激光原理考试重点

1、第一章激光的基本原理1. 光子的波动属性包括什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包括什么？质量与频率的关系?答：光子的波动性包括频率，波矢，偏振等。粒子性包括能量，动量，质量等。动量与波矢：hh 2 乙p men。n°kc2川质量与频率：£ hvm = e2=e22. 概念：相格、光子简并度答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为x y z px py pz h3，上述相空间体积元称为相格。处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它具有以下几种相同含义：同态光子数、同一模式内的 光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数3. 光的自发辐射、受激辐射爱因

2、斯坦系数的关系答：自发跃迁爱因斯坦系数：A2!丄.受激吸收跃迁爱因斯坦系数：叫）。sv受激辐射跃迁爱因斯坦系数：B21 Wv关系：Bi2f1B21 f2;A218B21nvhvB21 ;cfl, f2为巳,E2能级的统计权重（简并度）当 f,f2 时有 B!2B214. 形成稳定激光输出的两个充分条件是起振和稳定振荡。形成激光的两个必要条件是粒子数反转分布和减少振荡模式数5. 激光器由哪几部分组成？简要说明各部分的功能。答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。接收来自泵浦源的 能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。泵浦源：提供能量，实现工作物

3、质的粒子数反转。光学谐振腔：a）提供轴向光波模的正反馈；b）模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的 相干性。6. 自激振荡的条件？答：条件：g0其中g0为小信号增益系数：为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平 均损耗系数。7. 简述激光的特点？答：单色性，相干性，方向性和高亮度。8. 激光器分类：固体液体气体半导体染料第二章开放式光腔与高斯光束1. 开放式谐振腔按照光束几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔2. 驻波条件，纵模频率间隔答：驻波条件：应满足等式：2一 2L q 2式中，为均匀平面波在腔内往返一周时的相q位滞后；q为光在真空中的波长；L为腔的光学长度；q为正整数。

4、相长干涉时L与q的关系为：L = q -q或用频率Vq = c? 2q来表示：Vq = qL-.纵模频率间隔：不同的q值相应于不同的纵模。腔的相邻两个纵模的频率之差 Vq = Vq+1 - Vq = C?2L -变换矩3. 光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式什么？球面镜的对旁轴光线的 阵？ 答：光线在自由空间中行进距离 L时所引起的坐标变换矩阵式Tl球面镜的对旁轴光线的变换矩阵：Tr1 02而Tf1R4. 稳定腔的稳定性条件？非稳腔的条件？会计算。典型的临界腔有哪些?答：共轴球面腔的稳定性条件:0g1g1g21g-当g1g2 1即（A D） 2 1或（A D）；：2 1时为非稳

5、定腔。g1g2 = l或gg2 = 0时为临界腔。典型的临界腔有：平行平面腔、共心腔。5. 纵模与横模的物理意义.横模：开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称为纵模。6. 共焦腔模式特征（基模镜面上的光斑尺寸，束腰的大小、等相位面的曲率半径、谐振频率、 场发散角）。高斯球面波在其传输轴线附近可近似看作是一种非均匀球面波。答：基模高斯光束的束腰半径： Wo基模镜面上光斑半径W(z)高斯光束的等相位面的曲率半径:R R(z)f2zz7. 任意一个

6、共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价，任一稳定腔唯一等价于某一个共焦腔, 的等价是指行波场相同。8. 高斯光束的q参数在自由空间中的传输规律？这里q2 qi Lq参数通过薄透镜的变换公式为Aq B q2 Cq1 D TL1 L T 1001 'F 1 F 11 LcLc019. 高斯光束束腰的变换公式Lcf2 l(F l)(F l)2 f212W1 /W。210. 为了使高斯光束获得良好聚焦，通常采用的方法是什么？准直的方法？取仁0,并,就可以获得很聚焦：用短焦距透镜使高斯光束腰斑远离透镜焦点，从而满足条件I? f, I? F;设法满足条件f ? F准直：用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦

