激光原理习题详细

1、1、光与物质相互作用的三个基本过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。2、激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，这种损耗可以分为两类：内部损耗、镜面损耗。3、形成激光的条件：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。4、激光的四个基本特性：高亮度、方向性、单色性和相干性。5、激光调制方法：内调制是指在激光生成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输出特性而实现的调制。外调制则是在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它并不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。就调制方法来讲，也有振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式。6、三种谱线增宽形式：自然增宽、碰撞增宽、

2、多普勒增宽。7、单纵模激光器的选频方法：短腔法、法布里珀罗标准具法、三反射镜法。8、激光器的基本结构：激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大。激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少高能级上的粒子数。光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收。9、高斯光束的基膜腰斑半径（腰粗）公式：W简答题:1、用速率方程组证明二能级系统不可能实现粒子数反转分布一，双能级系统及其速率方程k能锻图的定：实线箭头代表辐射跃迁;心虚线箭头代盘非辐射跃迁.其中：wj2i受激吸收几率（激励几率）叫,=L为hldrW2J：受激发射几率也严-上公nzJdA天自发发射几率与=上也用工小（

3、U2ji非插射跃迁几率2、速率方程:双能级系统只有1个独立的速率方程方程中的每一项:某一过程的几率与该过程始态能级上的粒于数之和等于谡过程导致的粒子数变化率能级当上轮子数密度的变化率为:&|1网Wu%A"W"=尔I产I-%L%-421%-的1dt第一项：受激吸收引起的的的增加率，取正号（过程几率与过程始态上粒子数的乘积）；第二项：受激发射引起的的减少率，取负号；第三项1自发发射引起的小的减少率，取负号；第四项；非精射跃迁引起的%的减少率，取负号,若设命=£八则砰尸印2产印，速率方程更为血二*、=W（n,-n：）-A2|flj-euJijdt3,狷爱解（数学

4、解）：稳态下也Nt）,故dt可见：对二能级系统，1般总有/V/；仅当激励速率很大时（wl2»a2I-i-w2l）,n2>n14、结论（物理解）：在光频区，双能级系统不可能实现粒子数反转2、简述光频电磁场与物质的三种相互作用过程，并指出其影响因素。（画图说明）答：光与物质相互作用的本质是光与物质中的电子发生相互作用，使得电子在不同的能级之间跃迁。包括三种基本过程：自发发射、受激辐射以及受激吸收。.自发发射一一在无外电磁场作用时，粒子自发地从E2跃迁到E1,发射光子hvo（a）特点：各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的，独立的，粒子体系为非相干光源。

5、受激辐射：自一原处于高能级E2的粒子，受到能量恰为hv=E2-E1的光子的激励，发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1。特点：受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生；不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同；这样，光场中相同光子数目增加，光强增大，即入射光被放大一一先放大过程。受激吸收：一一原处于低能级E1的粒子，受到能量恰为hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量，跃迁到高能级E2。3、/加八，麻ni图L6自发辐射同昆明«一图I亮光的受激松射过程ni-E上吗»Av%叫图光的受激吸收过程3、简述激光器的基本结构以及产生激光的基

6、本条件：有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，具激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。4,、什么是激光的调Q技术？详细说明调Q原理答：用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术。调Q原理指的是，采用某种办法使谐振腔在泵浦源开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的

7、增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。5、激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：工作物质：这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至红外光。例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转；.激励能源（光泵）它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。光学共振腔这是激

8、光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；6、造成激光器线宽的原因有哪些？答：能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度；发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度（或压力宽度）；发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。（详）首先是内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射，而一个实际的激光器尽管它的自发辐射相对于受激辐射来说是极其微弱的，但它毕竟还是不可避免地存在着，而且在激光器的输出功率中也贡献它极其微小的一个份额。这样，激光器的增益就应该包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，激光器内的能量平衡，应该是介质的受激辐射增益与自发辐射增益之和等于腔的总损耗，因而

9、受激辐射的增益应略小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都存在一定的衰减率，正是这种衰减造成了一定的线宽，这是问题的一面。另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后位相无关的波列，这些波列和相干的波列的光强相叠加，使腔内的光强保持稳定。而这样一些一段一段的互相独立的自发辐射的波列也要造成一定的线宽。以上两方面的因素就造成了由于存在自发辐射而引起的激光线宽。造成线宽的原因(1)能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度(2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度(或压力宽度)。(3)发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物质

10、的荧光谱线，具线宽叫做荧光线宽。8、写出激光输出频率的表达式并指出影响频率的因素。(写出共焦腔TEM模谐振频率)答：对共焦腔的TEM00真的频率为：v=qC痴L,q=1，2,3,从表达式上可以看出：腔长变化、折射变化都是影响频率稳定的因素。环境温度的起伏，激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔几何长度的改变。温度的变化、介质中反转集居数的起伏以及大气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气部分的折射率。9、简述激光在某个方面的应用，说明原理并注明应用了激光的哪个特性。答：激光在医疗美容方面的运用。激光美容的原理是通过组织吸收高能量的激光后说产生的光热反应，是局部温度在数秒内骤然升高

11、到数百度或更高，组织发生凝固性坏死，甚至炭化或汽化，与此同时，由于急剧发热，组织的水分突然剧烈丧失，聚焦后，可以切割或烧灼病变组织。激光有着和普通光源显著不同的特点，它的单色性、相干性、方向性极好、亮度极高等。因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病、美容的原因之一。7、描述能级的光学跃迁的三个过程，并写出它们的特征和跃迁几率。答：光学跃迁中同时存在着光的自发辐射、受激吸收和受激辐射三个过程。(1)自发辐射过程：处于高能级E3的一个原子自发的向Ei跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光被称为自发辐射。特点：自发产生；辐射是独

12、立的。自发跃迁几率：A!11叼如dt(2)受激吸收过程：处于低能态E的一个原子，在频率为v的辐射场作用(激励)下，吸收一个能量为hv的光子并向E能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。特点：非自发的，有外来光照射；增强光的强度；与原光子性质、状态完全相同。受激吸收跃迁几率：W加dt(3)受激辐射过程：处于上能级E2的原子在频率为v的辐射场作用下，跃迁至低能态E，并辐射一个能量为hv的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。特点：只有外来光子的能量hv=EZ-EI时，才能引起受激辐射；受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，即频率相同、相位相同、偏振方向相同、传播方向相同。受激辐射跃迁几率W

13、如dt1、B2、C3、B高斯光束的基模月甄半径葭粗）为:A.5/艮10,?必B.激光出射的基模光束的能量集中在光斑有效截面圆内，其同称为基模光斑半径大小为FA. 5,2 >10- rad B. o =D, 2&=2 £?= 某具董腔二氧化碳激光器，L=lm,尺=10向加，激光器的远场发触角大A.«,2xIO-B.5.2x10-raC.4.2xlO-radD.102xl0-rad1、A2、B3、B医用徼光设备中医用激光光源有止血效果好，切割骨骼速度更快，切维更如，I撇体担织有较强的凝固作用的是A.掩钺铝鹘石榴石激光器B.二氧化碳激光器C.红宝石激光器D.染料檄光器激淘箭近视眼目前以副作用小的FRK方法为主流口一般采用能得到高质量烧t虫表面的光源是A.红宝石激光然B.193nmArF濯分子激光器二.掺钛铉铝石榴石激光黯D.1四皿淮分子激光黯,激光光束品质M-决定激光的，也是激光束可聚焦程度的度量a.高亮度B光束质量C.方向性好D.自发辐射1、A2、C3、B4、B.一般激光器的远场发散角内含的光束总功率.A.酩5%B.10