激光原理試題-知識(shí)點(diǎn)考必背

1、激光原理復(fù)習(xí)題(頁碼是按第五版書標(biāo)注的，黃色底紋的頁碼是按第六版書標(biāo)注的)填空 簡(jiǎn)答 計(jì)算 論述 1.什么是光波模式和光子態(tài)？什么是相格？Page5答：光波模式(page5):在一個(gè)有邊界條件限制的空間內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢的平面單色駐波。這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波（以某一波矢為標(biāo)志）稱為光波模式。光子態(tài)(page6):光子在由坐標(biāo)與動(dòng)量所支撐的相空間中所處的狀態(tài),在相空間中，光子的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一個(gè)相格。相格(page6):在三維運(yùn)動(dòng)情況下，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系為，故在六位相空間中，一個(gè)光子態(tài)對(duì)應(yīng)（或占有）的相空間體積元為，上述相空間體積元稱為相格。2.如何理解光的相干性？何謂相干時(shí)間、相干長

2、度、相干面積和相干體積？Page7答：光的相干性(page7):在不同的空間點(diǎn)上、在不同的時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特性的相關(guān)性。相干時(shí)間(page7)：光沿傳播方向通過相干長度所需的時(shí)間，稱為相干時(shí)間。相干長度：相干光能產(chǎn)生干涉效應(yīng)的最大光程差，等于光源發(fā)出的光波的波列長度。?相干面積： 相干體積(page7)：如果在空間體積內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則稱為相干體積。3.何謂光子簡(jiǎn)并度，有幾種相同的含義？激光源的光子簡(jiǎn)并度與它的相干性什么聯(lián)系？Page9答：光子簡(jiǎn)并度(page9)：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡(jiǎn)并度。光子簡(jiǎn)并度有以下幾種相同含義(page9)：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子

3、數(shù)、處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。聯(lián)系：激光源的光子簡(jiǎn)并度決定著激光的相干性，光子簡(jiǎn)并度越高，激光源的相干性越好。4.什么是黑體輻射？寫出公式,并說明它的物理意義。Page10答：黑體輻射(page10)：當(dāng)黑體處于某一溫度的熱平衡情況下，它所吸收的輻射能量應(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場(chǎng)之間應(yīng)處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)，這種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。公式(page10)：物理意義(page10)：在單位體積內(nèi)，頻率處于附近的單位頻率間隔中黑體的電磁輻射能量。5.描述能級(jí)的光學(xué)躍遷的三大過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。Page

4、10答：(1)自發(fā)輻射過程描述(page10)：處于高能級(jí)的一個(gè)原子自發(fā)的向躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為的光子，這種過程稱為自發(fā)躍遷，由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱為自發(fā)輻射。特征：a) 自發(fā)輻射是一種只與原子本身性質(zhì)有關(guān)而與輻射場(chǎng)無關(guān)的自發(fā)過程,無需外來光。b) 每個(gè)發(fā)生輻射的原子都可看作是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)射單元，原子之間毫無聯(lián)系而且各個(gè)原子開始發(fā)光的時(shí)間參差不一，所以各列光波頻率雖然相同，均為，各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，各有不同的偏振方向，而且各個(gè)原子所發(fā)的光將向空間各個(gè)方向傳播，即大量原子的自發(fā)輻射過程是雜亂無章的隨機(jī)過程，所以自發(fā)輻射的光是非相干光。自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)：(2)受激吸收過程描述

5、(page12)處于低能態(tài)的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用（激勵(lì)）下，吸收一個(gè)能量為的光子并向能態(tài)躍遷，這種過程稱為受激吸收躍遷。特征：a) 只有外來光子能量時(shí)，才能引起受激輻射。b)躍遷概率不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場(chǎng)的有關(guān)。受激吸收躍遷概率(page12)：（為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，為輻射場(chǎng)）(3)受激輻射過程描述(page12)：處于上能級(jí)的原子在頻率為的輻射場(chǎng)作用下，躍遷至低能態(tài)并輻射一個(gè)能量為的光子。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。特征：a) 只有外來光子能量時(shí)，才能引起受激輻射；b) 受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的頻率、傳播方向、偏振方向、相位等性質(zhì)完全相同。受激輻射躍

