第一章 激光的基本原理习题2如果激光器和微波激射器分别在、和输出1W连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？解：若输出功率为P，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n，则：由此可得：其中为普朗克常数，为真空中光速。所以，将已知数据代入可得：时：时：时：3设一对激光能级为和()，相应的频率为(波长为)，能级上的粒子数密度分别为和，求(a) 当，T=300K时，(b) 当，T=300K时，(c) 当，时，温度T=？解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从波尔兹曼统计分布：(a) 当，T=300K时：(b) 当，T=300K时： (c) 当，时：6某一分子的能级到三个较低能级、和的自发跃迁几率分别是，和，试求该分子能级的自发辐射寿命。若，在对连续激发并达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值、和，并回答这时在哪两个能级间实现了集居数反转。解：该分子能级的自发辐射寿命为：在连续激发时，对能级、和分别有：所以可得：很显然，这时在能级和之间实现了粒子数反转。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：受激辐射跃迁几率为受激辐射跃迁几率与自发辐射跃迁机率之比为式中，表示每个模式内的平均能量，因此即表示每个模式内的平均光子数，因此当每个模式内的平均光子数大于1时，受激辐射跃迁机率大于自发辐射跃迁机率，即辐射光中受激辐射占优势。8(1)一质地均匀的材料对光的吸收系数为，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？(2)一束光通过长度为1m的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。解：(1) 出射光强与入射光强之比为所以出射光强只占入射光强的百分之三十七。(2) 设该物质的增益为g，则即该物质的增益系数约为。第二章 开放式光腔与高斯光束习题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多次，而且两次往返即自行闭合。证：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示：其往返矩阵为：由于是共焦腔，有往返矩阵变为若光线在腔内往返两次，有可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合。于是光线在腔内往返任意多次均不会溢出腔外，所以共焦腔为稳定腔。3激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m的凸面镜和曲率半径为2m的凹面镜组成，工作物质长0.5m，其折射率为1.52，求腔长L在什么范围内是稳定腔。解：设两腔镜和的曲率半径分别为和，工作物质长，折射率根据稳定条件判据：其中由(1)解出 由(2)得所以得到：4图2.1所示三镜环形腔，已知，试画出其等效透镜序列图，并求球面镜的曲率半径R在什么范围内该腔是稳定腔。图示环形腔为非共轴球面镜腔。在这种情况下，对于在由光轴组成的平面内传输的子午光线，式(2.2.7)中的，对于在与此垂直的平面内传输的弧矢光线，为光轴与球面镜法线的夹角。图2.1解：稳定条件 左边有 所以有对子午线：对弧失线：有：或所以同时还要满足子午线与弧失线5有一方形孔径的共焦腔氦氖激光器，L=30cm，镜的反射率为，其他的损耗以每程0.003估计。此激光器能否作单模运转？如果想在共焦镜面附近加一个方形小孔阑来选择模，小孔的边长应为多大？试根据图2.5.5作一个大略的估计。氦氖增益由公式计算。解：设模为第一高阶模，并且假定和模的小信号增益系数相同，用表示。要实现单模运转，必须同时满足下面两个关系式根据已知条件求出腔的菲涅耳数由图2.5.5可查得和模的单程衍射损耗为氦氖增益由公式计算。代入已知条件有。将、和的值代入I、II式，两式的左端均近似等于1.05，由此可见式II的条件不能满足，因此该激光器不能作单模运转。为了获得基模振荡，在共焦镜面附近加一个方形小孔阑来增加衍射损耗。若满足II式的条件，则要求根据图2.5.5可以查出对应于的腔菲涅耳数由菲涅耳数的定义可以算出相应的小孔阑的边长因此，只要选择小孔阑的边长略小于0.83mm即可实现模单模振荡。6试求出方形镜共焦腔面上模的节线位置，这些节线是等距分布的吗？解：在厄米高斯近似下，共焦腔面上的模的场分布可以写成令，则I式可以写成式中为厄米多项式，其值为由于厄米多项式的零点就是场的节点位置，于是令，得考虑到，于是可以得到镜面上的节点位置所以，模在腔面上有三条节线，其x坐标位置分别在0和处，节线之间位置是等间距分布的，其间距为；而沿y方向没有节线分布。8今有一球面腔，。试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的参数；在图上画出等价共焦腔的具体位置。解：该球面腔的g参数为由此，满足谐振腔的稳定性条件，因此，该腔为稳定腔。