激光原理习题解答第一章

《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cLc根据相干时间和谱线宽度的关系cLc1又因为00，00c，nm8.6320由以上各关系及数据可以得到如下形式：单色性=00=cL0=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ZMH3000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nhE，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：hdthdEn功率每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：13410626.61ssJhdtnNsJ功率每秒钟发射的光子数根据题中给出的数据可知：zHmmsc13618111031010103zHmmsc1591822105.110500103zH63103000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=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（统计权重21ff）其中1231038062.1jkkb为波尔兹曼常数，T为热力学温度。(a)99.01038062.110626.6expexp1233412TkJsJTkhnnb(b)2112334121038.11038062.110626.6expexpTkJcsJTkhnnb(c)KnnkcsJnnkhTbb31234121026.6ln10626.6ln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rC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rC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，则3rC离子总数为：42LdnVnN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：hnLdhNE822脉冲功率是单位时间内输出的能量，即82hnLdEP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211As。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：spdtdndtdn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：221211ndtdnA，把22121nAdtdnsp代入①式，得到：2212nAdtdn对时间进行积分，得到：tAnn21202exp（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enn时，定义能量减少到这个程度的时间为能级寿命，用字母s表示。因此，121sA，即：211As证明完毕。6某一分子的能级E4到三个较低能级E1E2和E3的自发跃迁几率分别为A43=5*107s-1,A42=1*107s-1,A41=3*107s-1，试求该分子E4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n1/n4,n2/n4和n3/n4，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E4上的粒子向低能级自发跃迁几率A4为:sAAAA77774342414109103101105-1则该分子E4能级的自发辐射寿命：sA8744101.110911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:iuiNA1(2)对E4连续激发并达到稳态,则有:04321nnnn414111Ann,424221Ann,434331Ann宏观上表现为各能级的粒子数没有变化由题意可得:414111Ann,则151051037714141Ann同理：06.01061019724242Ann，5.01011058734343Ann进一步可求得:25021nn，12.032nn由以上可知:在E2和E4;E3和E4;E2和E3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hnTkhhEb1exp（n为频率为γ的模式内的平均光子数）由上式可以得到：1exp1TkhhEnb又根据黑体辐射公式：nchTkhTkhchbb333381exp11exp18根据爱因斯坦辐射系数之间的关系式2121338BAch和受激辐射跃迁几率公式2121BW，则可以推导出以下公式：212121212121338AWABBAchn如果模内的平均光子数（n）大于1，即12121AWn，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zI，根据损耗系数zIdzzdI1的定义，可以得到：zIzIexp0则出射光强与入射光强的百分比为：%8.36%100%100exp%10010001.001mmmmzezIzIk根据小信号增益系数的概念：zIdzzdIg10，在小信号增益的情况下，上式可通过积分得到14000000001093.610002lnlnlnexpexpmmzIzIgIzIzgIzIzgzgIzI解答完毕。