激光原理与激光技术习题答案习题一(1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性∆λ/λ应为多大？解： 10101032861000106328--⨯=⨯=λ=λλ∆=.L R c(2) λ=5000Å的光子单色性∆λ/λ=10-7，求此光子的位置不确定量∆x解： λ=h p λ∆λ=∆2h p h p x =∆∆ m R p h x 5101050007102=⨯=λ=λ∆λ=∆=∆--(3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。
求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、∆νc (设n=1)解： 衍射损耗: 1880107501106102262.).(.a L =⨯⨯⨯=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-⨯=⨯⨯=δ=τ 686810113107511061010314322⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=πντ=--....Q cMHz .Hz ...c c 19101910751143212168=⨯=⨯⨯⨯=πτ=ν∆- 输出损耗: 1190809850502121.)..ln(.r r ln =⨯⨯-=-=δ s ..c L c 881078210311901-⨯=⨯⨯=δ=τ 686810964107821061010314322⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 75107510782143212168=⨯=⨯⨯⨯=πτ=ν∆-(4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗)解： MHz Hz .L c q 150105112103288=⨯=⨯⨯==ν∆ 11]11501500[]1[=+=+ν∆ν∆=∆q q005.0201.02===T δ s c L c 781067.6103005.01-⨯=⨯⨯==δτ MHz cc 24.01067.614.321217=⨯⨯⨯==-πτν∆(5) 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0.01π，求此激光器的无源腔本征纵模的模式线宽。
解： cm L 60155.130=+⨯=' s 106.3661030.01π0.6c L 88c -⨯=⨯⨯='=δτ 2.5MHz 106.3663.1428cc =⨯⨯⨯==-121πτν∆(6)氦氖激光器相干长度1km ，出射光斑的半径为r=0.3mm ，求光源线宽及1km 处的相干面积与相干体积。
解： 0.3MHz 10103L c 38c =⨯==ν∆ 222 1.42m )10π(3100.632810A D A 241226s c =⨯⨯⨯==--λ 331042.1m L A V c c c ⨯==习题二(1)自然加宽的线型函数为20220)(4)21(1),(ννπττνν-+ccH g 求①线宽②若用矩形线型函数代替（两函数高度相等）再求线宽。
解：①线型函数的最大值为c N g τνν4),(00= 令cccτννπττ2)(4)21(12022=-+ cc c τννπττ1)(821202=-+c c τννπτ21)(8202=- 2220161)(c τπνν=- c πτνν410±= cNπτν21=∆∴②矩形线型函数的最大值若为 c m g τ4= 则其线宽为cm N g τν411==∆(2)发光原子以0.2c 的速度沿某光波传播方向运动，并与该光波发生共振，若此光波波长λ=0.5μm ，求此发光原子的静止中心频率。
解： c v s z ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=10λλ cc ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-15.02.00λ 15.02.00-=-λ m μλ625.08.05.00== MHz c 86800108.410625.0103⨯=⨯⨯==-λν(3)某发光原子静止时发出0.488μm 的光，当它以0.2c 速度背离观察者运动，则观察者认为它发出的光波长变为多大？解： m cc c v z μλλ5856.0488.02.1488.0)2.01(100=⨯=⨯--=⎪⎭⎫ ⎝⎛-='(4)激光器输出光波长λ=10μm ，功率为1w ，求每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数。
解：νϕh dtd P = s hc P h P dt d P /11051031063.610101198346⨯=⨯⨯⨯⨯⨯====--λνϕ(6)红宝石调Q 激光器中有可能将几乎全部的Cr +3激发到激光上能级，并产生激光巨脉冲。
设红宝石棒直径为1cm ，长为7.5cm ，Cr +3的浓度为2⨯109cm -3，脉冲宽度10ns ，求输出激光的最大能量和脉冲功率。
解：J h L r V h W 9108341522103.4106943103106.631020.0750.0053.14---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===νϕπνϕ w t W P 34.01010104.399=⨯⨯==--(7)静止氖原子3S 2→2P 4谱线中心波长0.6328μm ，求当它以0.1c 速度向观察者运动时，中心波长变为多大？解： m cc c v z μλλ5695.06328.09.06328.0)1.01(100=⨯=⨯-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-='(9)红宝石激光器为三能级系统，已知S 32=0.5⨯1071/s, A 31=3⨯1051/s, A 21=0.3⨯1031/s 。
