激光原理答案(20220113225124).pdf

激光原理习题解答第一章习题解答1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM ，它的单色性0应为多少？解答：设相干时间为，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即cLc根据相干时间和谱线宽度的关系cLc1又因为00，00c，nm8.6320由以上各关系及数据可以得到如下形式：单色性 =00=cL0=101210328.61018 .632nmnm解答完毕2 如果激光器和微波激射器分别在10、 500nm和ZMH3000输出 1 瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt 时间内输出的能量为dE，则功率 =dE/dt 激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即dnhE，其中 n 为 dt 时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt 时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为） 由以上分析可以得到如下的形式：hdthdEn功率每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt, 带入上式，得到：13410626.61ssJhdtnNsJ功率每秒钟发射的光子数根据题中给出的数据可知：zHmmsc13618111031010103zHmmsc1591822105. 110500103zH63103000把三个数据带入，得到如下结果：19110031.5N，182105 .2N，23310031.5N3 设一对激光能级为E1 和 E2（f1=f2 ） ，相应的频率为（波长为 ） ，能级上的粒子数密度分别为n2 和 n1，求(a) 当 =3000 兆赫兹， T=300K的时候， n2/n1=? (b) 当 =1m ，T=300K 的时候， n2/n1=? (c) 当 =1m ，n2/n1=0.1时，温度 T=？解答 : 在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：TKEETkhffnnbb)(expexp121212（统计权重21ff）其中1231038062.1JKkb为波尔兹曼常数，T为热力学温度。

a)99.01038062.110626. 6expexp1233412TkJsJTkhnnb(b) 2112334121038.11038062.110626.6expexpTkJcsJTkhnnb(c) KnnkcsJnnkhTbb31234121026.6ln10626.6ln4 在红宝石调Q 激光器中，有可能将几乎全部3rC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为1cm，长度为 7.5cm，3rC离子浓度为319102cm，巨脉冲宽度为10ns，求激光的最大能量输出和脉冲功率解答：红宝石调 Q激光器在反转能级间可产生两个频率的受激跃迁，这两个跃迁几率分别是47% 和 53% ，其中几率占53% 的跃迁在竞争中可以形成694.3nm 的激光，因此，我们可以把激发到高能级上的粒子数看成是整个激发到高能级的3rC粒子数的一半（事实上红宝石激光器只有一半的激发粒子对激光有贡献）设红宝石棒长为L，直径为 d，体积为 V，3rC总数为 N，3rC粒子的浓度为n，巨脉冲的时间宽度为，则3rC离子总数为：42LdnVnN根据前面分析部分，只有N/2 个粒子能发射激光，因此，整个发出的脉冲能量为：hnLdhNE822脉冲功率是单位时间内输出的能量，即82hnLdEP解答完毕。

5 试证明，由于自发辐射，原子在2E能级的平均寿命为211As证明如下：根据自发辐射的定义可以知道，高能级上单位时间粒子数减少的量，等于低能级在单位时间内粒子数的增加即：spdtdndtdn212 -（其中等式左边表示单位时间内高能级上粒子数的变化，高能级粒子数随时间减少右边的表示低能级上单位时间内接纳的从高能级上自发辐射下来的粒子数再根据自发辐射跃迁几率公式：221211ndtdnA，把22121nAdtdnsp代入式，得到：2212nAdtdn对时间进行积分，得到：tAnn21202exp（其中2n随时间变化，20n为开始时候的高能级具有的粒子数 ）按照能级寿命的定义， 当1202enn时，定义能量减少到这个程度的时间为能级寿命，用字母s表示因此，121sA，即：211As证明完毕6 某一分子的能级E4到三个较低能级E1E2和E3的自发跃迁几率分别为A43=5*107s-1, A42=1*107s-1, A41=3*107s-1，试求该分子E4能级的自发辐射寿命4若 1=5*10-7s，2=6*10-9s，3=1*10-8s，在对E4连续激发且达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值n1/n4, n2/n4和 n3/n4，并说明这时候在哪两个能级间实现了集居数解: (1)由题意可知 E4上的粒子向低能级自发跃迁几率A4为: sAAAA77774342414109103101105-1 则该分子 E4能级的自发辐射寿命：sA8744101.110911结论 : 如果能级 u 发生跃迁的下能级不止1 条, 能级 u 向其中第 i 条自发跃迁的几率为Aui则能级 u 的自发辐射寿命为 : iuiNA1(2) 对E4连续激发并达到稳态, 则有 : 04321nnnn414111Ann,424221Ann,434331Ann（上述三个等式的物理意义是：在只考虑高能级自发辐射和E1能级只与E4能级间有受激吸收过程，见图）宏观上表现为各能级的粒子数没有变化由题意可得 : 414111Ann,则151051037714141Ann同理：06.01061019724242Ann，5 .01011058734343Ann进一步可求得 :25021nn，12.032nn由以上可知 : 在 E2和 E4;E3和 E4;E2和 E3能级间发生了粒子数反转. 7 证明，当每个模式内的平均光子数（光子简并度）大于1 时，辐射光中受激辐射占优势。

