激光医学第二章习题答案汇总

第二章习题

1、什么是激光？它与自然光有何区别？（1号）

答：（1）激光是受激辐射光放大的简称，是指当一个光子hv射入一个粒子系统后，将产生两个或更多个特性完全相同的光子并离开该系统，从

而实现光放大。

（2）激光来自于受激辐射，并非自发产生，必须有外来光子刺激才会产生，而且受激辐射光子与外来光子的频率、位相、传播方向振动态

都完全相同，即激光是相干的。自然光来自于自发辐射，其发出的

光子的位相、振动态、频率（或波长）和传播方向都无确定方向，

即自发辐射的光波是非相干的。

2、自发辐射与受激辐射的主要区别&特点（2号）

自发辐射受激辐射

不受外界辐射场影响在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子

自发辐射的光波是非相干的受激辐射光是相干光，会使光的强度增大

不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。受激辐射光子与外来光子的频率、相位、偏振方向都完全相同

3.什么是粒子数反转？如何实现？（3号）

设法使处于高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，即使粒子数处于正常分布的反转状态，这种分布称为粒子数反转（population inversion）。

实现：

首先要具备必需要的能量输入系统，以便不断地从外界供给能量，使物质中有尽可能多的粒子吸收能量后从低能级不断激发到高能级上去，这一能量供应过程叫“激励”、“抽运”或“泵浦”。用光激励能源的叫“光泵”，用化学能作为激励的叫“化学泵”，此外还有核泵、电泵等。尽管激励方式不同，但目的都是要使物质尽可能多的粒子吸收能量后，从低能量不断发到高能级上去，有选择地使某个或某几个较高能级的粒子数

大大地增加，且超过低能级上的粒子数，实现粒子数反转。

4. 何谓激励过程? 有什么激励方式（4号）

首先要具备必要的能量输入系统，以便不断地从外界供给能量，使物质中有尽可能多的粒子吸收能量后从低能量级不断激发到高能级上去，这一能量供应过程叫“激励”、“抽运”或“泵浦”。

用光作为激励能源的叫“光泵”，用化学能作为激励能源的叫“化学泵”，此外还有核泵、电泵等。

5.激光器由哪几部分组成？各有何作用？（5）

激光器主要由三部分组成：具有亚稳定态的工作物质、激励能源、光学谐振腔。

（1）.激光工作物质这是激光器的核心，只有能够形成粒子反转的物质才能作为激光器的工作物质。

（2）.激励能源（光泵）它的作用是不断从外界供给能量，使物质中尽可能多的粒子吸收能量后从低能级不断激发到高能级上去。通常可以有光能源、化学能源、电能源、核能源等。

（3）.光学谐振腔这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；

二是限制激光输出的方向；三是不断给光子加速，以获得方向性、单色性好的相干光。

6、简述三、四能级激光工作物质的区别。（6号）

三能级工作物质是在亚稳态E2与基态E1间实现粒子数反转的，而基态上原来具有的粒子数有很多，故实现N2>N1比较困难，要求抽运泵相当强，且效率较低。

四能级工作物质是在激发态E3（亚稳态）与激发态E2间实现粒子数反转的，E3粒子数大量积累，E2常温下是空能级且E2上的粒子很快无辐射跃迁到基态E1，故实现N3>N2容易得多，而且效率高。

7. 试论述激光纵横模的概念。画出TEM31横模的图形。（7号）

纵模：沿腔轴方向传播的振动模式称为纵模。

横模：光腔内激光束在垂直光腔方向的横截面上的稳定广场分布称为激光束的横模模式。

TEM31横模图形：●●●●

8讨论激光振荡的阈值条件及意义。（8号）

要是光腔内发生激光振荡，光腔必须满足光增益超过或者等于光损耗时的条件，这个条件称为激光振荡的阈值条件。

激光振荡的阈值条件：G为增益系数ａ为工作物质的内损耗系数 L为两个平行反射镜的距离，其反射率分别为R1，R2

Gａ+

激光振荡的方法：（1）增强激光能源以增大增益系数G。（2）选择均匀的对光吸收小的工作物质以减少内损耗系数ａ。（3）适当增加腔长L，采用反射尽量大的反射镜，光腔通光口不应过小以减少衍射损耗。

9.试分析激光器增益和损耗的主要来源:（9号）

损耗:

1. 内部损耗

增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量的损耗。

2. 镜面损耗

当强度为I 的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，用a1I(或a2I)表示( r1 r2——M1 M2 的反射率,t1 t2——M1 M2 的透射率)

增益:

1.激光介质增益系数正比于反转粒子数密度

2.入射光强度

3.受激辐射强度

10、设He-Ne激光器（=632.8nm）的G=2%，放电管长1m，=0，=100%，为了产生激光振荡，求应是多少？（10号）

解：激光振荡的阈值条件为：

由题意得增益系数G=2%，长L=1m,其中一个镜的反射率=100%，损耗系数=0

将以上已知条件代入式子可得