第1章绪论
一、学习要求与重点难点
学习要求
1．掌握电偶极振子模型，理解模型的近似；
2．掌握电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释，以及对介质谱线加宽机制和线型函数的解释；
3．了解电偶极振子模型对介质色散的解释；
4．了解介质谱线加宽机制，理解两种线型函数产生机制的差异；
5．了解典型激光器中工作物质的加宽类型；
6．掌握爱因斯坦唯象理论，理解谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响；
7．了解光和物质相互作用的近代理论。
重点
1．电偶极振子模型，及其近似；
2．介质自发辐射、吸收、谱线加宽机制和线型函数的经典理论；
3．典型加宽机制和线型函数；
4．爱因斯坦唯象理论，以及谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响；
难点
1．电偶极振子模型的近似假设；
2．电偶极振子模型对介质自发辐射、吸收的解释，以及线型函数的引入；
3．综合加宽；
4．谱线加宽对爱因斯坦跃迁系数的影响；
二、知识点总结
1. 经典理论?
??
??偶极振子相互作用相互作用：光电场与电
物质：电偶极振子光：电磁波
理论的内在逻辑：介质极化 → 电偶极振子模型 → 电偶极振子运动方程 →
?????
?????????????????????????????←→=???→????→??????均匀加宽线型函数：洛伦兹函数比谱线宽度：与寿命成反虚数部：选择性吸收实数部：反常色散复数物质散射吸收损耗光电场有外光电场解：射无外光电场解：自发辐
非铁磁质极化强度εεn 2. 线宽
??
?
?????????←←高宽同宽时非均匀加宽高斯函数均匀加宽洛伦兹函数线型函数：归一相对宽度一样
波数宽度波长宽度频率宽度线宽：描述：3dB or FWHM
????????
???????????
???????→?=????????→???
????
????→??∞+∞-线宽由大的定积分变为佛克脱不同类型：线型函数改，线宽相加同类型：线型函数不变
综合加宽：晶格缺陷加宽多普勒效应相近谱线的叠加非均匀加宽：中心频率晶格振动压力加宽碰撞加宽自然、寿命加宽叠加均匀加宽：相同谱线的类型：线宽相差大者产生机制产生机制'''),(),(),()Voigt (00000dv v v g v v g v v g H D ()()()??
??
?????
???????=??? ??=??? ?????→?=??? ??=←?∞+∞-00000ννρννρνννρνν,,,:),()(g B n dt dn g B n dt dn d g B n dt dn A v v g v A ji j st i ji j st i ji j st i 宽带光场：激光场：受激跃迁：配跃迁几率按线型函数分影响自发辐射跃迁系数：无对跃迁的影响：极端情形 激光器中实际情况：
3. 唯象理论????
??????
????级跃迁光子湮灭，原子向上能光与低能级原子作用：，原子向下能级跃迁光子被克隆、数量倍增光与高能级原子作用：
能级跃迁：光子产生，原子向下无光与高能级原子作用相互作用：物质：二能级原子光：能量子
?????→?????????→??????????→?=须采用特殊技术
非自然现象
非热平衡态光放大引起受激辐射小被吸收大
热平衡态：光子几率引起受激辐射被吸收光子等几率爱因斯坦系数关系波耳兹曼分布率21
2121B g B g
三、典型问题的分析思路
1、 线型函数归一及线宽计算问题。
线型函数),(0ννg 的功能是描述光谱线的轮廓或形状，按照其定义：
0)
(),(I I g ννν=
以及自发辐射总功率0I 与光谱线的功率频率分布有关系：
ννd I I )(0?+∞
∞
-=
线型函数应满足如下归一化条件：
???
∞
∞-∞
∞-∞
∞
-≡=
=1)()
(),(0
00I d I d I I d g ννννννν
所以，针对给出光谱线功率频率分布情形，线型函数的归一常常是解决下一步问题的
基础。另外，并不是所有光谱线都是高斯或洛仑兹函数轮廓，尤其是一些非均匀加宽的介质，其光谱线可能有各种形状。不管它们的具体形状如何奇怪，在得出线型函数后，线宽的计算只须严格按照定义：
-+-=?ννν
解方程
),(),(2
1
000ννννg g = 即可。
2、 线宽的多种表示之间的换算关系。
由于
λ
ωνc
h
h ==
以频率、波长或波数(1/λ，单位cm -1)差标记线宽之间的换算关系也就确定了：
??
??????=??=
?νλνλλc c 1
)1(2
注意：这里的λ为真空波长。另外，实际计算时还要注意线宽的不同表示所取的表示单位
的换算关系。
至于换算是否成功，可以利用线宽在不同表示下的相对半宽度总是相同来做演算：
)
/1()
/1(λλλ
λ
ω
ω
ν
ν
?=
?=
?=
?
