激光原理习题解答第一章
激光原理第一章答案
第一章 激光的基本原理1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλΔ应是多少? 提示: He-Ne 激光器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2cd d d d ννλνλλ=−⇒=−λ 则 ooνλνλΔΔ=再有 c c c L c τν==Δ得106.32810o o o c o c cL L λλνλνν−ΔΔ====× 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000MHz ν输出1W 连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？解：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则：cP nh nh νλ==由此可得： PP n h hcλν==其中为普朗克常数，为真空中光速。
346.62610J s h −=×⋅8310m/s c =×所以，将已知数据代入可得：=10μm λ时： 19-1=510s n ×=500nm λ时：18-1=2.510s n ×=3000MHz ν时：23-1=510s n ×3．设一对激光能级为2E 和1E (21f f =)，相应的频率为ν(波长为)，能级上的粒子数密度分别为n 和，求λ21n (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当，T=300K 时，λ=1μm 21/?n n = (c) 当，n n 时，温度T=？λ=1μm 21/0.1=解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则2211()exp exp exp b b n E E h h n k T k T k νb c T λ⎡⎤⎛⎞⎛−=−=−=−⎜⎟⎜⎢⎥⎣⎦⎝⎠⎝⎞⎟⎠(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时：3492231 6.62610310exp 11.3810300n n −−⎛⎞×××=−≈⎜⎟××⎝⎠(b) 当，T=300K 时： λ=1μm 34822361 6.62610310exp 01.381010300n n −−−⎛⎞×××=−≈⎜⎟×××⎝⎠(c) 当，n n 时：λ=1μm 21/0.1=C 3+r −×cm348323612 6.62610310 6.2610K ln(/) 1.381010ln10b hc T k n n λ−−−×××===××××4. 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
EE125_HW1激光原理第一章作业答案
EE125Principles of LasersProf.Cheng WangShanghaiTech UniversityHomework1Note:•Please try tofinish the homework on your own.Discussion is permissible,but identical submissions are unacceptable!•Please prepare your submission in English only.No Chinese submission will be accepted.•Please submit your homework in PDFfile to yanht@ with subjectEE125HW1ID NAME.•Please submit on time.NO late submission will be accepted.1.1If the laser have a continuous output power of1W when(a)λ=10µm,(b)λ=500nm and(c)ν=3000MHz,what is the population each second N that are transition from E2to E1?1.2If levels1and2of Fig.1.2are separated by an energy E2−E1such that the corresponding frequency isν(the wavelength isλ),the carrier density of each level is N2and N1.Assume that the two level have the same degeneracy.(a)Whenν=3000MHz,T=300K,calculate the ratio N2/N1.(b)Whenλ=1µm,T=300K,calculate the ratio N2/N1.(c)Whenλ=1µm,N2/N1=0.1,calculate T.Figure1.21/21.3A laser cavity consists of two mirrors with reflectivities R1=1and R2=0.5 while the internal loss per pass is L i=1%.Calculate the total logarithmic losses per pass.If the length of the active material is l=7.5cm and the transition cross section isσ=2.8×10−19cm2,calculate then the threshold inversion.1.4Consider a He-Ne laser,in order to make the coherence length equal to1km, what is the monochromaticity∆λ/λ0?(Hint:the output center wavelength of He-Ne laser isλ0=632.8nm)1.5The beam from a ruby laser(λ∼=694nm)is sent to the moon after passing through a telescope of1m diameter.Calculate the approximate value of beam diameter on the moon assuming that the beam has perfect spatial coherence(the distance between earth and moon is approximately384,000km).1.6The brightness of probably the brightest lamp so far available(PEK Labs type 107/109,excited by100W of electrical power)is about95W/(cm2·sr)in its most intense green line(λ=546nm).Compare this brightness with that of a1W Argon laser(λ=514.5nm),which can be assumed to be diffraction limited(Hint:β=1.22for plane wave).2/2。