两反射镜距离等效共焦腔中心O点的距离和等价共焦腔的焦距分别为根据计算得到的数据，在下图中画出了等价共焦腔的具体位置。14某高斯光束腰斑大小为=1.14mm，。求与束腰相距30cm、10m、1000m远处的光斑半径及波前曲率半径R。解：入射高斯光束的共焦参数根据z30cm10m1000m1.45mm2.97cm2.96m0.79m10.0m1000m求得：15若已知某高斯光束之=0.3mm，。求束腰处的参数值，与束腰相距30cm处的参数值，以及在与束腰相距无限远处的值。解：入射高斯光束的共焦参数根据，可得束腰处的q参数为：与束腰相距30cm处的q参数为：与束腰相距无穷远处的q参数为：16某高斯光束=1.2mm，。今用F=2cm的锗透镜来聚焦，当束腰与透镜的距离为10m、1m、10cm、0时，求焦斑的大小和位置，并分析所得的结果。解：入射高斯光束的共焦参数又已知，根据得10m1m10cm02.00cm2.08cm2.01cm2.00cm2.4022.555.356.2从上面的结果可以看出，由于f远大于F，所以此时透镜一定具有一定的聚焦作用，并且不论入射光束的束腰在何处，出射光束的束腰都在透镜的焦平面上。17激光器输出光，=3mm，用一F=2cm的凸透镜距角，求欲得到及时透镜应放在什么位置。解：入射高斯光束的共焦参数已知，根据得时，即将透镜放在距束腰1.39m处；时，即将透镜放在距束腰23.87m处。18如图2.2光学系统，如射光，求及。图2.2解：先求经过一个透镜的作用之后的束腰半径及位置由于，所以=2cm所以对第二个透镜，有已知，根据得，19某高斯光束=1.2mm，。今用一望远镜将其准直。主镜用镀金反射镜R=1m，口径为20cm；副镜为一锗透镜，=2.5cm，口径为1.5cm；高斯束腰与透镜相距=1m，如图2.3所示。求该望远系统对高斯光束的准直倍率。图2.3解：入射高斯光束的共焦参数为由于远远的小于，所以高斯光束经过锗透镜后将聚焦于前焦面上，得到光斑的束腰半径为这样可以得到在主镜上面的光斑半径为即光斑尺寸并没有超过主镜的尺寸，不需要考虑主镜孔径的衍射效应。这个时候该望远系统对高斯光束的准直倍率为20激光器的谐振腔有两个相同的凹面镜组成，它出射波长为的基模高斯光束，今给定功率计，卷尺以及半径为a的小孔光阑，试叙述测量该高斯光束公焦参数f的实验原理及步骤。解：一、实验原理通过放在离光腰的距离为z的小孔(半径为a)的基模光功率为(I)式中，为总的光功率，为通过小孔的光功率。记，则有(II)注意到对基模高斯光束有在(II)式的两端同时乘以，则有令(III)则解此关于f的二次方程，得因为、都可以通过实验测得，所以由(III)及(IV)式就可以求得基模高斯光束的共焦参数f。二、实验步骤1如上图所示，在高斯光束的轴线上某一点B处放入于光轴垂直的光阑(其孔半径为a)，用卷尺测量出B到光腰O(此题中即为谐振腔的中心)的距离z；2用激光功率计测出通过小孔光阑的光功率；3移走光阑，量出高斯光束的总功率；4将所得到的数据代入(III)及(IV)式即可求出f(根据实际情况决定(IV)式根号前正负号的取舍)。第四章 电磁场和物质的共振相互作用习题2设有一台迈克尔逊干涉仪，其光源波长为。试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L时，接收屏上的干涉光强周期地变化次。证明：如右图所示，光源S发出频率为的光，从M上反射的光为，它被反射并且透过M，由图中的I所标记；透过M的光记为，它被反射后又被M反射，此光记为II。由于M和均为固定镜，所以I光的频率不变，仍为。将看作光接收器，由于它以速度v运动，故它感受到的光的频率为：因为反射光，所以它又相当于光发射器，其运动速度为v时，发出的光的频率为这样，I光的频率为，II光的频率为。在屏P上面，I光和II光的广场可以分别表示为：因而光屏P上的总光场为光强正比于电场振幅的平方，所以P上面的光强为它是t的周期函数，单位时间内的变化次数为由上式可得在时间内屏上光强亮暗变化的次数为因为是镜移动长度所花费的时间，所以也就是镜移动过程中屏上光强的明暗变化的次数。对上式两边积分，即可以得到镜移动L距离时，屏上面光强周期性变化的次数S式中和分别为镜开始移动的时刻和停止移动的时刻；和为与和相对应的镜的空间坐标，并且有。得证。3在激光出现以前，低气压放电灯是很好的单色光源。如果忽略自然加宽和碰撞加宽，试估算在77K温度下它的605.7nm谱线的相干长度是多少，并与一个单色性的氦氖激光器比较。解：这里讨论的是气体光源，对于气体光源，其多普勒加宽为式中，M为原子（分子）量，。对来说，M=86，相干长度为对于单色性的氦氖激光器，其相干长度为可见，氦氖激光器的相干长度要比低气压放电灯的相干长度要大得多。4估算气体在室温(300K)下的多普勒线宽和碰撞线宽系数。并讨论在什么气压范围内从非均匀加宽过渡到均匀加宽。解：气体在室温(300K)下的多普勒线宽为气体的碰撞线宽系数为实验测得，其值为气体的碰撞线宽与气压p的关系近似为当时，其气压为所以，当气压小于的时候以多普勒加宽为主，当气压高于的时候，变为以均匀加宽为主。5氦氖激光器有下列三种跃迁，即的632.8nm，的和的 的跃迁。求400K时它们的多普勒线宽，分别用、为单位表示。由所得结果你能得到什么启示？解：多普勒线宽的表达式为(单位为GHz)(单位为)所以，400K时，这三种跃迁的多普勒线宽分别为：的632.8nm跃迁：的跃迁：的跃迁