《激光原理及应用》习题参考答案仅供大家学习参考用
激光原理与应用答案(陈家壁主编)
思考练习题11． 试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=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⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯==---λνc h q n 239342100277.51031063.61⨯=⨯⨯⨯==-νh q n2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。
(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？答：（1）(//m n E E m m kTn n n g e n g --=）则有：1]3001038.11031063.6exp[2393412≈⨯⨯⨯⨯⨯-==---kT h e n n ν（2）K T Te n n kT h 3623834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[⨯=⇒=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-==----ν3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。
设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。
求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？答：（1）1923181221121011.3]27001038.11064.1exp[4----⨯=⨯⨯⨯-⨯=⇒=⋅⋅n n e g n g n kTh ν且202110=+n n 可求出312≈n（2）功率＝W 918810084.51064.13110--⨯=⨯⨯⨯4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比q q 激自1=2000，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ⋅⨯=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求q q 激自为若干？ 答：（1）3173436333/10857.31063.68)106.0(2000188m s J h h c q q ⋅⨯=⇒⨯⨯⨯=⇒=---ννννρρπρπλρνπ＝自激（2）943436333106.71051063.68)106328.0(88⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激5．在红宝石Q 调制激光器中，有可能将全部Cr 3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。
激光原理技术与应用习题解答
习题I1、He-Ne激光器，其谱线半宽度，问为多少？要使其相干长度达到1000m，它的单色性应是多少？解：2、He-Ne激光器腔长L=250mm，两个反射镜的反射率约为98%，其折射率=1，已知Ne原子处谱线的，问腔内有多少个纵模振荡？光在腔内往返一次其光子寿命约为多少？光谱线的自然加宽约为多少？解：3、设平行平面腔的长度L=1m，一端为全反镜，另一端反射镜的反射率，求在1500MHz频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度？解：4、已知CO2激光器的波长处光谱线宽度，问腔长L为多少时，腔内为单纵模振荡（其中折射率=1）。
解：，5、Nd3—YAG激光器的波长处光谱线宽度，当腔长为10cm时，腔中有多少个纵模？每个纵模的频带宽度为多少？解：6、某激光器波长，其高斯光束束腰光斑半径。
①求距束腰10cm、20cm、100cm时，光斑半径和波阵面曲率半径各为多少？②根据题意，画出高斯光束参数分布图。
解：对共焦腔有：7、He-Ne激光器波长，采用平凹腔，其中凹面反射镜R=100m 时：①分别计算当腔长为10cm、30cm、50cm、70cm、100cm时两个反射镜上光斑尺寸W平和W凹。
②根据题意，画出光斑尺寸W平和W凹随腔长L变化曲线。
解：8、比较激光振荡器和放大器的异同点。
解：不同：前者有谐振腔，有选模作用后者无谐振腔；相同：粒子数反转；9、试说明红宝石激光器的谱线竞争。
解：10、说明选单模（横、纵）的意义和方法。
解：选单横模的意义:提高光束质量，包括单色性、方向性、相干性、亮度等，重要的是获得稳定的锁模激光和好的激光聚焦光束，进行时间空间分辨应用。
精细激光加工：光斑直径=透镜焦距*发散角。
超强超快激光应用; 激光通信、雷达、测距等，希望作用距离大，发散角小。
选单横模的方法：加小孔光栏；谐振腔结构。
选单纵模意义：单频激光应用，稳频应用，高相干性和单色性，时间（时钟）标准等。
精密干涉测量，全息照相，高分辨光谱等要求单色性、相干性高的单频光源。
激光原理及应用陈家璧主编习题解答
思考练习题11． 试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝μm ，ν=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⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯==---λνc h q n 239342100277.51031063.61⨯=⨯⨯⨯==-νh q n2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。
(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝时，则温度T 为多高？答：（1）(//m n E E m m kTn n n g e n g --=）则有：1]3001038.11031063.6exp[2393412≈⨯⨯⨯⨯⨯-==---kT h e n n ν（2）K T Te n n kTh 3623834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[⨯=⇒=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-==----ν3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为×l0－18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。
设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。