激光原理课后习题
激光原理课后习题第1章习题1. 简述激光器的基本结构及各部分的作用。
2. 从能级跃迁角度分析，激光是受激辐射的光经放大后输出的光。
但是在工作物质中，自发辐射、受激辐射和受激吸收三个过程是同时存在的，使受激辐射占优势的条件是什么？采取什么措施能满足该条件？3. 叙述激光与普通光的区别，并从物理本质上阐明造成这一区别的原因。
4. 什么是粒子数反转分布？如何实现粒子数反转分布？5. 由两个反射镜组成的稳定光学谐振腔腔长为m，腔内振荡光的中心波长为 nm，求该光的单色性/的近似值。
6. 为使He-Ne激光器的相干长度达到1 km，它的单色性/应是多少？7. 在2cm3的空腔内存在着带宽为 nm，波长为m的自发辐射光。
试问：（1）此光的频带范围是多少？（2）在此频带范围内，腔内存在的模式数是多少？（3）一个自发辐射光子出现在某一模式的几率是多少？8. 设一光子的波长为510-1 m，单色性/=10-7，试求光子位置的不确定量x。
若光子波长变为510-4 m（X射线）和510-8 m（射线），则相应的x又是多少？9. 设一对激光（或微波辐射）能级为E2和E1，两能级的简并度相同，即g1=g2，两能级间跃迁频率为（相应的波长为），能级上的粒子数密度分别为n2和n1。
试求在热平衡时：（1）当=3000 MHz，T=300 K时，n2/n1=?（2）当=1 m，T=300 K时，n2/n1=?（3）当=1 m，n2/n1=时，T=?为1kHz，输出功率P为1 mW的单模He-Ne 10. 有一台输出波长为 nm，线宽s为1 mrad，试问：激光器，如果输出光束直径为1 mm，发散角（1）每秒发出的光子数目N 0是多少？（2）该激光束的单色亮度是多少？（提示，单模激光束的单色亮度为20)(πθννs A PB ?=） 11. 在2cm 3的空腔内存在着带宽为110-4 m ，波长为510-1 m 的自发辐射光。
试问：（1）此光的频带范围是多少？（2）在此频带宽度范围内，腔内存在的模式数是多少？（3）一个自发辐射光子出现在某一模式的几率是多少？第2章习题1. 均匀加宽和非均匀加宽的本质区别是什么？2. 为什么原子（分子，离子）在能级上的有限寿命会造成谱线加宽？从量子理论出发，阐明当下能级不是基态时，自然线宽不仅和上能级的自发辐射寿命有关，而且和下能级的自发辐射寿命有关，并给出谱线宽度与激光上、下能级寿命的关系式。
激光原理习题解答
《激光原理》习题解答第一章习题解答1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM ，它的单色性0λλ∆应为多少？解答：设相干时间为τ，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即c L c ⋅=τ根据相干时间和谱线宽度的关系cL c ==∆τν1又因为γνλλ∆=∆，0λνc=，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=ννλλ∆=∆=c L 0λ=101210328.61018.632-⨯=⨯nmnm解答完毕。
2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm 和Z MH 3000=γ输出1瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。
解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt 时间内输出的能量为dE ，则 功率=dE/dt激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即d νnh E =，其中n 为dt 时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt 时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。
由以上分析可以得到如下的形式：ννh dth dE n ⨯==功率 每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：()()()13410626.61--⨯⋅⨯====s s J h dt n N s J νν功率每秒钟发射的光子数根据题中给出的数据可知：z H mms c13618111031010103⨯=⨯⨯==--λν z H mms c1591822105.110500103⨯=⨯⨯==--λν z H 63103000⨯=ν把三个数据带入，得到如下结果：19110031.5⨯=N ，182105.2⨯=N ，23310031.5⨯=N3 设一对激光能级为E1和E2（f1=f2），相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求(a)当ν=3000兆赫兹，T=300K 的时候，n2/n1=? (b)当λ=1μm ，T=300K 的时候，n2/n1=? (c)当λ=1μm ，n2/n1=0.1时，温度T=？解答:在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：TK E E T k h f f n n b b )(expexp 121212--=-=ν（统计权重21f f =） 其中1231038062.1--⨯=JK k b为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。
激光原理部分课后习题答案
µ
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练习： 思考练习题2第 题 练习： （思考练习题 第9题）.
第 二 章
§ 2 4 非 均 匀 增 宽 型 介 质 的 增 益 系 数 和 增 益 饱 和 .
连 续 激 光 器 的 原 理
µ hν 0 f (ν 0 ) πc∆ν c I s (ν 0 ) = hν 0 σ e (ν 0 ) ⇒ I s (ν 0 ) = 2 µτ σ e (ν ) = ⇒ ∆n σ e (ν 0 )τ 2 µ f (ν 0 ) = G (ν ) = ∆nB21 hνf (ν ) π∆ν c hν 0 （2） I s (ν 0 ) = σ e (ν 0 )τ ⇒ 2 c f (ν 0 ) σ e (ν 0 ) = 2 8πν 0 µ 2τ hν 0 4π 2 hcµ 2 ∆ν I s (ν 0 ) = = = 3.213 × 10 5 W / cm 2 σ e (ν 0 )τ λ3 上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 二 章
§ 2 4 非 均 匀 增 宽 型 介 质 的 增 益 系 数 和 增 益 饱 和 .
