开关效果?
(3)计算l／4波长电压Vλ/4 (l＝25mm，n0＝ne＝1.05,
γ63=23.
6×10
-12
‘’m／V)。
5．当频率fs=40MHz 的超声波在熔凝石英声光介质（n=1.54）
中建立起超声场 (vs=5.96×105cm/s)时，试计算波长为λ=1.06m的
入射光满足布拉格条件的入射角θ。
6*．一个声光调Q器件(L＝50mm，H＝5mm)是用熔融石英材料
做成，用于连续YAG激光器调Q。已知激光器的单程增益为0．3，
声光器件的电声转换效率为40％，求
(1)声光器件的驱动功率PS应为多大?
(2)声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率应为多少?
第3章作业（激光技术--蓝信鉅，142页）
3．有一多纵模激光器纵模数是1千个，激光器的腔长1．5m，
输出的平均功率为1w，认为各纵模振幅相等。
(1) 试求在锁模情况下，光脉冲的周期、宽度和峰值功率各是多
少?
(2) 采用声光损耗调制元件锁模时，调制器上加电压V(t)＝
Vmcos(ωmt)，试问电压的频率是多大?
4．有一掺钕钇铝石榴石激光器，振荡线宽(荧光谱线中能产生激
光振荡的范围) △υosc=12×1010Hz，腔长L＝0．5m，试计算激光器的
参量；(1)纵模频率间隔，(2) △υosc内可容纳纵模的数目；(3)假设各
纵模振幅相等，求锁模后脉冲的宽度和周期，(4)锁模脉冲及脉冲间
隔占有的空间距离。
6．在谐振腔中部L／2处放置一损耗调制器，要获得锁模光脉冲，
调制器的损耙周期T应为多大? 每个脉冲的能量与调制器放在紧靠
端镜处的情况有何差别?
第4章作业（激光技术--蓝信鉅，169页）
1．比较激光荡器和放大器的异同点。
3．为什么放大器可以压窄脉冲宽度? 它与锁模压窄脉宽有什么区
别?
5．一个YAG激光放大器，△N0＝6×1017cm-3，12＝5×10-23m2，对
一矩形光脉冲放大，已知光束截面是0．5cm2，光子能量hυ＝
1．86×10-19J，脉宽为10ns，能量为50mJ，若要求放大到200mJ，试
求放大介质的长度应为多少?
第5章作业（激光技术--蓝信鉅，193页）
2．分析利用衍射损耗的不同选基模(TEM00)的原理。
4．钕玻璃激光工作物质，其荧光线宽△λD＝24.0nm，折射率n
＝1.50，若用短腔法选纵模，腔长应为多少?
7．为了抑制高阶横模，在一共焦腔的反射镜处放置一个小孔光
阑，若腔长L为1m，激光波长λ为632．8nm。为了只让TEM00模振
荡，小孔的大小应为多少?(一般小孔直径等于镜面上基模光斑尺寸的
3—4倍)。
思考题：能否同时获得超短脉冲和单色性非常好的激光？为什么？
第6章作业（激光技术--蓝信鉅，217页）
1．比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频的异同点。
2．分析稳频伺服电路中相敏检波器的工作原理及其作用。
3．在He—Ne激光器中，Ne原子的谱线宽度△υD＝1．5×109Hz，
其谱线中心频率υ0＝4．7×1014Hz，如不采用稳频措施，这种激光器
的频率稳定度为多少?
4．一台稳频CO 2激光器，腔长采用环状压电陶瓷(PZT)调节，
其长度L为1m，灵敏度m＝2．5×10-4 m/(V·cm)，经测定压电陶
瓷的最大变化(即腔长的最大调节范围) △L为0．1m 。为了使稳频
系统能正常工作，需将误差信号放大到多少伏? [提示：m＝△L／
(V．L)]