3、 由S,A 计算能级寿命问题。
若跃迁只涉及到1、2两个能级，原子激发能级2E 的平均寿命21τ应与自发辐射几率
21A 成反比：
21
211A =
τ 与外界有无辐射场无关。
但是，一个激发能级通常会有多个跃迁下能级，这样，原子激发能级2E 对每个下能级就会有一个相应的平均寿命i 2τ，原子激发能级2E 的平均寿命2τ应为：
∑
=i
i
22
1
1
ττ
以上讨论是没有考虑无辐射弛豫时的情景。若有弛豫，激发能级的消激化更快了，原
子激发能级2E 相应的平均寿命21τ应为：
21
21211
S A +=
τ
当然，若有多个消激化通道，也须象上面一样先求各自对应的寿命，然后总起来考虑。 4、 由速度计算频率中心漂移的问题，以及由温度、速度分布计算线宽或粒子数分布的问
题。
温度、速度和速度分布与频率联系起来的根本原因是多普勒效应：
c
v c v -+
=110
νν 对于低速粒子或低温气体，可以将v/c 视为小量进行级数展开取一级近似的方式得到考虑多普勒效应时的光波中心频率：
??
? ??+≈c v 10νν
这里发光原子是以v 速度向光接收器逼近，发光原子若是飞离光接收器则速度取-v 。 实际上无论是发光还是吸收光，相对于静止的原子，运动原子的谱线中心频率都会发生的多普勒频移：
000
νννc
v z
±=-' 运动速度越大，原子光谱线相对于其原来的中心频率偏离越远。
气体中原子运动速度按玻尔兹曼分布，因此对原子光谱线中心频率的偏离也据此进行，这样不同速度原子的中心频率稍稍错开，叠加在一起时就形成了高斯线型函数形状：
])(2exp[)2(),(2
02
22/100νννπννν--=KT mc KT m c
g D
因此它的线宽与气体温度有关：
2/12
)2ln 2(
2mc
KT D D νν=?2/107
)(1016.7M T ν-?≈ 线宽实质上也是气体分子中速度分布的反映。
5、 由线宽讨论相干性问题。
光源发光，是大量独立振子发光，每个振子发出的是在时间上持续一段t ?或在空间占有长度t C ?的一系列波列，这两个量也叫做相干时间和相干长度，这是因为若这个光源发出的光束之间光程差不要超过波列长度t C ?就是相干的。
按照傅立叶频谱分析，光源的相干时间与其线宽成反比：
t ?≈?/1ν
线宽越窄，相干时间和相干长度越长，相干性就越好。 6、 由波长、光强，计算辐射跃迁粒子数。
按照爱因斯坦的唯象理论，光可以看成以光速运动的能量子。为了将它和光强联系起来，可以将光能量子想象成理想气体分子，回忆一下热力学中是如何推导气体压力的，就可以照此办理得到光强I 和光能量子密度n 之间的关系：
νnh I =
这里v 是光频率。
每一个光能量子均来源于一次辐射跃迁，所以光能量子密度n 就是单位体积中的辐射跃迁粒子数。
7、 由透射光强及吸收系数，计算增益系数。
若介质对入射光场无损耗，而是起光放大作用，则
01>dz
dI
z I )(
定义为介质的增益系数：
dz
dI
z I G )(1=
实际激光介质中，损耗是消除不掉的，必须增益、损耗一起考虑。
01>dz
dI
z I )(
实质上是介质实际获得的光放大，它来源于介质增益G ，也被损耗α消减。所以
dz
dI
z I G )(1=
-α
此微分方程的解为：
z G e I z I )()()(α-=0
四、思考题
1．激光原理中只讨论光和物质的近共振相互作用，是什么含义，为什么？
2．光学材料的正常色散、反常色散，光速各有什么特点？
3．光学材料的反常色散通常发生在什么频率位置？
4．对光谱线的描述，需要哪些参数，各自的微观物理意义是什么？
5．什么是谱线均匀加宽，什么是谱线非均匀加宽，还有没有别的加宽类型？
6．在经典电子谐振子模型的讨论中，都做了哪些近似假设，各自道理何在？
7．吸收和自发辐射线型一致吗？请由经典电偶极振子模型说明理由。
8．经典电偶极振子的振荡阻尼的来源有哪些，在光与物质相互作用中和哪些过程有关系，为什么？
9．从激光原理中得到的相对介电常量表达式来看，相对介电常量主要随什么改变？10．介质折射率等于相对介电常量的开方，激光原理中是如何对其实部、虚部加以讨论的，各有什么物理意义？
11．一个高斯线型谱线与一个洛仑兹线型谱线的线宽相同，试说明在什么频率区域高斯线型谱线强度大于洛仑兹线型的，在什么频率区域正好相反。
12．以频率为变量的线形函数相对于数峰值左右对称。若以波长为变量，请举例说明线形函数还会左右对称吗？
13．线形函数可由经典电子谐振子模型导出，适用范围有什么限制？能不能由其它理论导出？
14．谱线均匀加宽、非均匀加宽的主要形成机制各有哪些？
15．晶格振动加宽是什么类型的加宽，为什么？
16．“能级寿命只由其自发辐射决定。”对吗，为什么？
17．氦氖激光器中什么加宽机制起主要作用？
18．YAG激光器中什么加宽机制起主要作用？
19．已知光通过一米激光介质强度增强一倍，能求介质的增益系数吗，为什么？20．谱线加宽对跃迁几率有什么影响，在激光原理范围怎么做合理的近似处理？
五、练习题