练习： 思考练习题2第 题 练习： （思考练习题 第6题）. 推导均匀增宽型介质，在光强I，频率为ν的光波作 用下，增益系数的表达式(2-19)。
∆ν 2 0 ) ]G (ν ) G (ν ) 2 = G (ν ) = I f (ν ) I ∆ν 2 1+ (ν − ν 0 ) 2 + (1 + )( ) I s f (ν 0 ) Is 2
.
I ( z ) = I ( 0) e
− Az
I ( z) 1 − 0.01⋅100 ⇒ =e = = 0.368 I ( 0) e
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。
激光原理作业答案
J / K *300K
47.99
21
n1
h c
(3)n2
e
kT
T
h c
6252.9K
n1
k ln
n2 n1
解
2：
n2
E2 E1
e kbT
其中
h*c
h*c
n1
E E2 E1
E h *c h
（1） n e e e 1 2
h*c kb *T
6.63*1034 *3*109 1.38*10 23 *300
*
8
*
3.14 * 6.63 *1034 (6*107 )3
7.71*105 s1
s
1 A21
1.297 *106 s
（3） 60nm时 A21 7.71*108 s1
（4） 0.6nm时 A21 7.71*1014 s1
（5） v
I S
10 106
105 w / m2
W 21 B21 * 1019 *105 1014 m * s3
目录
第一章 ..............................................................................................................................................2 第二章 ..............................................................................................................................................2 第三章 ..............................................................................................................................................7 第四章 ............................................................................................................................................17 第五章 ............................................................................................................................................28 第六章 ............................................................................................................................................30 第七章 ............................................................................................................................................31 第八章 ............................................................................................................................................32 第九章 ............................................................................................................................................33
激光原理答案
激光原理答案测验1.11、梅曼（TheodoreH.Maiman）于I960年发明了世界上第一台激光器一—红宝石激光器，其波长为694.3nm。
其频率为:A：4.74某10^14（14是上标）HzB：4.32某10人14（14是上标）HzC：3.0某10人14（14是上标）Hz您的回答：B参考答案：Bnull满分：10分得分：10分2、下列说法错误的是：A：光子的某一运动状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在相格内部的对应位置B：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定C：微观粒子在相空间对应着一个点您的回答：C参考答案：Cnull满分：10分得分：10分3、为了增大光源的空间相干性，下列说法错误的是：A：采用光学滤波来减小频带宽度B：靠近光源C：缩小光源线度您的回答：B参考答案：Bnull满分：10分得分：10分4、相干光强取决于：A：所有光子的数目B：同一模式内光子的数目C：以上说法都不对您的回答：B参考答案：Bnull满分：10分得分：10分5、中国第一台激光器——红宝石激光器于1961年被发明制造出来。
其波长为A：632.8nmB：694.3nmC：650nm您的回答：B参考答案：Bnull满分：10分得分：10分6、光子的某一运动状态只能定域在一个相格中，这说明了A：光子运动的连续性B：光子运动的不连续性C：以上说法都不对您的回答：参考答案：Bnull满分：10分得分：10分7、3-4在2cm的空腔内存在着带宽（A入）为1某10m、波长为0.5m的自发辐射光。
求此光的频带范围A V°A：120GHzB：3某10八18（18为上标）Hz您的回答：B参考答案：Anull满分：10分得分：0分8、接第7题，在此频带宽度范围内，腔内存在的模式数？A：2某10八18（18为上标）B：8某10八10（10为上标）您的回答：A参考答案：Bnull满分：10分得分：0分9、由两个全反射镜组成的稳定光学谐振腔腔长为L腔内振荡光的中心波长为求该光的波长带宽的近似值。
激光原理答案 周炳琨
2ω 0s = 2
Lλ
π
=2
30*632.8
π
≈5.0*10 m
−4
6．试求出方形镜共焦腔面上 解：
