激光原理复习题

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 ρ =0，则有 t

E ∂∂=∇ρρ00B *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？

1=+s g g I I 0g g s I s I

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？

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

()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=20202221002,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 8速率方程主要描述了什么物理量的变化规律？求解速率方程的主要目的是为了解决那些物理问题？

答：能量粒子数密度随时间变化的微分方程；

研究各能级粒子数随光强的关系

9饱和效应对均匀加宽和非均匀加宽的影响有何不同烧孔效应物理机理是什么？