激光原理复习题
激光原理复习知识点
一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
激光原理与激光技术习题问题详解
激光原理与激光技术习题答案习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性/应为多大？解： 10101032861000106328--⨯=⨯=λ=λλ∆=.L R c(2) =5000Å的光子单色性/=10-7，求此光子的位置不确定量x解： λ=h p λ∆λ=∆2h p h p x =∆∆ m Rph x 5101050007102=⨯=λ=λ∆λ=∆=∆--(3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。
求由衍射损耗及输出损耗分别引起的、c 、Q 、c (设n=1)解： 衍射损耗: 1880107501106102262.).(.a L =⨯⨯⨯=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-⨯=⨯⨯=δ=τ 686810113107511061010314322⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=πντ=--....Q cMHz .Hz ...c c 19101910751143212168=⨯=⨯⨯⨯=πτ=ν∆- 输出损耗: 1190809850502121.)..ln(.r r ln =⨯⨯-=-=δ s ..c L c 881078210311901-⨯=⨯⨯=δ=τ 686810964107821061010314322⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 75107510782143212168=⨯=⨯⨯⨯=πτ=ν∆-(4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的围所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗)解： MHz Hz .L c q 150105112103288=⨯=⨯⨯==ν∆ 11]11501500[]1[=+=+ν∆ν∆=∆q q005.0201.02===T δ s c L c 781067.6103005.01-⨯=⨯⨯==δτ MHz cc 24.01067.614.321217=⨯⨯⨯==-πτν∆(5) 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0.01，求此激光器的无源腔本征纵模的模式线宽。
中考物理激光原理及应用复习知识梳理
中考物理激光原理及应用复习知识梳理激光（laser）是指由同种物质组成的光波在特定条件下产生的一种特殊光。
它具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点，被广泛应用于工业、医疗、通信、科学研究等领域。
在中考物理中，对激光的原理及应用有一定的考查，下面将对激光的原理和应用进行复习知识梳理。
一、激光的原理1. 激光的产生原理激光的产生是在激光器中，通过受激辐射产生的一个光子引起其他光子的受激辐射而形成的。
其主要过程包括：吸收能量、受激辐射、光子的逐渐增多、光子的任一激发态上处于较长时间等。
2. 激光的主要特性激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点。
其中，单色性是指激光的频率非常纯净，波长非常稳定；相干性是指所有的光波充分地想关联在一起，可以形成干涉图样；方向性是指激光辐射的光束非常集中，可以很容易地成为平行光束；高亮度是指激光所携带的能量集中在很小的空间内。
3. 激光器的基本组成激光器由激光介质、泵浦源、镜子、光学腔等组成。
其中，激光介质是激发光子的来源，泵浦源是为激光介质提供能量的源泵，镜子是构成激光光腔的光学元件，光学腔是放置激光介质和镜子的部分。
二、激光的应用1. 激光在医学中的应用激光在医学中有广泛的应用，包括激光治疗、激光手术和激光成像等。