3
TEM 30 模的节线位置，这些节线是等距分布的吗？
H 3 ( X ) =8 X −12 X =0
X 1 =0
x1 =0
，
X 2,3 = ±
6 2
，由
2π 6 x =0,± Lλ 2
得节线位置：
，
x 2,3 = ±
λ
代入得：
2 ． 如 果 激 光 器 和 微 波 激 射 器 分 别 在
λ =10mm
，
λ = 500nm
和
υ = 3000MHz 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：
p pλ n = hυ = ch
6.626*10 Js*3*10 ms 1W *500nm （2） n = −34 −1 ≈ 2.52* 8 1018个 6.626*10 Js*3*10 ms 1W （3） n = ≈5.03*1023个 −34 6.626*10 Js*3000MHz
第一章： 1．为使氦氖激光器的相干长度达到 1km，它的单色性
∆λ
λ0
应是多少？
解：相干长度
Lc =
c
c c = υ −υ 2 1 ∆υ
c
将
υ1 = λ ，υ 2 = λ 代入上式，得： 2 1
λ1 λ 2 λ 0 Lc = λ − ≈ ∆λ 1 λ2
∆λ
2
，因此
0 ，将 ， = λ 0 Lc λ 0 =632.8nm Lc =1km ∆λ 632.8nm −10 λ 0 = 1km =6.328*10
《激光原理及技术》1-4习题答案
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。
(完整版)激光原理第一章答案
第一章 激光的基本原理1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλ∆应是多少? 提示: He-Ne 激光器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2cd d d d ννλνλλλ=-⇒=-则 ooνλνλ∆∆=再有 c c cL c τν==∆得106.32810o o o c o c c L L λλνλνν-∆∆====⨯ 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000MHz ν输出1W 连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？解：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则：由此可得：其中346.62610J s h -=⨯⋅为普朗克常数，8310m/s c =⨯为真空中光速。
所以，将已知数据代入可得：=10μm λ时： 19-1=510s n ⨯=500nm λ时：18-1=2.510s n ⨯ =3000MHz ν时：23-1=510s n ⨯3．设一对激光能级为2E 和1E (21f f =)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ，求(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则(a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时：(b) 当λ=1μm ，T=300K 时：cP nh nh νλ==PP n h hcλν==2211()exp exp exp b b b n E E h hc n k T k T k T νλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-=-=-=- ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎝⎭3492231 6.62610310exp 11.3810300n n --⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⎝⎭34822361 6.62610310exp 01.381010300n n ---⎛⎫⨯⨯⨯=-≈ ⎪⨯⨯⨯⎝⎭(c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时：4. 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部3+r C 离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
激光原理作业答案
h
h*c 6.63 *10 34 * 3 *108 6.26 *103 K 所以 T 23 6 n 1.38 *10 *10 * ln(0.1) kb ln 2 n1
5 解： （1） E E2 E1 h * v 6.63 *10 34 *
n （2） 2 e n1
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 应当是多 少？ 解：相干长度 LC
c ， 是光源频带宽度
c 3*108 m / s 3*105 Hz LC 1km
c (c / ) 2 632.8nm *3*105 Hz 6.328*1010 8 c 3*10 m / s
解 1：
当 10 m 时 当 500nm 时
n
1*1*10 *106 P *t * 5.03 *1019 6.63 *1034 * 3 *108 h*c
1*1* 500 *10 9 P *t * n 2.51*1018 8 34 6.63 *10 * 3 *10 h*c
h
c
n k ln 2 n1
6252.9 K
n 解 2： 2 e n1
E2 E1 k bT
其中
h*c h*c E E2 E1
E
h*c
h
4 n （1） 2 e kb *T e 1.38*1023 *300 e 4.8*10 1 n1
） *0.1
lny (G 0 ) * 0.1
所以： 36.6%
lny 100 y (0.99)100 0.366 即经过厚度为 0.1m 时光能通过 ln 0.99
激光原理——课后习题解答
因为 与 相比很大，这表示粒子在 能级上停留的时间很短，因此可以认为 能级上的粒子数 ，因此有 。这样做实际上是将三能级问题简化为二能级问题来求解。
由(I)式可得：
代入式(V)得：
由于
所以
红宝石对波长为694.3nm的光透明，意思是在能量密度为 的入射光的作用下，红宝石介质内虽然有受激吸收和受激辐射，但是出射光的能量密度仍然是 。而要使入射光的能量密度等于出射光的能量密度，必须有 为常数，即 ，这样式(VI)变为：
第四章电磁场和物质的共振相互作用
习题
2．设有一台迈克尔逊干涉仪，其光源波长为 。试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L时，接收屏上的干涉光强周期地变化 次。
