激光原理及应用(第二版)课后习题答案(全)

1思考练习题11．试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射＝0.5000m，=3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？答：粒子数分别为：188346341105138.21031063.6105.01063.61chqn239342100277.51031063.61hqn11．静止氖原子的3S22P4谱线的中心波长为0.6328m，设氖原子分别以0.1c,0.5c的速度向着接收器运动，问接收到的频率各为多少？答：Hzcccc146801.010241.5106328.01039.01.19.01.111同理可求：Hzc141.010288.4；Hzc145.010211.8；Hzc145.010737.212．设氖原子静止时发出0.6328m红光的中心频率为4.74×1014Hz，室温下氖原子的平均速率设为560m/s。求此时接收器接收频率与中心频率相差若干？答：Hzc81460680010848.81074.4108667.1)108667.11()1035601()1(思考练习题21.(a)要制作一个腔长L＝60cm的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围如何？(b)稳定腔的一块反射镜的曲率半径R1＝4L，求另一面镜的曲率半径取值范围。答：（a）RRR21；cmRRLRL301)1)(1(0（b）LRLRRLRLRL31)1(4301)1)(1(022221或4.稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R1＝40cm，R2＝100cm，求腔长L的取值范围。答：cmLcmLLLRLRL1401004001)1001)(401(01)1)(1(021或210.实验测得He-Ne激光器以波长＝0.6328工作时的小讯号增益系数为G0＝310－4/d(cm-1)，d为腔内毛细管内径(cm)。以非均匀增宽计算腔内光强I＝50W／cm2的增益系数G(设饱和光强Is＝30W／cm2时，d＝1mm)，并问这时为保持振荡稳定，两反射镜的反射率(设r1＝r2，腔长0.1m)最小为多少(除透射损耗外，腔内其它损耗的损耗率a内＝910－4cm-1)?又设光斑面积A＝0.11mm2，透射系数＝0.008，镜面一端输出，求这时输出功率为多少毫瓦。答：（1）13211421010837.1)30501(10103)1()()(cmIIDGsDD（2）99.0120)10910837.1exp(12)exp(43221rrLaGrrK内（3）mWIAP44.010501011.0008.0320思考练习题31．腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率0＝5.85l014Hz，荧光线宽＝6l08Hz，问它可能存在几个纵模?相应的q值为多少？(设=1)答：HzLcq881035.0121032，210310688qn，则可能存在的纵模数有2+1=3个，它们对应的q值分别为：68141095.11031085.522cLqLqc，q＋1=1950001，q－1＝19499994．连续工作的CO2激光器输出功率为50W，聚焦后的基模有效截面直径2w＝50m，计算(1)每平方厘米平均功率(50W为有效截面内的功率)(2)试与氩弧焊设备(104W／cm2)及氧乙炔焰(103W／cm2)比较，分别为它们的多少倍？答：（1）每平方厘米的平均功率为：26242/10546.2)1025(50W50cmW（2）6.2541010546.246；是氩弧焊的6.254倍。38610546.21010546.2；是氧乙炔焰的2546倍。5．(a)计算腔长为1m的共焦腔基横模的远场发散角，设λ＝632.8nm，10km处的光斑面积3多大。(b)有一普通探照灯，设发散角为2，则1km远处的光斑面积多大？答：（1）基横模的远场发散角radL31010269.110632822222（2）10km处的光斑尺寸mLzLz347.6]1041[2106328])2(1[281021010km处的光斑面积2225572.126347.6mS（3）1km处的光斑尺寸mtgro455.17110001km处的光斑面积2221711.957455.17mrS6．激光的远场发散角(半角)还受到衍射效应的限制。它不能小于激光通过输出孔时的衍射极限角衍(半角)＝1.22λ/d。在实际应用中远场发散角常用爱里斑衍射极限角来近似。试计算腔长为30cm的氦氖激光器，所发波长λ＝6328Å的远场发散角和以放电管直径d＝2mm为输出孔的衍射极限角。答：（1）远场发散角radL3210101588.1103010632822（2）衍射极限角radd43101086.310210632822.122.17．一共焦腔(对称)L＝0.40m，λ＝0.6328m，束腰半径mmw2.00，求离腰56cm处的光束有效截面半径。答：mmzz6.0))102(56.0106328(1102.0)(1224103220056.0思考练习题42．He-Ne激光器辐射632.8nm光波，其方形镜对称共焦腔，腔长L＝0.2m。腔内同时存在00TEM，11TEM，22TEM横模。若在腔内接近镜面处加小孔光阑选取横模，试问：(1)如只使00TEM模振荡，光阑孔径应多大？(2)如同时使00TEM，11TEM模振荡而抑制22TEM振荡，光阑孔径应多大？答：(1)TEM00模在镜面处的光斑半径为mmLs20.02.0106328.064所以光阑孔径应该为0.2mm(2)TEM11模在镜面处的光斑半径为mmmss35.02.0312所以光阑孔径为0.35mm3．一高斯光束束腰半径0w＝0.2mm，＝0.6328，今用一焦距f为3cm的短焦距透镜聚焦，已知腰粗0w离透镜的距离为60cm，在几何光学近似下求聚焦后光束腰粗。答：mmsf01.02.0603005．用如图（4－33）所示的倒置望远镜系统改善由对称共焦腔输出的光束方向性。已知二透镜的焦距分别为f1＝2.5cm，f2＝20cm，0w＝0.28mm，11fl(Ll紧靠腔的输出镜面)，求该望远镜系统光束发散角的压缩比。w0w0'w0''L1L2f2f1l2图（4-33）第5题答：31.1125.220012ffM