激光原理第五讲

第五章习题解答参考

1 激光器的工作物质长为l，折射率，谐振腔腔长为L，谐振腔中除工作物质外的其余部分折射率为'，工作物质中光子数密度为N，试证明对频率为中心频率的光

''21LcNLlcNndtdN，其中lLlL''

证明：已知在工作物质中单位体积内的平均光子数为N，设谐振腔其余部分中的单位体积内的平均光子数为'N，光束均匀（光强均匀）且截面为S，则腔内总的光子数变化率为：

RlLSNNSlNSlndtlLSNNSld'21' ————————————（1）

其中cLclLlR''

又因为光强均匀（工作物质内与工作物质外），根据公式可得（P29-2.1.16）：

''2'1NNhNNh

把上式和腔的寿命表达式代入（1），得到：

''21LcNLlcNndtdN

命题得证

2 长度为10厘米的好宝石棒置于长度为20厘米的光谐振腔中，好宝石694.3纳米谱线的自发辐射寿命为sS3104，均匀加宽线宽为MHz5102，光腔单程损耗因子2.0，求：（1）中心频率处阈值反转粒子数tn。（2）当光泵激励产生反转粒子数tnn2.1时，有多少个纵模可以振荡？（红宝石折射率为1.76）

解答：（1）

根据公式（P166-5.1.4）可知：

lnt21，其中l是红宝石的长度，21是激光上下能级的中心波长处发射截面。

根据题意红宝石激光器是均匀加宽，因此可以利用均匀加宽的发射截面公式（P144-4.4.15）得到： HA202212214，根据c，c00，SA121，代入发射截面公式，得到：

HSHA22202022122144，把此式代入阈值反转粒子数公式得到：

cmllnHt/1006.44172020221

第一章：

1．为使氦氖激光器的相干长度达到1km，它的单色性

λλ

0Δ

应是多少？ 解：相干长度

υυ

υ−=

Δ=

12cc

L

c 将

λυ

11c

=，

λυ

22c

=

代入上式，得：

λλ

λλλλ

Δ≈

−=02

2121

L

c，因此

L

cλ

λλ

0

0=Δ

，将nm8.632

0=λ

，kmL

c1=

代入得：

10*328.6

18.632

10

0−

==Δ

kmnm

λλ

2．如果激光器和微波激射器分别在mμλ

10=

，nm500=λ

和MHz3000=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：

chp

hp

nλ

υ==

（1）个

10*03.5

10*3*10*626.610*1

19

1834≈=

−−

msJsmW

nμ

（2）个

10*52.2

10*3*10*626.6500*1

18

1834≈=

−−

msJsnmW

n

（3）个

10*03.5

3000*10*626.61

23

34≈=

−

MHzJsW

n

3．设一对激光能级为E

2和E

1（ff=

12），相应频率为υ

（波长为λ

），能级上的粒子数密度

分别为n

和，求：

2n

1

（a）当MHz3000=υ

，T=300K

时，=

nn

12

？ （b）当mμλ

1=

，T=300K

时，=

nn

12

？

（c）当mμλ

1=

，1.0

12=

nn

时，温度T=?

解：

ee

ff

nn

kTh

kTEE

==−−

−υ

12

12

12

（a

）110*8.4

300*10*38.110*300010*626.6

4

236

*34

12

≈≈=−−−

−−

ee

nn

（b

）10*4.121

623834

1210*8.4

10*1*300*10*38.110*3*10*626.6

≈≈==−

−−−

−−−

eee

nn

kThc

λ

（c

）1.0

10*1*10*38.110*3*10*626.6

623834

12===

−−−

−−

ee

nn

TkThc

λ

得： KT10*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

激光原理知识点总结

激光的产生原理

激光是一种与常规光具有本质不同的光。它是通过一种叫做“受激辐射”的过程产生的，这是量子力学的一种结果。激光的产生原理主要涉及三个主要过程：光的激发、光的放大和光的辐射。

首先是光的激发。激光的产生需要通过能量输入来激发原子或分子的能级。当外界能量激发物质的能级时，原子或分子的电子会从低能级跃迁到高能级，形成“受激辐射”所需的激发态。