证明：如右图所示，光源S发出频率为 的光，从M上反射的光为 ，它被 反射并且透过M，由图中的I所标记；透过M的光记为 ，它被 反射后又被M反射，此光记为II。由于M和 均为固定镜，所以I光的频率不变，仍为 。将 看作光接收器，由于它以速度v运动，故它感受到的光的频率为：
解：入射高斯光束的共焦参数
根据 ，可得
束腰处的q参数为：
与束腰相距30cm处的q参数为：
与束腰相距无穷远处的q参数为：
16．某高斯光束 =1.2mm， 。今用F=2cm的锗透镜来聚焦，当束腰与透镜的距离为10m、1m、10cm、0时，求焦斑的大小和位置，并分析所得的结果。
解：入射高斯光束的共焦参数
又已知 ，根据
解： 气体在室温(300K)下的多普勒线宽 为
气体的碰撞线宽系数 为实验测得，其值为
气体的碰撞线宽与气压p的关系近似为
当 时，其气压为
所以，当气压小于 的时候以多普勒加宽为主，当气压高于 的时候，变为以均匀加宽为主。
精简版---激光原理知识点+复习90题
T
A C
1 2L
B D
2 R1
R2
2 R2
1
2L R1
2 L1
L R2
2L R1
1
2L R1
1
2L R2
把条件 R1 R2 R L 带入到转换矩阵 T，得到：
T
A C
B D
1 0
0 1
共轴球面腔的稳定判别式子 1 1 A D 1
2
如果 1 A D 1 或者 1 A D 1 ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，
(1)判断腔的稳定性; (2)求输出端光斑大小； (3)若输出端刚好位于焦距 f=0.1m 的薄透镜焦平面上，求经透镜聚焦后的光腰大小和位置。
解: (1)如图所示，等效腔长
L
'
a
b
0.44
m
0.1 m 1.7
0.5m
由等效腔长可得
：
g1 g 2
1
L' R1
1
L' R2
1
0.5 1
1
0.5
2
1
1.52 1
1.52
要达到稳定腔的条件，必须是 1 1 A D 1，按照这个条件，得到腔的几何长度为：
2
1.17 L1 2.17 ，单位是米。（作图）
11
4.4（夏珉习题 2.19 数据有改变）如图 2.8 所示，波长 1.06m的钕玻璃激光器,全反射镜的曲率半径
R=1m，距离全反射镜 0.44m 处放置长为 b=0.1m 的钕玻璃棒，其折射率为 n=1.7。棒的右端直接 镀上半反射膜作为腔的输出端。
第三章
光学谐振腔
激光 原理课后习题答案
激光原理复习题第一章电磁波1、麦克斯韦方程中麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。
在方程组中是如何表示这一结果？答：每个方程的意义：1）第一个方程为法拉第电磁感应定律，揭示了变化的磁场能产生电场。
2）第二个方程则为Maxwell的位移电流假设。
这组方程描述了电荷和电流激发电磁场、以及变化的电场与变化的磁场互相激发转化的普遍规律。
第二个方程是全电流安培环路定理，描述了变化的电场激发磁场的规律，表示传导电流和位移电流（即变化的电场）都可以产生磁场。
第二个方程意味着磁场只能是由一对磁偶极子激发，不能存在单独的磁荷（至少目前没有发现单极磁荷）3）第三个方程静电场的高斯定理：描述了电荷可以产生电场的性质。
在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。
4）第四个方程是稳恒磁场的高斯定理，也称为磁通连续原理。
2、产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？答：赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理设计的电磁波发生器实验。
（赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。
当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。
瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。
有麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。
他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。
因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。
所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。
赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。
赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。
激光原理第七版重要习题共40页文档精选全文
)+火 5激光器的诸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,工作物质长0.5m,其折射率为152,求 腔长L在什么范围内是稳定腔? 提示:折射率为n1的均匀介质中插入一段长度为d折射率 为2的透明介质时,其光线变换矩阵为 0 2 7八01川07 刃|n 70
习题 解题提示:(1)假设光很弱,可不考虑增益或吸收的饱和效应 d(x)1 dz I(z) (2)/(x)
习题九 ⅠP.tP·t. (1)N e 2公式(15.5)B P AAvs(reo 8丌 3)P 对于一个黑体,,从相等的面积上和相同的频率间隔内,每 秒发射出的光子数达到与上述激光器相同水平时,应有 N AV A=N 由此可求出所需温度
第一章习题
1为使氦氖激光器的相干长度达到km,它的单色性△/应 是多少? 解:相干长度L 又有 求微分△ △2 则 △v△ 故 △ =6.328×10
12如果激光器和微波激射器分别在A=10um,2=500mm和v 3000Hz输出1w连续功率,试问每秒钟从激光上能级向下能级跃 迁的粒子数是多少? 解题提示:n=P=P hv h 14设一光子的波长=5×10-1pm,单色性M/=10-7,试求光子 位置的不确定量Ax。若光子的波长变为5×10-ψm(x射线)和 5×10-18pm(射线),则相应的Ax又是多少? 解题提示:△x·△P≈h所以h △P 又有P=hk h.△ 求微分AP 所以有x≈ △P△4/元
费》)+孔大 第二章习题
)+火 1.试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔,即任意旁轴光线在 其中可以往返无限多次,而且两次往返即自行闭合。 提示:对称共焦腔:R1=R2=L=R 10 1八0L 1(0L 0 R 10 70 01八a 即两次往返可自行闭合
激光原理1-7章例题精选全文
E1=-13.6ev为基态能级.