其中，激光治疗主要用于癌症、眼科疾病和皮肤疾病等的治疗；激光手术主要用于激光近视手术、激光角膜塑形术等；激光成像主要用于超声激光成像、人体内部结构的观测等。
2. 激光在通信中的应用激光在光纤通信中起到了重要的作用。
激光通过纤维传输数据，使得信息传播速度更快、传输距离更远。
激光还可以用于激光雷达、激光测距等领域。
3. 激光在工业中的应用激光在工业中有广泛的应用，包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光光刻等。
这些应用可以提高加工精度、提高加工效率、降低环境污染等。
4. 激光在科学研究中的应用激光在科学研究中的应用非常广泛，例如激光光谱分析、激光漫反射光谱等。
激光原理与技术(第四章2)
1）单模振荡（第 l 个模，模频率为n)
E3 E2
w03 A30 S30
与三能级相比，激光下能级E1不再
S32 S21 A21 W21 W12 S10
是基态能级, 在热平衡状态下，处于 E1的粒子数很少,很容易建立粒子数 反转。 四能级系统，一般有
E1
E0
参与产生激光的有四个能级:基 态能级E0(抽运过程的低能级)、 抽运高能级E3、激光上能级
dNl N n2W21 n1W12 l dt Rl f2 Nl ) n n n , n vN 0 l 2 f 1 21 Rl 1
I 1 I 0 e I t ) I 0 e I 0e
t L c t
只考虑损耗
dN f2 N n2 n1 21vN dt f1 R
E3E2无辐射跃 迁量子效率 (泵浦效率) n2 A21 S21 )
E2E1 荧光量子效率
N--各模式光子数密度总和
n0 n1 n2 n3 n
总量子效率 F 12
N l hn
dNl Nl n2W21 n1W12 dt Rl
n0 n1 n2 n3 n
A21 ~ g n ,n 0 )N l nn
21 n ,n 0 )N l v （4.4.13）
为何没有包括A21引起的光子数？
式中忽略了n3 W30项，因为n3很小,故n3W30<<n0W03
I= Nhnv dz=vdt
dz
I= Nhnv
dI g Idz
dz=vdt
I I 0e
g z
0
dI n 21 n ,n 0 )vNhndz
激光原理与激光技术习题答案
习题三
(1)若光束通过1m长的激光介质以后，光强增大了一倍，求此介质的增
益系数。 解：
(2)
计算YAG激光器中的峰值发射截面S32，已知F=21011Hz,3=2.310-
4s,n=1.8。
解：
(3) 计算红宝石激光器当=0时的峰值发射截面，已知0=0.6943m, F =3.3 1011Hz, 2=4.2ms, n=1.76。 解：
压为最佳气压） ③计算在最佳放电条件下稳定工作时，腔内的光强 ④
若输出有效面积按放电管截面积的0.8计，此激光器的最大输出功率是
多大？有关公式：
Gm=1.410-2/d（1/mm）、Is=72/d2(w/mm2)、
pd=2.67104Pamm L=0.049p(MHz)、D=7.1610-70。
解：①
(4) 某高斯光束的腰斑半径为w0=1.2mm，光波长=10.6m，今用焦距 F=2cm的透镜对它进行聚焦。设光腰到透镜的距离分别为10m及 0m时，求聚焦后的腰斑半径及其位置。
解： 腰到透镜距离为l=0m时:
腰到透镜距离为l=10m时: L=25cm
D=50cm
L=30cm
R1=1m R2=
R1=50cm R2=
(3)某发光原子静止时发出0.488m的光，当它以0.2c速度背离观察者运 动，则观察者认为它发出的光波长变为多大？ 解：
(4)激光器输出光波长=10m，功率为1w，求每秒从激光上能级向下能级 跃迁的粒子数。 解： (6)红宝石调Q激光器中有可能将几乎全部的Cr+3激发到激光上能级，并 产生激光巨脉冲。设红宝石棒直径为1cm，长为7.5cm，Cr+3的浓度为 2109cm-3，脉冲宽度10ns，求输出激光的最大能量和脉冲功率。 解：
激光原理真题
2000年 一． 简答题（20）1. 写出光与物质相互作用的爱因斯坦关系式，说明其物理意义。
2. 由爱因斯坦关系式出发，阐述激光产生的物理思想。
