激光原理第六版思考题资料

3受激辐射过程：特点：非自发的, 全相同。受激辐射跃迁几率

W 21

dn 12、 1

対2-（ 「）st

dt R|

dn 21

dt

st

1

n 2

《激光原理》复习思考题 第一章：

1、 LASER 英文名称的含义是什么？激光是何时发明的？

受激发射实现光放大（激光）。I960年梅曼世界上第一台红宝石激光器 2、 激光的基本特性是什么？

单色性： 指光强按频率的分布状况，激光的频谱宽度非常窄。相干性：时间相干性和空间

相干性都很好。方向性：普通光向四面八方辐射， 而激光基本沿某一直线传播，激光束的发 散角很小。高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大 3、 激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

激光器基本组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统三大部分。工作物质是激光器的核心。 谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈。泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能 量 4、什么是黑体辐射？写出

Planek 公式，并说明它的物理意义。

黑体辐射是黑体温度 T 和辐射场频率的函数，用单色能量密度 二v 来描述：在单位体积内, 频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量

J m-3 s ）。黑体辐射的普朗克公式

8h 3

1

吨

k b T

5、 什么是光波模式和光子态？

在自由空间，具有任意波矢的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的空间

V

内，只能存在一系列独立的具有特定波矢 k 的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波 （以 某一波矢k 为标志）称为电磁波的模式或光波模。一个光波模在相空间也占有一个相格。 因 此，一个光波模等效于一个光子态

6、 如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？ 光的相干性（在不同的空间点上、在不同时刻的光波场的某些特性的相关性。 光场的相干函

数来度量）。如果在空间体积Vc 内各点的光波场都具有明显的相干性， 则Vc 称为相干体积。

Vc=AcLc , Ac--相干面积，Lc--相干长度，相干时间 c 是光沿传播方向通过相干长度

Lc 所

需的时间。Lc=c c 7、 什么是光子简并度？

处于同一光子态的光子数称为光子简并度

。具有以下几种相同的含义：同态光子数、同一

模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。 8、激光的基本物理基础是什么？

光与物质的共振相互作用，特别是其中的受激辐射是激光器的物理基础 9、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。 光跃迁中将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： 特

点：1）自发产生；2）辐射是独立的。自发跃迁几率 八

，dn 21、 1 人21 =（-；；-）sp —

dt

n 2

2受激吸收过程：特点：非自发的，有外来光照射；减弱光的强度。受激吸收跃迁几 率

卩宀厂c 3

e kbT

-1

13、

什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？

要使激光物质能对光进行放大， 必须使物质中的受激辐射大于受激吸收，

或者说必须使高能

级的粒子数大于低能级的粒子数一一即要实现粒子数反转分布”。只有当外界向物质供应 能量(称为激励或泵浦过程)从而使物质处于非热平衡态时，粒子数反转分布才有可能实现。 一般采用光激励、放电激励、化学激励等方法 14、

如何定义激光增益？什么是小信号增益？什么是增益饱和？(可结合第四章内容)

放大作用的大小通常用增益系数 g 来描述。设在光传播方向上z 处的光强为l(z),则增益系 数定义为

表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数

g

dl(z) 1

g —

dz l(z)

I0为z=0处的初始光强属于小信号增益情况。

光强的增加是由于高能级原子向低能级受激跃

迁的结果，或，光放大是以单位体积内集居数差值 n2(z)-n1(z)的减小为代价的。并且，光强

I 越大，n2(z)-n1(z)减少得越多，所以实际上 n2(z)-n 1(z)随z 的增加而减少，增益系数也随 z

的增加而减少，这一现象称为增益饱和效应。 15、

什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？

由于在腔内总是存在频率在 附近的微弱的自发辐射光(相当于初始光强 10)，它经过多

次受激辐放大就有可能在轴向光波模上产生光的自激振荡。激光器是一个光的自激振动器。

振荡条件：任意小的初始光强

I0都能形成确定大小的腔内光强

Im 的条件

I m =(g 0

_： )1 0 --------- \ g 0

:

16、

如何理解激光的空间相干性与方向性？如何理解激光的时间相干性？如何理解激 光的相干光强？

激光的方向性越好，它的空间相干性程度就越高。激光的相干时间 C 和单色性黒存在简

单的关系 c =1M ＞即单色性越高，相干时间越长。相干光强决定于具有相干性的光子的数 目或同态光

子的数目 第二章：开放式光腔与高斯光束 1、什么是谐振腔的谐振条件？

发生相长干涉的条件是： 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(即相差是 2二的整数備)。 C

这就是F-P 腔沿轴向传播

的平面波谐振条件

L q

2

q M

2L

10、 Einstein 系数有哪些？他们之间的关系是什么？

A21 :自发跃迁爱因斯坦系数。

B12只与原子性质有关，称为受激吸收爱因斯坦系数。

只与原子性质有关，称为受激辐射爱因斯坦系数。爱因斯坦系数的基本关系式

3

A !=型 nh

B i2f^B 2i f 2

B21

B 21 C

11、

什么是热平衡时能级粒子数的分布？ 热平衡条件下，物

质原子数分布服从玻尔兹曼分布， 迁到能级E1的粒子数应等于从能级 E1跃迁到能级 12、

产生激光的必要条件是什么？

只有当外界向物质供应能量 (称为激励或泵浦过程)

反转分布才有可能实现。激励(或泵浦)过程是光放大的必要条件 n2 (或n 1)保持不变，即从能级 E2上的粒子数

从而使物质处于非热平衡态时,

E2跃

粒子数