激光原理與技術(shù)復(fù)習(xí)——簡(jiǎn)答題

1、激光原理復(fù)習(xí)題填空簡(jiǎn)答論述1.什么是光波模式？答：光波模式:在一個(gè)有邊界條件限制的空間內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢的平面單色駐波。這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波（以某一波矢為標(biāo)志）稱(chēng)為光波模式。2.如何理解光的相干性？何謂相干時(shí)間、相干長(zhǎng)度？答：光的相干性:在不同的空間點(diǎn)上、在不同的時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特性的相關(guān)性。相干時(shí)間：光沿傳播方向通過(guò)相干長(zhǎng)度所需的時(shí)間，稱(chēng)為相干時(shí)間。相干長(zhǎng)度：相干光能產(chǎn)生干涉效應(yīng)的最大光程差，等于光源發(fā)出的光波

2、的波列長(zhǎng)度。3.何謂光子簡(jiǎn)并度，有幾種相同的含義？激光源的光子簡(jiǎn)并度與它的相干性什么聯(lián)系？答：光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱(chēng)為光子簡(jiǎn)并度。光子簡(jiǎn)并度有以下幾種相同含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。聯(lián)系：激光源的光子簡(jiǎn)并度決定著激光的相干性，光子簡(jiǎn)并度越高，激光源的相干性越好。4.什么是黑體輻射？寫(xiě)出公式并說(shuō)明它的物理意義。答：黑體輻射：當(dāng)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(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場(chǎng)之間應(yīng)處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)，這種輻射場(chǎng)稱(chēng)為黑體輻射或平衡輻射。物理意義：在單位體積內(nèi)，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(jí)的光學(xué)躍遷的三大過(guò)程，并寫(xiě)出它們的特征和躍遷幾率。Page10答：(1)自發(fā)輻射：處于高能級(jí)的一個(gè)原子自發(fā)的向躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為的光子，這種過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)躍遷，由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱(chēng)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(zhì)有關(guān)而與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)過(guò)程無(wú)需外來(lái)光。b)每個(gè)發(fā)生輻射的原子都可看作是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)射單元，原子之間毫無(wú)聯(lián)系而且各個(gè)原子開(kāi)始發(fā)光的時(shí)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(méi)有固定的相位關(guān)系，各有不同的偏振方向，而且各個(gè)原子所發(fā)的光將向空間各個(gè)方向傳播，即大量原子的自發(fā)輻射過(guò)程是雜亂無(wú)章的隨機(jī)過(guò)程，所以自發(fā)輻射的光是非相干光。..自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)：(2)受激吸收：處于低能態(tài)的一個(gè)

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

6、射所發(fā)出的光子與外來(lái)光子的頻率、傳播方向、偏振方向、相位等性質(zhì)完全相同。受激輻射躍遷概率：（為受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，為輻射場(chǎng)）6.系數(shù)有哪些？它們之間的關(guān)系是什么？答：自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)關(guān)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(zhì)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用的物質(zhì)體系。接收來(lái)自泵浦源的能量，對(duì)外發(fā)射光波并能夠強(qiáng)烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱(chēng)為激活物

7、質(zhì)。泵浦源：提供能量，實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光學(xué)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(shí)能級(jí)粒子數(shù)的分布？什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？答：熱平衡時(shí)能級(jí)粒子數(shù)的分布：在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，各能級(jí)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(zhuǎn)：使高能級(jí)粒子數(shù)密度大于低能級(jí)粒子數(shù)密度。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：外界向物質(zhì)供給能量（稱(chēng)為激勵(lì)或泵浦過(guò)程），從而使

8、物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)。9.如何定義激光增益？什么是小信號(hào)增益？大信號(hào)增益？增益飽和？答：激光增益定義：表示光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。小信號(hào)增益：當(dāng)光強(qiáng)很弱時(shí)，集居數(shù)差值不隨z變化，增益系數(shù)為一常數(shù)，稱(chēng)為線(xiàn)性增益或小信號(hào)增益。大信號(hào)增益：在放大器中入射光強(qiáng)與(為飽和光強(qiáng))相比擬時(shí)，，為大信號(hào)增益。增益飽和：當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，增益系數(shù)g也隨著光強(qiáng)的增加而減小，這一現(xiàn)象稱(chēng)為增益飽和效應(yīng)。10.什么是自激振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的條件是什

9、么？答：自激振蕩：不管初始光強(qiáng)多么微弱，只要放大器足夠長(zhǎng)，就總是形成確定大小的光強(qiáng)，這就是自激振蕩的概念。產(chǎn)生條件：11.激光的基本特性是什么？答：激光四性：?jiǎn)紊?、相干性、方向性和高亮度。這四性可歸結(jié)為激光具有很高的光子簡(jiǎn)并度。晶格缺陷加寬機(jī)制：晶格缺陷部位的晶格場(chǎng)將和無(wú)缺陷部位的理想晶格場(chǎng)不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級(jí)將發(fā)生位移，導(dǎo)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(zhì)的綜合加寬機(jī)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(zhì)綜合加寬機(jī)制：由晶格熱振動(dòng)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(zhì)的綜合加寬機(jī)制：溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰撞而導(dǎo)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(duì)每個(gè)原子都是等同的，對(duì)于均勻加寬，每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線(xiàn)型發(fā)射，不能把線(xiàn)型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來(lái)，或者說(shuō)，每一個(gè)原子對(duì)光譜內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非

