光纤通信期末考试题及答案分析(5)

的寿命，在源源不断的泵浦下, 亚稳态上的粒子数积累, 从而实现了粒子数反转分布。信号光使得亚稳态上的电子以受激辐射的方式跃迁到基带上，对应于每一次跃迁，都将产生一个与信号光子一样的光子，此信号光子与电子（受激辐射）一起发射出去，实现了光放大。

10. 请写出激光产生的必要充分条件，并加以简单论述。

10.答：激光产生的必要条件：

1）粒子数反转分布（1分）

当光束通过原子或分子系统时，一般情况下绝大部分粒子数处于基态；而如果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占支配地位，这就是工作物质“粒子反转分布”状态。（2分）

2）减少振荡模式数（1分）

想要得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质是不够的，这是因为：第一，在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，第二,激发出的光可以有很多频率，对应很多模式，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。（2分）

激光产生的充分条件：

1）起振条件——阈值条件（1分）

光在谐振腔内传播时，光在镜面上总有一部分透射损失，且镜面和腔内激活介质总还存在着吸收、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，称这个条件为振荡阈值条件。（2分）

2）稳定振荡条件——增益饱和效应（1分）

当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小并最终达到稳定，这种现象称为增益饱和效应。（2分）

11、请写出Maxwell方程组的微分形式，解释各个物理量的含义，并说明每个方程描述的物理现象。

B D.答： E 1） H J 2） t t

D 3） B 0 4)

其中：E(r,t)为电场强度矢量、B(r,t)为磁感应强度矢量、D(r,t)为电

位移矢量、H(r,t)为磁场强度矢量、 = (r,t)为封闭曲面内的自由电荷密度标量、J=J(r,t)为电流密度矢量。

(1)式来源于法拉第电磁感应定律，指出变化的磁场会产生感应的电场，这是一个涡旋场，其电力线是闭合的，不同于闭合面内有电荷时的情况，且只要所限定的面积中磁通量发生变化，不管导体存在与否，必定伴随电场的变化。

(2)来源于安培环路定律，但麦克斯韦将其加上了由电场变化感生的位移电 D流项（其中JD 为位移电流密度），说明在交变电磁场作用下，磁场既包括 t

传导电流与空间自由电荷产生的部分，也包括位移电流产生的部分，变化的电场