6、遷概率：（為受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)，為輻射場(chǎng)）6.系數(shù)有哪些？它們之間的關(guān)系是什么？Page13答：系數(shù)(12)：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)，受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)關(guān)系(page13)：，為能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重(簡(jiǎn)并度)7.試證明，由于自發(fā)輻射，原子在能級(jí)的平均壽命為。Page13證明：根據(jù)自發(fā)躍遷概率定義 表示在時(shí)間內(nèi)由于自發(fā)躍遷引起的由向躍遷的原子數(shù)。在單位時(shí)間內(nèi)能級(jí)減少的粒子數(shù)為 將(1)式帶入得 由此式可得 （為時(shí)刻高能級(jí)具有的粒子數(shù)）所以自發(fā)輻射的平均壽命 8.一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收系數(shù)0.01,光通過10長的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾？Page23

7、（8）解：設(shè)進(jìn)入材料前的光強(qiáng)為，經(jīng)過距離z后的光強(qiáng)為，則所以出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比 。所以出射光強(qiáng)占入射光強(qiáng)的。9.激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？答：激光工作物質(zhì)：用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用的物質(zhì)體系。接收來自泵浦源的能量，對(duì)外發(fā)射光波并能夠強(qiáng)烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱為激活物質(zhì)。泵浦源：提供能量，實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光學(xué)諧振腔：a)提供軸向光波模的正反饋；b)模式選擇，保證激光器單模振蕩，從而提高激光器的相干性。10.什么是熱平衡時(shí)能級(jí)粒子數(shù)的分布？什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？Page15答：熱平衡時(shí)能級(jí)粒子數(shù)的分布(page15)：在物質(zhì)處于熱平衡

8、狀態(tài)時(shí)，各能級(jí)上的原子數(shù)（或集居數(shù)）服從玻爾茲曼分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：使高能級(jí)粒子數(shù)密度大于低能級(jí)粒子數(shù)密度。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(page15)：外界向物質(zhì)供給能量（稱為激勵(lì)或泵浦過程），從而使物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)。11.如何定義激光增益？什么是小信號(hào)增益？大信號(hào)增益？增益飽和？Page16答：激光增益定義(p15)：設(shè)在光傳播方向上處的光強(qiáng)為，則增益系數(shù)定義為，表示光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)。小信號(hào)增益(p16)：當(dāng)光強(qiáng)很弱時(shí)，集居數(shù)差值不隨z變化，增益系數(shù)為一常數(shù)，稱為線性增益或小信號(hào)增益。大信號(hào)增益(p17)：在放大器中入射光強(qiáng)與(為飽和光強(qiáng))相比擬時(shí)，為大信號(hào)增益。增益飽和(p

9、16)：當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，增益系數(shù)g也隨著光強(qiáng)的增加而減小，這一現(xiàn)象稱為增益飽和效應(yīng)。12.什么是自激振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的條件是什么？Page17答：自激振蕩(p18)：不管初始光強(qiáng)多么微弱，只要放大器足夠長，就總是形成確定大小的光強(qiáng)，這就是自激振蕩的概念。產(chǎn)生條件(p18)：，為小信號(hào)增益系數(shù)，為包括放大器損耗和諧振腔損耗在內(nèi)的平均損耗系數(shù)。13.激光的基本特性是什么？Page19答：激光四性：?jiǎn)紊?、相干性、方向性和高亮度。這四性可歸結(jié)為激光具有很高的光子簡(jiǎn)并度。14如何理解激光的空間相干性與方向性？如何理解激光的時(shí)間相干性？如何理解激光的相干光強(qiáng)? 23答：(1)激光的方向性越好，它的空間

10、相干性程度越高。(p19)(2)激光的相干時(shí)間和單色性存在著簡(jiǎn)單關(guān)系，即單色越好，相干時(shí)間越長。(p21)(3)激光具有很高的亮度，激光的單色亮度，由于激光具有極好的方向性和單色性，因而具有極高的光子簡(jiǎn)并度和單色亮度。(p22)15.什么是諧振腔的諧振條件？如何計(jì)算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目？28答：(1)諧振條件(p27)：諧振腔內(nèi)的光要滿足相長干涉條件（也稱為駐波條件）。波從某一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來位置時(shí)，應(yīng)與初始出發(fā)波同相（即相差為的整數(shù)倍）。如果以表示均勻平面波在腔內(nèi)往返一周時(shí)的相位滯后，則可以表示為。為光在真空中的波長，為腔的光學(xué)長度，為正整數(shù)。(2)如何計(jì)算縱模的

