1、激光原理復習題第一章 電磁波1. 麥克斯韋方程中麥克斯韋方程最重要的貢獻之一是揭示了電磁場的內在矛盾和運動；不僅電荷和電流可以激發電磁場，而且變化的電場和磁場也可以相互激發。在方程組中是如何表示這一結果？答：（1）麥克斯韋方程組中頭兩個分別表示電場和磁場的旋度，后兩個分別表示電場和磁場的散度； (2) 由方程組中的1式可知,這是由于具有旋度的隨時間變化的電場(渦旋電場),它不是由電荷激發的,而是由隨時間變化的磁場激發的;(3)由方程組中的2式可知，在真空中，, =0，則有 ；這表明了隨時間變化的電場會導致一個隨時間變化的磁場；相反一個空間變化的磁場會導致一個隨時間變化的電場。這種交替的不斷變換

2、會導致電磁波的產生。2, 產生電磁波的典型實驗是哪個？基于的基本原理是什么？答：產生電磁波的典型實驗是赫茲實驗。基于的基本原理：原子可視為一個偶極子，它由一個正電荷和一個負電荷中心組成，偶極矩在平衡位置以高頻做周期振蕩就會向周圍輻射電磁波。簡單地說就是利用了振蕩電偶極子產生電磁波。3 光波是高頻電磁波部分，高頻電磁波的產生方法和機理與低頻電磁波不同。對于可見光范圍的電磁波，它的產生是基于原子輻射方式。那么由此原理產生的光的特點是什么？答：大量原子輻射產生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位隨機的光，它們是非相干光。4激光的產生是基于愛因斯坦關于輻射的一般描述而提出的。請問愛因斯坦提出了幾種輻射

3、，其中那個輻射與激光的產生有關，為什么？答：有三種：自發輻射，受激輻射，受激吸收。其中受激輻射與激光的產生有關，因為受激輻射發出來的光子與外來光子具有相同的頻率，相同的發射方向，相同的偏振態和相同的相位，是相干光。5光與物質相互作用時，會被介質吸收或放大。被吸收時，光強會減弱，放大時說明介質對入射光有增益。請問增益系數是與原子相關的哪個物理量成正比？這個物理量在激光的產生過程中扮演什么角色？答：增益系數正比于反轉粒子數：激光產生的必要條件之一就是原子中有反轉粒子數的存在。6在激光的產生過程中，由于光強會被不斷的放大，但不會導致產生的激光也被無限放大，這是由于光強的的增加，而翻轉粒子數會減少的飽

4、和效應所致。那么在增益系數中這一過程是如何表示的，請說明各個物理量的意義？ 答： , 其中 為小信號增益系數。 為飽和光強。 大信號 增益系數，它是頻率的函數 。從式子中看到，光達到飽和時，增益系數就不再增加了。7激光產生的一個重要條件是要有光學諧振腔。光學諧振腔的作用主要有哪幾個？答：光學諧振腔具有以下作用：提供光學正反饋；就是說增強光放大作用，對產生的激光模式進行控制，使激光具有極好的方向性（沿軸線），使激光具有極好的單色性。8.光學諧振腔中會有橫模和縱模，通常表示為。請問它的角標中表示的意義分別是什么？答：在光學諧振腔中，滿足一定的相位關系的波方能夠穩定存在。即是ka=m, kb=n,

5、kl=p,(m,n,p)代表激光的一個模式，m,n分別代表橫街面積x,y方向出現的節線數，稱為橫模序數，p為沿軸出現的節點數，稱為縱模序數。9：激光的特點有哪些？ 答：相干性強，單色性佳，方向性好，高亮度。第二章 電磁場與物質相互作用1. 在原子的簡諧振子模型中是如何考慮原子自發輻射的，哪個物理量表示的是原子本身特點？答：原子的自發輻射會導致能量損失，因此核外電子的運動可看作阻尼運動。則有經典輻射阻尼系數，亦稱經典輻射能量衰減率2. 在外場作用下的原子被極化，其中極化系數的實部和虛部各表示的物理意義是什么？答：實部表示介質的折射率，改變電磁場在介質中的傳播速度；虛部表示介質對入射場的吸收或者放

6、大； 3. 激光介質的增益系數和極化系數的實部還是虛部有關？為什么？答：與虛部有關；虛部表示介質對入射場的吸收或者放大，虛部會導致場振幅的指數衰減，對光強造成影響，而增益系數與光強的吸收或放大有關。4. 譜線的線型因子中分為均勻加寬線型因子和非均勻加寬線型因子。請問為什么原子輻射會有線型，或輻射寬度？兩種不同線型因子的區別是啥？答：原子發射的光是在頻率附近某個頻率范圍內的，故產生了譜線加寬，即是輻射寬度。 均勻加寬中，每個原子有相同的中心頻率，對輻射場有相同的響應，每個單獨原子的譜線和整個體系的譜線作同樣的展寬；而在非均勻加寬中，每個原子具有不同的中心頻率，它們對其中心頻率附近小范圍內的輻射做