1． 有10μm 远红外， 500MHz 无线电波， 500nm 绿光三种电磁波，试按光子能量大小进
行排列。
2． 某电台发射功率为10千瓦，频率为1.6MHz ，试求：每秒钟发射多少光子？若是向空
间各向均匀发射，在相距5km 处一直径2米圆天线每秒最多能接收到多少光子？ 3． 为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性Δλ/λ应该是多少？
4． 有一支输出波长为632.8nm ，线宽为103Hz ，输出功率为1mW 的氦氖激光器，问：（1）
每秒发出的光子数目是多少？（2）如果氦氖激光器输出光束的直径是1毫米。那么对于一个黑体来说，要求它在相等的时间内从相等的面积上向相同的频率间隔内发射出与相同数量的光子，所需温度应多高？
5． 按激光介质分类，有哪几类激光器，各有什么特征？ 6． 设一光子的波长λ=500nm ，单色性7010-=?λλ
，试求光子的位置不确定量x ?。若
光子波长变为0.5nm （x 射线）和nm 1055
-?（γ射线），则相应的x ?又是多少?讨论所得的结果。
六、部分答案
1． 有10μm 远红外， 500MHz 无线电波， 500nm 绿光三种电磁波，试按光子能量大小进
行排列。
解题思考：
关键概念：光是电磁波，光子能量
关键公式：λ
νhc
h E =
=
解题关键点：光波长、频率换算为国际单位
1nm=10-9m
1μm=10-6m 1MHz=106Hz
解：
10μm 远红外光子能量：J hc
E 20683411099.110
1010310626.6---?=????==λ 500MHz 无线电波光子能量：J h E 2583421031.310510626.6--?=???==ν
500nm 绿光光子能量：J hc
E 19783431098.310
510310626.6---?=????==λ 按光子能量大小进行排列：500nm 绿光>10μm 远红外>500MHz 无线电波。
2． 某电台发射功率为10千瓦，频率为1.6MHz ，试求：每秒钟发射多少光子？若是向空
间各向均匀发射，在相距5km 处一直径2米圆天线每秒最多能接收到多少光子？ 解题思考：
关键概念：光是电磁波，光子能量
关键公式：P N h ν
=
解题关键点：各向均匀发射的电台发射球面电磁波
解：每秒钟发射多少光子数：P N h ν=330
34610109.410(/s)6.62610 1.610
-?==????个 圆天线每秒最多能接收到光子数：
2
2'4N N r R ππ=?3022226
9.41019.410(/s)4510
?=?=???个 3． 为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性Δλ/λ应该是多少？ 解题思考：
关键概念：相干长度，光波单色性
关键公式：ν?=
c c L ，λνλν
??=
解题关键点：1）常见氦氖激光器的输出激光波长一般取630nm 。2）谱线宽度的相对值以波长和频率的表示相同。 解：因为 ν?=
c c L λν
λν
??=
所以单色性
λ
ν
λ
ν
??=
9
103
c c c 63010 6.3010110
L L λν--?====?? 4． 有一支输出波长为632.8nm ，线宽为103Hz ，输出功率为1mW 的氦氖激光器，问：（1）
每秒发出的光子数目是多少？（2）如果氦氖激光器输出光束的直径是1毫米。那么对于一个黑体来说，要求它在相等的时间内从相等的面积上向相同的频率间隔内发射出与相同数量的光子，所需温度应多高？
5． 按激光介质分类，有哪几类激光器，各有什么特征？
解题思考：
关键概念：激光介质，激光器分类
解题关键点：1）激光介质通常按物象分类。2）激光器特征可从体积质量大小、坚固与否、激光输出强弱、光束质量好坏、能量利用效率如何等方面陈述。
解：按激光介质分类，激光器可分为固体、气体、液体、半导体和光纤激光器等5类。 固体激光器通常具有体积小、结构坚固、输出激光强、能量利用率较高的特征，光束质量也较好。
气体激光器通常具有光束质量好的特征，一般体积较大，能够输出激光强，但能量利用率较低。
液体激光器通常具有光束质量好的特征，一般体积较大较复杂，能量利用率较低。 半导体激光器通常具有体积小、结构坚固、输出激光强、能量利用率高的特征，输出光束质量也差。
光纤激光器通常具有体积小、散热好、输出激光强、输出光束质量好、能量利用率高的特征。是目前高能激光器的一个发展方向。 6． 设一光子的波长λ=500nm ，单色性7010-=?λλ
，试求光子的位置不确定量x ?。若
光子波长变为0.5nm （x 射线）和nm 1055
-?（γ射线），则相应的x ?又是多少?讨论所得的结果。
解题思考：
关键概念：光子动量，测不准原理
关键公式：h
p λ
=
，x p h ???≥
解题关键点：由线宽求动量不确定量 解：因为 h
p λ
=
2
h p λ
λ??=
又因为x p h ???≥
所以2
x λλ
?≥?
