激光物理答案整理

《激光物理学》复习提要1、激光的应用有哪些？举出实际例子，并说明运用了激光的那些特性？激光手术刀。

激光武器。

（高能光束）激光测距高度定向及光束稳定性2、按工作物质来分，激光器的种类主要有哪些？激光器的基本结构由哪几部分组成？根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体玻璃），这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。

每一种激光器都必须有激励源、工作物质和谐振腔这3个基本组成部分。

3、激光为什么具有很好的单色性、相干性、方向性和高亮度的特点? 试分别阐述激光具有以上这些优越特性的缘故。

为什么说普通光源是非相干光源？激光是相干光源？激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源激光是一种单色光，频率范围极窄，发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线.由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（普通光源发光特点：每个原子一次发光只能发出频率一定、振动方向一定而程度有限的光波（波列），即原子发光有无序性。

所以同一个原子先后发出的波列之间、不同原子发出的波列之间都没有固定的相位关系，振动方向和频率也不尽相同，故两个独立的普通光源发出的光不是相干光。

4、激光器激励能源（泵浦源）最常见的激励方式有哪些？氦氖激光器所采用的是那种激励方式？红宝石所采用的是那种激励方式？泵浦源，泵浦源也称激励源，是为实现粒子数反转提供能量的装置。

根据激励时间利用的能量形式，泵浦方式有放电激励、光激励(红宝石)、热能激励、化学能激励和核能激励等。

5、光学谐振腔对激光形成起到了什么作用？谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制. 光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。

谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模，按频率区分的称纵模，按方向区分的称横模。

两反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。

不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模特性。

6、形成稳定输出激光的内在条件是什么（激活介质）？外在条件是什么（谐振腔、与激活介质和谐振腔相匹配的激励能源）？能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。

要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。

7、原子所发射的每一条光谱线的频率（或波长）并不是单一的，实际的光谱线都具有一定的宽度，遭成光谱线自然增宽的原因是什么？造成光谱线碰撞增宽原因是什么？造成光谱线多普勒增宽的原因是什么？某原子的某条光谱线的谱线宽度又称为荧光线宽，激光物理学中称为光谱线的增益宽度，比如:氖原子632.8nm谱线的增益宽度=1500MHz:①自然线宽,它是原子的内禀特性(即在跃迁中所涉及到的能级的特性);②多普勒增宽,它是原子无规则热运动的结果;③碰撞增宽,它是原子间相互作用的结果8、爱因斯坦辐射理论：光与物质相互作用三个基本过程？认为光在传播过程和与物质相互作用的过程中，能量不是分散的，而是一份一份地以能量子的形式出现的. 分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的对于物质中处于较低能级的粒子而言,可以吸收特定频率的光子的能量而跃迁到较高的能级,这种过程,称为粒子对入射光场的受激吸收过程。

通常我们称为吸收过程。

对于物质中处于较高的能级粒子而言,它可以通过两种方式向外界发射出特定频率的光子。

其中一种不依赖于外界光场的方式,自发地辐射出一个特定频率的光子而跃迁到较低能级(即v—F.一F.型宁),此过程称为自发辐射过程;而另一种则是在外界一定频率的光人射作用下,被迫受激地辐射出一个特定频率(与入射光子频率相同)的光子而跃迁到较低能级,此过程称为受激发射过程9、为什么把基模激光束称为高斯光束？试描述高斯光束的光束特性：（1）波阵面上（通常指光束横截面）的振幅（或光强）分布特点？（2）光束传播特点？（提示：从光束的发散情况说明，是平行、发散还是汇聚，光束传播的规律？）（3）该光束波阵面的形状与分布情况？并且画出高斯光束横截面的光强按光斑半径的分布曲线（原点为圆形光斑的中心）。

,激光谐振腔发出的基模辐射场,其横截面的振幅分布遵守高斯函数,故称高斯光束10、在实际应用激光时，需要了解激光器的模式状态。

例如，在全息照相实验中所使用的激光器的模式状态必须是怎样的？（单纵模输出？基横模输出？）11、在激光模谱分析实验中，如果我们观察到激光的模式谱线不稳定，说明其输出谱线的频率不稳定，试说明造成这种现象的主要因素是什么？由于整个驻波腔长发生了变化导致的。

