激光原理习题

1、光与物质相互作用的三个基本过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。2、激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，这种损耗可以分为两类：内部损耗、镜面损耗。3、形成激光的条件：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。4、激光的四个基本特性：高亮度、方向性、单色性和相干性。5、激光调制方法：内调制是指在激光生成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输出特性而实现的调制。外调制则是在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它并不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。就调制方法来讲，也有振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式。6、三种谱线增宽形式：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽。7、单纵模激光器的选频方法：短腔法、法布里—珀罗标准具法、三反射镜法。8、激光器的基本结构：激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大。激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少高能级上的粒子数。光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收。9、高斯光束的基膜腰斑半径（腰粗）公式：W0=21Ws=21L简答题：1、用速率方程组证明二能级系统不可能实现粒子数反转分布。2、简述光频电磁场与物质的三种相互作用过程，并指出其影响因素。（画图说明）答:光与物质相互作用的本质是光与物质中的电子发生相互作用，使得电子在不同的能级之间跃迁。包括三种基本过程：自发发射、受激辐射以及受激吸收。.自发发射——在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1,发射光子hv。(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的,独立的，粒子体系为非相干光源。受激辐射:——原处于高能级E2的粒子,受到能量恰为hv=E2-E1的光子的激励,发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1。特点:①受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;②不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同;这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入射光被放大——光放大过程。受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2。3、3、简述激光器的基本结构以及产生激光的基本条件：有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。4,、什么是激光的调Q技术？详细说明调Q原理。答：用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术。调Q原理指的是，采用某种办法使谐振腔在泵浦源开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。5、激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：工作物质：这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至红外光。例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转；.激励能源（光泵）它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。光学共振腔这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；6、造成激光器线宽的原因有哪些？答：能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度；发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度（或压力宽度）；发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。7、描述能级的光学跃迁的三个过程，并写出它们的特征和跃迁几率。答：光学跃迁中同时存在着光的自发辐射、受激吸收和受激辐射三个过程。（1）自发辐射过程：处于高能级E2的一个原子自发的向E1跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光被称为自发辐射。特点：自发产生；辐射是独立的。自发跃迁几率：21=－21ndtdn2（2）受激吸收过程：处于低能态E1的一个原子，在频率为v的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为hv的光子并向E2能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。特点：非自发的，有外来光照射；增强光的强度；与原光子性质、状态完全相同。受激吸收跃迁几率：W12=11ndtdn2（3）受激辐射过程：处于上能级E2的原子在频率为v的辐射场作用下，跃迁至低能态E1,并辐射一个能量为hv的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。特点：只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射；受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，即频率相同、相位相同、偏振方向相同、传播方向相同。受激辐射跃迁几率W12=－21ndtdn28、写出激光输出频率的表达式并指出影响频率的因素。（写出共焦腔TEM0模谐振频率~~）答：对共焦腔的TEM00模的频率为：v=quLc2,q=1，2,3，……从表达式上可以看出：腔长变化、折射变化都是影响频率稳定的因素。环境温度的起伏，激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔几何长度的改变。温度的变化、介质中反转集居数的起伏以及大气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气部分的折射率。9、简述激光在某个方面的应用，说明原理并注明应用了激光的哪个特性。答：激光在医疗美容方面的运用。激光美容的原理是通过组织吸收高能量的激光后说产生的光热反应，是局部温度在数秒内骤然升高到数百度或更高，组织发生凝固性坏死，甚至炭化或汽化，与此同时，由于急剧发热，组织的水分突然剧烈丧失，聚焦后，可以切割或烧灼病变组织。激光有着和普通光源显著不同的特点，它的单色性、相干性、、方向性极好、亮度极高等。因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病、美容的原因之一。1、B2、C3、B1、A2、B3、B1、A2、C3、B4、Bm=0n=0;m=1n=0;m=1n=3;m=1n=1;