激光原理复习题解答-改进.doc

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1、1.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。答：(1)自发辐射特征：a)与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。b)每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。自发跃迁爱因斯坦系数：(2)受激吸收特征：a)只有外来光子能量时，才能引起受激辐射。跃迁概率不仅与原子性

2、质有关，还与辐射场的有关。受激吸收跃迁概率：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为辐射场）(3)受激辐射特征：a)只有外来光子能量时，才能引起受激辐射；b)受激辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全相同。受激辐射跃迁概率：（为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场）2.系数有哪些？它们之间的关系是什么?答：自发跃迁爱因斯坦系数，受激吸收跃迁爱因斯坦系数，受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系：，，为能级的统计权重(简并度)3.激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系

3、。接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。3.什么是热平衡时能级粒子数的分布？什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？答：热平衡时能级粒子数的分布：在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔兹曼分布。4.什么是粒子数反转？如何实现？粒子数反转：使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度。如何实现粒子数反转：外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于

4、非平衡状态。5.如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信号增益？增益饱和？答：激光增益定义：设在光传播方向上处的光强为，则增益系数定义为，表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。小信号增益：当光强很弱时，集居数差值不随z变化，增益系数为一常数，称为线性增益或小信号增益。大信号增益：在放大器中入射光强与(为饱和光强)相比拟时，，为大信号增益。增益饱和：当光强足够强时，增益系数g也随着光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。6.什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？答：自激振荡：不管初始光强多么微弱，只要放大器足够长，就总是形成确定大小的

5、光强这就是自激振荡的概念。产生条件：，为小信号增益系数，为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。7.激光的基本特性是什么？答：激光四性：单色性、相干性、方向性和高亮度。这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。8.什么是谐振腔的谐振条件？答：(1)谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干涉条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相（即相差为的整数倍）。如果以表示均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为。为光在真空中的波长，为腔的光学长度，为正整数。9.如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目

6、？纵模的频率:；纵模间隔:纵模的数目:对于满足谐振条件频率为的波，其纵数目,为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽)。10.在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与哪些因素有关？答：损耗因素几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。衍射损耗：与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。腔镜反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起的损耗：与介质材料的加工工艺有关。11.哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？答：(1)描述参数a)平均单程损耗因子：（为

7、初始光强，为往返一周后光强）b)腔内光子的平均寿命：c品质因数：(2)关系：腔的损耗越小，平均单程损耗因子越小，腔内光子的平均寿命越长，品质因数越大。12.什么是腔的菲涅尔数？它与腔的损耗有什么关系？答：菲涅尔数：称为腔的菲涅尔数（为孔半径，腔长）。即从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅尔半周期带的数目（对平面波阵面而言）。与腔的损耗关系:衍射损耗随腔的菲涅尔数的减小而增大。13.如何计算基模高斯光束的主要参量，腰斑的位置、镜面上光斑的大小、任意位置处激光光斑的大小、等相位面曲率半径、光束的远场发射角、模体积。答：设稳定腔腔长为L，两腔镜和

8、的曲率半径分别为和则：(1)腰斑位置距M1的距离为，距M2的距离为(2)M1镜面上光斑的大小：M1镜面上光斑的大小：(3)