2022年不得不看的激光原理试题,考试必备 .docx
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1、精品_精品资料_激光原理复习题 页码是按第五版书标注的,黄色底纹的页码是按第六版书标注的填空 6424简答 6636运算 121527论述 1 13131. 什么是光波模式和光子态?什么是相格?Page5答:光波模式 page5:在一个有边界条件限制的空间V 内,只能存在一系列独立的具有特定波矢 k 的平面单色驻波.这种能够存在于腔内的驻波(以某一波矢k 为标志)称为光波模式.光子态 page6:光子在由坐标与动量所支撑的相空间中所处的状态, 在相空间中,光子的状态对应于一个相格.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_xyzxyz相格 page6:在三维运动情形下,测不准关系为相空间
2、中,一个光子态对应(或占有)的相空间体积元为相空间体积元称为相格.xy z PPPh3 ,故在六位x yz PPPh 3 ,上述可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2. 如何懂得光的相干性?何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积?Page7答:光的相干性 page7:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_相干时间 page7:光沿传播方向通过相干长度间.Lc 所需的时间,称为相干时可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_相干长度:相干光能产生干涉效应的最大光程差,等于光源发出的光波的波列长度.相干面积:
3、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_相干体积 page7:假如在空间体积就Vc 称为相干体积.Vc 内各点的光波场都具有明显的相干性,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_3. 何谓光子简并度,有几种相同的含义?激光源的光子简并度与它的相干性什么联系? Page9答:光子简并度 page9:处于同一光子态的光子数称为光子简并度.光子简并度有以下几种相同含义page9:同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数.联系:激光源的光子简并度打算着激光的相干性,光子简并度越高,激光源的相干性越好.4. 什么是黑体辐射?写出 Planck 公式,
4、并说明它的物理意义. Page10答:黑体辐射 page10:当黑体处于某一温度 T 的热平稳情形下,它所吸取的辐射能量应等于发出的辐射能量,即黑体与辐射场之间应处于能量(热)平稳状态,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_这种平稳必定导致空腔内存在完全确定的辐射场,这种辐射场称为黑体辐射或平稳辐射.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Planck 公式 page10:8h 313h可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_cekb T1物理意义 page10:在单位体积内,频率处于邻近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量.5. 描述能级的光学跃迁的三大过程,并写出它
5、们的特点和跃迁几率.Page10答: 1自发辐射可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_过程描述 page10:处于高能级E2 的一个原子自发的向E1 跃迁,并发射一个能可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_量为 h的光子,这种过程称为自发跃迁,由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射.特点: a 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光. b 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元,原子之间毫无联系而且各个原子开头发光的时间参差不一,所以各列光波频率虽然相同,均为 ,各列光波之间没有固定的相位关系,各有不同的偏振方向,而且各个原子所发的光将
6、向空间各个方向传播,即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的 随机过程,所以自发辐射的光是非相干光.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_自发跃迁爱因斯坦系数:(2) 受激吸取1A21s可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_过程描述 page12处于低能态E1 的一个原子,在频率为的辐射场作用(激可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_励)下,吸取一个能量为h的光子并向迁.E2 能态跃迁,这种过程称为受激吸取跃可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_特点: a 只有外
7、来光子能量hE2E1时,才能引起受激辐射.b跃迁概率不可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_仅与原子性质有关,仍与辐射场的有关.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_受激吸取跃迁概率 page12: W12为辐射场)(3) 受激辐射B12v (B12 为受激吸取跃迁爱因斯坦系数,v可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_过程描述 page12:处于上能级E2 的原子在频率为的辐射场作用下,跃迁至可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_低能态E1 并辐射一个能量为
8、h的光子.受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_特点: a 只有外来光子能量hE2E1 时,才能引起受激辐射. b 受激辐射所可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_发出的光子与外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全相同.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_受激辐射跃迁概率:场)W21B21v (B21 为受激辐射跃迁爱因斯坦系数,v 为辐射可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_6. Einstein 系数有哪些?它们之间的关系是什么?Page13可编辑资料
9、- - - 欢迎下载精品_精品资料_答:系数 page11-12 :自发跃迁爱因斯坦系数A21 ,受激吸取跃迁爱因斯坦系数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_B12 ,受激辐射跃迁爱因斯坦系数B218h 3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_关系 page13: B21 f1B12f2 , A21c3B21 ,f1, f 2 为E1, E2 能级的统计权重 简并度 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_7. 试证明,由于自发辐射,原子在E2 能级的平均寿命为1sA21.Page13可编辑资料 - - - 欢迎下载
