激光物理简答题
第一章 激光器的基本原理
1、问:产生激光的条件是什么?(戴大鹏)
答:1. 受激辐射是激光产生的必要条件;2. 要形成激光,工作物质必须具有亚稳态能级,这是产生激光的第二个条件;3. 选择适当的物质,使其在亚稳态能级上的电子比低能级上的电子还多,即形成粒子束反转,这是形成激光的第三个条件;4. 激光中开始产生的光子是自发辐射产生的,其频率和方向是杂乱无章的。要使得频率单纯,方向集中,就必须有一个谐振腔,这是形成激光的第四个条件;5. 只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子要多得多,才能有放大作用,这是产生激光的第五个条件。
2、问:什么是粒子数反转?(钟双金)
粒子数反转(population inversion)是激光产生的前提。两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。在热平衡状态下,粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律,这种情况得不到激光。为了得到激光,就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目,因为E2上的原子多,发生受激辐射,使光增强(也叫做光放大)。为了达到这个目的,必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2,处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。 实现粒子数反转的条件:通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级:低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料,称为电激励;也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出,必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。
3、什么叫纵模、横模? 由谱线宽度和腔长来估算可能振荡的纵模数目
答案:光场在腔内的纵向和横向分布分别叫做纵模和横模。 横模数目n=谱线宽度/c
纵模数目n=谱线宽度/(c/2*腔长L )
第二章 激光器的速率方程理论
答案:
第三章 密度矩阵
1:考虑衰减过程、原子的泵浦或激发过程,写出在初始光场为零时的光学布洛赫方程并说明各项含义。 答:ρab =-(i +γ⊥)ρab +i
-1
V ab (ρaa -ρbb )
ρaa =λ' a -γa ρaa -(i ρbb =λ' b -γb ρbb +(i
-1
V ab ρba +c.c. )
-1
V ab ρba +c.c. )
-1
(ρaa -ρbb )=-γ⎡⎣i ⎣(ρaa -ρbb )-(ρaa -ρbb )0⎤⎦-2⎡
(1)-γa ρaa ,-γb ρbb 代表粒子数的衰减。 (2)-γ⊥ρab 代表偶极矩的衰减。
V ab ρba +c.c. ⎤⎦
(3)ρab =-i ωρab 的项,这是光场为零、衰减为零时的电偶极震荡,振荡频率等于原子跃迁频率。
(4)(ρaa -ρbb )中的最后一项2⎡⎣i (5)ρab 中的最后一项i
-1
-1
V ab ρba +c.c. ⎤⎦是受激辐射项。
V ab (ρaa -ρbb )表示光与原子(偶极子)的能量交换。
2:什么是密度矩阵?二阶密度矩阵的物理意义是什么?什么情况下是纯系综密度矩阵,什么情况下是混合系综密度矩阵?
⎡ρ
答:密度矩阵是量子统计中描述系统状态的量,对于 ⎢aa
⎣ρba ρab ⎤
来说,其中⎥ρbb ⎦
a 为上能级,b 为下能级,ρaa 为原子在上能级的概率,ρbb 为原子在下能级的概率,ρab 为原子电偶极矩的正频分量,ρba 为原子电偶极矩的负频分量。当一个量子力学系统的波函数是已知的,该系统的状态可由纯系综密度矩阵描述,
对于不知道态矢量,只知道一定统计性质的量子力学系统,我们就用混合系综密度矩阵描述。
3:激光半经典理论的近似条件主要有哪些?
答:二能级近似,原子之间没有直接作用,电偶极近似,旋转波近似,慢变振幅近似,绝热近似
第四章 麦克斯韦—布洛赫方程
1、M —B 方程为:
请简述M —B 方程的物理意义。
答: ∆E ∙ μ ∙
μ
—1∙∙
(x , t )-2E (x , t )-μ0σE (x , t )=μ0ω
c
1
α=-i μ-γ⊥αμ-E (x μ, t )θab d μ
i 2*
d =-γ||(d μ-d 0)+E (x μ, t )θab αμ-αμθba N ' D 0
i ∙∙
()
()
(1)
p (x , t )中的极化强度是场的辐射源,而p (x , t )又和αμ有关。
' d D D N 0 所以d 0与D 0有直接联系,反转00(2)是无光场时的反转粒子数,=
粒子方程的第一项代表纵向弛豫或耗散,第二项代表光与原子的相干作用,忽略衰减或耗散时的作用。
(3)电偶极矩方程中第一项代表
ω
—
γ 的自由振荡,第二项代表耗散,⊥是
—
γ横向弛豫速率,电偶极子一边以角频率ω振荡,一边按⊥衰减,其辐射必有一γ定宽度,而谱线的半极大点的半宽度即等于⊥。
α
(4)利用反转粒子数D 与d ,极化强度p (x , t )与μ(原子电偶极矩)的关系。
2、行波与二能级原子作用的M —B 方程
(-)(+)
()E x , t P -P 在讨论反转粒子数方程(4.55);这一项该如何简
[]
化?
(+)(-)(+)(+)(-)(-)(-)(+)(-)(+)
=E P -E P +E P -E P []()E x , t P -P
答: 由
E (+)
,P
(+)
,E
(-)
,P
(-)
的表达式显而易见,
E (+)
P (+),E (-)P (-)是分别按
⎡⎛-⎡⎛-⎫⎤⎫⎤exp ⎢-i ω-ω⎪t ⎥exp ⎢i ω-ω⎪t ⎥(+)
⎭⎦振荡项,相对于E ⎭⎦ 和 ⎣⎝⎣⎝
可
以
用
旋
转
波
近
(+)
P (-)这种项我们
,
故
。
似将它们略去
⎡
E (x , t )⎢P
⎣
(-)
-P
(+)⎤
⎥≈E 0⎦
(x , t )P 0(-)(x , t )+E 0(-) (x , t )P 0(+)(x , t )
a λa λ
*
3、(1)问:在量纲为1的哈肯的场方程中,
答:
的物理意义是什么?
a λa λ
*
代表第λ个模的光子数。
(2)为什么将a λ称为光场振幅? 答:因为a λ与正频率光场E λ
(+)
只差一个常数因子。
+
(3)在全量子理论中,a λ和a λa λ分别代表什么?
答:a λ是第λ个模的光子的消灭算符,a λa λ就是第λ个模的光子数算符。
+
第五章 哈肯的半经典激光理论
1. 激光器的定态光强与那些因素有关? 定态光强正比于增益与损耗之差。
2. 激光器的模式频率、原子跃迁频率、激光频率之间的关系? 当Ωc ≠ω时,原子跃迁频率ω与激光频率ω不相等,也不等于被动腔的模频率Ωc 。只有当原子跃迁频率与腔的模频率相等,即ω=Ωc 时,激光频率才等于原子跃迁频率和腔的模频率。
3. 速率方程的适用条件是什么?为什么不能解释锁模? (1)γ⊥>>κ, γ//, 即只适于B 类激光器。
(2)ωλ=Ωλ,ωλ和Ωλ分别是激光频率和模式频率。这说明速率方程不能计算出激光频率。
(3)〈a λa *λ〉=n λδλλ,即不同的模的振荡的位相无关。因此对于位
`
`
相锁定的锁模激光器不能使用速率方程解释。