其余跃迁几率不计。
试问当抽运几率W 13等于多少时，红宝石晶体将对λ=0.6943μm 的光是透明的？02123232=-=A n S n dt dn Θ 322123S A n n =∴03233131313=--=S n A n W n dtdn Θ)(323113132331313S A n n n S n A n W +=+=∴透明即n 1=n 2 175733231322132312313318)105.0103(105.0103.0)()(-=⨯+⨯⨯⨯=+=+=∴s S A S A S A n n W习题三(1)若光束通过1m 长的激光介质以后，光强增大了一倍，求此介质的增益系数。
解： 2ln ln 10==I I zG(2) 计算YAG 激光器中的峰值发射截面S 32，已知∆νF =2⨯1011Hz,τ3=2.3⨯10-4s,n=1.8。
解：222114221223222032109.1102103.28.114.341006.14m n S F ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=ντπλ(3) 计算红宝石激光器当ν=ν0时的峰值发射截面，已知λ0=0.6943μm, ∆νF =3.3 ⨯1011Hz, τ2=4.2ms, n=1.76。
解：2241132212222220211084.2103.3102.476.114.34106943.04m n S F ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=ντπλ习题四(1) 红宝石激光器腔长L=11.25cm ，红宝石棒长l =10cm ，折射率n=1.75，荧光线宽∆νF =2⨯105MHz ，当激发参数α=1.16时，求：满足阈值条件的纵模个数 解： MHz H T 45108116.11021⨯=-⨯⨯=-∆=∆ανν cm l n L L 75.1810)175.1(25.11)1(=⨯-+=-+='MHz L c q 8001075.182103228=⨯⨯⨯='=∆-ν 101]180080000[]1[=+=+∆∆=∆q T q νν(2) 氦氖激光器腔长1m ，放电管直径2mm ，两镜反射率分别为100%、98%，单程衍射损耗率δ=0.04，若I s =0.1W/mm 2，G m =3⨯10-4/d, 求①νq =ν0时的单模输出功率 ②νq =ν0+21∆νD 时的单模输出功率 解：①05.004.0202.004.02=+=+=T δ mm lG t /1105100005.05-⨯===δmm dG m /1105.12103103444---⨯=⨯=⨯= 3105105.154=⨯⨯==--t m G G α mw STI P s 13.25)13(1.002.0114.35.0)1(222210=-⨯⨯⨯⨯⨯=-=αν②mw e eSTI P i q s 8.7)13(1.002.0114.3]1[2ln 222)(2ln 822200=-⨯⨯⨯⨯=-=-∆--ννννα(3) 氦氖激光器放电管长l =0.5m ，直径d=1.5mm ，两镜反射率分别为100%、98%，其它单程损耗率为0.015，荧光线宽∆νF =1500MHz 。
求满足阈值条件的本征模式数。
（G m =3⨯10-4/d ） 解：025.0015.0202.0015.02=+=+=T δ mm lG t /1105500025.05-⨯===δmm d G m /11025.1103103444---⨯=⨯=⨯= 410510254=⨯⨯==--t m G G α MHz DT 21212ln 4ln 15002ln ln =⨯=∆=∆ανν MHz L c q 3005.0210328=⨯⨯==∆ν 8]13002121[]1[=+=+∆∆=∆q T q νν(5) CO 2激光器腔长L =1m ，，放电管直径d=10mm ，两反射镜的反射率分别为0.92、0.8，放电管气压3000Pa 。
可视为均匀加宽，并假设工作在最佳放电条件下。
求 ①激发参数α ②振荡带宽∆νT ③满足阈值条件的纵模个数 ④稳定工作时腔内光强。
（频率为介质中心频率ν0）经验公式：∆νL =0.049p(MHz)、G m =1.4⨯10-2/d （1/mm ）、I s =72/d 2(w/mm 2)。
解：①153.0)8.092.0ln(5.0ln 2121=⨯⨯-=-=r r δ mm lG t /11053.11000153.04-⨯===δ mm dG m /1104.110104.1104.1322---⨯=⨯=⨯= 15.91053.1104.143=⨯⨯==--t m G G α ② MHz p L 1473000049.0049.0=⨯==∆ν MHz L T 420115.91471=-⨯=-∆=∆ανν③MHz Hz .L c q 150105112103288=⨯=⨯⨯==ν∆ 3]1150420[]1[=+=+∆∆=∆q T q νν④222/72.0107272mm w d I s === 2/87.515.872.0)1(0mm w I I s =⨯=-=αν（6）氦氖激光器放电管直径d=0.5mm ，长l =10cm ，两反射镜反射率分别为100%、98%，不计其它损耗，稳态功率输出0.5mw ，求腔内光子数。