激光原理及应用思考练习题答案

思考练习题11 试计算持续功率均为1W的两光源，分别发射0.5000mm，=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： 2热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密度为n1，设，求：(1)当原子跃迁时相应频率为3000MHz，T300K时n2/n1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长1m，n2/n10.1时，则温度T为多高？答：（1）则有： （2）3已知氢原子第一激发态(E2)与基态(E1)之间能量差为1.64×l018J，设火焰(T2700K)中具有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g1g2。求：(1)能级E2上的原子数n2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n2，求光的功率为多少瓦？答：（1）且可求出 （2）功率4(1)一般光源发射0.6000mm波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比，求此时单色能量密度为若干？(2)在HeNe激光器中若，为0.6328mm，设1，求为若干？答：（1） （2） 5在红宝石Q调制激光器中，有也许将所有Cr3(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为2×1018cm3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943mm激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命102s，问自发辐射功率为多少瓦？答：（1）最大能量 脉冲平均功率 （2）6试证单色能量密度公式，用波长来表达应为证明： 7. 试证明，黑体辐射能量密度为极大值的频率由关系给出，并求出辐射能量密度为极大值的波长与的关系。答：（1）由 可得： 令，则上式可简化为： 解上面的方程可得：即： （2）辐射能量密度为极大值的波长与的关系仍为 8由归一化条化证明(165a)式中的比例常数证明： ，由归一化条件且是极大的正数可得：9试证明：自发辐射的平均寿命，为自发辐射系数。证明：自发辐射时在上能级上的粒子数按（1-26）式变化：自发辐射的平均寿命可定义为 式中为时刻跃迁的原子已在上能级上停留时间间隔产生的总时间，因此上述广义积分为所有原子在激发态能级停留总时间，再按照激发态能级上原子总数平均，就得到自发辐射的平均寿命。将（1-26）式代入积分即可得出 10光的多普勒效应中，若光源相对接受器的速度为，证明接受器接受到的频率，在一级近似下为：证明：即证11静止氖原子的3S2®2P4谱线的中心波长为0.6328mm，设氖原子分别以±0.1c,±0.5c的速度向着接受器运动，问接受到的频率各为多少？答：同理可求：； ；12设氖原子静止时发出0.6328mm红光的中心频率为4.74×1014Hz，室温下氖原子的平均速率设为560m/s。求此时接受器接受频率与中心频率相差若干？答：13(1) 一质地均匀的材料对光的吸取为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) 光束通过长度为1m的均匀激活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。答；（1）（2）思考练习题21. 运用下列数据，估算红宝石的光增益系数n2n15´1018cm-3，1/f(n)2×1011 s-1，3´10-3s，0.6943mm，l.5，g1g2。答：2. He-Ne激光器中，Ne原子数密度n0n1+n2l012 cm-3，1/f(n)15×109 s-1，0.6328mm，10-17s，g33，g25，,又知E2、E1能级数密度之比为4，求此介质的增益系数G值。答：3. (a)要制作一种腔长L60cm的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范畴如何？(b)稳定腔的一块反射镜的曲率半径R14L，求另一面镜的曲率半径取值范畴。答：（a）； （b）4. 稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R140cm，R2100cm，求腔长L的取值范畴。答：5. 试证非均匀增宽型介质中心频率处的小讯号增益系数的体现式(2-28)。证明：即证。6. 推导均匀增宽型介质，在光强I，频率为n的光波作用下，增益系数的体现式(2-19)。证明：而：根据上面两式可得：；即证。7. 设均匀增宽型介质的小讯号增益曲线的宽度为，求证，IIS时的稳定工作时讯号增益曲线的线宽为，并阐明其物理意义。证明：（1）当时，增益系数的最大值为：；当增益系数的最大值为增益系数的最大值的一半时，即时，相应有两个频率为：（2）物理意义：当光强时，介质只在范畴内对光波有增益作用，在此范畴外增益可忽视不计，而光波也只在这个线宽范畴内对介质有增益饱和作用。8. 研究激光介质增益时，常用到“受激发射截面”(cm2)概念，它与增益系数(cm1)的关系是，为反转粒子数密度，试证明：具有上能级寿命为，线型函数为的介质的受激发射截面为。证明：9. 饱和光强是激光介质的一种重要参数。证明均匀增宽介质在中心频率处的饱和光强，并计算均匀增宽介质染料若丹明6G在0.5950mm处的饱和光强。