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文档简介

第一章激光器的基本原理1、问:产生激光的条件是什么?1、问:产生激光的条件是什么?(戴大鹏)答:1.受激辐射是激光产生的必要条件;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.选择适当的物质,使其在亚稳态能级上的电子比低能级上的电子还多,即形成粒子束反转,这是形成激光的第三个条件;4.激光中开始产生的光子是自发辐射产生的,其频率和方向是杂乱无章的。要使得频率单纯,方向集中,就必须有一个谐振腔,这是形成激光的第四个条件;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要多得多,才能有放大作用,这是产生激光的第五个条件。2、问:什么是粒子数反转?(钟双金)粒子数反转(populationinversion)是激光产生的前提。两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。在热平衡状态下,粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律,这种情况得不到激光。为了得到激光,就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目,因为E2上的原子多,发生受激辐射,使光增强(也叫做光放大)。为了达到这个目的,必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2,处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。实现粒子数反转的条件:通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级:低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料,称为电激励;也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出,必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。3、什么叫纵模、横模?由谱线宽度和腔长来估算可能振荡的纵模数目答案:光场在腔内的纵向和横向分布分别叫做纵模和横模。横模数目门=谱线宽度/c纵模数目门=谱线宽度/(c/2*腔长L)

第二章激光器的速率方程理论题目:1.请写出考虑泵浦过程及激光作用的激光器速率方程。(作图)(第一题木有方法在简化了)写出谱线加宽机制及加宽线型简述一下调Q激光器的工作原理答案:1.考虑泵浦过程以及激光作用激光器的速率方程光子数〃方程;—=WDn-Kfndt。二m党激悟射截面二巧=E7损耗项亡=*>(万\)+%£jLi ]dNf一*-用1冲di竺-WDnatdnec,———WDn-Kvidi2.谱线加宽机制及加宽线型一、均匀加宽 均匀加宽的线型函数:1-自然加宽 洛伦兹线性函数碰撞加宽(1)弹性碰撞 二、非均匀加宽非弹性碰撞晶格振动加宽 非均匀加宽的线型函数:高斯函数3.简述一下调Q激光器的工作原理K=O)IQ岑=(G;-K,)n-Cn2Q,即光学谐振腔的0®,是指损耗。可见,Q与损耗成反比。调做是使腔的很低,再突然地迅速使0®升高,也就是使腔的0®突变,或损耗突变口先使激光器的腔的0®很低,损耗很大,激光器不能产生激光,这就可以在激光的上能级积累大量的激发态原子,反转粒子数很多。当损耗骤降,Q值突然升高时,迅速产生很窄的光脉冲“在适当的条件下可得到单个的约10ns的激光脉冲=

写出在初始光场为零时的光学布洛第三章密度矩阵写出在初始光场为零时的光学布洛1:考虑衰减过程、原子的泵浦或激发过程,赫方程并说明各项含义。'=ab答:p=_(i0+y)p+i力—1V(p-'=ab±ab abaabbp-(ih-1Vp+c.c.)aa abbaPL—P+G-Vp+c.c.)PL—bbbb abba(p-p)=-Y||「(p-p)-(p-p)]-2「i力-1Vp+c.c.aabb I-aabbaabb0」Labba--Yp,-Yp代表粒子数的衰减。aaa bbb(2) -Y±pab代表偶极矩的衰减。(3) p=-i®p的项,这是光场为零、衰减为零时的电偶极震荡,振荡频率等ab ab于原子跃迁频率。(4) (paa—pbb)中的最后一项2「i方-1Vp+c.c.]是受激辐射项。(5) 0沥中的最后一项i方-匕6.广?泌)表示光与原子(偶极子)的能量交换。2:什么是密度矩阵?二阶密度矩阵的物理意义是什么?什么情况下是纯系综密度矩阵,什么情况下是混合系综密度矩阵?答:密度矩阵是量子统计中描述系统状态的量,对于paapba答:密度矩阵是量子统计中描述系统状态的量,对于paapbaab来说,其中bba为上能级,b为下能级,paa为原子在上能级的概率,pbb为原子在下能级的概率,pab为原子电偶极矩的正频分量,pba为原子电偶极矩的负频分量。当一个量子力学系统的波函数是已知的,该系统的状态可由纯系综密度矩阵描述,对于不知道态矢量,只知道一定统计性质的量子力学系统,我们就用混合系综密度矩阵描述。3:激光半经典理论的近似条件主要有哪些?答:二能级近似,原子之间没有直接作用,电偶极近似,旋转波近似,慢变振幅近似,绝热近似

第四章麦克斯韦一布洛赫方程1、M—B方程为:请简述M—B方程的物理意义。答:△E(x,t)-1EE(x,t)-目bE(x,t)=i3日)+ab、-afba⑴i3日)+ab、-afba⑴p(x,t)中的极化强度是场的辐射源,而P1,')又和a四有关。反转忽略(2)D0是无光场时的反转粒子数,D0=N'0所以d0与D0反转忽略(3)电偶极矩方程中第一项代表3 的自由振荡,第二项代表耗散,Y±是— Y横向弛豫速率,电偶极子一边以角频率3振荡,一边按±衰减,其辐射必有一Y定宽度,而谱线的半极大点的半宽度即等于上。J)a(4)利用反转粒子数D与d,极化强度p侦,〃与旦(原子电偶极矩)的关系。2、行波与二能级原子作用的M—B方程在讨论反转粒子数方程(4.55);E1"b(-)-p(+)以一项该如何简E(x,tb(-)-P(+J=E(+)P(-)-E(+)P(+)+E(-)P(-)-E(-)P(+)

答:由E(+),P(+),E(-),P(-)的表达式显而易见,E(+)P(+),E(-)P(-)是分别按/- \expio-ot-^」和可以用旋转E(/- \expio-ot-^」和可以用旋转E(x,t:P(-)-P(+)expl-ilo-olt-' }」振荡项,相对于E(+)P(-)这种项我们波近似将它们略去,故。\o"CurrentDocument"aE(+)(x,t)p(-)(x,t)+E(-)(x,t)p*)G,t)0 0 0 0*3、(1)问:在量纲为1的哈肯的场方程中,"入"入的物理意义是什么?aa* °答:"入"入代表第入个模的光子数。(2) 为什么将"称为光场振幅?答:因为%与正频率光场Ex(+)只差一个常数因子。(3) 在全量子理论中,七和、%分别代表什么?答:%是第入个模的光子的消灭算符,"就是第入个模的光子数算符。第五章哈肯的半经典激光理论激光器的定态光强与那些因素有关?定态光强正比于增益与损耗之差。激光器的模式频率、原子跃迁频率、激光频率之间的关系?当Q鬲时,原子跃迁频率充与激光频率①不相等,也不等于被动腔的模频率Q。。只有当原子跃迁频率与腔的模频率相等,即2=Q时,激光频率才等于原

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