1.063μm ，倍频后可输出 0.53μm 的光。
偏振特性
泵浦特性
因是四能级系统，阈值比红宝石低很多。 常用氪灯泵浦，辅以椭圆聚光腔。因其阈 值低，故可高重复率运转，但要特殊设计 的电路。
作业四 1．氦-氖激光器中如何实现 0.6328 mm 波长输出？激光输出频率为何漂移？如何稳定？ 答： （1）氦氖激光器的工作物质是 Ne, He 作为辅助气体。气体以低压形式封装于玻璃管内。通过两端 电极的高压作用产生辉光放电。高速电子激发 He 原子由 1S 到 2S 态。He 的 2S 态中的 21S 态 23S 态分 别与 Ne 的 2S 和 3S 态能量非常接近，通过碰撞的形式引起能量的共振转移，使 Ne 的 2S 和 3S 态得到 激发。当然 Ne 本身也可以在高速电子激发下被激发至高能态。Ne 的受激发射可以发出 3 种波长： 0.6328um, 1.15um, 3.39um。其中 3.39um 的增益最大。为实现 0.6328um 的输出，需要利用玻璃或石英窗 口吸收 3.39um 的辐射，从而对其进行抑制。亦可利用轴向非均匀磁场产生塞曼效应，使 3.39um 谱线 加宽从而降低增益。 （2）由于激光器在工作过程中会受到各种环境因素的扰动，激光器本身的参数也相应地扰动。结果 是使得由这些参数确定的频率发生漂移。例如： 由纵模 f 2mc / Ln ， m N ，n 为介质折射率，可得 f f (L / L n / n) . （3）为实现稳频，可通过几方面的方法。 a. 利用低膨胀系数的材料制造腔管 b. 将谐振腔的腔镜固定在殷钢等低膨胀系数材料的支架上。 c. 防震，恒温等 d. 更高的频率稳定度可使用饲服系统，通过频率漂移的方向和大小对激光器的参数进行调控，使 频率稳定于参考标准频率附近的目的。 2. 何谓准分子？准分子激光的能级结构？为何准分子激光的频谱较宽？如何泵浦？ 答： （1） 准分子是一种束缚在电子受激态中的分子。 它的基态位能无极小值， 即没有稳定的基态， 但 却存在稳定的受激态（亚稳态） 。
作业五 1、何谓激光器的 Q 值？调 Q 实质上是调节什么？ 答： Q 指谐振腔的品质因素，它定义为腔内存储的能量与每秒中损耗的能量之比，即 Q 2 0
W

，
式中 W 为腔内总能量， 为每秒钟损耗的能量，0 为中心频率。 设激光在腔内走一个单程的能量损耗率（包括输出）为 ，则光在一个单程中对应的能量损耗为 W。设腔长为 L，平均折射率为 n，光速为 c，则光在腔内走单程的时间为 nL/c，所以每秒钟损耗的 能量为 W/(nL/c)= Wc/nL。带入 Q 表达式中 1 2 2
1 2 2
m
因而，当高度为
m 时书上的照度最大。
2、设 He-Ne 激光器中放电管直径为 1mm，发出波长为 6328 埃的激光束，全发散角为 =10-3rad，辐射 通量为 3mW，视见函数取 V(6328)=0.24，求： （1）光通量，发光强度，沿轴线方向的亮度？ （2）离激光器 10 米远处观察屏上照明区中心的照度？ （3）若人眼只宜看一熙提的亮度，保护眼镜的透射系数应为多少？ 解： （1）光通量： v K m V 638 0.24 3 10 发光强度： I
N3 N 2 N3 N 2 ， 而且 1 。 N1 N1
答：横模：指光束横截面上的能量分布。通常用横电模 TEM mn 表示，其中 TEM 00 为基横模。 纵模： 指激光器振荡的一个频率或该频率电磁波在谐振腔内形成的驻波的能量分布模式。 它是由于 谐振腔的选频作用引起的。 3、比较红宝石激光器与 Nd:YAG 激光器的性能？ 解：如表： 红宝石激光器 Nd：YAG 激光器
E hv
由 当 E 2eV
hc
知：
时，

hc 621.6nm E ，为橙光。
4、高压气体放电灯与低压气体放电灯的光谱特点？ 答：高压气体放电灯因为其气压大于一个大气，相邻原子接近，原子之间的相互作用加强，导致工作 气体的原子或分子谱线展宽，并迭加在较强的连续背景光谱上。显色性较好。通常发光效率随压力增 加而提高。 -1 -2 低压气体放电灯：气压在 10 -10 乇的气体光源。其光谱 特点是表现为工作原子或分子的发射谱线，即单个原子的线状光谱，带有明显的特征颜色，显色性不 好。 5、卤钨循环原理及如何改善白炽灯性能？ 答：在白炽灯中充入卤族元素，在适当的温度下，从灯丝蒸发出的钨在泡壁区域内形成挥发性的卤钨 化合物。当卤钨化合物扩散到较热的钨丝周围区域时分解，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素扩散 到温度较低的泡壁区域在继续与钨化合，形成钨的再生循环。 通过这种方法，是卤钨灯比白炽灯具有以下特点：体积小；光通量稳定；光效率高，20-30 流明 /瓦；；色稳高，达 3300K；；寿命长。 作业三 1、产生激光的必要充分条件？四能级激光器的工作阈值为何低？ 解： （1） 、产生稳定激光输出地条件如下： 必要条件：至少为三能级体系，能够实现粒子数反转 。 充分条件：光学正反馈和大于阈值的泵浦功率。 （2）对于四能级系统（ E3 E2 的跃迁） ， E2 能级几乎为空，即 N 2 0 ，故有：