求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？答：（1）1923181221121011.3]27001038.11064.1exp[4----⨯=⨯⨯⨯-⨯=⇒=⋅⋅n n e g n g n kTh ν且202110=+n n 可求出312≈n（2）功率＝W 918810084.51064.13110--⨯=⨯⨯⨯4．(1)普通光源发射λ＝μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比q q 激自1=2000，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ⋅⨯=-νρ，λ为μm ，设μ＝1，求q q 激自为若干？ 答：（1）3173436333/10857.31063.68)106.0(2000188m s J h h c q q ⋅⨯=⇒⨯⨯⨯=⇒=---ννννρρπρπλρνπ＝自激（2）943436333106.71051063.68)106328.0(88⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激5．在红宝石Q 调制激光器中，有可能将全部Cr 3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。
激光技术原理及应用的答案
激光技术原理及应用的答案激光技术原理激光（Laser）是指在受激辐射作用下产生的，具有高度一致性、单色性和方向性的光线。
它的原理基于激活物质（如气体、固体或液体）的原子或分子通过受激辐射释放出光子。
具体来说，激光技术原理包括以下几个方面：1.受激辐射：激光的原理是基于受激辐射过程。
当外界光或电子束等能量激发到激光介质中的原子或分子时，它们会处于高能级态，然后通过跃迁回到低能级态，同时发射出与入射能量一致的光子。
2.光放大：在激光器中，激光介质中的光子会与待激发的原子或分子作用，导致原子或分子处于高能级态。
通过引入一个辐射源，其能量很容易被激光介质吸收并转化为更多的光子，从而达到放大激光的效果。
3.光反馈：在激光器中，光放大过程可以被反馈回来，形成一个光学谐振腔。
这个腔体包含一个完全或部分反射镜和一个输出镜。
放大的光通过反射镜反射回来，然后经过多次反射和放大，在腔中形成更多的激光。
4.单色性：激光的光子是高度一致的，它们具有非常狭窄而单一的频率。
这是因为激光器中的光放大过程只允许某个特定的模式在腔中持续放大，其他模式的能量会很快耗散掉。
激光技术应用激光技术由于其独特的特性，在许多领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的激光技术应用：1.激光切割和焊接：激光切割和焊接技术在工业生产中得到了广泛应用。
激光切割可以实现高精度、高速度和无接触的材料切割，适用于金属、塑料和木材等材料。
激光焊接则可以实现高强度的焊接连接，适用于汽车制造和电子设备制造等领域。
2.激光医学：激光在医学领域具有重要应用。
例如，激光手术可以实现无创伤、高精度和快速的手术操作，适用于眼科、皮肤美容和神经外科等领域。
激光也可以用于医学成像，如激光扫描显微镜和激光共聚焦显微镜。
3.激光测距和测量：激光测距和测量技术广泛应用于工程和地理测量领域。
例如，激光测距仪可以测量远距离和高精度的距离，适用于建筑测量和地形测绘。
激光测量仪也可以测量物体的尺寸、形状和表面特征。
《激光原理及技术》1-4习题答案(学习内容)
激光原理及技术部分习题解答（陈鹤鸣）第一章4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ∆应当是多少？解：相干长度C cL υ=∆，υ∆是光源频带宽度853*10/3*101C c m s Hz L kmυ∆===225108(/)632.8*3*10 6.328*103*10/c cc c nm Hz c m sλλυυυυλλλυλ-=⇒∆=∆=∆∆⇒=∆== 第二章4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？解：Tk E E b e n 1212n --=其中12**E E ch E c h -=∆=λνλh ch ==∆*E（1）（2）010*425.12148300*10*38.11010*3*10*63.612236834≈====-------e ee n n Tk chb λ（3）K n n k c h b 36238341210*26.6)1.0(ln *10*10*8.3110*3*10*63.6ln *T =-=-=---λ9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数101.0-=mm α (2)010010100003660I .e I e I e I I .z ====-⨯-α即经过厚度为0.1m 时光能通过36.6%10.解：m/..ln .G e .e I I G.Gz6550314013122020===⇒=⨯第三章2. CO2激光器的腔长L=100cm, 反射镜直径D=1.5cm, 两镜的光强反射系数120.985,0.8r r = = 求由衍射损耗及输出损耗引起的,,R Q τδ 解：（1）输出损耗由腔镜反射不完全引起。
激光原理与应用课试卷试题答案
激光原理及应用[陈家璧主编]一、填空题（20分，每空1分）1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。
2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。
3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。
4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误!未找到引用源。
），其值越大，则衍射损耗（愈小）。
5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误!未找到引用源。
）。
6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。
7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。
8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。
9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。
10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误!未找到引用源。
）S，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。
二、简答题（四题共20分，每题5分）1、什么是自再现？什么是自再现模？开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。
3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。
三、推导、证明题（四题共40分，每题10分）1、短波长（真空紫外、软X 射线）谱线的主要加宽是自然加宽。
试证明峰值吸收截面为πλσ220=。
激光原理及应用试卷.