对于光波长500nm ：9
7
500105(m)10x --??== 对于光波长0.5nm ：9
7
0.5105(m m)10x --??=
= 对于光波长nm 1055
-?：147
7
510510(m)10
x ---??==? 讨论：显然，光波长越短其空间不确定度越小。γ射线在空间上已可以说有确切位置。
Reference
1、激光原理周炳昆高以智等2004 国防工业出版社
2、激光光谱学W.戴姆特瑞德1989 科学出版社
3、激光原理陈钰清王静环编著1992 浙江大学出版社
4、激光原理教程沈柯1986 北京工业学院出版社
5、激光原理与技术阎吉祥 2004 高等教育出版社
激光原理及技术部分习题解答（陈鹤鸣） 第一章 4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ?应当是多少？ 解：相干长度C c L υ = ?，υ?是光源频带宽度 85 3*10/3*101C c m s Hz L km υ?=== 22 510 8 (/) 632.8*3*10 6.328*103*10/c c c c nm Hz c m s λλυυυυλλλυλ-=??=?=???=?== 第二章 4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？ 解： T k E E b e n 121 2 n -- = 其中1 2**E E c h E c h -= ?=λ ν λ h c h == ?*E （1）
（2） 10 * 425 .121 48 300 * 10 * 38 .1 10 10 *3 * 10 * 63 .6 1 223 6 8 34 ≈ = = = =- - - - - - - e e e n n T k c h b λ （3） K n n k c h b 3 6 23 8 34 1 2 10 * 26 .6 )1.0( ln * 10 * 10 * 8 .3 1 10 *3 * 10 * 63 .6 ln * T= - = - = - - - λ 9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数1 01 .0- =mm α (2) 0 1 01 100 366 0I . e I e I e I I. z= = = =- ? - α 即经过厚度为0.1m时光能通过36.6% 10.解：
第一章 激光的基本原理 1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλΔ应是多少? 提示: He-Ne 激光 器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2 c d d d d ν νλνλλ =? ?=? λ 则 o o ν λ νλΔΔ= 再有 c c c L c τν == Δ得106.32810o o o c o c c L L λλνλνν?ΔΔ====× 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000MHz ν输出1W 连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：设输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： c P nh nh νλ==由此可得： P P n h hc λ ν= = 其中为普朗克常数，为真空中光速。 34 6.62610 J s h ?=×?8310m/s c =×所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ×=500nm λ时： 18-1=2.510s n ×=3000MHz ν时： 23-1=510s n ×3．设一对激光能级为2E 和1E (21f f =)，相应的频率为ν(波长为)，能级上的粒子数密度分别为n 和，求 λ21n (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当，T=300K 时，λ=1μm 21/?n n = (c) 当，n n 时，温度T=？ λ=1μm 21/0.1=解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则 2 211()exp exp exp b b n E E h h n k T k T k νb c T λ??????=?=?=?????? ???????? (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时： 3492 231 6.62610310exp 11.3810300n n ????×××=?≈??××? ? (b) 当，T=300K 时： λ=1μm 3482 2361 6.62610310exp 01.381010300n n ?????×××=?≈??×××??
激光原理及应用 考试时间:第 18 周星期五 ( 2007年1 月 5日) 一单项选择（30分） 1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（ B ） 2．爱因斯坦系数A 21和B 21 之间的关系为（ C ） 3．自然增宽谱线为（ C ） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（ B ） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5．阈值条件是形成激光的（ C ） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6．谐振腔的纵模间隔为（ B ） 7．对称共焦腔基模的远场发散角为（ C ） 8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的（ C ） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲 10．YAG激光器是典型的（ C ）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 二填空（20分） 1.任何一个共焦腔与等价， 而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分) 2 .光子简并度指光子处于、 、、。（4分） 3．激光器的基本结构包括三部分，即、 和。（3分）
4．影响腔内电磁场能量分布的因素有、 、。（3分） 5．有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 个。（2分） 6．目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是、、和。（4分） 三、计算题（ 42分） 1．（8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知＝6328?，1/f()＝109Hz，＝1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率R＝l－L＝％，＝10—7s，腔长L＝。 2．（12分）稳定双凹球面腔腔长L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R 1＝3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。 ＝,R 2 3．（12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横模就不可能存在。试估算在L＝30cm, 2a= 的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大？ 4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。 四、论述题（8分） 1．（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程
1.3 如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =
1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。 习题
