激光醫(yī)學(xué)第二章習(xí)題答案匯總

1、第二章習(xí)題1、什么是激光？它與自然光有何區(qū)別？（1號）答：（1 ）激光是受激輻射光放大的簡稱，是指當一個光子hv射入一個粒子系統(tǒng)后，將產(chǎn)生兩個或更多個特性完全相同的光子并離開該系統(tǒng)，從 而實現(xiàn)光放大。（2）激光來自于受激輻射，并非自發(fā)產(chǎn)生，必須有外來光子刺激才會產(chǎn) 生，而且受激輻射光子與外來光子的頻率、位相、傳播方向振動態(tài) 都完全相同，即激光是相干的。自然光來自于自發(fā)輻射，其發(fā)出的 光子的位相、振動態(tài)、頻率（或波長）和傳播方向都無確定方向， 即自發(fā)輻射的光波是非相干的。2、自發(fā)輻射與受激輻射的主要區(qū)別 &特點（2號）自發(fā)輻射受激輻射不受外界輻射場影 響在外來光作用下發(fā)生并發(fā)射個與 外來

2、光子完全相同的光子自發(fā)輻射的光波是 非相干的受激輻射光是相干光，會使光的強 度增大不同原子產(chǎn)生的自 發(fā)輻射光在頻率、 相位、偏振方向及 傳播方向都有一定 的任意性。受激輻射光子與外來光子的頻率、 相位、偏振方向都完全相同3什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何實現(xiàn)？ （3號）設(shè)法使處于高能級上的粒子數(shù)多于低能級上的粒子數(shù)，即使粒子數(shù)處于 正常分布的反轉(zhuǎn)狀態(tài)，這種分布稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（ populationin vers ion ）。實現(xiàn)：首先要具備必需要的能量輸入系統(tǒng)，以便不斷地從外界供給能量，使物 質(zhì)中有盡可能多的粒子吸收能量后從低能級不斷激發(fā)到高能級上去，這 一能量供應(yīng)過程叫 激勵” 抽運”或 泵浦”用光激

3、勵能源的叫 光 泵”用化學(xué)能作為激勵的叫化學(xué)泵”此外還有核泵、電泵等。盡管激勵方式不同，但目的都是要使物質(zhì)盡可能多的粒子吸收能量后，從低能量不斷發(fā)到高能級上去，有選擇地使某個或某幾個較高能級的粒子數(shù)大大地增加，且超過低能級上的粒子數(shù)，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)4. 何謂激勵過程 ? 有什么激勵方式（ 4號） 首先要具備必要的能量輸入系統(tǒng)，以便不斷地從外界供給能量，使物質(zhì) 中有盡可能多的粒子吸收能量后從低能量級不斷激發(fā)到高能級上去，這 一能量供應(yīng)過程叫 “激勵”、 “抽運 ”或“泵浦”。用光作為激勵能源的叫 “光泵”，用化學(xué)能作為激勵能源的叫 “化學(xué)泵 ”， 此外還有核泵、電泵等。5. 激光器由哪幾部分組成

4、？各有何作用？（5）激光器主要由三部分組成：具有亞穩(wěn)定態(tài)的工作物質(zhì)、激勵能源、光學(xué) 諧振腔。（ 1） .激光工作物質(zhì) 這是激光器的核心，只有能夠形成粒子反轉(zhuǎn)的物質(zhì) 才能作為激光器的工作物質(zhì)。（2）.激勵能源（光泵） 它的作用是不斷從外界供給能量，使物質(zhì)中盡 可能多的粒子吸收能量后從低能級不斷激發(fā)到高能級上去。通?？梢杂?光能源、化學(xué)能源、電能源、核能源等。（3） .光學(xué)諧振腔 這是激光器的重要部件，其作用一是使工作物質(zhì)的 受激輻射連續(xù)進行； 二是限制激光輸出的方向；三是不斷給光子加速，以獲得方向性、單色 性好的相干光。6、簡述三、四能級激光工作物質(zhì)的區(qū)別。（ 6號）三能級工作物質(zhì)是在亞穩(wěn)態(tài)E2

5、與基態(tài)E1間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，而基 態(tài)上原來具有的粒子數(shù)有很多，故實現(xiàn) N2>N1比較困難，要求抽運泵相 當強，且效率較低。四能級工作物質(zhì)是在激發(fā)態(tài) E3 （亞穩(wěn)態(tài)）與激發(fā)態(tài)E2間實現(xiàn)粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)的，E3粒子數(shù)大量積累，E2常溫下是空能級且E2上的粒子很快無輻 射躍遷到基態(tài)E1，故實現(xiàn)N3>N2容易得多，而且效率高。7. 試論述激光縱橫模的概念。畫出 TEM31橫模的圖形。（7號） 縱模：沿腔軸方向傳播的振動模式稱為縱模。橫模：光腔內(nèi)激光束在垂直光腔方向的橫截面上的穩(wěn)定廣場分布稱為 激光束的橫模模式。TEM31橫模圖形：8討論激光振蕩的閾值條件及意義。（8號）要是光腔內(nèi)發(fā)生激光振蕩

6、，光腔必須滿足光增益超過或者等于光損耗時 的條件，這個條件稱為激光振蕩的閾值條件。激光振蕩的閾值條件：G為增益系數(shù)a為工作物質(zhì)的內(nèi)損耗系數(shù)L 為兩個平行反射鏡的距離，其反射率分別為 R1，R2Ga+激光振蕩的方法：（1）增強激光能源以增大增益系數(shù) Go（ 2）選擇均 勻的對光吸收小的工作物質(zhì)以減少內(nèi)損耗系數(shù)ao（3）適當增加腔長L,采用反射盡量大的反射鏡，光腔通光口不應(yīng)過小以減少衍射損耗。9.試分析激光器增益和損耗的主要來源 : （9號）損耗:1. 內(nèi)部損耗增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn) 生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損 耗。2. 鏡面損耗當強度為I的光波射到鏡面上，其中r 1I（或r 2I）反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，其它的部分均為損耗，包括t1I（或t2I）、鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴散到反射鏡范圍以外造成的損耗，用a1I（或a2I）表示（ r 1 r 2M1 M2 的反射率, t1 t 2M1 M 2 的透射率） 增益:1. 激光介質(zhì)增益系數(shù)正比于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度2. 入射光強度3. 受激輻射強度10、設(shè)He-Ne激光器（=632.8nm ）的G=2%