激光原理及应用试卷班级姓名成绩一、填空题（1.5×20=30分）1.光与物质的相互作用有三种不同基本过程，即，及A21称为：B21称为：B12称为：自发辐射的平均寿命τ与A21关系为2.引起谱线增宽的原因主要有三种，即。
它们的线型函数有两种，分别是。
3.光的一个基本性质是具有。
一方面光是电磁波，具有波动性质，有一定的和。
另一方面光是光子流，是具有一定和的物质粒子流。
4．产生激光必须具备的三个条件：，，二、问答题（5×6=30分）1.简要叙述激光器稳定出光的过程。
2.三种谱线增宽形式中哪些是均匀增宽？哪些是非均匀增宽，为什么？3.详细说明对称共焦腔中高斯光束的特点，并图示4.叙述用兰姆凹陷稳频的工作原理。
三、 分析题（40分）1. （10’）如图所示为的1E 和0E （基态）分别为激光上下能级，0n 和1n 分别为上下能级的粒子数密度，谐振腔中传播的单色光能密度为ρ（假设其线宽比介质的线型函数)(v f 的线宽窄得多）。
图中过程①为泵浦速率为R 0的抽运过程，②为自发辐射过程，③和④分别为受激辐射和受激吸收过程,自发辐射系数、受激辐射系数和受激吸收系数分别为A 10、B 10、B 01。
试写出1E 能级在单位时间内粒子数密度的增加量，并说明表达式中每一项的物理意义2. （15分）一染料激光器输出激光的波长为0.63μm ，采用平凹腔，凹面镜的曲率半径为2m ，腔长为1m ，（1）求出它所产生的高斯光束的光腰大小和位置，共焦参数f 以及发散角θ。
（2）如果使用焦距为5cm 的凸透镜聚焦，入射光腰到透镜的距离为1.50m 。
问：离透镜1.0m 处的出射光斑半径为多少？3.（15’）设有三束频率分别为0ν、νν∆+0和νν∆-0、光强为I 0、I 1和I 2的强光沿相同方1E 0E向或相反方向（如图）通过中心频率为0ν的非均匀加宽增益介质（I 0>I 1> I 2）。
试分别分析下列两种情况下反转粒子数按速度z υ的分布，并画出相应的分布曲线，要求在图中标出烧孔位置及烧孔深度。
激光原理及应用1-6章部分课后答案
激光原理及应用部分课后答案1-4为使He-Ne 激光器的相干长度达到1KM ，它的单色性0λλ∆应是多少？2-2当每个模式内的平均光子数（光子简并数）大于1时，以受激辐射为主。
2-3如果激光器和微波激射器分别在um 10=λm 500n =λ和z 3000MH =ν输出1W 连续功率，问美秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？2-4当一对激光能级为E2和E1（f1=f2），相应的频率为v （波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1,q 求：（1）当v=3000MHZ ，T=3000K 时，n2/n1=？（2）当λ=1um ，T=3000K 时，n2/n1=？（3）当λ=1um ，n2/n1=0时，温度T=？解：2-5激发态的原子从能级E2跃迁到E1时，释放出λ=5um的光子，求这个两个能级的能量差。
若能级E1和E2上的原子数分别为N1和N2，试计算室温T=300K的N2/N值。
2-7如果工作物质的某一跃迁是波长为100nm的远紫外光，自发辐射跃迁概率1621s10-=A，试问：（1）改跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B21是多少？（2）为使受激辐射跃迁概率比自发辐射跃迁概率大三倍，腔内的单色能量密度νρ应为多少？2-9某一物质受光照射，沿物质传播1mm的距离时被吸收了1%，如果该物质的厚度是0.1m,那么入射光中有百分之几能通过该物质？并计算该物质的吸收系数α。
2-10激光在0.2m 长的增益介质中往复运动过程中，其增强了30%。
求该介质的小信号增益系数0G 。
假设激光在往复运动中没有损耗。
3-2CO2激光器的腔长L=100cm,反射镜直径D=1.5cm,两镜的光强反射系数分别为r1=0.985,r2=0.8.求由衍射损耗及输出损耗所分别引起的δ，τ。
3-4，分别按下图中的往返顺序，推导近轴光线往返一周的光学变换矩阵⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛D C B A ，并证明这两种情况下的）（D A +21相等。
激光原理及应用陈鹤鸣答案
激光原理及应用陈鹤鸣答案1、4．列车员说火车8点42分到站，8点42分指的是时间间隔．[判断题] *对错(正确答案)2、59．1911年，卢瑟福在α粒子散射实验的基础上，提出了原子核式结构模型。
下列关于这个模型的说法中正确的是（）[单选题] *A．原子核位于原子的中心(正确答案)B．电子静止在原子核周围C．原子核带负电D．原子核占据了原子内大部分空3、2．运动员将足球踢出，球在空中飞行是因为球受到一个向前的推力．[判断题] *对错(正确答案)4、53．下列实例中不能用光的直线传播解释的是（）[单选题] *A．水中倒影(正确答案)B．手影的形成C．日食和月食D．小孔成像5、其原因错误的是（）*A.使用的用电器总功率过大B.电路中有断路(正确答案)C.开关接触不良(正确答案)D.电路的总电阻过大(正确答案)6、关于家庭电路和安全用电，下列说法正确的是（）[单选题]A．我国家庭电路电压为380VB．发生短路会导致家庭电路中总电流过大(正确答案)C．用湿布擦正在发光的台灯D．在未断开电源开关的情况下更换灯泡7、验电器是实验室里常常用验电器来检验物体是否带电。
用带正电的玻璃棒接触验电器的金属球，可以发现验电器原来闭合的两片金属箔张开一定的角度，如图61所示。
以下判断中正确的是（）[单选题]A．金属球带正电，金箔片都带负电，它们因排斥而张开B．金属球带正电，金箔片都带正电，它们因排斥而张开(正确答案)C．金属球带负电，金箔片都带正电，它们因吸引而张开D．金属球带负电，金箔片都带负电，它们因吸引而张开8、54．如图所示，2019年4月10日人类首张黑洞照片的问世，除了帮助我们直接确认了黑洞的存在外，还证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。
