激光原理复习题解答-改进

1.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。答：(1)自发辐射特征：a)与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。b)每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。自发跃迁爱因斯坦系数：211sA(2)受激吸收特征：a)只有外来光子能量21hEE时，才能引起受激辐射。跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的有关。受激吸收跃迁概率：1212vWB（12B为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，v为辐射场）(3)受激辐射特征：a)只有外来光子能量21hEE时，才能引起受激辐射；b)受激辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全相同。受激辐射跃迁概率：2121vWB（21B为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，v为辐射场）2.Einstein系数有哪些？它们之间的关系是什么?答：自发跃迁爱因斯坦系数21A，受激吸收跃迁爱因斯坦系数12B，受激辐射跃迁爱因斯坦系数21B关系：211122BfBf，3212138hABc，12,ff为12,EE能级的统计权重(简并度)3.激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。3.什么是热平衡时能级粒子数的分布？什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？答：热平衡时能级粒子数的分布：在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔兹曼分布212211bEEkTnfenf。4.什么是粒子数反转？如何实现？粒子数反转：使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度。如何实现粒子数反转：外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。5.如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信号增益？增益饱和？答：激光增益定义：设在光传播方向上z处的光强为()Iz，则增益系数定义为()1()dIzgdzIz，表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。小信号增益：当光强很弱时，集居数差值21()nn不随z变化，增益系数为一常数0g，称为线性增益或小信号增益。大信号增益：在放大器中入射光强I与sI(sI为饱和光强)相比拟时，0()1sggIII，为大信号增益。增益饱和：当光强足够强时，增益系数g也随着光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。6.什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？答：自激振荡：不管初始光强0I多么微弱，只要放大器足够长，就总是形成确定大小的光强mI这就是自激振荡的概念。产生条件：0g，0g为小信号增益系数，为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。7.激光的基本特性是什么？答：激光四性：单色性、相干性、方向性和高亮度。这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。8.什么是谐振腔的谐振条件？答：(1)谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干涉条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相（即相差为2的整数倍）。如果以表示均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为222qLq。q为光在真空中的波长，L为腔的光学长度，q为正整数。9.如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目？纵模的频率:2qcqL；纵模间隔:2qcL纵模的数目:对于满足谐振条件频率为q的波，其纵数目1oscqN,osc为小信号增益曲线中大于阈值增益系数tG的那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽)。10.在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与哪些因素有关？答：损耗因素几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。衍射损耗：与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。腔镜反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起的损耗：与介质材料的加工工艺有关。11.哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？答：(1)描述参数a)平均单程损耗因子：011ln2II（0I为初始光强，1I为往返一周后光强）b)腔内光子的平均寿命：RLcc品质因数：22RLQc(2)关系：腔的损耗越小，平均单程损耗因子越小，腔内光子的平均寿命越长，品质因数越大。12.什么是腔的菲涅尔数？它与腔的损耗有什么关系？答：菲涅尔数：2aNL称为腔的菲涅尔数（a为孔半径，L腔长）。即从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅尔半周期带的数目（对平面波阵面而言）。与腔的损耗关系:衍射损耗随腔的菲涅尔数的减小而增大。13.如何计算基模高斯光束的主要参量，腰斑的位置、镜面上光斑的大小、任意位置处激光光斑的大小、等相位面曲率半径、光束的远场发射角、模体积。答：设稳定腔腔长为L，两腔镜1M和2M的曲率半径分别为1R和2R则：(1)腰斑位置距M1的距离为212()()()LRLLRLR，距M2的距离为112()()()LRLLRLR(2)M1镜面上光斑的大小：11412112()()()sRLRLwRLRRLM1镜面上光斑的大小：21421212()()()sRLRLwRLRRL(3)任意位置处激光激光光斑大小：20()1()zwzwf(21212212()()()(2)LRLRLRRLfRRL，0fw)(4)等相位面曲率半径：22()1()ffRzzzzz(5)光束的远场发散角：002w(6)模体积：122001()22sswwVL14.高斯光束的表征方法有哪些？什么是q参数？