激光原理复习题答案

激光原理复习题

1. 麦克斯韦方程中

0000./.0t t μμερε∂⎧∇⨯=-⎪∂⎪∂⎪∇⨯=+⎨∂⎪∇=⎪⎪∇=⎩B E E

B J E B

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：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两个分别表

示电场和磁场的散度；

(2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋

电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的;

(3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 t

E ∂∂=∇ 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这种交替的不断变换会导致电磁波的产生。

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：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。

3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？

答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。

4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？

答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有

关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。

5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中扮演什么角色？

答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。

6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也被无限放大，这是由于光强的的增加，而翻转粒子数会减少的饱和效应所致。那么在增益系数中这一过程是如何表示的，请说明各个物理量的意义？ 答： , 其中 为小信号增益系数。 为饱和光强。 大信号 增益系数，它是频率的函数 。从式子中看到，光达到饱和时，增益系数就不再增加了。 7激光产生的一个重要条件要有光学谐振腔。光学谐振腔的作用主要有哪几个？答：光学谐振腔具有以下作用：提供光学正反馈；就是说增强光放大作用，对产生的激光模式进行控制，使激光具有极好的方向性（沿轴线），使激光具有极好的单色性。

8.光学谐振腔中会有横模和纵模，通常表示为mnp TEM 。请问它的角标中

m n p ，，表示的意义分别是什么？

答：在光学谐振腔中，满足一定的相位关系的波方能够稳定存在。即是ka=m π,

kb=n π,

kl=p π,(m,n,p)代表激光的一个模式，m,n 分别代表横街面积x,y 方向出现的节线数，称为横模序数，p 为沿轴出现的节点数，称为纵模序数。 9：激光的特点有哪些？

答：相干性强，单色性佳，方向性好，高亮度。

1在原子的简谐振子模型中是如何考虑原子自发辐射的，哪个物理量表示的是原子本身特点？

答：原子的自发辐射会导致能量损失，因此核外电子的运动可看作阻尼运动。则有()。间，表示原子本身特点为谐振子的辐射衰减时γτγγ1;;0x 0202

===++-t iw t e e x t x x w x r 为弹性恢复系数。，为振子固有频率。k m

k w w =200 γ经典辐射阻尼系数，亦称经典辐射能量衰减率

1. 在外场作用下的原子被极化，其中极化系数的实部和虚部各表示的物理意义是什么？

01=+s g g I I 0g g s I s I

答：实部表示介质的折射率，改变电磁场在介质中的传播速度；虚部表示介质对入射场的吸收或者放大；

2激光介质的增益系数和极化系数的实部还是虚部有关？为什么？

答：与虚部有关；虚部表示介质对入射场的吸收或者放大，虚部会导致场振幅的指数衰减，对光强造成影响，而增益系数与光强的吸收或放大有关。

3谱线的线型因子中分为均匀加宽线型因子和非均匀加宽线型因子。请问为什么原子辐射会有线型，或辐射宽度？两种不同线型因子的区别是啥？

答：原子发射的光是在频率υ附近某个频率范围内的，故产生了谱线加宽，即是辐射宽度。均匀加宽中，每个原子有相同的中心频率，对辐射场有相同的响应，每个单独原子的谱线和整个体系的谱线作同样的展宽；而在非均匀加宽中，每个原子具有不同的中心频率，它们对其中心频率附近小范围内的辐射做出贡献，在没有展宽单个原子谱线的情况下使整个体系的谱线予以展宽。

4线型因子中又分为洛伦茨线型和高斯线型，它们分别对应着那种加宽机理？ 答：洛伦兹线型对应自然加宽和碰撞加宽；高斯线型对应多普勒加宽。

5非均匀加宽介质对应的辐射线型因子的主要特点是什么？以气体的多普勒加宽为例说明。

答：是高斯分布函数，满足归一化条件，有最大值。

多普勒线性函数就是原子数按表观中心频率的分布函数

()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=20202221

002,g ~v v Tv k mc b D b e T k m c πυυυ （1）具有高斯函数形式

当时，具有最大值0υυ= ()21

002,g ~⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=T k m c b D πυυυ ； 式（1）也可改写为下述形式()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∆--⎪⎭

⎫ ⎝⎛∆=2202421

D 022,g ~D In D e In υυυπυυυ 满足归

一化条件 7，建立四能级系统的速率方程的主要考虑是什么？一共有几个方程？写出其中的光子数变化方程的表示，并说明各个物理量的意义。

答：

5个方程；()Rl l l l N vN n f f n dt N τυυσ-⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛-=0211122,d ； l N 光子数密度 ；()021,υυσ发射截面 ；v 工作物质中的光速;Rl τ 光子寿命