然后是光的放大。在受激辐射的过程中，当一个光子与处于激发态的原子或分子碰撞时，它会与其相互作用，导致后者释放出另一个同频率、同相位和同偏振的光子，并回到低能级。这个新的光子与已有的光子具有相同的频率、相位和偏振，因此它们会在相互作用的同时相互放大，形成一支激光光束。

最后是光的辐射。当受激辐射的过程一直不断地发生时，光子会在光学共振腔中来回反射，产生一支具有高度相干性、高亮度和高直线度的激光光束。这种光具有很强的聚焦能力和穿透能力，因此在很多领域有着广泛的应用价值。

激光的特点

激光具有以下几个主要特点：

1.高度相干性。激光光束的波长一致、频率一致、相位一致，因此具有很高的相干性。这使得激光在干涉、衍射和频谱分析等方面具有很大的优势。

2.高亮度。激光的辐射强度非常集中，因此具有很高的亮度。这使得激光可用于制备高清晰度的成像系统和高精度的测量装置。

3.高直线度。激光的传播路径非常直线，几乎不具有散射，因此具有很高的直线度。这使得激光在通信、激光雷达和光刻等领域有着广泛的应用。

激光器件的工作原理和应用

激光器件是产生激光光束的重要设备，其工作原理一般基于受激辐射过程。目前常用的激光器件主要包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器。

气体激光器是将气体放电或者由光泵浦的气体装置转变成激光的光源。其中最著名的就是氦氖激光器。使用稳态直流电源或者交变电源将氦气充入放电管，并保持一定的氦气气压。然后用电子束或者泵浦光源来使得氦原子激发至高能级，然后在碰撞的作用下通过受激辐射作用形成激光光束。 固体激光器采用的是固体作为激光介质，通常是通过用Nd:YAG晶体或者Nd:glass晶体，将掺了稀土离子的晶体浇铸成均匀的棒状、圆柱形状等，然后使用灯泵浦、光泵浦的方法，给这个均匀的晶体提供能量，产生处于激发态的稀土离子。当这些离子再退激到基态的时候，便会发出激光光束。

激光原理pdf

激光，全称为“光学激振射光”（Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation），是一种特殊的光源。激光原理是指通过一定的方法产生激光，其产生的基本原理是受激辐射。激光是一种特殊的光，具有很强的单色性、方向性和相干性，因此在许多领域有着广泛的应用。

激光的产生主要依靠激光器。激光器是将一种能量转换成光的装置，它的工作原理是在激发剂的作用下，原子或分子能级跃迁，产生受激辐射，放大并反射出一束光。激光的产生过程可以分为三个步骤，激发、放大和反射。首先，通过外界能量的输入，使激光介质中的原子或分子激发到高能级；然后，在激发的作用下，原子或分子发生跃迁，产生受激辐射，放大成为一束光；最后，这束光在激光器内部来回反射，形成激光输出。

激光的特性主要表现在以下几个方面，单色性、方向性、相干性和高能量密度。首先，激光是一种单色光，其波长非常狭窄，可以集中在很小的空间范围内。其次，激光是一种方向性很强的光，激光束几乎是平行的，能够远距离传输而不会发散。再次，激光是一种相干光，具有很强的干涉性和衍射性，能够产生明显的干涉条纹。最后，激光具有很高的能量密度，能够在很小的空间内提供大量的能量。

激光在各个领域都有着广泛的应用。在医学领域，激光被用于手术、治疗和检测，如激光治疗近视、白内障手术等。在工业领域，激光被用于切割、焊接、打标等加工工艺。在通信领域，激光被用于光纤通信和激光雷达。在科研领域，激光被用于光谱分析、光学实验等。在军事领域，激光被用于制导武器、激光防御等。

总的来说，激光作为一种特殊的光源，具有很强的单色性、方向性、相干性和高能量密度，因此在医学、工业、通信、科研、军事等领域都有着广泛的应用。随着科学技术的不断发展，激光技术也将会得到更广泛的应用和发展。