激光原理部分题答案

07级光信息《激光原理》复习提纲

简答题

1、 简述自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的联系与区别。

（1）受激辐射过程是一种被迫的、受到外界光辐射控制的过程。 没有外来光子的照射，就不可能发生受激辐射。

(2) 受激辐射所产生的光子与外来激励光子属于同一光子状态， 具有相同的位相、传播方向和偏振状态。

(3) 激光来自受激辐射，普通光来自自发辐射。两种光在本质 上相同：既是电磁波，又是粒子流，具有波粒二象性；而 不同之处：自发辐射光没有固定的相位关系，为非相干光， 而激光有完全相同的位相关系，为相干光。

(4) 自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃 迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。

（5）受激吸收是与受激辐射相反的过程，它的几率与受激辐射几率一样取决于吸收系数和外来光单色辐射能量密度的乘积。

2、二能级系统有无可能通过光泵浦实现稳态粒子数反转？（不能，PPT 上有）

在光和原子相互作用达到稳定条件下

E 1

E

2

W W W B B ===2112 2112 即当

得到 不满足粒子数反转，所以不能实现。

3、简述均匀增宽和非均匀增宽的区别。（类型，贡献不同ppt 上有）

4、简述光谱线增宽类型，它们之间的联系与区别

均匀增宽的共同特点

●

引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的 ● 都是光辐射偏离简谐波引起的谱线加宽

非均匀增宽的共同特点

● 原子体系中每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，因而可以区分谱线上某一频率范围是由哪一部

分原子发射的。

均匀增宽同非均匀增宽的区别是均匀增宽中每一个原子对谱线宽度内任意频率都有贡献，且贡献相同；而非均匀增宽中每一个原子只对其速度所对应的频率有贡献，即不同速度的原子的作用是不同的。

t n B t n B t n A ννd d d 112221221ρρ=+W

A W n n +=2112

5、画图简述三能级和四能级系统产生激光的能级跃迁过程。（ppt）

6、简述激光形成条件。（三要素，谐振腔，泵浦）

7、如何使激光器内受激辐射大于受激吸收和自发辐射，从而实现光放大。（ppt有）

8、谐振腔稳定性的条件？

稳定条件：0 < ( 1-L /R1 ) ( 1-L /R2 ) <1

R1，R2为球面镜曲率半径，L为腔长，凹面反射镜的R 取正，凸面反射镜的R 取负。

9、简述均匀增宽介质和非均匀增宽介质增益饱和的区别？

10、什么是烧孔效应和兰姆凹陷。（图配文字）

烧孔效应

表明：频率为ν1，强度为I 的光波仅使围绕中心频率ν1、宽

度为范围内的粒子有饱和作用，因此在Δn （v ）

曲线上形成一个以ν1为中心的凹陷，习惯上把它叫做烧孔

非均匀增宽型粒子数密度反转分布的饱和作用

小信号粒子密

度反转曲线

()νI I ν∆+='∆2/1S /1

11、何为自再现模, 解释自再现模积分方程中本征函数和本征值的物理含义。

当两个镜面完全相同时，经过多次腔内反射后，场分布将不再受衍射作用的影响，形成一种稳定的场分布（虽然光强等比例衰减，各点相位发生同样大小滞后），即场分布经过一次往返后能够“再现”出来，这个稳定的横向场分布就是谐振腔的自再现模或横模。

本征函数u mn: 表示在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，就是自再现模，通常叫做“横模”，m 、n 称为横模序数。

本征值δmn 指对于一次渡越的衍射损耗（单程衍射损耗），m 、n 称为横模序数。

12、简述饱和光强是如何决定腔内光强以至激光器输出功率大小的。 不同激光工作物质的饱和光强Is 的值不相同。有些介质，如二氧化碳，其饱和光强值很大。由二氧化碳构成的激光器，即使腔内光强的

阈G I I νG νG s

D =+=1)()(0

数值已经很大，与介质的饱和光强Is的比值仍远小于1，介质对光波的增益仍然很大。知道腔内光强的数值大到足以与饱和光强相比拟时，介质对光波的增益才开始下降而出现饱和现象。因此，由饱和光强大的二氧化碳介质制成的激光器，腔内光强将会很强。而另外一些介质，例如氦-氖激光器的工作物质，饱和光强很小。在氦-氖激光器中，腔内光强不是很强时，与饱和光强相比已经是一个不可忽略的值了，因此介质在不大的光强之下就使增益系数开始下降，出现了增益饱和现象。这时，光波在介质中的放大率开始下降，随着光强值I 继续增加，比值I/Is继续增大，I被放大的相对增长率G（v0）继续下降，直至光放大过程趋于停止。因此，饱和光强值小的介质，腔内光强一定不会很强。可见，饱和光强的确是介质的一个重要参量，它决定着腔内光强以致激光器输出功率的大小。

计算题

1、要制作一个腔长L＝60cm的对称稳定腔，

（1）反射镜的曲率半径取值范围如何？

（2）若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？

2、激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m的凸面镜和曲率半径为2m

的凹面镜组成，求腔长L在什么范围内是稳定腔？

3、腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率0ν＝5.85l014 Hz，

荧光线宽ν∆＝6l08Hz，

问它可能存在几个纵模? 相应的纵模阶数q值为多少？ (设

μ=1)

4、 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。设红宝石直径0.8cm ，长8cm ，铬离子浓度为2×1018 cm -3，巨脉冲宽度为10ns 。求：输出0.6943m 激光的最大能量和脉冲平均功率？

最大能量

5、 He-Ne 激光器的中心频率0ν＝4.74×1014Hz ，荧光线宽ν∆＝ 1.5l09 Hz 。若腔长L ＝l m ，问可能输出的纵模数为几个？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？

可能存在的纵模数有11个

腔长最长不得大于 0.2m 6、考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔，波长λ＝0.5145m ，两凹面反射镜M1和M2的曲率半径分别为R 1=1.5 m ，R 2=4 m ，腔长L

＝1 m ，试问

（1）该腔是否稳定；

（2）计算该腔的光腰尺寸和位置；

（3）画出等效共焦腔 ?

（学习的目的是增长知识，提高能力，相信一分耕耘一分收

W 1030.21010103.2896⨯=⨯⨯=--t E 脉冲平均功率：

J

3.22=⋅⋅⋅⋅=⋅=λρπνc

h d r h N E 10105.1105.189

=⨯⨯=∆∆=q n ννm 2010

51103298

..νΔμc L L μc νΔνΔq =⨯⨯=<∴=<