11、均勻加寬：原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線(xiàn)內(nèi)與它的中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線(xiàn)上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。24.分析三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)中粒子在各能級(jí)之間的躍遷過(guò)程，畫(huà)出示意圖，為什么三能級(jí)系統(tǒng)比四能級(jí)系統(tǒng)需要更強(qiáng)的激勵(lì)？答：這是因?yàn)樗哪芗?jí)系統(tǒng)系統(tǒng)的激光下能級(jí)為激發(fā)態(tài)，，所以只需把個(gè)粒子激勵(lì)到能級(jí)就可以使增益克服腔的損耗而產(chǎn)生激光。而在三能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能級(jí)是基態(tài)，至少要將個(gè)粒子激勵(lì)到能級(jí)上去，才能形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)，所以三

12、能級(jí)系統(tǒng)的閾值能量或閾值功率要比四能級(jí)系統(tǒng)大得多。25.說(shuō)明均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的機(jī)理.。答：均勻加寬增益飽和機(jī)理在均勻加寬情況下，每個(gè)粒子對(duì)譜線(xiàn)不同頻率處的增益都有貢獻(xiàn)，也就是說(shuō)均勻加寬的激光工作物質(zhì)對(duì)各種頻率入射光的放大作用全都使用相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，因此強(qiáng)光會(huì)導(dǎo)致反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降，而反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降又將導(dǎo)致弱光增益系數(shù)的下降，結(jié)果是增益在整個(gè)譜線(xiàn)上均勻地下降。非均勻加寬增益飽和機(jī)理26.飽和光強(qiáng)的含義？怎樣

13、定義的？答：(p151)飽和光強(qiáng)的物理意義是：當(dāng)入射光強(qiáng)度可以和比擬時(shí)，受激輻射造成的上能級(jí)集居數(shù)衰減率才可以與其它弛豫過(guò)程（自發(fā)輻射及無(wú)輻射躍遷）相比擬。因此當(dāng)時(shí)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而當(dāng)可以和相比擬時(shí)，隨著的增加而減少，減少到小信號(hào)情況下的倍。27在強(qiáng)光入射下，均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中，弱光的增益系數(shù)如何變化？答：(1)均勻加寬物質(zhì)中頻率為的強(qiáng)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(jié)果是增益在整

14、個(gè)譜線(xiàn)上均勻的下降。(2)非均勻加寬工作物質(zhì)中頻率為的強(qiáng)光入射時(shí)，會(huì)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(nèi)，則弱光增益系數(shù)將小于小信號(hào)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(qiáng)光的影響仍等于小信號(hào)增益系數(shù)。28.描述非均勻加寬工作物質(zhì)中的增益飽和的“燒孔效應(yīng)”，并說(shuō)明原理。答：(1)描述:對(duì)于非均勻加寬工作物質(zhì)中，在其增益曲線(xiàn)曲線(xiàn)上，在頻率處產(chǎn)生一個(gè)凹陷，凹陷寬度約為，頻率處的凹陷最低點(diǎn)下降到小

15、信號(hào)增益系數(shù)的倍，以上現(xiàn)象稱(chēng)為增益曲線(xiàn)的燒孔效應(yīng)。(2)原理：在非均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率的強(qiáng)光只在附近寬度約為的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)的飽和，對(duì)表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集居數(shù)沒(méi)有影響。若有一頻率為的弱光同時(shí)入射，如果頻率處在強(qiáng)光造成的燒孔范圍之內(nèi)，則由于反轉(zhuǎn)集居數(shù)的減少，弱光增益系數(shù)將小于小信號(hào)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(qiáng)光的影響而仍等于小信號(hào)增益系數(shù)，所以在增益曲線(xiàn)曲線(xiàn)上，在頻率處產(chǎn)生一個(gè)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(mǎn)足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一；頻率落在工作物質(zhì)的譜線(xiàn)范圍內(nèi)，即對(duì)應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)有什么不同？答：均勻加寬激光器中只要有幾個(gè)滿(mǎn)足閾值條件的縱模，就會(huì)在振蕩過(guò)程中相互競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果總是靠近中心頻率的一個(gè)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(yīng)是單縱模的，單縱模的頻率總是在譜線(xiàn)中心頻率附近。非均勻加寬激光器中也存在模式競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)縱模形成的燒孔重疊時(shí)會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)模的輸出功率無(wú)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(guān)系曲線(xiàn)中，在處，曲線(xiàn)有一凹陷，稱(chēng)為蘭姆凹陷。(2)成因：當(dāng)頻率接近，且時(shí)，兩個(gè)燒孔部分重疊，燒孔面積的和可能小于時(shí)兩個(gè)燒孔面積的和時(shí)，兩個(gè)燒孔完全重合，此時(shí)只有附近的原子對(duì)激光有貢獻(xiàn)，