3、绘制如下 p、n 型半导体形成的 p-n 结的平衡态能带图？
（2） 能级结构如右图 （3） 虽然准分子的能级结构有利于形成粒子数反转， 但由于基态的不稳定性， 跃阡能量有一定的 范围，频谱较宽。 （4） 由于准分子上能级寿命较短， 需要运用快速泵浦。 一般采用高强度短脉冲电子束激励。 以气 体为例，泵浦过程中相对论电子激励稀有气体混合物，产生受激稀有气体原子、离子，从而 使泵浦能量转化为气体的受激能量。 （详细请参阅课本 p95）
3、说明气体放电发光的工作原理? 假设气体放电灯中所充工作气体的激发态与基态能量差为 2eV，则 此灯发什么颜色光？ 答：气体放电指电流通过气体媒质时产生的放电现象。气体放电的种类很多，但在光源中用得 较多的是辉光和弧光放电两类。气体放电灯结构：放电气体、阴极、阳极和玻璃罩 气体放电发光的基本过程： ①、初始电子加速 ②、加速电子与气体分子碰撞，能量传给气体分子，使其激发、 跃迁到高能级 ③、受激发分子返回基态时，发射光子，即发光。
3
0.49 lm
d v v 6.24 10 5 cd d 2 4
亮度： L 轴
dI 6.24 10 5 7.59 1011 cd / m 2 dAcos (10 3 ) 2 4
（2）由题意知，10 米远处的照明区域直径为：
D L 10 3 10 10 2 m
赖老师的课到期中考试为止一共有 9 次作业，依次分别由冯成坤、饶文涛、黄善津、刘明凯、郑致 远、黄瑜、陈奕峰、周维鸥和陆锦洪同学整理，谨此致谢！ 作业一： 1、桌上有一本书，书与灯至桌面垂直线的垂足相距半米。若灯泡可上下移动，灯在桌上面多高时，书 上照度最大？（假设 灯的发光强度各向通性，为 I0） 解：设书的面积为 dA，则根据照度的定义公式：
E
d I 0 d dA dA
（1）
其中 d 为上图所示的立体角。 因而有：
d
将（2）式代入（1）式得到：
dA cos dA h 2 2 2 L h (L h 2 ) 3 / 2
（2）
E I0
h (L h 2 ) 3 / 2
2
（3）
为求最大照度，对（3）式求导并令其等于零，
m / T （其中 2898m K ），可知，峰值波长 m 与温度成反比，
峰值波长随温度升高而蓝移。因为蓝色火焰发出的光波长比黄色火焰的小，所以蓝色火焰的色温高。 2、何谓标准照明体与标准光源? 初级和次级标准光源? 答：标准照明体指特定的光谱功率分布。CIE 针对不同的用途定义了不同的标准照明体，其中常用的 三种标准照明体为： 标准照明体 A：温度为 2856K 的黑体所发出的光谱 标准照明体 B：相关色温约为 4874K 的直射阳光的光谱 标准照明体 C：相关色温为 6774K 的平均日光的光谱 标准光源指实现标准照明体的发光源。常用标准光源有三种：黑体、钨带灯、钨管灯。黑体是初级 标准光源，经过它校准的为次级标准光源，如钨带灯、钨管灯。
3. 染料激光器中激光“猝灭”指什么？如何消除？ 答： （1）“猝灭”简而言之就是染料对自身所发出的激光的再吸收而导致激光无法起振。 具体而言，染料的能态存在自旋 S=0 的单态和 S=1 三重态，跃迁选择定则要求△S=0。 故单重 态和三重态之间的跃迁是禁戒的。但是通过碰撞，单重态 S1 可衰减到三重态 T1，同时由于 T1-->S0 是禁戒的，于是 T1 就有可能堆积大量粒子。由于 ES1 ES 0 ET 2 ET 1 , 则由 S1S0 发出的荧光就会被 T1－>T2 跃迁吸收。 当 T1 寿命 tT> tST (S 和 T 系间交叉速率)， T1 会堆积大量粒子，大量吸收荧光，从而出现“猝灭”。 （2） 消除“猝灭”的方法关键就是使 tT< tST , 通常使用短脉冲光源激励，以及在染料中添加三重态猝 灭剂，提高溶液氧含量。 （详见课本 p101）
2nl
0
。
上式表明 Q 值反比于损耗率。所以调 Q 就是调节谐振腔的损耗率。激光振荡需要足够的增益，当 损耗过大时，增益不够，激光停止振荡。所以，调 Q 能控制激光的振荡。 2、钛宝石激光器的宽发光谱起因？它的谐振腔特点？为什么？ 答：从钛宝石的能级图（如下图）可以看到，由于钛宝石晶体激发态各振动的能级之间的间小，基态 各振动能级间的能级差也很小，因此各自形成很宽的准连续能带，这样电子带间的振动跃迁就形成一 个宽的发光谱带。 掺钛蓝宝石具有很强的三阶非线性， 利用这一特性可以实现激光的相位调节-自相位调节， 锁定不 同纵模间的位相，实现锁模运转。由于自相位调节是一种非线性效应，需要强的光功率密度，所以钛 宝石激光谐振强设计中要考虑提高宝石棒中的光功率密度，需要加一对聚焦亚腔，使激光聚焦通过钛 宝石棒，获得强的光功率密度，进而强的自相位调节。