11、頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目(p27-28)：縱模的頻率:；縱模間隔:?縱模的數(shù)目:對(duì)于滿足諧振條件頻率為的波，其縱模數(shù)目,為小信號(hào)增益曲線中大于閾值增益系數(shù)的那部分曲線所對(duì)應(yīng)的頻率范圍(振蕩帶寬)。16.在激光諧振腔中一般有哪些損耗因素，分別與哪些因素有關(guān)？33答：損耗因素(p28)幾何偏折損耗： 與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關(guān)。衍射損耗： 與腔的菲涅爾數(shù)、腔的幾何參數(shù)、橫模階次有關(guān)。腔鏡反射不完全引起的損耗： 與腔鏡的透射率、反射率有關(guān)。材料中的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物所引起的損耗：與介質(zhì)材料的加工工藝有關(guān)。17.哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？31答：(1)描述參數(shù)(

12、p28-p39)a)平均單程損耗因子： （為初始光強(qiáng)，為往返一周后光強(qiáng)） b)腔內(nèi)光子的平均壽命： c)品質(zhì)因數(shù)： (2)關(guān)系：腔的損耗越小，平均單程損耗因子越小，腔內(nèi)光子的平均壽命越長，品質(zhì)因數(shù)越大。18.什么是腔的菲涅爾數(shù)？它與腔的損耗有什么關(guān)系？Page33答：菲涅爾數(shù)(p32)：稱為腔的菲涅爾數(shù)（為孔半徑，腔長）。即從一個(gè)鏡面中心看到另一個(gè)鏡面上可以劃分的菲涅爾半周期帶的數(shù)目（對(duì)平面波陣面而言）。與腔的損耗關(guān)系(p32):衍射損耗隨腔的菲涅爾數(shù)的減小而增大。19.什么是共軸球面腔的穩(wěn)定性條件？(p35) Page36，為兩球面鏡的距離，分別為的曲率半徑，當(dāng)凹面鏡向著腔內(nèi)時(shí)，取正值，當(dāng)凸

13、面鏡向著腔內(nèi)時(shí)，取負(fù)值。20.激光器的諧振腔由一面曲率半徑為1的凸面鏡和曲率半徑為2的凹面鏡組成，工作物質(zhì)長0.5，其折射率1.52，求腔長在什么范圍內(nèi)是穩(wěn)定腔？Page98（5）解：設(shè)兩腔鏡和的曲率半徑分別為和，,工作物質(zhì)長，折射率根據(jù)穩(wěn)定條件判據(jù): 即 其中由(1)式解得，由(2)式得結(jié)合(1)(2)式得 21.試?yán)猛稻仃囎C明共焦腔為穩(wěn)定腔，即任意傍軸光線在其中可以往返無限多次，而且兩次往返即自行閉合。Page98（3）證明：設(shè)光線在球面鏡腔內(nèi)的往返情況如下圖所示其往返矩陣為：由于是共焦腔，有往返矩陣變?yōu)?，若光線在腔內(nèi)往返兩次，有 可以看出，光線在腔內(nèi)往返兩次的變換矩陣為單位陣，所以光

14、線兩次往返即自行閉合，即共焦腔為穩(wěn)定腔。22.如何理解激光諧振腔衍射理論的自再現(xiàn)模？ 43答：(p38)開腔鏡面上，經(jīng)過足夠多次往返后，能形成這樣一種穩(wěn)恒場(chǎng)，其分布不再受衍射的影響，在腔內(nèi)往返一次能夠再現(xiàn)出發(fā)時(shí)的場(chǎng)分布。這種穩(wěn)恒場(chǎng)經(jīng)一次往返后，唯一可能的變化是，鏡面上各點(diǎn)的場(chǎng)分布按同樣的比例衰減，各點(diǎn)的相位發(fā)生同樣大小的滯后。把這種開腔鏡面上的經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)恒場(chǎng)分布稱為開腔的自再現(xiàn)模。23.求解菲涅爾-基爾霍夫衍射積分方程得到的本征函數(shù)和本征值各代表什么? Page51答：本征函數(shù)(p42):描述腔的一個(gè)自再現(xiàn)模式或橫模。其模描述鏡面上場(chǎng)的振幅分布，幅角描述鏡面上場(chǎng)的相位分布。本征值值(

