激光原理复习题
填空 6?4??24? 简答 6?6??36? 计算 12??15??27? 论述 1?13??13? 1.什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。
?x?y?z?Px?Py?Pz?h3相格(page6):在三维运动情况下，测不准关系为一个光子态对应（或占有）的相空间体积元为为相格。
，故在六位相空间中，
?x?y?z?Px?Py?Pz?h3，上述相空间体积元称
2.如何理解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。
相干时间(page7)：光沿传播方向通过相干长度Lc所需的时间，称为相干时间。 相干长度(page7)：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：垂直于传播方向的截面上相干面积Ac，则Ac称为相干面积。
相干体积(page7)：如果在空间体积Vc内各点的光波场都具有明显的相干性，则Vc称为相干体积。
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。
4.什么是黑体辐射写出Planck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T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。
8?h?3???3c1eh?kbTPlanck公式(page10)：
?1
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。
5.描述能级的光学跃迁的三大过程，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E2的一个原子自发的向E1跃迁，并发射一个能量为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。
A21?1自发跃迁爱因斯坦系数：(2)受激吸收
?s
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（激励）下，吸收一个能量为h?的光子并向E2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h??E2?E1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)：W12?B12?v（B12为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，?v为辐射场） (3)受激辐射
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，跃迁至低能态E1并辐射一个能量为h?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h??E2?E1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：W21?B21?v（B21为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，?v为辐射场） 6.Einstein系数有哪些它们之间的关系是什么Page13
答：系数(page12-13)：自发跃迁爱因斯坦系数A21，受激吸收跃迁爱因斯坦系数B12，受激辐射跃迁爱因斯坦系数B21
8?h?3A21?B213B21f1?B12f2c关系(page13)：，，f1,f2为E1,E2能级的统计权重(简并度)
7.试证明，由于自发辐射，原子在E2能级的平均寿命为
?dn?1A21??21??dt?spn2证明：根据自发跃迁概率定义
?s?1A21。Page13
(1)
?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。
dn2?dn?dn2???21???A21n2dtdt?spE2?在单位时间内能级减少的粒子数为 将(1)式带入得 dt
由此式可得
n2(t)?n20e?A21t（n20为t?0时刻高能级具有的粒子数）
1n20所以自发辐射的平均寿命
?s???0n2(t)dt?1n20??0n20e?A21tdt?1A21
?1mm8.一质地均匀的材料对光的吸收系数,光通过10cm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I(z)，则I?z??I0eI0??z
Iout?e??l?e?0.01?100?e?1?0.368所以出射光强与入射光强之比 I0。所以出射光强占入射光强
的36.8%。
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强烈发光的活跃状态，也称为激活物质； 泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。
光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。
10.什么是热平衡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：热平衡时能级粒子数的分布(page15)：在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子
n2f2??e数（或集居数）服从玻尔兹曼分布n1f1?E2?E1?kbT。
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)：外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。
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
答：激光增益定义(p15)：设在光传播方向上z处的光强为I(z)，则增益系数定义为
g?dI(z)1dzI(z)，表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。
激光原理复习题
