文档介绍：激光原理复****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)
填空简答计算论述
?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内,只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波(以某一波矢为标志)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。
相格(page6):在三维运动情况下,测不准关系为,故在六位相空间中,一个光子态对应(或占有)的相空间体积元为,上述相空间体积元称为相格。
?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。
相干时间(page7):光沿传播方向通过相干长度所需的时间,称为相干时间。
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:
相干体积(page7):如果在空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性,则称为相干体积。
,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决定着激光的相干性,光子简并度越高,激光源的相干性越好。
?写出公式,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的热平衡情况下,它所吸收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)平衡状态,这种平衡必然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衡辐射。
公式(page10):
物理意义(page10):在单位体积内,频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。
,并写出它们的特征和跃迁几率。Page10
答:(1)自发辐射
过程描述(page10):处于高能级的一个原子自发的向跃迁,并发射一个能量为的光子,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。
特征: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始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。
自发跃迁爱因斯坦系数:
(2)受激吸收
过程描述(page12)处于低能态的一个原子,在频率为的辐射场作用(激励)下,吸收一个能量为的光子并向能态跃迁,这种过程称为受激吸收跃迁。
特征:a) 只有外来光子能量时,才能引起受激辐射。b)跃迁概率不仅与原子性质有关,还与辐射场的有关。
受激吸收跃迁概率(page12):(为受激吸收跃迁爱因斯坦系数,为辐射场)
(3)受激辐射
过程描述(page12):处于上能级的原子在频率为的辐射场作用下,跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。
特征:a) 只有外来光子能量时,才能引起受激辐射;b) 受激辐射所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。
受激辐射跃迁概率:(为受激辐射跃迁爱因斯坦系数,为辐射场)
?它们之间的关系是什么?Page13
答:系数(page11-12):自发跃迁爱因斯坦系数,受激吸收跃迁爱因斯坦系数,受激辐射跃迁爱因斯坦系数
关系(page13):,,为能级的统计权重(简并度)
,由于自发辐射,原子在能级的平均寿命为。Page13
证明:根据自发跃迁概率定义
表示在时间内由于自发跃迁引起的由向跃迁的原子数。
在单位时间内能级减少的粒子数为将(1)式带入得
由此式可得(为时刻高能级具有的粒子数)
所以自发辐射的平均寿命
,光通过10长的该材料后,出射光强为入射光强的百分之几?Page23(8)
解:设进入材料前的光强为,经过距离z后的光强为,则
所以出射光强与入射光强之比。所以出射光强占入射光强的。
?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