激光原理第七版第二章习题答案

### 激光原理第七版第二章习题答案解析 #### 第二章 开放式光腔与高斯光束 本章节重点介绍了开放式光腔的基本原理及其应用，并深入探讨了高斯光束的相关特性。通过对典型习题的解析，不仅能够帮助读者更好地理解开放式光腔的工作机制，还能掌握如何分析和计算不同类型的光学系统。 ### 一、光线变换矩阵 **1. 证明如图2.1所示傍轴光线进入平面介质界面的光线变换矩阵** 证明：设入射光线坐标参数为\( (x_1, \theta_1) \)，出射光线坐标参数为\( (x_2, \theta_2) \)。根据几何关系可知，光线在介质界面处的折射遵循斯涅尔定律，即\( n_1\sin(\theta_1) = n_2\sin(\theta_2) \)。考虑到题目中所讨论的是傍轴光线，我们可以简化上述关系，因为在傍轴近似下，\( \sin(\theta) \approx \theta \)，因此有\( n_1\theta_1 = n_2\theta_2 \)。此外，由于光线沿z轴方向传播的距离不变，即\( x_2 - x_1 = 0 \)。写成矩阵形式，即： \[ \begin{pmatrix} x_2 \\ \theta_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & \frac{n_1}{n_2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ \theta_1 \end{pmatrix} \] **2. 证明光线通过图2.2所示厚度为d的平行平面介质的光线变换矩阵** 证明：设入射光线坐标参数为\( (x_1, \theta_1) \)，出射光线坐标参数为\( (x_2, \theta_2) \)。入射光线首先经过界面1折射，然后在介质2中自由传播横向距离d，最后经过界面2折射后出射。结合第1题的结论以及自由传播的光线变换矩阵，可以得出： \[ \begin{pmatrix} x_2 \\ \theta_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & d \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & \frac{n_1}{n_2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ \theta_1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & d \\ 0 & \frac{n_1}{n_2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ \theta_1 \end{pmatrix} \] 化简上述矩阵表达式，最终得到： \[ \begin{pmatrix} x_2 \\ \theta_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & d \\ 0 & \frac{n_1}{n_2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ \theta_1 \end{pmatrix} \] ### 二、稳定性分析 **3. 证明共焦腔为稳定腔** 证明：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示。对于共焦腔而言，光线在腔内往返两次即自行闭合，即往返矩阵为单位矩阵。根据共焦腔的性质，可以得出： \[ M_{往返} = M_{12}M_{21} = I \] 其中\( M_{12} \)是从球面1到球面2的变换矩阵，\( M_{21} \)是从球面2到球面1的变换矩阵。对于共焦腔，这两个矩阵是互逆的，即\( M_{21} = M_{12}^{-1} \)。因此，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，从而确保了光线不会溢出腔外，进而证明了共焦腔的稳定性。 ### 三、不同类型腔的稳定性条件 **4. 平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件** 对于不同的共轴球面镜腔，稳定性条件可以通过计算相应的往返矩阵来确定。 - **平凹共轴球面镜腔**：设曲率半径分别为\( R \)和\( \infty \)，则往返矩阵的特征值需满足\( |\lambda| < 1 \)，由此可得出稳定性条件为\( R > L \)。 - **双凹共轴球面镜腔**：设曲率半径分别为\( R_1 \)和\( R_2 \)，则往返矩阵的特征值需满足\( |\lambda| < 1 \)，由此可得出稳定性条件为\( R_1 + R_2 > L \)。 - **凹凸共轴球面镜腔**：设曲率半径分别为\( R_1 \)和\( -R_2 \)，则往返矩阵的特征值需满足\( |\lambda| < 1 \)，由此可得出稳定性条件为\( |R_1 - R_2| > L \)。 ### 四、具体应用场景分析 **5. 求激光器谐振腔的稳定性范围** 根据题意，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，折射率为1.52。计算等效腔长\( L_{eff} \)，然后根据稳定性条件\( |\lambda| < 1 \)，解出腔长\( L \)的范围。具体计算过程涉及等效腔长的计算以及稳定性条件的应用。 ### 五、多镜环形腔分析 **6. 求球面镜的曲率半径范围** 针对三镜环形腔，首先绘制其等效透镜序列图，然后基于稳定性条件，推导出球面镜的曲率半径\( R \)的范围。该问题的关键在于正确理解子午光线和弧矢光线的不同处理方式，并根据对应的稳定性条件进行计算。 ### 六、单模运转条件 **7. 方形孔径的共焦腔激光器能否作单模运转** 本题旨在判断给定的共焦腔激光器是否能实现单模运转。通过计算腔的菲涅耳数、单程衍射损耗以及增益系数，结合单模运转的条件，可以得出结论。此外，还考虑了在共焦镜面附近加一个方形小孔阑来选择特定模式的可能性。 ### 七、特定模式分析 **8. 方形镜共焦腔面上的模式分析** 题目要求求出方形镜共焦腔面上的特定模式的节线位置，并分析这些节线是否等距分布。解答这一问题时，需要利用厄米-高斯模式的场分布公式，特别关注厄米多项式的性质，从而得出模式节线的位置及分布特点。 通过以上习题解析，不仅加深了对开放式光腔基本原理的理解，还掌握了分析各种光学系统的技巧和方法。这对于进一步研究激光技术及相关领域的实际应用具有重要意义。