下列关于宇宙的描述中，不正确的是（）[单选题] *A．地球是太阳系内的一颗行星B．太阳和太阳系最终会走向“死亡”C．宇宙处于普遍的膨胀之中D．太阳是宇宙的中心(正确答案)9、考虑空气阻力，在空气中竖直向上抛出的小球，上升时受到的合力大于下降时受到的合力[判断题] *对(正确答案)错答案解析：上升时合力等于重力加上空气阻力，下降时合力等于重力减去空气阻力10、在图65的四种情境中，人对物体做功的是（）[单选题]A.提着桶在水平地面上匀速前进B.举着杠铃保持杠铃静止C.用力搬石头但没有搬动D.推着小车前进(正确答案)11、23．三个质量相等的实心球，分别由铝、铁、铜制成，分别放在三个大小相同的空水杯中，再向三个空水杯中倒满水（物体都能浸没，水没有溢出，ρ铝＜ρ铁＜ρ铜），则倒入水的质量最多的是（）[单选题] *A．铝球B．铁球C．铜球(正确答案)D．无法判断12、司机驾车时必须系安全带，这是为了防止向前加速时惯性带来的危害[判断题] *对错(正确答案)答案解析：防止刹车时惯性带来的危害13、关于物质的密度,下列说法正确的是（）[单选题] *A. 一罐氧气用掉部分后,罐内氧气的质量变小,密度不变B. 一只气球受热膨胀后,球内气体的质量不变,密度变大C. 一支粉笔用掉部分后,它的体积变小,密度变小D. 一块冰熔化成水后,它的体积变小,密度变大(正确答案)14、能量在转化过程中是守恒的，所以能源是“取之不尽，用之不竭”的[判断题] *对错(正确答案)答案解析：能量在转化和转移的过程中是有方向的，所以需要节能15、如图59所示，“蛟龙号”载人深潜器是我国首台自主设计、研制的作业型深海载人潜水器，设计最大下潜深度为级，是目前世界上下潜最深的作业型载人潜水器。
激光原理练习题及答案
激光原理练习题及答案一、选择题1. 激光的产生是基于以下哪种物理现象？A. 光电效应B. 康普顿散射C. 受激辐射D. 黑体辐射答案：C2. 激光器中的“泵浦”是指什么？A. 激光器的启动过程B. 激光器的冷却过程C. 激光器的增益介质D. 激光器的输出过程答案：A3. 以下哪种激光器不是按照工作物质分类的？A. 固体激光器B. 气体激光器C. 半导体激光器D. 脉冲激光器答案：D二、填空题4. 激光的三个主要特性是________、________和________。
答案：单色性、相干性和方向性5. 激光器中的增益介质可以是________、________或________等。
答案：固体、气体或半导体三、简答题6. 简述激光与普通光源的区别。
答案：激光与普通光源的主要区别在于激光具有高度的单色性、相干性和方向性。
普通光源发出的光波长范围较宽，相位随机，方向分散，而激光则具有单一的波长，相位一致，且能沿特定方向高度集中。
7. 解释什么是激光的模式竞争，并说明其对激光性能的影响。
答案：激光的模式竞争是指在激光腔中，不同模式（横模和纵模）之间争夺增益介质提供的增益资源。
模式竞争可能导致激光输出不稳定，影响激光的质量和效率。
通过优化腔体设计和使用模式选择器可以减少模式竞争，提高激光性能。
四、计算题8. 假设一个激光器的增益介质长度为10cm，泵浦效率为80%，增益系数为0.01cm^-1。
计算在不考虑任何损耗的情况下，激光器的增益。
答案：增益 = 增益系数× 增益介质长度× 泵浦效率 = 0.01× 10× 0.8 = 0.89. 如果上述激光器的输出镜的反射率为90%，计算腔内光强每通过一次腔体增加的百分比。
答案：增益百分比 = (1 - 反射率) × 增益 = (1 - 0.9) × 0.8 = 0.08 或 8%五、论述题10. 论述激光在医学领域的应用及其原理。
激光原理及应用习题
为使氦氖激光器的相干长度达到1km,它的单色性 应当是多少？
解：相干长度 ， 是光源频带宽度
3
如果激光器和微波激射器分别在 时输出1W连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？
解1：
解2：
当 时
当 时
当 时
4
设一对激光能级为 ，相应的频率为 ，波长为 ，能级上的粒子数密度分别为 ，求：
解：（1）
4
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解： 其中
解得： ，又由上式 得：
所以真实腔长：
6
解：
所以：
7
解：
8
9
He-Ne激光器的中心频率 =4.74× Hz，荧光线宽 =1.5× Hz，腔长L=1m。问可能输出的纵模数为多少？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？
解： = = = =1.5× Hz
输出纵模数为N=[ ]+1=[ ]+1=11
解：（1）列出光在该歇歇很强中传输一周期的变换矩阵
T=
由稳定性条件可得：
由此可得稳定性条件为：0<L/f<4
(2)此腔可等效为对称球面镜腔，其光腰应位于该等价腔的中心，因此光腰位置为M1与M2中线处。
(3)L=2（2L1+L2）=40cm=2f
束腰大小为 ;此腔可等效为对称球面镜腔，其光腰应位于该等价腔的中心，因此光腰位置为M1与M2中线处。
等价共焦腔腔长L'=2f=4m, =0.5m
,
(2)腰斑半径 ，束腰在z=0处，与平面镜重合。
(3)
18
3.18.设计一对称光学谐振腔，波长 =10.6 ,腔长L=2m，如选择凹面镜曲率半径R=L，试求镜面上光斑尺寸。若保持L不变，选择R>>L，并使镜面上光斑半径 =0.3cm，问此时镜的曲率半径和腔中心光斑尺寸大小。
2023大学_激光原理及应用(陈家璧著)课后习题答案下载
2023激光原理及应用（陈家璧著）课后习题答案下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案下载绪论一、激光的发展简史二、激光的特点三、本课程的学习方法第1章光和物质的近共振相互作用1.1 电磁波的吸收和发射1.2 电磁场吸收和发射的唯象理论1.3 光谱线加宽1.4 激光器中常见的谱线加宽1.5 光和物质相互作用的近代理论简介思考和练习题第2章速率方程理论2.1 典型激光器的工作能级2.2 三能级系统单模速率方程组2.3 四能级系统单模速率方程组2.4 小信号光的介质增益2.5 均匀加宽介质的增益饱和2.6 非均匀加宽介质的增益饱和2.7 超辐射激光器思考和练习题第3章连续激光器的工作特性3.1 均匀加宽介质激光器速率方程3.2 激光振荡阈值3.3 均匀加宽介质激光器中的'模竞争3.4 非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡 3.5 激光器输出特性思考和练习题第4章光学谐振腔理论4.1 光学谐振腔的研究方法4.2 光学谐振腔的基本知识4.3 光学谐振腔的矩阵光学理论4.4 光学谐振腔的衍射积分理论4.5 平行平面腔的自再现模4.6 对称共焦腔的自再现模思考和练习题第5章高斯光束5.1 高斯光束的基本特点5.2 高斯光束的传输5.3 高斯光束的特性改善思考和练习题第6章典型激光器6.1 概述6.2 气体激光器6.3 固体激光器6.4 染料激光器6.5 半导体激光器6.6 其他激光器思考和练习题第7章激光的应用7.1 激光在基础科学研究中的应用 7.2 激光在通信及信息处理中的应用 7.3 激光在军事技术中的应用7.4 激光在生物及医学中的应用7.5 激光在材料加工中的应用7.6 激光在测量技术(计量学)中的应用7.7 激光在能源、环境中的应用7.8 激光在土木、建筑中的应用思考和练习题附录A.