15、p43):表示自再現(xiàn)模在渡越一次時(shí)的幅值衰減和相位滯后。其模值量度自再現(xiàn)模在腔內(nèi)往返一次的功率損耗，幅角量度自再現(xiàn)模的單程相移，從而也決定模的諧振頻率。24.什么是一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價(jià)性？66答：(p65)(1)任意一個(gè)共焦球面腔與無窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔等價(jià);(2)任一滿足穩(wěn)定條件的球面腔唯一地等價(jià)于某一個(gè)共焦腔。即如果某一個(gè)球面腔滿足穩(wěn)定性條件，則必定可以找到而且也只能找到一個(gè)共焦腔，其行波場(chǎng)的某兩個(gè)等相位面與給定球面腔的兩個(gè)反射鏡面相重合。25.今有一球面腔，。試證明該腔為穩(wěn)定腔；求出它的等價(jià)共焦腔的參數(shù)；在圖中畫出等價(jià)共焦腔的具體位置。Page98（10）解：(1)該球面腔的g參數(shù)

16、由此滿足諧振腔的穩(wěn)定性條件，因此該腔為穩(wěn)定腔。(2)兩反射鏡距離等效共焦腔中心O點(diǎn)的距離和等價(jià)共焦腔的焦距分別為 ?(3)等價(jià)共焦腔的具體位置如下圖1R2R等價(jià)共焦腔1z2zOLff26.如何計(jì)算基模高斯光束的主要參量，腰斑的位置、鏡面上光斑的大小、任意位置處激光光斑的大小、等相位面曲率半徑、光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角、模體積。61答：設(shè)穩(wěn)定腔腔長為L，兩腔鏡和的曲率半徑分別為和則：(1)腰斑位置距M1的距離為，距M2的距離為(2)M1鏡面上光斑的大小： M1鏡面上光斑的大小：(3)任意位置處激光激光光斑大?。?，)(4)等相位面曲率半徑： (5)光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：(6)模體積：27.某二氧化碳激光器采

17、用平凹腔，凹面鏡的，腔長。試給出它所產(chǎn)生的高斯光束的束腰腰斑半徑的大小和位置，該高斯光束的焦參數(shù)和基膜發(fā)散角。 Page99（15）解：平面鏡的曲率半徑其共焦參數(shù)束腰腰斑半徑 腰斑半徑距平面鏡的距離 所以腰斑處于平面鏡上，發(fā)散角28.高斯光束的表征方法有哪些？什么是參數(shù)？高斯光束參數(shù)的變換規(guī)律是什么？61 77答：(1)表征方法(p71-72)：a)用束腰半徑(或共焦參數(shù))及束腰位置表征高斯光束；b)用光斑半徑及等相位面曲率半徑表征高斯光束；c)用參數(shù)表征高斯光束。(2) 參數(shù)(p72)：其定義為(3)高斯光束參數(shù)的變換規(guī)律：當(dāng)高斯光束在自由空間或通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，參數(shù)滿足，稱其為高斯光束的，其

18、中為光學(xué)系統(tǒng)的光線變換矩陣的4個(gè)矩陣元。29.為了使高斯光束獲得良好聚焦，常采用的方法有哪些？(p82) 81答：a)用短焦距透鏡；b)使高斯光束腰斑遠(yuǎn)離透鏡焦點(diǎn)；c)將高斯光束腰斑半徑放在透鏡表面處，即使光腰與透鏡的距離為，并設(shè)法滿足條件。30.什么是高斯光束的自再現(xiàn)變換？利用薄透鏡對(duì)高斯光束實(shí)現(xiàn)自再現(xiàn)變換的條件如何？Page84答：自再現(xiàn)變化(p84):如果一個(gè)高斯光束通過透鏡后其結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，即腰斑半徑或共焦參數(shù)不變，則稱這種變化為自再現(xiàn)變化。條件(p84)：透鏡的焦距等于高斯光束入射在透鏡表面上的波面曲率半徑的一半時(shí)，即。31.非穩(wěn)腔和穩(wěn)定腔的區(qū)別是什么？舉例說明哪些是非穩(wěn)腔？Pag