解
E2 E1
n e 2
kT
E1 13.6ev
E2
13.6 22
3.4ev
n1
T 300K
n e e e 1
E1 E2 kT
(
13.63.4)1.6101 1.3 81 02 33 0 0
9
10.21.6100 1.383
n2
e394.2 1.59 10172
例2 红宝石激光器发光粒子的密度为=
1015m-3红宝石棒的横截面积为S=4mm2，输 出镜透过率为T=0.05，求输出功率P(红宝石
晶体的折射率为n=1.6,光波长为=6943Å)
解
光频
3108 6943 1010
4.32 1014 Hz
光速 v 3108 1.875108 m / s
1.6
解 =0.049 MHz/Pa
L p 0.049 3000 147MHz
νD
215
0
T M
215 10.6 10
6
320 54.7 106 Hz 54.7MHz 44
例2计算He-Ne激光器的碰撞线宽和多普勒线宽( 压强为p=150Pa,温度为320K,Ne原子量为20)
解 =0.75 MHz/Pa
解
0
c
vz c
0
c
0.4c c
0
1.4
0.6
0.84m
例2 某发光粒子静止频率为5108MHz,它以 0.2c的速度向接收器方向运动,求接收器测得
该粒子所发光的频率
解
ν0
c
c vz
ν0
c
c 0.2c
5108
激光原理答案
《激光原理》习题解答第一章习题解答1为了使氦氖激光器的相干长度达到 1KM ，它的单色性丸0应为多少?解答：设相干时间为.，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即L c = c由以上各关系及数据可以得到如下形式: 解答完毕。
2如果激光器和微波激射器分别在10 gm> 500nm 和f =3000MH Z输出1瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。
解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在 dt 时间内输出的能量为dE ,则功率=dE/dt激光或微波激射器输岀的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即d E nh 、..，其中n 为dt 时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在 dt 时间辐射跃迁到低能级的数目(能级间的频率为 v )。
由以上分析可以得到如下的形式：n 妙-功―hv每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：每秒钟发射的光子数二N 」二功率 J sdt h 、. 6.626 10 J s •根据题中给岀的数据可知：c 3汉 108ms*“13「163 10 H z、10 10》m c3IO 8ms' (15)291.5 10 H z■2500 10 m把三个数据带入，得到如下结果：N 1=5.031 1019，N 2=2.5 1018，N^ 5.031 10233设一对激光能级为 E1和E2 (f1=f2 )，相应的频率为 v (波长为入)，能级上的粒子数密度分别为 n2和n1，求 (a) 当v =3000兆赫兹，T=300K 的时候，n2/n 仁？ (b) 当 入=1卩m T=300K 的时候，n2/n 仁？ (c) 当入=1 卩 m n2/n1=0.1 时，温度 T=?解答：在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：,. —6.626汉10亠(」_h 21exp 23 1 1.38 101.38062 10 J k T根据相干时间和谱线宽度的关系L c又因为Av■ 0 = 632.8nm单色性= Av632^m=6.328 10-10L c 1 1012 nmn2 _ exp n 1f 1其中k b =1.38062 10 - h exp • 0.99 2—小=exp _(E ^E 1) k b T(统计权重f 1 =n 2(a) exp K b T^3 JK 4为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。
激光原理第七版重要习题
-1.3
f 0.5
等价共焦腔
R2
-0.5
z1
z2
L=0.8
f=0.5
0
0.5
12.在所有a2/Lλ 相同而R不同的对称稳定球面腔中，共焦腔的衍射损耗最低。这里L表示 腔长，R＝R1＝R2为对称球面腔反射镜的曲率半径，a为镜的横向线度。 证明：对于共焦腔有： R＝R1＝R2，所以g1=g2=g=0 此时： 相同，不变
1 d 0 1
0 r 0 1 2 0
1
2
d
1 1d 2 相当于长度L=η1d/ η2的均匀空间变换矩阵 T 0 1
此题中，设等效腔长L’=L-d+η1d/ η2,解不等式：
L' L' 0 (1 )(1 ) 1 R1 R2
01 10
L1 1 0
01 1 0
L 1
1 1 ( A D ) 1 稳定腔要求： 2