《激光原理与技术》习题一 班级 序号 姓名 等级 一、选择题 1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1 = eV 。 （A ）1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间 隔约为 cm -1。 （A ）6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm 的He-Ne 激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz 。谐振腔长度为50cm 。假 设该腔被半径为2a=3mm 的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为 个。 （A ）6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的 二、填空题 1、光子学是一门关于 、 、 光子的科学。 2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从 统计分布。 3、设掺Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为10ms ，则其谱线宽度为 。 三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz 的某光源，相干长度为1m ，求此光源的单色性参数及线宽。 2．某光源面积为10cm 2，波长为500nm ，求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/ex p(1 kT hv 。
《激光原理与技术》习题二 班级 姓名 等级 一、选择题 1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W 。 （A ）1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 二、填空题 1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数 是 。 2、一束光通过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物 质的增益系数为 。 三、问答题 1、以激光笔为例，说明激光器的基本组成。 2、简要说明激光的产生过程。 3、简述谐振腔的物理思想。 4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？ 四、计算与证明题 1、设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分 别为2n 和1n ，求 (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？ 2、设光振动随时间变化的函数关系为 （v 0为光源中心频率）， 试求光强随光频变化的函数关系，并绘出相应曲线。 ? ??<<=其它,00),2exp()(00c t t t v i E t E π
第一章激光的基本原理 1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km ,它的单色性0/λλ?应是多少? 提示: He-Ne 激光 器输出中心波长632.8o nm λ= 解: 根据c λν=得 2 c d d d d ννλνλλ λ =- ?=- 则 o o ν λ νλ??= 再有 c c c L c τν == ?得 10
6.32810 o o o c o c c L L λλ ν λνν-??= = = =? 2. 如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000M H z ν输出1W 连续功率,问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少? 解:设输出功率为P ,单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ,则: 由此可得: 其中34 6.62610 J s h -=??为普朗克常数,8
310m/s c =?为真空中光速。 所以,将已知数据代入可得: =10μm λ时: 19-1 =510s n ?=500nm λ时: 18-1 =2.510s n ?=3000M H z ν时: 23-1=510s n ? 3.设一对激光能级为2E 和1E (21f f =,相应的频率为ν(波长为λ,能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ,求 (a 当ν=3000M H z ,T=300K 时,21/?n n = (b 当λ=1μm ,T=300K 时,21/?n n = (c 当λ=1μm ,21/0.1n n =时,温度T=? 解:当物质处于热平衡状态时,各能级上的粒子数服从玻尔兹曼统计分布,则 (a 当ν=3000M H z ,T=300K 时: (b 当λ=1μm ,T=300K 时: c P nh nh νλ ==P P n h hc λν =
《激光原理与技术》习题一 班级序号姓名等级 一、选择题 1、波数也常见作能量的单位, 波数与能量之间的换算关系为1cm-1 = eV。 ( A) 1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm, 则产生该波长的两能级之间的能量 间隔约为 cm-1。 ( A) 6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm的He-Ne激光器, 谱线线宽为Δν=1.7×109Hz。谐振腔长度为50cm。 假设该腔被半径为2a=3mm的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为个。 ( A) 6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的 二、填空题 1、光子学是一门关于、、光子的科学。 2、光子具有自旋, 而且其自旋量子数为整数, 大量光子的集合, 服从统计分布。 3、设掺Er磷酸盐玻璃中, Er离子在激光上能级上的寿命为10ms, 则其谱线宽度 为。 三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz的某光源, 相干长度为1m, 求此光源的单色性参数及线宽。
2．某光源面积为10cm 2, 波长为500nm, 求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/ex p(1-kT hv 。 《激光原理与技术》习题二 班级 姓名 等级 一、 选择题 1、 在某个实验中, 光功率计测得光信号的功率为-30dBm, 等于 W 。 ( A) 1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、 激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 二、 填空题 1、 如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率, 则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数 是 。 2、 一束光经过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍, 则该物 质的增益系数为 。 三、 问答题 1、 以激光笔为例, 说明激光器的基本组成。 2、 简要说明激光的产生过程。 3、 简述谐振腔的物理思想。 4、 什么是”增益饱和现象”? 其产生机理是什么? 四、 计算与证明题 1、 设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2), 相应的频率为ν(波长为λ), 能级上的粒子数密度 分别为2n 和1n , 求 (a) 当ν=3000MHz , T=300K 时, 21/?n n =
激光原理及技术部分习题解答（鹤鸣） 第一章 4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ?应当是多少？ 解：相干长度C c L υ = ?，υ?是光源频带宽度 85 3*10/3*101C c m s Hz L km υ?=== 22 510 8 (/) 632.8*3*10 6.328*103*10/c c c c nm Hz c m s λλυυυυλλλυλ-=??=?=???=?== 第二章 4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为 21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？ 解： T k E E b e n 121 2 n --= 其中1 2**E E c h E c h -=?=λ ν λ h c h == ?*E （1） （2）010*425.12148300 *10*38.11010*3* 10 *63.61 2 236 8 34 ≈====--- ----e e e n n T k c h b λ
（3） K n n k c h b 3 6 238341 210*26.6)1.0(ln *10*10*8.3110*3*10*63.6ln *T =-=-=---λ 9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数101.0-=mm α (2) 010010100003660I .e I e I e I I .z ====-?-α 即经过厚度为0.1m 时光能通过36.6% 10. 解： m /..ln .G e .e I I G .Gz 6550314 013122020===?=?