19、e37答：(1)區(qū)別(p35-36)：穩(wěn)定腔中傍軸光線能在腔內(nèi)往返任意多次而不致橫向溢出腔外；而非穩(wěn)腔中傍軸光線在腔內(nèi)經(jīng)過有限次往返后必然從側(cè)面溢出腔外。(2)非穩(wěn)腔類型(p89)所有雙凸腔； 所有平-凸腔；凹面鏡曲率半徑小于腔長的平-凹腔；32.什么是譜線加寬？有哪些加寬類型？加寬機(jī)制是什么？140答：(1)譜線加寬(p130)：由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻率附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)，這就叫譜線加寬。(2)加寬類型及機(jī)制(p131-140)a)均勻加寬自然加寬 機(jī)制：原子的自發(fā)輻射引起的。碰撞加寬 機(jī)制：大量原子（分子、離子）之間的無規(guī)則碰撞。晶格振動(dòng)加寬： 機(jī)

20、制：晶格振動(dòng)使激活離子處于隨周期變化的晶格場(chǎng)，激活離子的能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量在某一范圍內(nèi)變化。b)非均勻加寬多普勒加寬 機(jī)制：由于作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原子（分子所發(fā)出）輻射的多普勒頻移引起的。晶格缺陷加寬 機(jī)制：晶格缺陷部位的晶格場(chǎng)將和無缺陷部位的理想晶格場(chǎng)不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級(jí)將發(fā)生位移，導(dǎo)致處于鏡體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同。c)綜合加寬氣體工作物質(zhì)的綜合加寬 機(jī)制：由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。固體激光工作物質(zhì)綜合加寬 機(jī)制：由晶格熱振動(dòng)引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬。液體工作物質(zhì)的綜合加寬 機(jī)制：溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰撞而導(dǎo)致自發(fā)輻射的碰撞

21、加寬。33.如何理解均勻加寬和非均勻加寬？137答：均勻加寬(p131)：引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的，對(duì)于均勻加寬，每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，或者說，每一個(gè)原子對(duì)光譜內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非均勻加寬(p135)：原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。34.如何求自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬的線寬？131、134答：自然加寬線寬(p133)： (為原子在能級(jí)的自發(fā)輻射壽命)碰撞加寬(p135)： 多普勒加寬(p138)：(M為原子量)35.分析三能級(jí)和四

22、能級(jí)系統(tǒng)中粒子在各能級(jí)之間的躍遷過程，畫出示意圖，并寫出對(duì)應(yīng)的單模振蕩速率方程。答：p145-p149 146注：圖4.4.3三能級(jí)示意圖中改為 36.說明均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的機(jī)理，并寫出激光增益的表達(dá)式。152答：均勻加寬增益飽和機(jī)理(p154)在均勻加寬情況下，每個(gè)粒子對(duì)譜線不同頻率處的增益都有貢獻(xiàn)，也就是說均勻加寬的激光工作物質(zhì)對(duì)各種頻率入射光的放大作用全都使用相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，因此強(qiáng)光會(huì)導(dǎo)致反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降，而反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降又將導(dǎo)致弱光增益系數(shù)的下降，結(jié)果是增益在整個(gè)譜線上均勻地下降。均勻加寬增益表達(dá)式：？非均勻加寬增益飽和機(jī)理非均勻加寬增益表達(dá)式：37.

23、飽和光強(qiáng)的含義？怎樣定義的？Page149答：(p151)飽和光強(qiáng)的物理意義是：當(dāng)入射光強(qiáng)度可以和比擬時(shí)，受激輻射造成的上能級(jí)集居數(shù)衰減率才可以與其它弛豫過程（自發(fā)輻射及無輻射躍遷）相比擬。因此當(dāng)時(shí)，與光強(qiáng)無關(guān)，而當(dāng)可以和相比擬時(shí)，隨著的增加而減少，減少到小信號(hào)情況下的倍。定義：38在強(qiáng)光入射下，均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中，弱光的增益系數(shù)如何變化？Page151 Page155答：(1)均勻加寬物質(zhì)中(p154)頻率為的強(qiáng)光入射不僅使自身的增益系數(shù)下降，也使其它頻率的弱光的增益系數(shù)也以同等程度下降，結(jié)果是增益在整個(gè)譜線上均勻的下降。(2)非均勻加寬工作物質(zhì)中(p157)頻率為的強(qiáng)光入射時(shí)，