B D
带入F即可求得R的范围，其中θ =30°
7.有一方形孔径共焦腔氦氖激光器，腔长L=30cm，方形孔边长d=2a=0.12cm， λ =632.8nm，镜的反射率为r1=1,r2=0.96,其他损耗以每程0.003估计。此激光器能 否单模运转？如果想在共焦镜面附近加一个小孔光阑来选择TEM00模，小孔的边长应 为多大？氦氖增益由公式 eg l 1 3 104 l 估算。
1 T 0
2
0 1
r r 1 1 2 0 T 1 0 0
即两次往返可自行闭合
0 r0 r0 1 0 0
d 2.证明光线通过如图所示厚度为d的平行平面介质的光线变换矩阵为 1 1 2 0 1
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《激光原理》习题解答 第一章1 为了使氦氖激光器的相干长度达到１ＫＭ,它的单色性0λλ∆应为多少？ 解答:设相干时间为τ,则相干长度为光速与相干时间的乘积，即c L c ⋅=τ根据相干时间和谱线宽度的关系 cL c ==∆τν1又因为γνλλ∆=∆,00λνc=，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=ννλλ∆=∆=c L 0λ＝101210328.61018.632-⨯=⨯nmnm 解答完毕。
2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm 和Z MH 3000=γ输出1瓦连续功率,问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。
解答:功率是单位时间内输出的能量，因此,我们设在dt 时间内输出的能量为dE,则 功率=d Ｅ/dt激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即d νnh E =，其中ｎ为ｄt 时间内输出的光子数目,这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在ｄｔ时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。
由以上分析可以得到如下的形式:ννh dth dE n ⨯==功率 每秒钟发射的光子数目为：N=n/d ｔ,带入上式,得到:()()()13410626.61--⨯⋅⨯====s s J h dt n N s J νν功率每秒钟发射的光子数根据题中给出的数据可知：z H mms c13618111031010103⨯=⨯⨯==--λν z H mms c1591822105.110500103⨯=⨯⨯==--λν z H 63103000⨯=ν把三个数据带入，得到如下结果:19110031.5⨯=N ，18210006.1⨯=N ，23310031.5⨯=N解答完毕。
3 设一对激光能级为E1和E2(ｆ1=f ２),相应的频率为ν（波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为n2和ｎ１,求（a)当ν=30０0兆赫兹，T ＝300K 的时候，n ２/n1=? (b)当λ＝１μm ，T=３00K 的时候,n2/n1=？ (c)当λ=１μm,n2/ｎ１＝0．1时，温度T=?解答：在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即 （统计权重21f f =）其中1231038062.1--⨯=jk k b 为波尔兹曼常数,Ｔ为热力学温度。
(a)()()99.01038062.110626.6exp exp 1233412=⨯⋅⨯⨯⋅⨯-=-=---Tk J s J T k h n n b νν（b)()()2112334121038.11038062.110626.6ex p ex p ----⨯=⨯⋅⨯⨯⋅⨯-=-=Tk J cs J T k h n n b λν （c) ()K n n k cs J n n k h T b b 31234121026.6ln10626.6ln⨯=⨯⨯⋅⨯-=⨯-=-λν解答完毕。
4 在红宝石调Q 激光器中,有可能将几乎全部3+rC 离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。
设红宝石棒直径为1cm,长度为7．５cm ，3+r C 离子浓度为319102-⨯cm ,巨脉冲宽度为1０ｎs ，求激光的最大能量输出和脉冲功率。
解答:红宝石调Q 激光器在反转能级间可产生两个频率的受激跃迁，这两个跃迁几率分别是4７%和５3％,其中几率占53％的跃迁在竞争中可以形成６9４.３nm 的激光,因此,我们可以把激发到高能级上的粒子数看成是整个激发到高能级的3+r C 粒子数的一半（事实上红宝石激光器只有一半的激发粒子对激光有贡献）。