答：(1)表征方法：a)用束腰半径0w(或共焦参数f)及束腰位置表征高斯光束；b)用光斑半径()wz及等相位面曲率半径()Rz表征高斯光束；c)用q参数表征高斯光束。(2)q参数：其定义为211()()()iqzRzwz15.高斯光束q参数的变换规律是什么？高斯光束q参数的变换规律：当高斯光束在自由空间或通过光学系统时，q参数满足121AqBqCqD，称其为高斯光束q的ABCD定律，其中,,,ABCD为光学系统的光线变换矩阵ABCD的4个矩阵元。16.什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？答：(1)谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率201=EE附近一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。(2)加宽类型及机制a)均匀加宽自然加宽机制：原子的自发辐射引起的。碰撞加宽机制：大量原子（分子、离子）之间的无规则碰撞。晶格振动加宽：机制：晶格振动使激活离子处于随周期变化的晶格场，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化。b)非均匀加宽多普勒加宽机制：由于作热运动的发光原子（分子所发出）辐射的多普勒频移引起的。晶格缺陷加宽机制：晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷部位的理想晶格场不同，因而处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于镜体不同部位的激活离子的发光中心频率不同。c)综合加宽气体工作物质的综合加宽机制：由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。固体激光工作物质综合加宽机制：由晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。液体工作物质的综合加宽机制：溶于液体中的发光分子与其它分子碰撞而导致自发辐射的碰撞加宽。17.如何理解均匀加宽和非均匀加宽？答：均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，对于均匀加宽，每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，或者说，每一个原子对光谱内任一频率都有贡献。非均匀加宽(p135)：原子体系中每个原子只对谱线内与它的中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率是由哪一部分原子发射的。18.说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理，并写出激光增益的表达式。答：均匀加宽增益饱和机理在均匀加宽情况下，每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献，也就是说均匀加宽的激光工作物质对各种频率入射光的放大作用全都使用相同的反转粒子数，因此强光会导致反转集居数密度的下降，而反转集居数密度的下降又将导致弱光增益系数的下降，结果是增益在整个谱线上均匀地下降。均匀加宽增益表达式：1101()(,)1()HHsggIII？非均匀加宽增益饱和机理非均匀加宽增益表达式：1101011(,)(,)1()iisggIII19.饱和光强的含义？怎样定义的？答：饱和光强1()sI的物理意义是：当入射光强度1vI可以和1()sI比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率才可以与其它弛豫过程（自发辐射及无辐射跃迁）相比拟。因此当11()vsIIv时，n与光强无关，而当1vI可以和1()sI相比拟时，n随着1vI的增加而减少，n减少到小信号情况下的1111()sII倍。定义：0112112221122()(,)(,)shhI20.描述非均匀加宽工作物质中的增益饱和的“烧孔效应”，并说明原理。答：(1)描述:对于非均匀加宽工作物质中，在其增益曲线1(,)ivgI曲线上，在频率1处产生一个凹陷，凹陷宽度约为11vHsII，频率1处的凹陷最低点下降到小信号增益系数的112(1)sII倍，以上现象称为增益曲线的烧孔效应。(2)原理：在非均匀加宽工作物质中，频率1的强光只在1附近宽度约为11vHsII的范围内引起反转集居数的饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集居数没有影响。若有一频率为的弱光同时入射，如果频率处在强光造成的烧孔范围之内，则由于反转集居数的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数。如果频率处于烧孔范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响而仍等于小信号增益系数，所以在增益曲线1(,)ivgI曲线上，在频率1处产生一个凹陷，凹陷宽度约为11vHsII。21.激光器的振荡条件是什么？稳定工作条件？答：(1)振荡条件：满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一；频率落在工作物质的谱线范围内，即对应增益系数大于等于阈值增益系数。(2)稳定工作条件：增益系数等于于阈值增益系数22.在均匀加宽和非均匀加宽激光器中模式竞争有什么不同？答：均匀加宽激光器中只要有几个满足阈值条件的纵模，就会在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率0的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其它纵模都被抑制而熄灭。因此理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模的，单纵模的频率总是在谱线中心频率附近。非均匀加宽激光器中也存在模式竞争，当纵模形成的烧孔重叠时会发生竞争，竞争模的输出功率无规则起伏。23.什么是激光器的弛豫振荡现象？答：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓“尖峰”序列，激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小，把上述现象称为弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。24.Q调制激光器的工作原理，目前常用的几种调Q方法。答：(1)工作原理通过某种方法使谐振腔的损耗因子(或Q)值按照规定的程序变化，在泵浦源刚开始时，先使光腔具有高损耗因子H，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平，然后在适当的时刻，使腔的损耗因子突然降到，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上