7、，再用一个长焦距的透镜改善其方向性 好的准直效果利用望远镜准直第三章电磁场和物质的共振相互作用1. 均匀加宽的机制包括什么？非均匀加宽的机制包括什么？均匀：自然加宽碰撞加宽晶格振动加宽非：多普勒加宽晶格缺陷加宽2. 说明均匀加宽与非均匀加宽的区别。 均匀加宽谱线介质中各个发光粒子之间是不可区分的，即每个粒子的自发辐射都具有相同的线 型函数、线宽和中心频率。而对于非均匀加宽谱线介质则可以将发光粒子分类，即粒子是可区分的； .对均匀加宽谱线，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，即每个发光粒子都以整个线型发射。非均匀加宽谱线则不然，某类粒子的谱线加宽线型及线宽并不等于大量粒子集合。均匀加宽谱线介质中

8、的每个发光粒子对介质整体谱线内的任一频率都有贡献，而且对于某一给定的频率，各个粒子的贡献都相同，因此，不能把介质线型函数上的某一特定频率与介质中的某类粒子建立联系和对 应关系。对非均匀加宽谱线介质，介质中的某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献， 对其他频率则无贡献。因此，可以将谱线线型函数上的某一特定频率与介质中的某类粒子建立对应 关系。当某一频率的准单色光与介质相互作用时，对均匀加宽介质，入射光场与介质中的所有粒 子发生完全相同的共振相互作用，从而介质中的每个工作粒子都具有完全相同的受激跃迁几率和极 化强度。对非均匀加宽介质，入射场仅与表观中心频率与其频率相应的某类粒子发生共振相互

9、作用 并引起这类粒子的受激跃迁，介质中各粒子在外场作用下所发生的极化情况也不相同。3. 对于气体工作物质，主要的加宽类型是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒加宽。其线型函数是什么？两种加宽类型如何过渡？ 碰撞加宽：gL( , 0)0)2多普勒线性加宽:g(,0)0(2 kT)emc22kT計o)2)综合加宽：g(,0)gD ( 0，0) gH (，0)d 0当 HD时上述积分仅在0附近很小范围内有非0值,在此范围内有:g( ,0)go(, 0)gH (,0)d0go(, o)就是说，这时综合加宽近似于多普勒非均匀加宽h 时 g( , 0)gH(,0)就是说，这时综合加宽近似于均匀加宽4. 能画出三能

10、级系统的结构示意图，说明每个能级的意义。能列出四能级系统的速率方程组激光下能级：Ei激光上能级：E2 抽运高能级：巳粒子在这些能级之间跃迁过程: 泵浦过程；W3 转移过程；S32、A31和S3l粒子数反转形成移过程；A21、S21 和 Wi、WJ2三能级系统的速率方程组：dtn 0W03n3 ( S32A30 )dn2dt(n2f2f ni)21(，O)VN|f1n2(S2iA21 )n3S32dn。dtn0W03n3 A30ni匕 n3n4ndNidt(n2I 27n 1) 21( > 0)vN|f1山）Rldtn)W13n3 ( S32A31)d% dtr1V2n2W?1n2 (S2

11、1A21 )n3S32n1ndNin2V21Nidtri（四能级系统的速率方程组:1偏离中心频率°越远，增益系数的饱和作用越弱。当入射光频率15. 均匀加宽中，入射光频率 等于中心频率°时，增益系数的饱和作用最强。6. 非均加宽增益饱和现象与均加宽增益饱和现象的主要区别？非均匀加宽工作物质增益饱和效应比较弱。在非均匀加宽情况中，增益饱和效应的强弱与线型中频率位置无关。在均匀加宽情况中, 增益饱和效应的强弱与线型中频率位置有关，偏离线型函数中心频率越远，饱和效应越弱。非均匀加宽跃迁中具有烧孔效应。第四章激光振荡特性1.阈值粒子数反转密度n°n8 0It321 ( ,

12、 0)1 c A21 g( , 0) ri2.腔内光强能否无限增加下去?答：不行。实践证明，当激发速率一定时，激光器的输出功率恒定；仅当外界激发作用加强时，输出功 率才上升,但会在一个新的水平上保持恒定.3. 概念：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的“尖峰”序列，把这种现象称作弛豫振荡效应。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小4. 在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做频率牵引。5. 对于有源腔，输出功率越大，减少损耗和增加腔长可使线宽变窄名词解释1. 光子简并度：处于同一光子态内的光子数，与之等效的含义还

