激光物理 (1)

1、第一章1、激光产生需要哪些条件？答：1.受激辐射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。2.要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件。3.在常温下，吸收多于发射。选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。4.激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这是产生激光的第四个条件。5.只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。2、推导原子偶极辐射几率与吸收几率与

2、偶极矩的关系证明：设一系统与一电磁场建立平衡状态，电磁场与频率与+d间的能态密度为（）d兹取系统的量能态Em，En，Em-En=hmn平衡态条件为可变为H1可视为一级微扰又有在电偶极近似下3、简述Einsten受激辐射理论,并推导该理论在什么假设下与Plank的黑体辐射理论吻合？爱因斯坦受激辐射理论：处于高能级的原子，受外来光子的作用，当外来光子的频率正好与它的跃迁频率一致时，它就会从高能级跳到低能级，并发出与外来光子完全相同的另一光子。新发出的光子不仅频率与外来光子一样，而且发射方向、偏振态、位相和速率也都一样。于是，一个光子变成了两个光子。如果条件合适，光就可以象雪崩一样得到放大和加强。特

3、别值得注意的是，这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”。推导过程：维恩根据热力学原理得到了黑体辐射能量按波长分布为：瑞利-金斯公式：根据经典的电磁理论和能量均分定，认为腔内为驻波振荡维恩公式短波段与实验曲线相符合，长波时偏离实验曲线；瑞利-金斯公式，当波长很长很长时与实验曲线符合，短波长会发生紫外光灾难。Plank假设黑体由带电谐振子组成，并假设谐振子能量不能连续变化，只能去一系列分立值，且，E=hn,与实验曲线完全符合。第二章1、为什么有线性和非线性光学，他们有什么区别？线性光学：普通光场与物质相互作用，物质与光场呈线性关系。非线性光学：强光场与物质相互作用，物质与光场呈非线性关系。

4、线性光学：激光问世以前基本上研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率与光强无关，介质的极化强度正比于光波的电场强度E，光波叠加时遵守线性叠加原理。区别：1）光场与物质相互作用的基本理论： 普通光入射到介质中，电极化强度矢量P与光场E之间呈线性关系：p=e0c1E 强光入射到介质中，电极化强度矢量P与光场E之间不再呈简单的线性关系，而是呈幂级关系：P=c(1)E+c(2)E2+c(3)E3.2)光与物质相互作用的基本规律单一频率的光入射到非线性介质中，其频率不发生任何变化，不同频率的光同时入射时，彼此不发生耦合作用，也不会发生任何新的频率，麦氏方程是线性微分方程，包含E的高次方

5、项。 单一频率的光入射到特定介质中，可产生倍频辐射，不同频率的光同时入射时，可通过介质彼此发生耦合作用，并在新频率处产生混频辐射，麦氏方程是非线性微分方程，只含E的一次方项。3）光与物质相互作用的现象 折射，衍射，吸收等与光场呈线性关系。 二次、三次谐振，光参量放大与振荡，自聚焦，受激辐射，饱和吸收。2、从量子力学的观点看，平面波是怎样产生的?推导之，写出它对应的傅里叶变换。自由粒子：指的是不受外力的作用静止或匀速运动的质点，因此其能量E和动量P都是常量，根据de Brogli关系E=h=w, P=h/e=, w=2, =h/2，可以看出自由粒子的频率和波失均为常量E=hW,都是常量的波应该是

6、平面波，可以用以下函数描述，=A(0)(r-wt)或=Aexpi (r-wt) 即自有粒子的波函数。它将粒子的波动同其能量和动量联系起来。F=FAexpi/(pr-Et)= Aexpi/(pr)Fexp(-iEt/)= Aexpi/(pr)(w0+w)其中w0=E/ 3、一个光脉冲一般用一个高斯波包表示，请写出其具体的数学形式以及相应的傅里叶变换。4、请写出非线性参数互相作用的“和频”“差频”“参数放大”等几种情况的详细物理过程。和频：频率为V1和V2的两束光（其中至少有一束光为激光），同时入射到某些介质中时，产生频率为 V3=V1-V2的光束差频：频率为V1和V2的两束光（V1>V2,其中至少有一束光为激光），同时入射到某些介质中时，产生频率为 V3=V1+V2的光束参数放大：当一种频率较低的弱信号与另一频率较高的强激励光束同时入射到非