思考练习题1 1． 试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=3000MHz 的光，每秒 从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为：18 8 346341105138.21031063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=） 则有：1]300 1038.11031063.6exp[23 93412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－ 18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 181221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且20 2110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918 8 10084.510 64.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 q q 激自1 = 2000 ，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ??=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求 q q 激 自 为若干？ 答：（1）
EE125Principles of Lasers Prof.Cheng Wang ShanghaiTech University Homework1 Note: ?Please try to?nish the homework on your own.Discussion is permissible,but identical submissions are unacceptable! ?Please prepare your submission in English only.No Chinese submission will be accepted. ?Please submit your homework in PDF?le to yanht@https://www.doczj.com/doc/4211406583.html, with subject EE125HW1ID NAME. ?Please submit on time.NO late submission will be accepted. 1.1If the laser have a continuous output power of1W when(a)λ=10μm,(b)λ=500nm and(c)ν=3000MHz,what is the population each second N that are transition from E2to E1? 1.2If levels1and2of Fig.1.2are separated by an energy E2?E1such that the corresponding frequency isν(the wavelength isλ),the carrier density of each level is N2and N1.Assume that the two level have the same degeneracy. (a)Whenν=3000MHz,T=300K,calculate the ratio N2/N1. (b)Whenλ=1μm,T=300K,calculate the ratio N2/N1. (c)Whenλ=1μm,N2/N1=0.1,calculate T. Figure1.2 1/2
周炳琨<激光原理>第一章习题解答（完整版） 1．为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性 λλ ?应是多少？ 解：相干长度 υ υυ -=?=12c c L c 将 λυ1 1c =， λυ22c =代入上式，得： λ λλλλλ?≈-=0 2 2 121L c ，因此 c λλλ 00=?，将 nm 8.6320=λ，km L c 1=代入得： 10*328.68.632100-==?nm λλ 2．如果激光器和微波激射器分别在 m μλ10=， nm 500=λ和 MHz 3000=υ输出1W 连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是 多少？ 解：ch p h p n λ υ== （1） 个10*03.510*3*10*626.610*1191 8 34 ≈= --ms Js m W n μ （2）个10*52.210*3*10*626.6500*1181834≈=--ms Js nm W n （3）个10*03.53000*10*626.612334 ≈=-MHz Js W n 3．设一对激光能级为 E 2和E 1（f f =12） ，相应频率为υ（波长为 λ ），能级上的粒
子数密度分别为 n 2和n 1，求： （a ）当 MHz 3000=υ，T=300K 时，=n n 12？ （b ）当 m μλ1=，T=300K 时，=n n 1 2？ （c ）当 m μλ1=，1.01 2=n n 时，温度T=? 解： e e f n h E E ==---υ121 212 （a ）110 *8.4300 *10*38.110*300010*626.64 23 6 *341 2≈≈= -----e e n n （b ）10 *4.121 6238 34 1 2 10*8.410*1*300*10*38.110*3*10*626.6≈≈==--- ----e e e n n kT hc λ （c ）1.010*1*10*38.110*3*10*626.68 341 2===---e e n n T hc λ 得： K T 10*3.63 ≈ 4．在红宝石Q 调制激光器中，有可能将几乎全部Cr + 3离子激发到激光上能级并产生激光 巨脉冲。设红宝石棒直径1cm,长度7.5cm ， Cr + 3浓度为 cm 3 1910*2-，巨脉冲宽度为 10ns ，求输出激光的最大能量和脉冲功率。 解：由于红宝石为三能级激光系统，最多有一般的粒子能产生激光： J nhc nh E 1710*3.69410 *3*10*626.6*10*2*5.7*)5.0(2 19 8 34 19 2 max 2 121====--πλυW E P R 10*7.19 max ==τ 5．试证明，由于自发辐射，原子在 E 2 能级的平均寿命 A s 21 1=τ 证明：自发辐射，一个原子由高能级 E 2自发跃迁到E 1，单位时间内能级E 2减少的粒子
题号一二三四总分阅卷人 得分 得分 2011 ─2012学年 第 2 学期 长江大学试卷 院（系、部） 专业 班级 姓名 学号 …………….……………………………. 密………………………………………封………………..…………………..线…………………………………….. 《 激光原理与技术 》课程考试试卷( A卷)专业：应物 年级2009级 考试方式：闭卷 学分4.5 考试时间：110 分钟相关常数：光速：c=3×108m/s, 普朗克常数h =6.63×10-34Js, 101/5=1.585 一、选择题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 掺铒光纤激光器中的发光粒子的激光上能级寿命为10ms ，则其自 发辐射几率为 。 （A ）100s -1 (B) 10s -1 (C) 0.1s -1 (D) 10ms 2. 现有一平凹腔R 1→∞，R 2=5m ，L =1m 。它在稳区图中的位置是 。(A) (0, 0.8) (B) (1, 0.8) (C) (0.8, 0) (D) (0.8, 1) 3. 图1为某一激光器的输入/输出特性曲线，从图上可以看出，该激光器的斜效率约为 。
(A) 10% (B) 20% (C) 30% (D) 40% 图1 图2 4．图2为某一激光介质的吸收与辐射截面特征曲线，从图上可以看出，该激光介质可用来产生 的激光。