常用物理常数表B.常见激光器的典型技术参数C.常用电光晶体的典型技术参数D.常用光学非线性晶体的典型技术参数E.常用激光晶体的典型技术参数F.常见光功率计型号和厂家G.典型激光波长使用的光学零件及其材料性能参数H.常见光路和光学元件的传播矩阵参考文献激光原理及应用（陈家璧著）：内容简介点击此处下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案激光原理及应用（陈家璧著）：目录主要介绍了激光发展简史及激光的特性，激光产生的基本原理，光学谐振腔与激光模式，高斯光束，激光工作物质的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制与改善，典型激光器，半导体激光器，光通信系统中的激光器和放大器，激光全息技术，激光与物质的相互作用，以及激光在其他领域的应用等内容。
《激光原理及应用》习题参考答案仅供大家学习参考用
《激光原理及应用》习题参考答案思考练习题11•解答：设每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数为n 。
单个光子的能量：g = h v = he / Z 连续功率：p 二n ； 则,n = p/ ；a.对发射■ = 0.5000的光:p 1 0.5000 10-6 n — —he 6.63 10 ⑶ 3.0 108-2.514 1018(个)b.对发射、• = 3000 MHz 的光_________ 16.63 10 "4 3000 106= 5.028 1023(个)E 2 a 匹Tn 1hv些=小-1n 1hc 3T6.26 103(K)'■ ln 匹3.解答：(1) 由玻耳兹曼定律可得_E 2 -E 1e '丁 , m/g20且4g 1 =g 2, m • n 2 =10代入上式可得: n 2 :30 (个)(2 )由 (a ), (b ) ,(c)式可得:2.解答:E 2 - E<| = h..(a).(b) (1 )由 ■■■. = c/ ■ .......(a ), (b )式可得:.(c)n 2 /g 2(2) p =108 n 2(E 2 -EJ =5.028 10-(W) 4•解答：(1)由教材(1-43)式可得e kT —1因此：fT ' =2.82kh ，hc同样可求得： 一丄 =4.96九m kT故' m - m = 0.568c8h1 3 A-2000J s/m 3 -3.860 10, J s/m 3 (0.6328 10冷3 5.0 10*8- 6.63 10 ^4= 7.592 10 5•解答：(1)红宝石半径 r = 0.4cm ，长L -8cm ，铬离子浓度匸=2 1018cm‘，发射波长• =0.6943 10 “m ，巨脉冲宽度 -T = 10 ns 则输出最大能量2 ,、he18E - (：r L) 2 1034826.63 1030 108二 0.42 86(J)二 2.304(J)0.6943 10」脉冲的平均功率:P =E /.「23041010"2.304 叫) (2)自发辐射功率 _ hcN 2heP (兀r 2L)Q 自皿z-X663计 3° IO 8 *1。
激光原理及应用期末试题及答案
物理专业2006级本科《激光原理及应用》期末试题（A卷答案）一、简答题1.激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔；2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。
答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。
3.激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线型。
答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。
自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。
非均匀加宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献。
多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。
4.简述均匀加宽的模式竞争答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。
这种情况叫模式竞争。
5.工业上的激光器主要有哪些应用？为什么要用激光器？答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。
工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。
6.说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。
答：He-Ne激光器，632.8nm（红光），Ar+激光器，514.5nm（绿光），CO2激光器，10.6μm （红外）7.全息照相是利用激光的什么特性的照相方法？全息照相与普通照相相比有什么特点？答：全息照相是利用激光的相干特性的。
全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。
