激光原理與技術復習——簡答題

1、激光原理復習題填空簡答論述1.什么是光波模式？答：光波模式:在一個有邊界條件限制的空間內，只能存在一系列獨立的具有特定波矢的平面單色駐波。這種能夠存在于腔內的駐波（以某一波矢為標志）稱為光波模式。2.如何理解光的相干性？何謂相干時間、相干長度？答：光的相干性:在不同的空間點上、在不同的時刻的光波場的某些特性的相關性。相干時間：光沿傳播方向通過相干長度所需的時間，稱為相干時間。相干長度：相干光能產生干涉效應的最大光程差，等于光源發(fā)出的光波

2、的波列長度。3.何謂光子簡并度，有幾種相同的含義？激光源的光子簡并度與它的相干性什么聯(lián)系？答：光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡并度。光子簡并度有以下幾種相同含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內的光子數(shù)、處于相干體積內的光子數(shù)、處于同一相格內的光子數(shù)。聯(lián)系：激光源的光子簡并度決定著激光的相干性，光子簡并度越高，激光源的相干性越好。4.什么是黑體輻射？寫出公式并說明它的物理意義。答：黑體輻射：當黑體處于某一溫度的熱平衡情況下，它所吸收的

3、輻射能量應等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場之間應處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這種平衡必然導致空腔內存在完全確定的輻射場，這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。物理意義：在單位體積內，頻率處于附近的單位頻率間隔中黑體的電磁輻射能量。.5.描述能級的光學躍遷的三大過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。Page10答：(1)自發(fā)輻射：處于高能級的一個原子自發(fā)的向躍遷，并發(fā)射一個能量為的光子，這種過程稱為自發(fā)躍遷，由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱為自發(fā)輻射。特

4、征：a)自發(fā)輻射是一種只與原子本身性質有關而與輻射場無關的自發(fā)過程無需外來光。b)每個發(fā)生輻射的原子都可看作是一個獨立的發(fā)射單元，原子之間毫無聯(lián)系而且各個原子開始發(fā)光的時間參差不一，所以各列光波頻率雖然相同，均為，各列光波之間沒有固定的相位關系，各有不同的偏振方向，而且各個原子所發(fā)的光將向空間各個方向傳播，即大量原子的自發(fā)輻射過程是雜亂無章的隨機過程，所以自發(fā)輻射的光是非相干光。..自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)：(2)受激吸收：處于低能態(tài)的一個

5、原子，在頻率為的輻射場作用（激勵）下，吸收一個能量為的光子并向能態(tài)躍遷，這種過程稱為受激吸收躍遷。特征：a)只有外來光子能量時，才能引起受激輻射。b)躍遷概率不僅與原子性質有關，還與輻射場的有關。受激吸收躍遷概率：（為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，為輻射場）(3)受激輻射：處于上能級的原子在頻率為的輻射場作用下，躍遷至低能態(tài)并輻射一個能量為的光子。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。特征：a)只有外來光子能量時，才能引起受激輻射；b)受激輻

6、射所發(fā)出的光子與外來光子的頻率、傳播方向、偏振方向、相位等性質完全相同。受激輻射躍遷概率：（為受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)，為輻射場）6.系數(shù)有哪些？它們之間的關系是什么？答：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)，受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)關系7.激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？答：激光工作物質：用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉和產生光的受激發(fā)射作用的物質體系。接收來自泵浦源的能量，對外發(fā)射光波并能夠強烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱為激活物

7、質。泵浦源：提供能量，實現(xiàn)工作物質的粒子數(shù)反轉。光學諧振腔：a)提供軸向光波模的正反饋；b)模式選擇，保證激光器單模振蕩，從而提高激光器的相干性。8.什么是熱平衡時能級粒子數(shù)的分布？什么是粒子數(shù)反轉？如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？答：熱平衡時能級粒子數(shù)的分布：在物質處于熱平衡狀態(tài)時，各能級上的原子數(shù)（或集居數(shù)）服從玻爾茲曼分布。粒子數(shù)反轉：使高能級粒子數(shù)密度大于低能級粒子數(shù)密度。如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉：外界向物質供給能量（稱為激勵或泵浦過程），從而使

8、物質處于非平衡狀態(tài)。9.如何定義激光增益？什么是小信號增益？大信號增益？增益飽和？答：激光增益定義：表示光通過單位長度激活物質后光強增長的百分數(shù)。小信號增益：當光強很弱時，集居數(shù)差值不隨z變化，增益系數(shù)為一常數(shù)，稱為線性增益或小信號增益。大信號增益：在放大器中入射光強與(為飽和光強)相比擬時，，為大信號增益。增益飽和：當光強足夠強時，增益系數(shù)g也隨著光強的增加而減小，這一現(xiàn)象稱為增益飽和效應。10.什么是自激振蕩？產生激光振蕩的條件是什

9、么？答：自激振蕩：不管初始光強多么微弱，只要放大器足夠長，就總是形成確定大小的光強，這就是自激振蕩的概念。產生條件：11.激光的基本特性是什么？答：激光四性：單色性、相干性、方向性和高亮度。這四性可歸結為激光具有很高的光子簡并度。晶格缺陷加寬機制：晶格缺陷部位的晶格場將和無缺陷部位的理想晶格場不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級將發(fā)生位移，導致處于鏡體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同。c)綜合加寬氣體工作物質的綜合加寬機制：由碰撞