10、精品_精品资料_证明:依据自发跃迁概率定义A21dn21 dt11sp n2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_dn21 sp 表示在 dt 时间内由于自发跃迁引起的由E2 向 E1 跃迁的原子数.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_在单位时间内能级E 削减的粒子数为dn2dn21将1式带入得dn2A n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_dtdtsp21 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2dt由此式可得n tn e A21t ( n为t0 时刻高能级具有的粒子数)可编辑资料 - - - 欢迎
11、下载精品_精品资料_220所以自发辐射的平均寿命201sn0n2tdt1n20en0A21t dt1 A可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_202021可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_8. 一质的匀称的材料对光的吸取系数0.01 mmz强为入射光强的百分之几? Page23( 8)1 ,光通过 10 cm 长的该材料后,出射光可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_解:设进入材料前的光强为I 0 ,经过距离 z 后的光强为I z ,就IzI 0e可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_所以出射光强与入射
12、光强之比强的 36.8% .I outI 0ele0.01 100e 10.368 .所以出射光强占入射光可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_9. 激光器主要由哪些部分组成?各部分的作用是什么?答:激光工作物质:用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系.接收来自泵浦源的能量,对外发射光波并能够剧烈发光的活跃状态,也称为激活物质.泵浦源:供应能量,实现工作物质的粒子数反转.光学谐振腔: a供应轴向光波模的正反馈.b 模式挑选,保证激光器单模振荡,从而提高激光器的相干性.10. 什么是热平稳时能级粒子数的分布?什么是粒子数反转?如何实现粒子数反转? Page15答:热平稳时能
13、级粒子数的分布page15:在物质处于热平稳状态时,各能级上的E2 E1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_原子数(或集居数)听从玻尔兹曼分布n2f2 en1f1kb T.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_粒子数反转:使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度.如何实现粒子数反转page15:外界向物质供应能量(称为鼓励或泵浦过程),从而使物质处于非平稳状态.11. 如何定义激光增益?什么是小信号增益?大信号增益?增益饱和?Page16可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_答:激光增益定义 p15:设在光传播方向上 z 处的光强为dI z1I z ,就增益系数定
14、义为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_gdzI z,表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_小信号增益 p16 :当光强很弱时,集居数差值n2n1 不随 z 变化,增益系数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为一常数g0 ,称为线性增益或小信号增益.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_大信号增益 p17 :在放大器中入射光强I 与I s I s 为饱和光强 相比拟时,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品
15、资料_g I g0,为大信号增益.1I可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_I s增益饱和 p16 :当光强足够强时,增益系数g 也随着光强的增加而减小,这一现象称为增益饱和效应.12. 什么是自激振荡?产生激光振荡的条件是什么?Page17可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_答:自激振荡 p18:不管初始光强I 0 多么柔弱,只要放大器足够长,就总是形成可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_确定大小的光强I m ,这就是自激振荡的概念.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_产生条件 p18: g 0,
16、g0 为小信号增益系数,为包括放大器损耗和谐振腔可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_损耗在内的平均损耗系数.13. 激光的基本特性是什么? Page19答:激光四性:单色性、相干性、方向性和高亮度.这四性可归结为激光具有很高的光子简并度. 14如何懂得激光的空间相干性与方向性?如何懂得激光的时间相干性?如何懂得激光的相干光强 . Page19-23答: 1激光的方向性越好,它的空间相干性程度越高.p19可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_(2) 激光的相干时间c 和单色性存在着简洁关系cB时间越长. p211 ,即单色越好,相干可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品
17、资料_(3) 激光具有很高的亮度,激光的单色亮度2hn ,由于激光具有极好的方可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2向性和单色性,因而具有极高的光子简并度和单色亮度.p2215. 什么是谐振腔的谐振条件?如何运算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目? Page27-28可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_答: 1 谐振条件 p27 :谐振腔内的光要满意相长干涉条件(也称为驻波条件).波从某一点动身,经腔内来回一周再回到原先位置时,应与初始动身波同相(即相差为 2的整数倍).假如以表示匀称平面波在腔内来回一周时的相位滞后,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_就可以
18、表示为22Lq 2q. q 为光在真空中的波长,L为腔的光学长度, q可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为正整数.q2如何运算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目p27-28 :可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_纵模的频率 : qqc.纵模间隔 :c 2L2L可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_.纵模的数目 :对于满意谐振条件频率为q 的波,其纵模数目Nosc q1 ,osc可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为小信号增益曲线中大于阈值增益系数宽.Gt 的那部分曲线所对应的频率范畴振荡带可编辑资料
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