激光原理复习题答案(考研可参考)

激光原理复习题第一章电磁波1.麦克斯韦方程中0000./.0ttBEEBJEB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tE00B*；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是要有光学谐振腔。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mnpTEM。请问它的01sggII0ggsIsI角标中mnp，，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=mπ,kb=nπ,kl=pπ,(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。第二章电磁场与物质相互作用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1;;0x0202tiwteextxxwxr为弹性恢复系数。，为振子固有频率。kmkww200经典辐射阻尼系数，亦称经典辐射能量衰减率2.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；3.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。4.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。5.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。6.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~vvTvkmcbDbeTkmc（1）具有高斯函数形式当时，具有最大值021002,g~TkmcbD；式（1）也可改写为下述形式2202421D022,g~DInDeIn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；RllllNvNnffndtN0211122,d；lN光子数密度；021,发射截面；v工作物质中的光速;Rl光子寿命7.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8.饱和效应对均匀加宽和非均匀加宽的影响有何不同？烧孔效应的物理机理是什么？答：均匀加宽情况下的增益饱和效应的强弱与频率有关，在中心频率处饱和效应最强，偏离中心频率越远饱和效应越弱。对于非均匀加宽，饱和效应的强弱与频率无关。烧孔效应：在非均匀加宽情况下，当频率为V，强度为I的强光入射时，将引起V一定范围内反转粒子数的增益饱和，使各自与频率的关系曲线上烧出一个孔来，即是烧孔效应，表示入射光I对反转粒子数的选择性消耗。第三章激光器的振荡特性1.激光器的振荡阈值中有翻转粒子数阈值和增益阈值，它们和那些物理量相关？答：不同模式（频率）具有不同的受激辐射截面，反转粒子数密度不同，则反转粒子数阈值不同；阈值增益系数由单程损耗决定，不同纵模具有相同的阈值，不同横模具有不同的单程损耗，其阈值增益不同。2.请描述空间烧孔效应的物理过程。答：当频率一定的纵模在腔内形成稳定振荡事产生一个驻波场。波腹处光强最大，波节处光强最小，消耗反转粒子数后，波腹处光强最小而波节处光强最大，则形成了空间烧孔。可见空间烧孔的形成过程由驻波腔和粒子空间转移慢引起的。3.请描述短脉冲激发过程中的弛豫震荡过程的物理机理。答：四个阶段。（激光器的尖峰效应的四个阶段）4.激光器的频率牵引过程指的是与纵模间相关的物理过程，请简述物理机理？答：当激光器的纵模频率与增益介质的中心频率不重合时，纵模频率在振荡过程中会牵向中心频率靠拢。由于腔内增益介质的折射率吧对振荡频率存在色散，这种色散关系与激活介质的增益系数及增益曲线有关。在有源腔中，由于增益物质的色散，纵模频率比无源腔纵模频率更靠近谱线中心频率，则就是频率牵引。5.激光器的无源腔和有源腔的线宽与那些物理量有关？答：无源腔线宽由无源腔内的光子寿命决定，有源腔的线宽取决于净损耗δ。补充理解：无源腔（g=0,吸收与发射的光子数相等）线宽—谐振腔本征线宽，有源腔线宽---激光谐振腔线宽第四章光学谐振腔与高斯光束1.光学谐振腔是激光器的重要组成部分，它的作用是提供轴向的光波模的正反馈以及保证激光器的单模振荡。激光器的谐振腔主要是开放式谐振腔，为什么？衍射损耗仅发生在镜面的边缘，而开放式谐振腔中心振幅大，边缘振幅小的场会尽可能少的受到衍射损耗的影响，这样经过多次渡越后，除了振幅整体下降，其横向分布将不发生变化，即在腔内往返传输一次后可以“再现”出发时的振幅分布，即自再现模，这样就很好的保证了激光器的单模振荡。2.光学谐振腔分为哪三种情况？答：稳定腔：指腔内任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不溢出腔外，是低损耗腔；非稳定腔：指任一束傍轴光线都不可能永远存在于腔内，是高损耗腔；介稳腔：是指某些特定的傍轴光线在腔内往返传播而不溢出。3.光学谐振腔的稳定条件是什么？答：1、2、g1=0,g2=0.(1,2表示下标啊)4.谐振腔的损耗分为选择性损耗和非选择性损耗，分别对应哪几种损耗？答：选择性损耗则是与横模阶次密切相关的衍射损耗，阶次越高相应的衍射损耗越大；非选择性损耗与横模阶次无关，如投射，吸收，散射损耗。5.光子的平均寿命与损耗的关系如何？答：光子的平均寿命定义为腔内光强衰减为初始值的1/e时所需要的时间。t=L/δC,腔内损耗δ越大，则t越小，腔内光强衰减越快。6.研究光在谐振腔中的传输主要讨论的是与那种损耗相关？7.研究光学谐振腔中光的传输过程基于的物理思想是什么？8.光强在谐振腔中的镜面上呈高斯分布，这也是激光输出的空间强度分布形式。这一结果是什么物理原因所导致的。9.激光器分为连续和脉冲，另外还有气体，固体和液体，以及121212011,1ggLLggRR半导体激光器。其中气体和固体激光器的输出线宽有何不同？10.激光输出中的不同模式的产生原因是什么？激光器的谐振腔通常都比较长，在受激辐射的波长范围内，它可能同时是好几个波长的整数倍，因此会有好几种波长都得到谐振，这样的激光器就会输出好几种波长的光（由于受激辐射带宽本身很窄，所以这几个波长也非常接近），这就是多纵模。激光器的谐振腔反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固体激光器中，工作物质受热发生凸透镜效应，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相同的光束，这就是多横模。