24、會(huì)形成以為中心，寬度為的燒孔，若入射頻率為的弱光處在燒孔造成的燒孔范圍之內(nèi)，則弱光增益系數(shù)將小于小信號(hào)增益系數(shù)，若處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響仍等于小信號(hào)增益系數(shù)。39.描述非均勻加寬工作物質(zhì)中的增益飽和的“燒孔效應(yīng)”，并說明原理。156答：(1)描述(p157):對(duì)于非均勻加寬工作物質(zhì)中，在其增益曲線曲線上，在頻率處產(chǎn)生一個(gè)凹陷，凹陷寬度約為，頻率處的凹陷最低點(diǎn)下降到小信號(hào)增益系數(shù)的倍，以上現(xiàn)象稱為增益曲線的燒孔效應(yīng)。(2)原理：在非均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率的強(qiáng)光只在附近寬度約為的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)的飽和，對(duì)表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集居數(shù)沒有影響。若有一頻率為的弱

25、光同時(shí)入射，如果頻率處在強(qiáng)光造成的燒孔范圍之內(nèi)，則由于反轉(zhuǎn)集居數(shù)的減少，弱光增益系數(shù)將小于小信號(hào)增益系數(shù)。如果頻率處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響而仍等于小信號(hào)增益系數(shù)，所以在增益曲線曲線上，在頻率處產(chǎn)生一個(gè)凹陷，凹陷寬度約為。40.激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件？Page164答：(1)振蕩條件：滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一；頻率落在工作物質(zhì)的譜線范圍內(nèi)，即對(duì)應(yīng)增益系數(shù)大于等于閾值增益系數(shù)。?(2)穩(wěn)定工作條件：增益系數(shù)等于于閾值增益系數(shù)41.為什么三能級(jí)系統(tǒng)比四能級(jí)系統(tǒng)需要更強(qiáng)的激勵(lì)？Page166答(p168)：這是因?yàn)樗哪芗?jí)系統(tǒng)系統(tǒng)的激光下能級(jí)為激發(fā)態(tài)，所以

26、只需把個(gè)粒子激勵(lì)到能級(jí)就可以使增益克服腔的損耗而產(chǎn)生激光。而在三能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能級(jí)是基態(tài)，至少要將個(gè)粒子激勵(lì)到能級(jí)上去，才能形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)，所以三能級(jí)系統(tǒng)的閾值能量或閾值功率要比四能級(jí)系統(tǒng)大得多。42.在均勻加寬和非均勻加寬激光器中模式競(jìng)爭(zhēng)有什么不同？169答：(p170-171)均勻加寬激光器中只要有幾個(gè)滿足閾值條件的縱模，就會(huì)在振蕩過程中相互競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果總是靠近中心頻率的一個(gè)縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其它縱模都被抑制而熄滅。因此理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應(yīng)是單縱模的，單縱模的頻率總是在譜線中心頻率附近。非均勻加寬激光器中也存在模式競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)縱模形成的燒孔重疊時(shí)會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)模的輸

27、出功率無規(guī)則起伏。43.論述均勻加寬激光器中增益的空間燒孔效應(yīng)引起的多縱模振蕩以及消除縱?？臻g燒孔的方法。169答：(1)描述(p170)：當(dāng)頻率為的縱模在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩時(shí)，腔內(nèi)形成一個(gè)駐波場(chǎng)，波腹處光強(qiáng)最大，波節(jié)處光強(qiáng)最小。因此雖然的模在腔內(nèi)的平均增益系數(shù)小于，但實(shí)際上軸向各點(diǎn)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度和增益系數(shù)是不相同的，波腹處增益系數(shù)最小（反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度）最小，波節(jié)處增益系數(shù)（反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度）最大，這一現(xiàn)象稱作增益的空間燒孔效應(yīng)。?(2)消除縱?？臻g燒孔的方法(p171)高氣壓氣體激光器；使用含光隔離器的環(huán)形行波腔44.什么是蘭姆凹陷？定性解釋其成因。173答：(1)(p174)激光器的單模輸出