证明如下：按照普朗克黑体辐射公式，在热平衡条件下，能量平均分配到每一个可以存在的模上，即hnTkhhEb1exp（n为频率为 的模式内的平均光子数）由上式可以得到：1exp1TkhhEnb又根据黑体辐射公式：nchTkhTkhchbb333381exp11exp18根据爱因斯坦辐射系数之间的关系式2121338BAch和受激辐射跃迁几率公式2121BW，则可以推导出以下公式：212121212121338AWABBAchn如果模内的平均光子数（n）大于 1，即12121AWn， 则受激辐射跃迁几率大于自发辐射跃迁几率，即辐射光中受激辐射占优势证明完毕8 一质地均匀的材料对光的吸收系数为101.0mm，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？如果一束光通过长度为1M地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41A42A43A4E3E2E1E增益系数解答：设进入材料前的光强为0I， 经过z距离后的光强为zI，根据损耗系数zIdzzdI1的定义，可以得到：zIzIexp0则出射光强与入射光强的百分比为：%8.36%100%100exp%10010001. 001mmmmzezIzIk根据小信号增益系数的概念：zIdzzdIg10，在小信号增益的情况下，上式可通过积分得到14000000001093.610002lnlnlnexpexpmmzIzIgIzIzgIzIzgzgIzI解答完毕。

激光原理习题解答第二章习题解答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次，而且两次往返即自行闭合. 证明如下：（共焦腔的定义两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔公共焦点在腔内的共焦腔是实共焦腔， 反之是虚共焦腔两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明设两个凹镜的曲率半径分别是1R和2R，腔长为L，根据对称共焦腔特点可知：LRRR21因此，一次往返转换矩阵为211121222121221221221RLRLRLRLRRRLLRLDCBAT把条件LRRR21带入到转换矩阵T，得到：1001DCBAT共轴球面腔的稳定判别式子1211DA如果121DA或者121DA， 则谐振腔是临界腔， 是否是稳定腔要根据情况来定本题中，因此可以断定是介稳腔（）临界腔），下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔经过两个往返的转换矩阵式2T，10012T坐标转换公式为：1111112221001rrrTr其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。

2 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件解答如下： 共轴球面腔的21221222121RRLRLRLDA，如果满足1211DA，则腔是稳定腔，反之为非稳腔,两者之间存在临界腔，临界腔是否是稳定腔，要具体分析下面我们就根据以上的内容来分别求稳定条件对于平凹共轴球面腔，22122121222121RLRRLRLRLDA(1R) 所以，如果12112RL，则是稳定腔因为L和2R均大于零，所以不等式的后半部分一定成立，因此，只要满足12RL，就能满足稳定腔的条件，因此，12RL就是平凹腔的稳定条件类似的分析可以知道，凸凹腔的稳定条件是：LRR210,且LRR21双凹腔的稳定条件是：LR1，LR2（第一种情况）LR1，LR2且LRR21（第二种情况）221LRRR（对称双凹腔）求解完毕3 激光腔的谐振腔由一曲率半径为1M 的凸和曲率半径为2M 的凹面镜构成，工作物质长度为0.5M，其折射率为 1.52，求腔长1L在什么范围内谐振腔是稳定的解答如下： 设腔长为1L，腔的光学长度为L，已知IMR1，MR22，ML5. 00，11，52.12，根据21221222121RRLRLRLDA，代入已知的凸凹镜的曲率半径，得到：2212122212121LLMMLMLMLDA因为含有工作物质，已经不是无源腔，因此，这里L 应该是光程的大小（或者说是利用光线在均匀介质里传播矩阵）。

即52.15. 015.0120101LLLLL，代入上式，得到：211252.15.015.052.15. 015 .01121LLLLDA要达到稳定腔的条件，必须是1211DA，按照这个条件，得到腔的几何长度为：17. 217.11L，单位是米解答完毕5 有一方形孔径共焦腔氦氖激光器，腔长L=30CM ，方形孔径边长为d=2a=0.12CM ，=632.8nm，镜的反射率为 r1=1，r2=0.96，其他损耗以每程0.003 估计此激光器能否做单模运转？如果想在共焦镜面附近加一个方形小孔光阑来选择TEM00模，小孔的边长应为多大？试根据图2.5.5 作一大略的估计氦氖激光器增益由公式dlelg410310估算，其中的l 是放电管长度分析：如果其他损耗包括了衍射损耗，则只考虑反射损耗及其他损耗的和是否小于激光器的增益系数，增益大于损耗，则可产生激光振荡如果其他损耗不包括衍射损耗，并且菲涅尔数小于一，则还要考虑衍射损耗，衍射损耗的大小可以根据书中的公式00=10.9*10-4.94N来确定，其中的N 是菲涅尔数解答：根据dlelg410310，可以知道单程增益g0L=ln(1+0.0003L/d)=0.0723 由于反射不完全引起的损耗可以用公式2.1.24 或者 2.1.25 来衡量根据 2.1.24 得到：r -0.5lnr1r2=0.0204根据题意，总的损耗为反射损+其他损耗，因此单程总损耗系数为=0.0204+0.0003 g0L 如果考虑到衍射损耗，则还要根据菲涅尔数来确定衍射损系数：此方形共焦腔氦氖激光器的菲涅尔数为：N=a2/(L)=7.6 ，菲涅尔数大于一很多倍，因此可以不考虑衍射损耗的影响。

通过以上分析可以断定，此谐振腔可以产生激光振荡又根据氦氖激光器的多普勒展宽达到1.6GHZ，而。