得 分 (A) 只有1532 nm (B)只能在1532 nm 附近 (C) 只能在1530 nm-1560nm 之间 (D) 1470 nm-1570nm 之间均可 A 卷第 1 页共 6 页 5. 电光晶体具有“波片”的功能，可作为光波偏振态的变换器，当晶体加上V λ/2电场时，晶体相当于 。 （A ）全波片 (B) 1/4波片 (C) 3/4波片 (D) 1/2波片 6. 腔长3m 的调Q 激光器所能获得的最小脉宽为 。（设腔内介质折射率为1） （A ）6.67ns (B) 10ns (C) 20ns (D) 30ns 7. 掺钕钇铝石榴石（Y 3Al 5O 12）激光器又称掺Nd 3+:YAG 激光器，属四能级系统。其发光波长为 。 （A ） 1.064μm （B ）1.30μm （C ） 1.55μm （D ）1.65μm 8. 在采用双包层泵浦方式的高功率光纤放大器中，信号光在 中传输。 （A ） 纤芯 （B ）包层 （C ）纤芯与包层 （D ）包层中（以多模） 9. 脉冲透射式调Q 开关器件的特点是谐振腔储能调Q ，该方法俗称 。 （A ）漂白 （B ）腔倒空 (C ）锁模 （D ）锁相 10. 惰性气体原子激光器，也就是工作物质为惰性气体如氩、氪、氙、氖等。这些气体除氙以外增益都较低，通常都使用氦气作为辅助气体，借以 。 (A ）降低输出功率 (B ）提高输出功率 C ）增加谱线宽度 （D ）减小谱线宽度 二、填空题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 在2cm 3空腔内有一带宽为1×10-4μm ，波长为0.5μm 的跃迁，此跃迁的频率范围是 120 GHz 。 2. 稳定球面腔与共焦腔具有等价性，即任何一个共焦腔与无穷多个稳定
第一章：激光的基本原理 1.为使He-Ne激光器的相干长度达到1km,它的单色性?λ/λ0应是多少? 2.设一对激光能级为E2和E1(f1=f2)，相应的频率为v(波长为λ)，能级上的粒子 数密度分别为n2和n1，求： (a)当v=3000MHz，T=300K时，n2/n1=? (b)当λ=1μm，T=300K时，n2/n1=? (c)当λ=1μm，n2/n1=0.1时，温度T=? 3.设一对激光能级为E2和E1(f1=f2),相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n1和n2，求 （a）当ν=3000Mhz,T=300K时,n2/n1=? （b）当λ=1um,T=300K时, ,n2/n1=? （c）当λ=1um, ,n2/n1=0.1时，温度T=? 4.在红宝石Q调制激光器中，有可能将几乎全部Cr+3离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。设红宝石棒直径1cm，长度7.5cm，Cr+3离子浓度为2×1019cm-3，巨型脉冲宽度为10ns，求输出激光的最大能量和脉冲功率。 5.试证明，由于自发辐射，原子在E2能级的平均寿命t s=1/A21。 6.某一分子的能级E4到三个较低能级E1,E2和E3的自发跃迁几率分别是A43=5*107s-1,A42=1*107s-1和A41=3*107s-1，试求该分子能级的自发辐射寿命τ4。若τ1=5*107s-1，τ2=6*10-9s,τ3=1*10-8s在对E4连续激发并达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值n1/n4，n2/n4,n3/n4,并回答这时在哪两个能级间实现了集居数反转。 7.证明当每个膜内的平均光子数（光子简并度）大于1时，辐射光中受激辐射占优势。 8．（1）一质地均匀的材料对光的吸收系数为0.01mm-1，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？（2）一光束通过长度为1m的均匀激励的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。 第二章：开放式光腔与高斯光束 1．试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。
《激光原理及应用》习题 1. 激光的产生分为理论预言和激光器的诞生两个阶段？简述激光理论的创始人，理论要点和提出理论的时间。简 述第一台激光诞生的时间，发明人和第一台激光器种类？ 答：激光理论预言是在1905年爱因斯坦提出的受激辐射理论。世界上第一台激光器是于1960年美国的梅曼研制成功的。第一台激光器是红宝石激光器。 2. 激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线型。 答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽，线型为洛仑兹线型。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。 非均匀加宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，线型为高斯线型。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。 3. 军事上的激光器主要应用那种激光器？为什么应用该种激光器？ 答：军事上主要用的是CO 2激光器，这是因为CO 2激光波长处于大气窗口，吸收少，功率大，效率高等特点。 4. 全息照相是利用激光的什么特性的照相方法？全息照相与普通照相相比有什么特点？ 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。 1. 激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分 答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔； 2. 物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。 答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。 3. 工业上的激光器主要有哪些应用？为什么要用激光器？ 答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。 4. 说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。 答：He-Ne 激光器，632.8nm （红光），Ar+激光器，514.5nm （绿光），CO 2激光器，10.6μm （红外） 计算题 1．激光器为四能级系统，已知3能级是亚稳态能级，基态泵浦上来的粒 子通过无辐射跃迁到2能级，激光在2能级和1能级之间跃迁的粒子产 生。1能级与基态（0能级）之间主要是无辐射跃迁。 （1）在能级图上划出主要跃迁线。 （2）若2能级能量为4eV ，1能级能量为2eV ，求激光频率； 解：（1）在图中画出 （2）根据爱因斯坦方程 21h E E ν=- 得 ()1914213442 1.610 4.829106.62610E E Hz h ---??-===??ν 2．由凸面镜和凹面镜组成的球面腔，如图。凸面镜的曲率半径为2m ，凹面镜的曲率半径为3m ，腔长为1.5m 。发光波长600nm 。判断此腔的稳定性； 解: 激光腔稳定条件 R3 32ω 21ω
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。由于谐振腔对 光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。半导体激光器的方向性最差。衍射极限θm≈1.22λ D (λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单 色定向亮度。相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C ?V 来表示相干时间。自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2?E1的光子，这个过程称为自发跃迁。 自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21 dt ） sp 1 n2 = ?1 n2dn2 dt （n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁 粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2?E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2?E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这 个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21 dt ） st 1 n2 =?1 n2 dn2 dt 。受激辐射跃 迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收