28、功率和單模頻率的關(guān)系曲線中，在處，曲線有一凹陷，稱為蘭姆凹陷。(2)成因(p175)當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，激光振蕩將在增益曲線的及處造成兩個(gè)凹陷；當(dāng)時(shí)，由于燒孔面積增大，所以功率比大；當(dāng)頻率接近，且時(shí)，兩個(gè)燒孔部分重疊，燒孔面積的和可能小于時(shí)兩個(gè)燒孔面積的和，因此。當(dāng)時(shí)，兩個(gè)燒孔完全重合，此時(shí)只有附近的原子對(duì)激光有貢獻(xiàn)，雖然它對(duì)應(yīng)著最大的小信號(hào)增益，但由于對(duì)激光作貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)減少了，即燒孔面積減少了，所以輸出功率下降到某一極小值，從而出現(xiàn)蘭姆凹陷。45.什么是激光器的弛豫振蕩現(xiàn)象？177答：(p176)一般固體脈沖激光器所輸出的并不是一個(gè)平滑的光脈沖，而是一群寬度只有微秒量級(jí)的短脈沖序列，即所謂“

29、尖峰”序列，激勵(lì)越強(qiáng)，則短脈沖之間的時(shí)間間隔越小，把上述現(xiàn)象稱為弛豫振蕩效應(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。46.為什么存在線寬極限？它取決于什么？179答：(1)(p180-181)由于存在著自發(fā)輻射，穩(wěn)定振蕩時(shí)的單程增益略小于單程損耗，有源腔的凈損耗不等于零，雖然該模式的光子數(shù)密度保持恒定，但自發(fā)輻射具有隨機(jī)的相位，所以輸出激光是一個(gè)具有衰減的有限長波列，因此具有一定的譜線寬度，這種線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的，因而是無法排出的，因此稱為線寬極限。(2)取決于輸出功率、損耗及腔長。輸出功率越大，線寬就越窄；減小損耗和增加腔長也可以使線寬變窄。47.什么是頻率牽引？182答：(p183)在有源腔中，由于

30、增益物質(zhì)的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近中心頻率，這種現(xiàn)象叫做頻率牽引。48.長度為的紅寶石棒置于長度為的光諧振腔中，紅寶石譜線的自發(fā)輻射壽命，均勻加寬線寬為，光腔單程損耗因子。求：（1）中心頻率處閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度；（2）當(dāng)光泵激勵(lì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度時(shí)，有多少個(gè)縱?？梢哉袷?？（紅寶石折射率為1.76）Page182（2）解：(1) 閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為 (2) 按照題意,若振蕩帶寬為,則應(yīng)該有由上式可得相鄰縱模頻率間隔為所以所以有164165個(gè)縱模可以起振。49.簡(jiǎn)述橫模和縱模選擇的原理及具體方法。212答：(1)橫模選擇(p210)原理：在各個(gè)橫模增益大體相同的條件下，不同橫模間衍

31、射損耗有差別，在穩(wěn)定腔中，基膜的衍射損耗最低，隨著橫模階次的增高，衍射損耗將迅速增加。如果降低基膜的衍射損耗，使之滿足閾值條件（基膜的單程增益至少能補(bǔ)償它在腔內(nèi)的單程損耗），則其它模因損耗高而不能起振被抑制。橫模選擇方法(p211)小孔光闌選模、諧振腔參數(shù)法，非穩(wěn)腔選模，微調(diào)諧振腔(2)縱模選擇原理(p212):一般諧振腔中有著相同的損耗，但由于頻率的差異而具有不同的小信號(hào)增益系數(shù)。因此，擴(kuò)大和充分利用相鄰縱模間的增益差，或人為引入損耗差是進(jìn)行縱模選擇的有效途徑?？v模選擇方法短腔法、行波腔法、選擇性損耗法50.激光器主要的穩(wěn)頻技術(shù)有哪些？219答：(p214-219)蘭姆凹陷穩(wěn)頻、塞曼穩(wěn)頻、飽

32、和吸收穩(wěn)頻、無源腔穩(wěn)頻。51.調(diào)制激光器的工作原理，目前常用的幾種調(diào)方法。Page220、223答：(1)工作原理(p220)通過某種方法使諧振腔的損耗因子(或)值按照規(guī)定的程序變化，在泵浦源剛開始時(shí)，先使光腔具有高損耗因子，激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到較高的水平，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，使腔的損耗因子突然降到，閾值也隨之突然降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)。于是在極短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)存儲(chǔ)的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?，形成一個(gè)很強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。(2)調(diào)方法(p221-223) 電光調(diào)、聲光調(diào)、被動(dòng)調(diào)?52.什么是激光器的注入鎖定？其