(已知t5.5×l 09s，4.66×1013Hz，1.36)答：(1)(2) 10. 实验测得He-Ne激光器以波长0.6328m工作时的小讯号增益系数为G03´104/d(cm-1)，d为腔内毛细管内径(cm)。以非均匀增宽计算腔内光强I50Wcm2的增益系数G(设饱和光强Is30Wcm2时，d1mm)，并问这时为保持振荡稳定，两反射镜的反射率(设r1r2，腔长0.1m)最小为多少(除透射损耗外，腔内其他损耗的损耗率9´104cm-1)?又设光斑面积A0.11mm2，透射系数0.008，镜面一端输出，求这时输出功率为多少毫瓦。答：（1）（2）（3）11. 求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知6328Å，1/f(n)109Hz，1，设总损耗率为，相称于每一反射镜的等效反射率RlL98.33，107s，腔长L0.1m。答： 12. 红宝石激光器是一种三能级系统，设Cr3的n01019cm3，t21=3´10-3s，今以波长0.5100mm的光泵鼓励。试估算单位体积的阈值抽运功率。答：13. YAG激光器为四能级系统。已知1.8×1016cm3，t322.3´10-4s。如以波长0.75mm的光泵鼓励。求单位体积的阈值功率并与上题比较红宝石的阈值功率是它的几倍。答：(1)(2)倍数65/2.1=3113思考练习题31腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率5.85´l014Hz，荧光线宽6´l08 Hz，问它也许存在几种纵模?相应的q值为多少？ (设=1)答：，则也许存在的纵模数有三个，它们相应的q值分别为：，q1=1950001，q119499992HeNe激光器的中心频率4.74×1014Hz，荧光线宽1.5´l09Hz。今腔长Llm，问也许输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？答：，即也许输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则：故腔长最长不得不小于。3（1）试求出方形镜对称共焦腔镜面上模的节线位置的体现式(腔长L、光波波长l、方形镜边长a)（2）这些节线与否等间距？答：（1）（2）这些节距是等间距的4持续工作的CO2激光器输出功率为50W，聚焦后的基模有效截面直径50mm，计算(1)每平方厘米平均功率(50W为有效截面内的功率) (2)试与氩弧焊设备(104Wcm2)及氧乙炔焰(103Wcm2)比较，分别为它们的多少倍？答：（1）每平方厘米的平均功率为： （2）；是氩弧焊的倍。；是氧乙炔焰的倍。5(a)计算腔长为1m的共焦腔基横模的远场发散角，设6328Å，10km处的光斑面积多大。(b)有一一般探照灯，设发散角为2°，则1km远处的光斑面积多大？答：（1）基横模的远场发散角（2）10km处的光斑尺寸10km处的光斑面积（3）1km处的光斑尺寸1km处的光斑面积6激光的远场发散角(半角)还受到衍射效应的限制。它不能不不小于激光通过输出孔时的衍射极限角(半角)1.22/d。在实际应用中远场发散角常用爱里斑衍射极限角来近似。 试计算腔长为30cm的氦氖激光器，所发波长6328Å的远场发散角和以放电管直径d2mm为输出孔的衍射极限角。答：（1）远场发散角 （2）衍射极限角7一共焦腔(对称)L0.40m，0.6328mm，束腰半径，求离腰56cm处的光束有效截面半径。答：8试讨论非共焦腔谐振频率的简并性、纵模间隔及横模间隔，并与共焦腔进行比较。答：非共焦腔的谐振频率体现式为：！）简并性：对于纵模来说非共焦腔的谐振频率一般不具有简并性，除非时才浮现纵模的简并；如果纵模序数一定，不同的横模可以存在一定的简并，只要mn不变，谐振频率就相似。2）纵模间隔：，与共焦腔是一致的；3）横模间隔：，不仅与腔长有关还与介质的折射率、镜面的曲率半径有关，这与共焦腔是不同的。9考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔，波长0.5145mm，腔长L1m，腔镜曲率半径R1=1.5m，R2=4m。试计算光腰尺寸和位置，两镜面上的光斑尺寸，并画出等效共焦腔的位置。答：（1）束腰半径（2）束腰位置m；（3）两镜面上的光斑尺寸分别为：（4）10欲设计一对称光学谐振腔，波长10.6mm，两反射镜间距L2m，如选择凹面镜曲率半径R=L，试求镜面上光斑尺寸。若保持L不变，选择，并使镜面上的光斑尺寸0.3cm，问此时镜的曲率半径和腔中心光斑尺寸多大？答：（1）镜面光斑尺寸（此时可把它看作对称共焦腔）：（2）此时不能当作对称共焦腔，但是仍然是对称光学谐振腔，只是，根据（3-50）式可得镜面光斑尺寸为（舍去一种与L近似相等的解）：（3）11试从（381）式出发，证明非均匀增宽激光器最佳输出功率若用最佳透射率表达有：。证明：由（3-82）有：整顿上式可得：，式中t即为最佳透射率tm则最佳输出功率12考虑如图（318）所示的He-Ne激光器，设谐振腔的腔镜为圆形镜。试求TEM00和TEM10模之间的频率差。假定TEM00q模的单程衍射损耗00<0.1%，试问：维持该激光器振荡的最小增益系数为多大？图（318） 习题三 第12题答：1）由于，因此此谐振腔为稳定腔；圆形镜一般稳定球面腔的谐振频率为：因此TEM00与TEM10之间的频率差为：2）考虑激光器的内部损耗完全由单程衍射损耗导致，由（2-36）式有：即： 思考练习题41腔长30 cm的氦氖激光器荧光线宽为1500MHz，也许浮现三个纵横。用三反射镜法选用单纵横，问短耦合腔腔长()应为若干。答：； 2He-Ne激光器辐射6328Å光波，其方形镜对称共焦腔，腔长L0