二、证明题：（每题6分，共18分）1.证明：由黑体辐射普朗克公式33811hKThceννπνρ=-导出爱因斯坦基本关系式：3213218A hn h B cνπνν==三、计算题1．由两个凹面镜组成的球面腔，如图。
激光原理及应用的答案
激光原理及应用的答案1. 激光原理激光是指通过激活原子、分子或离子的能级从而形成一种具有高强度、高单色性和高相干性的电磁辐射的过程。
激光的产生基于以下几个原理：•受激辐射：当一个物质中某个能级的粒子被外界的激发所占据时，如果有一个辐射场作用于这些粒子，它们就可能跳到较低能级，从而向辐射场辐射出一个与外界辐射场的频率和相位相同的光子，这就是受激辐射。
•斯托克斯辐射：当一个粒子从一个高能级跃迁到一个低能级，同时放出一个光子，这个过程称为斯托克斯辐射。
斯托克斯辐射是激光产生过程中的重要原理之一。
•光增强：通过将一系列粒子激发到一个高能级，然后通过受激辐射放出一束光，然后再将该光束通过增强反射和光放大等技术放大，从而形成一束高强度的激光。
2. 激光的应用激光作为一种特殊的光源，具有许多重要的应用。
下面列举了一些主要的激光应用：•激光切割和焊接：激光切割和焊接技术广泛应用于金属加工、电子制造和汽车制造等领域。
激光切割和焊接具有高精度、高效率和无污染等优点，在工业生产中发挥着重要作用。
•激光医学：激光在医学领域有广泛的应用，如激光手术、激光治疗、激光诊断等。
激光手术使用高能激光在手术过程中进行切割、蒸发、烧灼等操作，具有创伤小、恢复快的优点。
激光治疗可以用于肿瘤治疗、皮肤美容等方面。
激光诊断可以用于眼科、皮肤病等疾病的检测和治疗。
•激光测距和测速：激光测距和测速技术被广泛应用于工程建设、地质勘探、安防监控等领域。
利用激光的高单色性和高相干性，可以实现精准的距离和速度测量。
•激光通信：激光通信技术是一种高速、大容量的无线通信技术。
激光通信利用激光器将信息通过光波传输，具有传输速度快、抗干扰能力强的优点，可以用于远距离的通信。
•激光显示：激光显示技术是一种新型的显示技术，具有高亮度、高对比度和高颜色纯度等特点。
激光显示可以用于电视、电影院、虚拟现实等领域，提供更好的显示效果和观看体验。
3. 激光的发展和前景激光技术的发展正在不断推动人类科技的进步。
激光原理及应用 参考答案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λ＝0.5000μm ，ν=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⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯==---λνc h qn 239342100277.51031063.61⨯=⨯⨯⨯==-νh q n2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。
(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？答：（1）(//m n E E m m kTn nn gen g --=）则有：1]3001038.11031063.6exp[2393412≈⨯⨯⨯⨯⨯-==---kT h e n n ν（2）K T Te n n kTh 3623834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[⨯=⇒=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-==----ν3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。
设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。
求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？答：（1）1923181221121011.3]27001038.11064.1exp[4----⨯=⨯⨯⨯-⨯=⇒=⋅⋅n n e g n g n kTh ν且202110=+n n 可求出312≈n（2）功率＝W 918810084.51064.13110--⨯=⨯⨯⨯4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比q q 激自1=2000，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ⋅⨯=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求q q 激自为若干？答：（1）3173436333/10857.31063.68)106.0(2000188m s J h h c q q ⋅⨯=⇒⨯⨯⨯=⇒=---ννννρρπρπλρνπ＝自激（2）943436333106.71051063.68)106328.0(88⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激5．在红宝石Q 调制激光器中，有可能将全部Cr 3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。
激光原理及应用(第二版)课后习题答案(全)
思考练习题4
2．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，，横模。若在腔内接近镜面处加小孔光阑选取
横模，试问：
(1)如只使模振荡，光阑孔径应多大？ (2)如同时使，模振荡而抑制振荡，光阑孔径应多大？ 答：(1)TEM00模在镜面处的光斑半径为 所以光阑孔径应该为0.2mm (2)TEM11模在镜面处的光斑半径为 所以光阑孔径为0.35mm
思考练习题1
1． 试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射＝0.5000m， =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：
11．静止氖原子的3S22P4谱线的中心波长为0.6328m，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： 同理可求：；
答：（a）；
（b）
4.
稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R1＝40cm，2＝
100cm，求腔长L的取值范围。
答：
10. 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＝310－4/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
3．一高斯光束束腰半径＝0.2mm，＝0.6328，今用一焦距f为3cm的短 焦距透镜聚焦，已知腰粗离透镜的距离为60cm，在几何光学近似下求 聚焦后光束腰粗。 答：
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
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《激光原理及应用》习题参考答案思考练习题11.解答：设每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数为n 。
单个光子的能量：λνε/hc h == 连续功率：εn p =则，ε/p n =a. 对发射m μλ5000.0=的光：)(10514.2100.31063.6105000.01188346个⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==--hc p n λ b. 对发射MHz 3000＝ν的光)(10028.51030001063.6123634个⨯=⨯⨯⨯==-νh p n 2.解答：νh E E =-12……………………………………………………………………..(a)TE E en nκ1212--=……………………………………………………………………….(b)λν/c =…………………………………………………………………………….(c) （1）由（a ），（b ）式可得：112==-T h e n n κν（2）由（a ），（b ）,(c)式可得： )(1026.6ln312K n n hcT ⨯=-=κλ3.解答：（1） 由玻耳兹曼定律可得TE E e g n g n κ121122//--=，且214g g =，202110=+n n 代入上式可得：≈2n 30（个）（2）)(10028.5)(1091228W E E n p -⨯=-= 4.解答：(1) 由教材（1-43）式可得317336343/10860.3/)106000.0(1063.68200018q m s J m s J h q ⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅=---πλπρν自激 （2）9344363107.5921063.68100.5)106328.0(8q ⋅=⋅⋅⋅⋅⋅==---ππρλνh q 自激5.解答：（1）红宝石半径cm r 4.0=，长cm L 8=，铬离子浓度318102-⋅=cm ρ，发射波长m 6106943.0-⋅=λ，巨脉冲宽度ns T 10=∆则输出最大能量)(304.2)(106943.0100.31063.684.0102)(68342182J J hcL r E =⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==--πλπρ 脉冲的平均功率： )(10304.2)(1010304.2/89W W T E p ⋅=⋅=∆=- （2）自发辐射功率)(10304.2)(10106943.0)84.0102(100.31063.6)(22621883422W W L r hc hcN Q ⋅=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅==---πλτπρλτ＝自6.解答：由λν/c =，λλνd cd 2=及λρνρλd d v =可得1185-==kThcehcd d λνλλπλνρρ7.解答： 由0)(=ννρd d 可得： 31=-kTh kTh m m mee kTh υυυ；令x kTh m=υ，则)1(3-=x x e xe ；解得：82.2=x 因此：1182.2--=kh Tm ν同样可求得：96.4=kThcm λ 故c m m 568.0=λν8解答：)]4(2[)(11)](4[114)(04042)(4202000πτνππτπτπτνννπττννπτνπτνννπτ--==+=-+=∞-∞∞-=-∞⎰⎰⎰arctg A x arctg A dxx A d A d f xN 令又04πτν数量级在810，所以2~)4(0ππτν--arctg ,代入上式得：τ/1=A9解答：由教材的（1-26）式可得：t A e n t n 21202)(-=，令en t n 1)(202=，则 21211,1A A ==ττ 10解答：相对论四维波矢量为：),(cik k ωμ = 对沿x 方向的特殊洛伦兹变换,有).(,,),(1'3'32'221'1k k k k k c k k υωγωωυγ-===-= (1)其中2211c υγ-=假设波矢量k 与x 轴的夹角为θ，'k与x 轴的夹角为'θ，有'''11cos ,cos θωθωck ck == (2)代入（1）式可得)cos 1('θνωγωc-= (3)若'∑为光源的静止参考系，则0'ωω=。
同时若0=θ（光源向着接收器运动），有（3）式得 00/1/1)1(ωυυυγωωccc-+=-= (4)由此可得0/1/1νυυνcc-+=…………………………………………………………………….(5)\若c <<υ，由（5）式得)1()211)(1()1)(1(022021220ccc c cυνυυνυυνν+≈⋅⋅⋅-++=-+=-11解答：谱线的中心频率：Hz c 140104.741/⋅==λν根据教材（1-74）式可得 1）Hz c 1410241.5,1.0⋅==νυ 2）Hz c 1410288.4,1.0⋅=-=νυ 3）Hz c 1410212.8,5.0⋅==νυ 4）Hz c 1410737.2,5.0⋅=-=νυ12解答：因c <<υ，故可用教材（1-74）式求解。