10、引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。固體激光工作物質綜合加寬機制：由晶格熱振動引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬。液體工作物質的綜合加寬機制：溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰撞而導致自發(fā)輻射的碰撞加寬。23.如何理解均勻加寬和非均勻加寬？答：均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，對于均勻加寬，每個發(fā)光原子都以整個線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，或者說，每一個原子對光譜內任一頻率都有貢獻。非

11、均勻加寬：原子體系中每個原子只對譜線內與它的中心頻率相應的部分有貢獻，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。24.分析三能級和四能級系統(tǒng)中粒子在各能級之間的躍遷過程，畫出示意圖，為什么三能級系統(tǒng)比四能級系統(tǒng)需要更強的激勵？答：這是因為四能級系統(tǒng)系統(tǒng)的激光下能級為激發(fā)態(tài)，，所以只需把個粒子激勵到能級就可以使增益克服腔的損耗而產生激光。而在三能級系統(tǒng)中，激光下能級是基態(tài)，至少要將個粒子激勵到能級上去，才能形成集居數(shù)反轉，所以三

12、能級系統(tǒng)的閾值能量或閾值功率要比四能級系統(tǒng)大得多。25.說明均勻加寬和非均勻加寬工作物質中增益飽和的機理.。答：均勻加寬增益飽和機理在均勻加寬情況下，每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻，也就是說均勻加寬的激光工作物質對各種頻率入射光的放大作用全都使用相同的反轉粒子數(shù)，因此強光會導致反轉集居數(shù)密度的下降，而反轉集居數(shù)密度的下降又將導致弱光增益系數(shù)的下降，結果是增益在整個譜線上均勻地下降。非均勻加寬增益飽和機理26.飽和光強的含義？怎樣

13、定義的？答：(p151)飽和光強的物理意義是：當入射光強度可以和比擬時，受激輻射造成的上能級集居數(shù)衰減率才可以與其它弛豫過程（自發(fā)輻射及無輻射躍遷）相比擬。因此當時，與光強無關，而當可以和相比擬時，隨著的增加而減少，減少到小信號情況下的倍。27在強光入射下，均勻加寬和非均勻加寬工作物質中，弱光的增益系數(shù)如何變化？答：(1)均勻加寬物質中頻率為的強光入射不僅使自身的增益系數(shù)下降，也使其它頻率的弱光的增益系數(shù)也以同等程度下降，結果是增益在整

14、個譜線上均勻的下降。(2)非均勻加寬工作物質中頻率為的強光入射時，會形成以為中心，寬度為的燒孔，若入射頻率為的弱光處在燒孔造成的燒孔范圍之內，則弱光增益系數(shù)將小于小信號增益系數(shù)，若處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強光的影響仍等于小信號增益系數(shù)。28.描述非均勻加寬工作物質中的增益飽和的“燒孔效應”，并說明原理。答：(1)描述:對于非均勻加寬工作物質中，在其增益曲線曲線上，在頻率處產生一個凹陷，凹陷寬度約為，頻率處的凹陷最低點下降到小

15、信號增益系數(shù)的倍，以上現(xiàn)象稱為增益曲線的燒孔效應。(2)原理：在非均勻加寬工作物質中，頻率的強光只在附近寬度約為的范圍內引起反轉集居數(shù)的飽和，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉集居數(shù)沒有影響。若有一頻率為的弱光同時入射，如果頻率處在強光造成的燒孔范圍之內，則由于反轉集居數(shù)的減少，弱光增益系數(shù)將小于小信號增益系數(shù)。如果頻率處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強光的影響而仍等于小信號增益系數(shù)，所以在增益曲線曲線上，在頻率處產生一個凹陷，凹陷

16、寬度約為。29激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件？答：(1)振蕩條件：滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一；頻率落在工作物質的譜線范圍內，即對應增益系數(shù)大于等于閾值增益系數(shù)。(2)穩(wěn)定工作條件：增益系數(shù)等于于閾值增益系數(shù)30.在均勻加寬和非均勻加寬激光器中模式競爭有什么不同？答：均勻加寬激光器中只要有幾個滿足閾值條件的縱模，就會在振蕩過程中相互競爭，結果總是靠近中心頻率的一個縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其它縱模都被抑制而熄滅。因此理想情況

17、下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應是單縱模的，單縱模的頻率總是在譜線中心頻率附近。非均勻加寬激光器中也存在模式競爭，當縱模形成的燒孔重疊時會發(fā)生競爭，競爭模的輸出功率無規(guī)則起伏。31.什么是蘭姆凹陷？定性解釋其成因。答：(1)激光器的單模輸出功率和單模頻率的關系曲線中，在處，曲線有一凹陷，稱為蘭姆凹陷。(2)成因：當頻率接近，且時，兩個燒孔部分重疊，燒孔面積的和可能小于時兩個燒孔面積的和時，兩個燒孔完全重合，此時只有附近的原子對激光有貢獻，