7、出貢獻，在沒有展寬單個原子譜線的情況下使整個體系的譜線予以展寬。5. 線型因子中又分為洛倫茨線型和高斯線型，它們分別對應著那種加寬機理？答：洛倫茲線型對應自然加寬和碰撞加寬；高斯線型對應多普勒加寬。6. 非均勻加寬介質對應的輻射線型因子的主要特點是什么？以氣體的多普勒加寬為例說明。答：是高斯分布函數，滿足歸一化條件，有最大值。多普勒線性函數就是原子數按表觀中心頻率的分布函數 （1）具有高斯函數形式 當 ；式（1）也可改寫為下述形式 滿足歸一化條件 7，建立四能級系統的速率方程的主要考慮是什么？一共有幾個方程？寫出其中的光子數變化方程的表示，并說明各個物理量的意義。答：5個方程；光子數密度 ；發

8、射截面 ；v工作物質中的光速; 光子壽命7. 速率方程主要描述了什么物理量的變化規律？求解速率方程的主要目的是為了解決那些物理問題？答：能量粒子數密度隨時間變化的微分方程；研究各能級粒子數隨光強的關系8. 飽和效應對均勻加寬和非均勻加寬的影響有何不同？燒孔效應的物理機理是什么？答：均勻加寬情況下的增益飽和效應的強弱與頻率有關，在中心頻率處飽和效應最強，偏離中心頻率越遠飽和效應越弱。對于非均勻加寬，飽和效應的強弱與頻率無關。 燒孔效應：在非均勻加寬情況下，當頻率為V，強度為I的強光入射時，將引起V一定范圍內反轉粒子數的增益飽和，使各自與頻率的關系曲線上燒出一個孔來，即是燒孔效應，表示入射光I對反

9、轉粒子數的選擇性消耗。 第三章 激光器的振蕩特性1. 激光器的振蕩閾值中有翻轉粒子數閾值和增益閾值，它們和那些物理量相關？答：不同模式（頻率）具有不同的受激輻射截面，反轉粒子數密度不同，則反轉粒子數閾值不同；閾值增益系數由單程損耗決定，不同縱模具有相同的閾值，不同橫模具有不同的單程損耗，其閾值增益不同。2. 請描述空間燒孔效應的物理過程。答：當頻率一定的縱模在腔內形成穩定振蕩事產生一個駐波場。波腹處光強最大，波節處光強最小，消耗反轉粒子數后，波腹處光強最小而波節處光強最大，則形成了空間燒孔。可見空間燒孔的形成過程由駐波腔和粒子空間轉移慢引起的。3. 請描述短脈沖激發過程中的弛豫震蕩過程的物理機

10、理。答：四個階段。（激光器的尖峰效應的四個階段）4. 激光器的頻率牽引過程指的是與縱模間相關的物理過程，請簡述物理機理？答：當激光器的縱模頻率與增益介質的中心頻率不重合時，縱模頻率在振蕩過程中會牽向中心頻率靠攏。由于腔內增益介質的折射率吧對振蕩頻率存在色散，這種色散關系與激活介質的增益系數及增益曲線有關。在有源腔中，由于增益物質的色散，縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近譜線中心頻率，則就是頻率牽引。5. 激光器的無源腔和有源腔的線寬與那些物理量有關？答：無源腔線寬由無源腔內的光子壽命決定，有源腔的線寬取決于凈損耗。補充理解：無源腔（g=0,吸收與發射的光子數相等）線寬諧振腔本征線寬，有源腔線寬-激

11、光諧振腔線寬第四章 光學諧振腔與高斯光束1. 光學諧振腔是激光器的重要組成部分，它的作用是提供軸向的光波模的正反饋以及保證激光器的單模振蕩。激光器的諧振腔主要是開放式諧振腔，為什么？衍射損耗僅發生在鏡面的邊緣，而開放式諧振腔中心振幅大，邊緣振幅小的場會盡可能少的受到衍射損耗的影響，這樣經過多次渡越后，除了振幅整體下降，其橫向分布將不發生變化，即在腔內往返傳輸一次后可以“再現”出發時的振幅分布，即自再現模，這樣就很好的保證了激光器的單模振蕩。2. 光學諧振腔分為哪三種情況？答：穩定腔：指腔內任一束傍軸光線經過任意多次往返傳播而不溢出腔外，是低損耗腔； 非穩定腔：指任一束傍軸光線都不可能永遠存在于

12、腔內，是高損耗腔； 介穩腔：是指某些特定的傍軸光線在腔內往返傳播而不溢出。3. 光學諧振腔的穩定條件是什么？答： 1、 2、g1=0,g2=0.(1,2表示下標啊)4. 諧振腔的損耗分為選擇性損耗和非選擇性損耗，分別對應哪幾種損耗？答：選擇性損耗則是與橫模階次密切相關的衍射損耗，階次越高相應的衍射損耗越大；非選擇性損耗與橫模階次無關，如投射，吸收，散射損耗。5. 光子的平均壽命與損耗的關系如何？答：光子的平均壽命定義為腔內光強衰減為初始值的1/e時所需要的時間。t=L/C,腔內損耗越大，則t越小，腔內光強衰減越快。6. 研究光在諧振腔中的傳輸主要討論的是與那種損耗相關？7. 研究光學諧振腔中光的傳輸過程基于的物理思想是什么？8. 光強在諧振腔中的鏡面上呈高斯分布，這也是激光輸出的空間強度分布形式。這一結果是什么物理原因所導致的。9. 激光器分為連續和脈沖，另外還有氣體，固體和液體，以及半導體激光器。其中氣體和固體激光器的輸出線寬有何不同？10. 激光輸出中的不同模式的產生原因是什么？激光器的諧振腔通常都比較長，在受激輻射的波長范圍內