导致腔长变化的因素有很多，但主要的还是激光辐射过程中伴生的热量导致的热透镜效应，所以一般增强增益介质的散热均匀性可以改善纵模的稳定性。

12、要获得单色性和相干性良好的激光，这就要求激光器必须是单纵模并且是稳定输出。

要实现激光由多模振荡转变为单纵模振荡，由不稳定的输出成为稳定激光输出，就要运用激光的选模（选频）技术和稳频技术来实现.13、什么是“三能级系统”（指介质中只有三个能级参与实现粒子数反转）、“四能级系统”（指介质中只有四个能级参与实现粒子数反转）？对各个能级的“平均能级寿命”的要求怎样（的大小或是基态?激发态?亚稳态?）? 能级之间的跃迁情况(辐射跃迁？非辐射跃迁？)？简述“三能级系统”、“四能级系统”是如何形成“粒子数反转”的？14、光在谐振腔内往返传播中形成激光纵模（即基横模），它必须满足什么条件（即形成的主要原因）？在激光器中只有增益介质增益谱宽范围内的光才可以得到放大输出。

形成高阶横模的主要原因是什么？ 在光学谐振腔中为了使光能稳定存在，必须要满足驻波条件，满足驻波条件的波长=2nl/q ，n 为折射率，l 为谐振腔长，q 为整数。

满足谐振条件沿轴线纵向方向形成的驻波场即为谐振腔的本征模式，通常把该本征模式称为谐振腔的纵模，由于q 的取值不受限制，所以初始纵模数很多。

纵模的频率只有落在增益介质的增益谱宽范围内才可以得到放大。

设增益谱范围为x1到x2，则只有满足条件x1<2nl/q<x2的纵模才可以放大输出。

满足上述条件的整数q 的个数就是激光器输出的纵模的个数，当q 的取值只有一个的时候就是单纵模输出，当满足条件的q 的取值不只一个时就形成了多纵模了。

15、爱因斯坦辐射理论指出光与物质相互作用时三个基本过程总是同时存在的。

普通光源与激光只是在一定的条件下，是自发辐射为主的还是以受激辐射为主的光源。

16、了解当光在介质中传播（比如沿轴方向）的规律为，这就是光吸收的朗伯定律；当光在增益介质中传播（比如沿轴方向）的规律，在激光物理中推导得到光强沿轴传播的规律为，为增益介质的增益系数。

其中光吸收系数和增益系数是与介质的能级结构有关的参量。

综合221211()(0)e x p [()()]g I zI n n B f νhνz g c μ=-当＜0时，为负值，总体表现为光的吸收；当＞0时，为正值，总体表现为光的放大；17、激光的工作物质必须具备合适的能级结构（又称为激活介质），理论和实验都表明，“三能级系统”（指物质有三个能级参与实现粒子数反转）和“四能级系统”才能够实现粒子数反转分布的介质（即能实现上能级粒子数密度＞下能级粒子数密度）。

画出“三能级系统”能级间的辐射跃迁示意图，在图中标出，，相应的平均能级寿命、、，并说明那个能级是亚稳态能级、哪个是基态，那个激发态能级的平均寿命较小（或较大）？图中符号“↓”或“↑”以及“戴箭头的虚线”的各能级间跃迁的含义（如抽运、无辐射跃迁、辐射跃迁）是什么?用符号、、标出与间的各能级辐射跃迁）；试简述“三能级系统”是如何实现粒子数反转分布的？（为便于说明，图中可标出各个能级，，以及相应的粒子数密度n 1、n 2、n 3）。

18、对已知腔长的基模激光器和已知输出谱线的增益宽度为，试求其相邻纵模频率间隔是多少？可能形成的纵模个数是多少？对于给定腔镜曲率半径的激光器，计算其相邻横模频率间隔是多少？19、在测量激光器的发散角时，实验中我们测得某激光器的传播距离位置，并测定出光束在该位置的光斑半径为，试计算该激光器的远场发散角为多少弧度（rad）？20、全息照相和普通照相在实验过程中有相同之处，但理论上、实验和再现方法上都有着本质的区别。

普通照相是建立是以光沿直线传播为基础的理论，而全息照相是建立是以光的干涉为基础的理论；普通照相拍摄时，只记录物光波的振幅信息，而全息照相不仅记录了物光波的振幅信息，而且还记录了物光波的相位信息，因此记录的是物光波的全部信息；无论物体是三维的还是平面的，普通照相的照片的像都是平面的，全息照相由于记录了物光波的全部信息，若物体是三维的，再现全息图时则将看到与原物完全一样的立体图像。