激光原理課后習(xí)題.doc

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1、第1章習(xí)題1.簡(jiǎn)述激光器的基本結(jié)構(gòu)及各部分的作用。2.從能級(jí)躍遷角度分析,激光是受激輻射的光經(jīng)放大后輸出的光。但是在工作物質(zhì)中,自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三個(gè)過程是同時(shí)存在的,使受激輻射占優(yōu)勢(shì)的條件是什么?采取什么措施能滿足該條件?3.敘述激光與普通光的區(qū)別,并從物理本質(zhì)上闡明造成這一區(qū)別的原因。4.什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?5.由兩個(gè)反射鏡組成的穩(wěn)定光學(xué)諧振腔腔長(zhǎng)為0.5m,腔內(nèi)振蕩光的中心波長(zhǎng)為632.8nm,求該光的單色性Dl/l的近似值。6.為使He-Ne激光器的相干長(zhǎng)度達(dá)到1km,它的單色性Dl/l應(yīng)是

2、多少?7.在2cm3的空腔內(nèi)存在著帶寬為0.1nm,波長(zhǎng)為0.5mm的自發(fā)輻射光。試問:(1)此光的頻帶范圍Dn是多少?(2)在此頻帶范圍內(nèi),腔內(nèi)存在的模式數(shù)是多少?(3)一個(gè)自發(fā)輻射光子出現(xiàn)在某一模式的幾率是多少?8.設(shè)一光子的波長(zhǎng)為5′10-1mm,單色性Dl/l=10-7,試求光子位置的不確定量Dx。若光子波長(zhǎng)變?yōu)?′10-4mm(X射線)和5′10-8mm(g射線),則相應(yīng)的Dx又是多少?9.設(shè)一對(duì)激光(或微波輻射)能級(jí)為E2和E1,兩能級(jí)的簡(jiǎn)并度相同,即g1=g2,兩能級(jí)間躍遷頻率為n(相應(yīng)的波長(zhǎng)為l),能級(jí)上的粒子數(shù)密度分

3、別為n2和n1。試求在熱平衡時(shí):(1)當(dāng)n=3000MHz,T=300K時(shí),n2/n1=?(2)當(dāng)l=1mm,T=300K時(shí),n2/n1=?(3)當(dāng)l=1mm,n2/n1=0.1時(shí),T=?10.有一臺(tái)輸出波長(zhǎng)為632.8nm,線寬Dns為1kHz,輸出功率P為1mW的單模He-Ne激光器,如果輸出光束直徑為1mm,發(fā)散角q0為1mrad,試問:(1)每秒發(fā)出的光子數(shù)目N0是多少?(2)該激光束的單色亮度是多少?(提示,單模激光束的單色亮度為)11.在2cm3的空腔內(nèi)存在著帶寬為1′10-4mm,波長(zhǎng)為5′10-1mm的自發(fā)輻射光。試問

4、:(1)此光的頻帶范圍是多少?(2)在此頻帶寬度范圍內(nèi),腔內(nèi)存在的模式數(shù)是多少?(3)一個(gè)自發(fā)輻射光子出現(xiàn)在某一模式的幾率是多少?第2章習(xí)題1.均勻加寬和非均勻加寬的本質(zhì)區(qū)別是什么?2.為什么原子(分子,離子)在能級(jí)上的有限壽命會(huì)造成譜線加寬?從量子理論出發(fā),闡明當(dāng)下能級(jí)不是基態(tài)時(shí),自然線寬不僅和上能級(jí)的自發(fā)輻射壽命有關(guān),而且和下能級(jí)的自發(fā)輻射壽命有關(guān),并給出譜線寬度與激光上、下能級(jí)壽命的關(guān)系式。3.什么是多普勒加寬?從物理本質(zhì)上闡明為什么氣體工作物質(zhì)的溫度越高,分子量(原子量)越小,多普勒加寬越大?4.三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)

5、別是什么?為什么三能級(jí)系統(tǒng)比四能級(jí)系統(tǒng)難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?5.結(jié)合能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,推導(dǎo)三能級(jí)系統(tǒng)的小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度分布公式,并分析影響因素。6.什么是反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的飽和效應(yīng)?7.什么是增益飽和效應(yīng)?均勻加寬工作物質(zhì)和非均勻加寬工作物質(zhì)的增益飽和的基本特征有何異同?8.在均勻加寬工作物質(zhì)中,為什么入射光的頻率越接近介質(zhì)的中心頻率增益飽和效應(yīng)越強(qiáng),越遠(yuǎn)離中心頻率增益飽和效應(yīng)越弱?9.如果工作物質(zhì)的某一躍遷是波長(zhǎng)為100nm的遠(yuǎn)紫外光,自發(fā)輻射躍遷幾率A10=106/s,問:(1)該躍遷的受激輻射愛因斯坦系數(shù)B10是多少?(2)為使受

6、激躍遷幾率比自發(fā)輻射躍遷幾率大3倍,腔內(nèi)單色能量密度rn應(yīng)為多少?10.考慮某二能級(jí)工作物質(zhì),其E2能級(jí)的自發(fā)輻射壽命為ts2,無輻射躍遷壽命為tnr2。假設(shè)在t=0時(shí)刻E2上的原子數(shù)密度為n20,工作物質(zhì)的體積為V,自發(fā)輻射光的頻率為n,求:(1)自發(fā)輻射光功率隨時(shí)間t的變化規(guī)律;(2)能級(jí)E2上的原子在其衰減過程中總共發(fā)出的自發(fā)輻射光子數(shù);(3)自發(fā)輻射光子數(shù)與初始時(shí)刻能級(jí)E2上的粒子數(shù)之比h2(h2稱為量子產(chǎn)額或E2能級(jí)向E1能級(jí)躍遷的熒光效率)。1.476eV0.08eV11.某激光工作物質(zhì)的自發(fā)輻射譜線形狀呈三角形,如圖所示

7、。光子能量hn0=1.476eV。高能級(jí)自發(fā)輻射壽命ts2=5ns,小信號(hào)中心頻率增益系數(shù)g0(n0)=10cm-1。求:(1)中心頻率處線型函數(shù)的值。(2)達(dá)到上述小信號(hào)中心頻率增益系數(shù)所需要的小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度(假設(shè)折射率h=1)。12.靜止氖原子的3S2-2P4譜線中心波長(zhǎng)為632.8nm,設(shè)原子分別以0.1c,0.4c和0.8c的速度向著觀察者運(yùn)動(dòng),問其表觀中心波長(zhǎng)分別為多少?13.He-Ne激光器中,Ne20的632.8nm譜線的躍遷上能級(jí)3S2的自發(fā)輻射壽命為ts2?2′10-8s,下能級(jí)2P4的自發(fā)輻射壽命ts1?2′

8、10-8s,放電管氣壓P?266Pa,放電管溫度T=350K,試求(1)均勻加寬線寬DnH;(2)多普勒線寬DnD;(3)分析在該激光器中,哪種加寬占優(yōu)勢(shì)(已知氖原子的碰撞加寬系數(shù)a=750KHz/Pa)。14.已知紅寶

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