2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1．填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性 为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？ 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么？ 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响？ 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模
《激光技术原理与实验》 课程代码： 课程名称：激光原理与技术实验 学分：3 学时：48 （其中实验学时：16） 先修课程：普通物理、物理光学 一、目的与任务 本课程是测控技术与仪器专业一门理论与实验并重的专业基础课，其教学目的是通过该课程理论部分的学习，使学生系统掌握激光的基本概念和基础理论，掌握各种类型激光器和基本激光技术的工作原理与设计方法，了解激光器件和激光技术领域的发展趋势和技术前沿。通过实验环节的锻炼，进一步加深对激光器和激光技术基本工作原理的理解，认识和熟悉常见激光器的基本构造、工作特性和调试方法，掌握激光器主要特性参数的测试方法，并学会使用激光实验研究常用的测试仪器。以期通过本课程的学习，培养学生理论联系实际、综合运用所学基础知识解决实际工程问题的能力。 二、教学内容及学时分配 理论部分 绪论（1学时） 第一章激光的物理基础（4学时） 1.激光的特性 2.光波模式和光子状态 3.原子的能级、分布和跃迁 4.激光产生的必要条件与充分条件 第二章场与物质的相互作用（4学时） 1.谱线加宽与线型函数 2.激光器的速率方程理论 3.均匀加宽工作物质的增益系数 4.非均匀加宽工作物质的增益系数 第三章光学谐振腔理论（5学时） 1.光学谐振腔的基本知识
2.光学谐振腔的损耗 3.光学谐振腔的稳定性条件 4.谐振腔的衍射积分理论 5.平行平面腔的自再现模 6.对称共焦腔的自再现模 7.一般稳定球面腔的模式特征 8.高斯光束 第四章激光器的工作特性（4学时） 1.连续激光器和脉冲激光器 2.激光振荡的阈值条件 3.激光器的振荡模式 4.激光器的输出特性 5.单模激光器的线宽极限 6.激光器的泵浦技术 第五章典型激光器（4学时） 1.概述 2.气体激光器 3.固体激光器 4.光纤激光器 5.半导体激光器 6.其他类型激光器 第六章激光调制技术（2学时） 1.调制的基本概念 2.电光调制 3.声光调制 4.直接调制 第七章调Q技术与锁模技术（4学时） 1.调Q技术的基本原理 2.常用的调Q技术
各章内容总结 第1章 1.光的波粒二相性，光子学说 光是由一群以光速 c 运动的光量子（简称光子）所组成 2三种跃迁过程（自发辐射、受激辐射 和受激吸收） ? 3.自发辐射和受激辐射的本质区别？ ? 4.在热平衡状态下，物质的粒子数密度按能级分布规律（正常分布） ? 5.激光产生的必要条件:实现粒子数反转分布 ? 6.激光产生的阈值条件：增益大于等于损耗 ? 7.激光的特点？ ? (1)极好的方向性（θ≈10-3rad) ? (2)优越的单色性(Δν=3.8*108Hz,是单色 性最好的普通光源的线宽的105倍. ? (3)极好的相干性(频率相同,传播方向同,相位差恒定) ? (4)极高的亮度 ? 8激光器构成及每部分的功能 1激光工作物质 提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因 νh E =λνc h c h c E m ///2 2===
2.）泵浦源 提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因 3.）光学谐振腔 ①提供光学正反馈作用 ②控制腔内振荡光束的特性 9.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强) 10.饱和光强 定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强. 11.谱线加宽的分类: 均匀加宽和非均匀加宽 两种加宽的本质区别？ 12激光器泵谱技术的分类: 直接泵谱 缺点：（49页） 间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式) u u u u S h A c h I τσντνπν1122 8==)211(2121111τττπν++++=?∑∑u j j i ui H A A N D M T Mc kT 072/120)1016.7(])2(ln 2[2ννν-?==?
激光原理及应用 第1章 辐射理论概要与激光产生的条件 1.光波：光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播。光波既是电矢量→E 的振动和传播，同时又是磁矢量→B 的振动和传播。在均匀介质中，电矢量→ E 的振动方向与磁矢量→B 的振动方向互相垂直，且→E 、→B 均垂直于光的传播方向→k 。（填空） 2.玻尔兹曼分布：e g n g n kT n n m m E E n m )(--=（计算） 3.光和物质的作用：原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。物质（原子、分子等）的相互作用有三种不同的过程，即自发辐射、受激辐射及受激吸收。对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时存在并紧密联系的。在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用。（填空） 自发辐射：自发辐射的平均寿命A 211=τ（A 21指单位时间内发生自 发辐射的粒子数密度，占处于E 2能级总粒子数密度的百分比） 4.自发辐射、受激吸收和受激吸收之间的关系 在光和大量原子系统的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时发生的，他们之间密切相关。在单色能量密度为ρV 的光照射下，dt 时间内在光和原子相互作用达到动平衡的条件下有下述关系：dt dt dt v v n B n B n A ρρ112221221=+ （自发辐射光子数） （受激辐射光子数） （受激吸收光子数）
即单位体积中，在dt 时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。（简答） 5.光谱线增宽：光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对许多激光器的输出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。（填空） 光谱线增宽的分类：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽 自然增宽：自然增宽的线型函数的值降至其最大值的1/2时所对应的两个频率之差称作原子谱线的半值宽度，也叫作自然增宽。 碰撞增宽：是由于发光原子间的相互作用造成的。 多普勒增宽：是由于发光原子相对于观察者运动所引起的谱线增宽。当光源和接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的光波频率不等于光源与接收器相对静止时的频率，叫光的多普勒效应。 6.按照谱线增宽的特点可分为均匀增宽和非均匀增宽两类。 7.要实现光的放大，第一需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽运到高能级上去；第二需要有合适的发光介质（或称激光工作物质），它能在外界激励能源的作用下形成g n g n 1 122 的粒子数密度反转分布状态。 8.要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须具备三个条件： （1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或者离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； （2）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