二．（30分）通常用单色性好，方向性好，相干性好，瞬时性好（能产生超短脉冲）以及亮度高来概括激光的特性，请逐一表述其内涵，并说明为什么？三．（15分） 1.画出32TLM .模厄米高斯光束和23TLM .拉盖尔高斯光束的横截面光斑花样图，并说明为什么？2．无源光腔的共振频率为g W ，在该腔中插入增益介质（中心频率为0g W W >）后，共振频率变为1W ，在插入某吸收介质（中心频率仍为0g W W >）后，共振频率变为2W ，试对0W 、g W 、1W 、2W 的高低排序，并说明为什么？3.大多数实际应用中要求单横模运转的激光器，试述单横模实现的方法，为什么？四．（18分）1.双凹共轴球面镜光腔的腔镜曲率半径分别为1R 、2R ，腔长为L ，以腔长L 为横轴，自行设定1R 、2R ，标明L 取值在哪些区域上时才构成高斯腔，然后在12g g 图上标明相应区域的位置。
2. 画出12g g 腔图上（-1，-1）、（1，0.5）、（-1，-0.5）、（-2，-0.2）各点对应的腔型图。
3.在12g g 腔图上，连接（-1，-1）和（1,1）得一直线对应一系列腔型，试用12mng V g g 图形描述这些腔型共振频率的变化规律。
五．（17）如图所示的能级系统，能级1,2的泵浦速率分别为1R 、2R ；寿命分别为1τ、 2τ；能级简并度分别为1g 、2g ；且20τ，受激跃迁在能级1,2之间进行。
1.写出能级1,2的速率方程 2.求小信号条件下的粒子数反转； 3.讨论所得结果。
2001年 一．简答题1. 什么是非稳腔的自在现波形？（5）2. 试画出10TLM 模和32TLM 模的光强分布。
（5）3. 产生多普勒加宽的物理机制是什么？（5）4. 激光自激振荡输出的条件及过程是什么？（5）5. 试说明从小信号开始到形成连续稳定激光输出的物理过程。
第4章激光原理复习总结
E3 泵浦上能级
E2
w03 A30
S3
0
A21
S21
w21
w12
激光上能 级(亚稳态)
E1 激光下能级 S10 泵浦下能级 E0(基态)
E1 E0 KT
热平衡状态下E1上几乎无粒子！ 抽空几率S10要大！
9/19
S30 , A30 S32 ; S21 A21
E2 和 E1 之间更易实现粒子数反转！
11/19
•多模振荡速率方程组(只考虑四能级系统 ) 1、多模振荡速率方程组
设共有m个模振荡，其中第 l 个模的频率、光子数 密度、光子寿命分别为 、N l 、 R l ，对每个光 模都应建立各自的光子数速率方程，则有：
dn2 f2 n2 n1 21 l ,0 v Nl n2 A21 S 21 n3 S32 dt f1 l dN f N n n , v N n0 n1 n2 n3 n dt f
n n
0
I s 1
16/19
公式讨论： 0 I n n nW03 2 (1) 当 I I 时， 0 则： 1 s
1
Is —小信号反转集居数密度 (2) 当 I 1 足够强，可与 I 相比拟时，则： s 0 n n —反转集居数饱和 I 1 n
•大信号下反转集居数饱和(四能级系统、单模)
当
I 1 足够强时，将有 n n0
I 1 越强，反转集居数减少得越多，这种现象称
为反转集居数的饱和 饱和光强 I s 1 的物理意义：当入射光强度可以与 之相比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率 就可以与其他弛豫过程(自发辐射及无辐射跃迁)造 成的衰减率相比拟。饱和光强是激光工作物质的一 个重要参量，不仅是饱和与否的判据，而且决定腔 内光强以至激光输出功率的大小。
激光原理计算题
1、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，工作物质长为0.5m ，其折射率为1.52，求腔长L 在什么范围内是稳定腔？(P98.5) 解：设两腔镜1M ，2M 的曲率半径分别为距离1R ，2R ，mR m R 2,121=-=，工作物质长m l 5.0=折射率为52.1=η根据稳定条件判据：1)1)(1(021<'-'-<R L R L 即1)21)(11(0<'--'-<L L ……⑴其中ηl l L L +-=')(……⑵由⑴式解得m L m 21<'<，由⑵得17.0)52.111(5.0+'=-⨯+'=L L L 结合⑴⑵式得 m L m 17.217.1<< 2、今有一球面腔cmL m R m R 80,1,5.121=-==。