13、有：同一模式内的光子数、处于相干体积内的光 子数、处于同一相格内的光子数。2. 相格：测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能 同时确定，在 三维运动情况下，测不 准关系为x y zPxPyPzh3，故在六维相空间中，一个光子态占有的相空间体积为x y zPxPyPzh3，上述相空间体积元称为相格。3. 线型函数：引入谱线的线型函数 g（v,v。） 卫M，线型函数的单位是 S,括号中的V。表示线型函数的中心频P率，且有 g（v,v0） 1，并在V。加减v2时下降至最大值的一半。按上式定义的v称为谱线宽度。4. 多普勒加宽：多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。

14、5. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频 率v。的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。6. 谐振腔的 Q值:无论是 LC振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q值来标识腔的特性。定义Q2 v p。为储存在腔内的总能量，p为单位时间内损耗的总能量。v为腔内电磁场的振荡频率。7. 兰姆凹陷：单模输出功率P与单模频率vq的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色

15、驻波；这种能够存在腔内的驻波成为光波模。9. 谱线加宽：实际中的谱线加宽由于各种情况 的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率（e2 e1）/附近一个很小的频率范围内。这就叫谱线加宽。10. 频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫频 率牵引。11. 自发辐射：处于高能级E2的一个原子自发的向E1跃迁，并产生一个能量为hv的光子12. 受激辐射：处于高能级E2的一个原子在频率为v的辐射场作用下，向E1跃迁，并产生一个能量为hv的光 子13. 激光器的组成部分：谐振器，工作物质，泵浦源14. 腔的模式：将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的

16、本征态称为。15. 光子简并度：处于同一光子态的光子数。含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、 处于同一相格内的光子数16. 激光的特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好17. 粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使得n2>n118. 集居数反转19. 若f1f2时，满足：n2 n-i ； f1 f2时，满足：-1，此时称为满足集居数反转状态，是实现光放大的n1 f2条件。20.20. 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数21. 增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个

17、常数；当入射光的光强增大到 一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。22. Q值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标一一品质因数。23. 纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称为纵模24. 横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模25. 菲涅尔数：N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数目。表征损耗的大小。衍射损耗 与N成反比。26. 自在现模：把开腔镜面上经一次往返能再现的稳态场分布称为自在现模或横模。27. 损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分数28. 自激振荡：不管初

18、始光强多微弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强Im,满足振荡条件。29. 多普勒效应：设一发光原子（光源）的中心频率为°，当原子相对于接收器以速度vz运动时，接收器测得的光波频率变为（略）；30. 多普勒加宽：由于作热运动的发光原子 （分子）所发出的辐射的多普勒频移引起的加宽31. 谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内。32. 谱线宽度：线型函数在 °时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。33. 线性函数：归归一化的自发辐射光功率，描述单色辐射功率随频率变化的规律，定义为分布在某一频率附近单 位频率间

19、隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比。用于表示谱线的形状。34. 均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，包括自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。35. 非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的表现中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的 某一频率范围是由哪一部分原子发射的，包括气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽。36. 激光器振荡阈值：工作物质自发辐射在光腔内因不断获得受激放大形成振荡所需要的门限条件，可用反转粒子 数密度，阈值增益系数，阈值泵浦功率来表示。37. ASE :不满足阈值条件，但处于集居数反转的工作物质对自发辐射光具有放大作用。38. 增益的空间烧孔效应：在驻波腔激光器中，腔内形成一个驻波场，波腹处增益最小，而波节处增益最大，沿光腔 方向增益系数的这种非均匀分布称为空间烧孔效应39. 自选模：设三个纵模v1 , v2, v3同时起振，随着振荡的持续光强I1 , I2 , I3逐渐增大，当光强足够大，（可与Is比拟时）由于增益饱和，导致增益曲线在各频率处整体下降，结果各纵模由于增益系数小于阈值增益系数,先后