1）Hz 81085.8,560⋅=∆-=νυ 2）Hz 81085.8,560⋅=∆=νυ13解答：(1) 根据教材（1-89）式，出射光强占入射光强的百分比%8.36%100%100%100)0()(10001.0=⋅=⋅=⋅=⋅--e e I z I Az η （2） 根据教材（1-91）式可求得)(693.02ln ln 110-===m I I L G思考练习题21.解答：因21g g =，所以12n n n -=∆；由教材（1-39）式得hA B πλ832121=，代入（1-90）可得：)(8)()(22112νπλμνf A n n G -=，代入数据可得1240-=m G 2.解答：42112=g n g n 202110=+n n 则 1212102317⋅=-n n G=λμ/)()(2112h v f B n n -=7.8910⨯m 1- 3.解答：采用教材31P 页中2.1.3方法 (a)∞<≤R cm 30。
（b ）若用凹面镜：∞<≤2R L ；若用凸面镜：L R 32-≤<∞-。
4解答：140(cm )L 100),(400≤≤≤<或cm L 5.解答:由教材（2-27）式可得)()(0021000ννμνD D f h cB n G ∆=对非均匀增宽有2/10)2ln (2)(πννDD f ∆=，代入上式即可得（2-28）式。
6解答：将教材（2-13）式代入（2-17）式可得2020*******)2)(1()()(])2()[()(νννννμνννν∆++-∆∆+-=I I f h c B n G (1)将教材（1-67）式代入（1）式可得)()2)(1()()2()2()2)(1()()2()2)(1()(2)(00202022102020220200210ννννννπνμνννννννπννμνG I I h cB n I I I I h c B n G ∆++-∆=∆∆∆++-∆=∆++-∆∆=得证。
7解答：当s I I =时，由（2-19）可得)()2(2)()2()(002202ννννννG G ∆+-∆= (1)则有)(21)(000ννG G =…………………………………………(2) 令)(21)(0ννG G =，可求得220ννν∆±=-…………………………………………(3) 所以，信号增益曲线的线宽为ν∆2。
此结果说明在稳定工作状态下，激光器有更宽的增益线宽。
8解答：根据教材（1-90），激光介质的增益系数可表示为 )()(21ννμνf h cnB G ∆=……………………………….(1)，则有)()(21ννμνσf h cB e = (2)由教材（1-42）式可得3333332121/8/1/8c h c h A B νπμτνπμ== (3)将（3）代入（2）式得τμπνννσ2228)()(f c e =得证。
9解答：由教材（2-9）式可得τμνπν2102)(B c I s ∆= (1)将上题中得（3）式代入上式可得：23020/82)(c h I s νπμνπν∆= (2)又vf ∆=πν2)(0 (3)由（2）（3）式可得τνσνντμπντνν)()(8)(000222000e s h f c h I ==得证。
230220/32134)(mm w hc I s =∆=λνμπλ10解答：a.对非均匀增宽有1412/142/10108.1)30/501(1/103)/1(----⋅=+⋅=+=mm mm I I G G s b.要保持振荡稳定，则要求（令21r r r ==）（其中损耗率应为-4量级？）L2)ex p(12内a G r -≥代入数据计算可得：991.0≥r c.输出功率mWW AI P 44.0008.01011.0502=⋅⋅⋅==-τ 11解答：)(8222ντμπνf c a n 总阈＝∆代入数据计算可得：32110048.1-⋅=∆cm n 阈12解答：把题中数据代入教材（2-43）式可求得：W P 83105.6⋅＝阈13解答：由教材（2-44）可求得：W P 74101.2⋅＝阈3143=阈阈P P思考练习题31.解答：纵模的频率间隔HzL c q 81032⋅==∆μν可能存在的纵模数目：2=∆∆qνν601095.1~⋅=∆qq νν所以，1,1095.11261+=⋅=q q q ，或1,1095.11261-=⋅=q q q 2解答：激光器的纵模的频率间隔HzL c q 8105.12⋅==∆μν可能存在的纵模数目：10=∆∆qνν要获得单纵模输出，则要求1≤∆∆qνν代入数据可求的 m L 1.00≤<3.解答：（1）X XX H 128)(33-=，1)(0=Y H ，则 2/02/3322)(,)128()(Y X eY F eX X X F --=-=节线的位置，也就是以上两式等于零的位置。
分别令以上两式等于零，可以求得 x 方向节线位置：0πλ43,0,23,0Lx X ±=±=即， y 方向无节线。
（2）由以上计算可见：节线等间距。
4解答：（1）26224/10546.2/)21050(50/cm W cm W SP P ⋅=⋅==-π (2)此平均功率是氩弧焊的254.6倍，氧乙炔焰的0.025倍。
5.解答：（1）rad L310269.1222-⋅==πλθ 共焦腔基横模在z 处的光斑半径为m z 34.6=⋅≈θω 光斑面积为223.126m S ==πω（2）普通光源在1km 处的光斑半径为m m r 91.3410001802=⋅⋅=π 光斑面积23210826.3m r S ⋅==π6解答：氦氖激光器的远场发散角rad L310159.12-⋅==πλθ 衍射极限角rad d 4'1086.3/22.1-⋅==λθ7解答：束腰半径mm L2.020≈=πλω 将题目中相关数据代入教材（3-34）可求得离腰56cm 处的光束有效截面半径 mm 6.0=ω 8解答：略。