设红宝石棒长为Ｌ，直径为d,体积为V ，3+rC 总数为N ，3+rC 粒子的浓度为n ，巨脉冲的时间宽度为τ,则3+rC 离子总数为：42Ld n V n N π⨯=⨯=根据前面分析部分,只有N/２个粒子能发射激光,因此,整个发出的脉冲能量为:=⨯=⨯=νπνh nLd h N E 822脉冲功率是单位时间内输出的能量,即===τνπτ82h nLd EP解答完毕。
5 试证明，由于自发辐射,原子在2E 能级的平均寿命为211A s =τ。
证明如下：根据自发辐射的定义可以知道，高能级上单位时间粒子数减少的量，等于低能级在单位时间内粒子数的增加。
即:spdt dn dt dn ⎪⎭⎫⎝⎛-=212 -－-----－-－－----① (其中等式左边表示单位时间内高能级上粒子数的变化，高能级粒子数随时间减少。
右边的表示低能级上单位时间内接纳的从高能级上自发辐射下来的粒子数。
)再根据自发辐射跃迁几率公式:221211n dt dn A ⨯=，把22121n A dt dn sp=⎪⎭⎫⎝⎛代入①式,得到:2212n A dtdn -= 对时间进行积分，得到:()t A n n 21202ex p -= (其中2n 随时间变化，20n 为开始时候的高能级具有的粒子数。
)按照能级寿命的定义，当1202-=e n n 时,定义能量减少到这个程度的时间为能级寿命，用字母s τ表示。
因此，121=s A τ，即: 211A s =τ 证明完毕。
6 某一分子的能级Ｅ４到三个较低能级E １ Ｅ2 和E 3的自发跃迁几率分别为A 43=5＊107s－1， Ａ42=１*107s -1, A 41=３*１０７s -１,试求该分子E 4能级的自发辐射寿命τ4。
若τ１=5*10-7s ，τ2＝6*1０-9s ，τ３＝1*１0-8s ，在对Ｅ4连续激发且达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值n 1/n ４， n ２/n 4和ｎ3/n 4，并说明这时候在哪两个能级间实现了集居数解: (1)由题意可知E 4上的粒子向低能级自发跃迁几率A ４为：s A A A A 77774342414109103101105⨯=⨯+⨯+⨯=++=-1则该分子E ４能级的自发辐射寿命:s A 8744101.110911-⨯=⨯==τ 结论：如果能级u 发生跃迁的下能级不止1条,能级ｕ向其中第i 条自发跃迁的几率为Ａui 则能级ｕ的自发辐射寿命为:∑=iuiN A 1τ(2)对Ｅ４连续激发并达到稳态,则有:04321=∆=∆=∆=∆n n n n414111A n n =τ,424221A n n =τ,434331A n n =τ宏观上表现为各能级的粒子数没有变化 由题意可得：414111A n n =τ,则151051037714141=⨯⨯⨯==--τA n n 同理：06.01061019724242=⨯⨯⨯==--τA n n ,5.01011058734343=⨯⨯⨯==--τA n n 进一步可求得：25021=n n ,12.032=n n由以上可知:在 Ｅ2和E 4；Ｅ3和E 4；E ２和E ３能级间发生了粒子数反转.7 证明,当每个模式内的平均光子数(光子简并度)大于1时,辐射光中受激辐射占优势。
证明如下:按照普朗克黑体辐射公式，在热平衡条件下，能量平均分配到每一个可以存在的模上，即γλγh n Tk h h E b ⋅=-=1ex p （n 为频率为γ的模式内的平均光子数）由上式可以得到:1ex p 1-⋅==Tk h h E n b γγ又根据黑体辐射公式:n c h T k h T k h c h b b ==-⇒-⨯=333381exp 11exp 18γπργγγπργγ根据爱因斯坦辐射系数之间的关系式2121338B A ch =γπ和受激辐射跃迁几率公式γρ2121B W =,则可以推导出以下公式：212121212121338A W A B B A c h n ====γγγρργπρ如果模内的平均光子数（n ）大于1，即 12121>=A W n ,则受激辐射跃迁几率大于自发辐射跃迁几率，即辐射光中受激辐射占优势。
证明完毕。
8 一质地均匀的材料对光的吸收系数为101.0-mm ,光通过1０ｃm 长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几?如果一束光通过长度为1M 地均匀激励的工作物质,如果出射光强是入射光强的两倍,试求该物质的增益系数。
解答:设进入材料前的光强为0I ,经过z 距离后的光强为()z I ，根据损耗系数()()z I dz z dI 1⨯-=α的定义,可以得到： ()()z I z I α-=ex p 0则出射光强与入射光强的百分比为:()()()%8.36%100%100ex p %10010001.001=⨯=⨯-=⨯=⨯--mm mm z e z I z I k α 根据小信号增益系数的概念:()()z I dz z dI g 1⨯=，在小信号增益的情况下, 上式可通过积分得到()()()()14000000001093.610002ln lnln exp exp --⨯====⇒=⇒=⇒=mm z I z I g I z I z g I z I z g z g I z I 解答完毕。