试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的参数；在图中画出等价共焦腔的具体位置。
(P98.10)解：⑴该球面腔的g 参数1571581111=-=-=R L g 8.118.01122=--=-=R L g85.021=g g 由此满足谐振腔的稳定性条件1021<<g g ，因此该腔为稳定腔。
⑵两反射镜距离等效共焦腔中心点的距离和等价共焦距分别为 mR L R L L R L z 31.1)()()(2121-=-+--=m R L R L L R R L R L R L f 50.0)]()[())()((2212121=-+--+--=⑶等价共焦腔的具体位置如下图3、长度为10cm 的红宝石棒置于长度为20cm 的光谐振腔中，红宝石694.3nm 谱线的自发辐射寿命s s3104-⨯≈τ，均匀加宽为MHZ5102⨯，光腔单程损耗因子2.0=δ。
求⑴中心频率处阈值反转粒子数密度tn ∆；⑵当光泵激励产生反转粒子数密度t n n ∆=∆2.1时，有多少个纵模可以振荡？（红宝石折射率为1.76） 解：⑴阈值反转粒子数密度为3172732112222211006.4)103.694(102.010476.110244---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆==∆cml ln s H t πλδτηνπσδ ⑵按照题意t mg g 2.1=，若振荡带宽为ν∆，则应该有：t H H t g g =+∆∆=222)2()2()2(2.1ννν 由上式可得HZH 101094.82.0⨯=∆=∆νν相邻纵模频率间隔为HZl L l cl c q 8101043.5)1076.110(2103))(76.1(22⨯=+⨯⨯=-+⨯='=∆ν所以6.1641043.51094.8810=⨯⨯=∆∆qνν所以有164~165个纵模可以起振。
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激光原理复习题
激光原理复习题
激光技术作为一项重要的科学技术，已经在许多领域得到广泛应用。
激光的原
理是指通过受激辐射产生的高度聚焦和单色性的光束。
在这篇文章中，我们将
回顾一些与激光原理相关的复习题，以帮助读者更好地理解激光技术的基本概
念和应用。
1. 什么是激光？
激光是指具有高度聚焦和单色性的光束。
它由一个具有特定能级的材料（激活
介质）产生，通过受激辐射的过程放大并聚焦成为一束高能量的光。
2. 激光与常规光的主要区别是什么？
激光与常规光的主要区别在于它的聚焦性和单色性。
激光光束能够被聚焦到非
常小的点上，而常规光则会散开。
此外，激光是单色光，只包含一个特定波长
的光，而常规光则是由多种波长的光混合而成。
3. 激光的产生过程是怎样的？
激光的产生过程包括三个基本步骤：激发、受激辐射和光放大。
首先，通过能
量输入（例如电流或光能）激发激活介质的原子或分子，使其处于高能级。
然后，当一个光子经过激活介质时，它会与一个处于高能级的原子或分子发生碰撞，导致原子或分子从高能级跃迁到低能级，并释放出一个与激发光子相同频
率的光子。
最后，这些光子经过光放大器的放大，形成一束高能量的激光光束。
4. 激光的应用领域有哪些？
激光技术在许多领域都有广泛的应用。
例如，它被用于医学领域的激光手术、
皮肤美容和眼科手术；在通信领域，激光被用于光纤通信和激光雷达；在制造
业中，激光被用于切割、焊接和打标等加工工艺；在科学研究中，激光被用于
光谱分析、原子物理实验和量子计算等领域。
5. 激光的安全性问题是什么？
激光具有高能量和高聚焦性，因此在使用激光时需要注意安全问题。
激光光束
对人眼和皮肤有潜在的伤害。
因此，必须采取适当的防护措施，如佩戴激光防
护眼镜和避免直接暴露于激光光束中。
6. 激光的单色性是如何实现的？
激光的单色性是由于激活介质中的原子或分子只能在特定的能级之间跃迁，从
而只能发射特定频率的光子。
这使得激光只能产生单一波长的光，从而具有单
色性。
通过这些复习题，我们回顾了激光的基本概念和原理。
激光技术的应用广泛，
为许多领域带来了重大的进展和创新。
然而，我们也要注意激光的安全性问题，以避免潜在的伤害。
希望这些复习题对读者加深对激光技术的理解有所帮助。