33、實(shí)際意義是什么？Page228、Page233答：(1)(p228)分為兩類：連續(xù)激光器的注入鎖定，脈沖激光器的注入鎖定a)連續(xù)激光器的注入鎖定：在一連續(xù)激光振蕩器中注入一弱的單色信號(hào)，若注入光信號(hào)頻率足夠接近激光器的自由振蕩頻率，則激光振蕩可以完全為注入信號(hào)控制，激光器振蕩模式的頻率躍變?yōu)椋辔慌c注入信號(hào)同步。b)脈沖激光器的注入鎖定：在調(diào)或增益開關(guān)激光器啟動(dòng)過程中注入一弱信號(hào)，可使頻率與注入信號(hào)頻率最接近的模式優(yōu)先起振，其它模式被抑制，實(shí)際上激光振蕩并未被注入信號(hào)真正鎖定，激光頻率仍為激光器自由振蕩的頻率。?(2)注入鎖定的實(shí)際意義(p233)a)利用注入鎖定，可以由一個(gè)功率較小、但窄線寬

34、、單模運(yùn)轉(zhuǎn)、頻率穩(wěn)定的激光器來控制一個(gè)高功率或動(dòng)態(tài)調(diào)制激光器的光束質(zhì)量；b)使用激光器模式相位鎖定陣列可產(chǎn)生空間相干性好、發(fā)散角小的高功率光束；c)測(cè)量系統(tǒng)或應(yīng)用系統(tǒng)中的光學(xué)元件的向后散射對(duì)激光器而言是一注入信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致激光器頻率不穩(wěn)定，需要在某些場(chǎng)合采取插入光隔離器等措施減小后向散射；53.激光器的鎖模原理以及利用振幅調(diào)制鎖模和位相調(diào)制鎖模的方法。Page234、Page237、Page238答：(1)鎖模原理(p234)：使激光器中各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有一定的超短脈沖，這種激光器稱為鎖模激光器。(2)振幅調(diào)制鎖模的方法(p237)：調(diào)制激光工作物質(zhì)的增益或腔內(nèi)損耗，均可使激光

35、振幅得到調(diào)制，如果調(diào)制頻率，可實(shí)現(xiàn)鎖模。(3)位相調(diào)制鎖模鎖模(238)：在激光器諧振腔內(nèi)插入一電光晶體，利用晶體折射隨外加電壓的變化，產(chǎn)生相位調(diào)制。激光原理 課程考試題題 號(hào)一二三四五六七總分復(fù)核人得 分3070100評(píng)卷人一、填空題：（30分）1. 通常三能級(jí)激光器的泵浦閾值比四能級(jí)激光器泵浦閾值 高 。3. 紅寶石激光器屬于 3 能級(jí)激光器。He-Ne激光器屬于 4 能級(jí)激光器。4. 激光具有四大特性，即單色性好、亮度高、方向性好和 相干性好。5. 激光器穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，腔內(nèi)增益系數(shù)為 閾值 增益系數(shù),此時(shí)腔內(nèi)損耗激光光子的速率和生成激光的光子速率 相等。6. 激光器的基本組成部分 激活物質(zhì)

36、、 激光諧振腔 、 泵浦源 。激光產(chǎn)生條件：1.有提供放大作用的增益介質(zhì)為激光工作物質(zhì)，其激活粒子有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；2.體育外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；3.有光學(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)。其中光學(xué)諧振腔的作用為：提高光的方向性、加長光在增益介質(zhì)中行進(jìn)的路徑以提高光能密度、形成共振產(chǎn)生的模提高相干性（或者填模式選擇、提高軸向光波模的反饋）。7. 調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生激光脈沖主要有 鎖模 、 調(diào)Q 兩種方法，調(diào)Q激光器通?？色@得ns量級(jí)短脈沖，鎖模有主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩種鎖模方式。8.固體

37、激光器主要的泵浦源有（氪燈泵浦）、（高效脈沖氙燈泵浦）等。9.具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特性（或者填亞穩(wěn)態(tài)）的原子結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。10.產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)包括（激活離子）和（基質(zhì)）。11.引起譜線增寬的原因主要有三種，即自然展寬、碰撞展寬、多普勒展寬；它們可分為兩大類，分別是均勻展寬、非均勻展寬。12.受激輻射激勵(lì)發(fā)射出的光子與外來光完全相同，即傳播方向相同，相位相同，偏振態(tài)相同，頻率相同。13.愛因斯坦提出的輻射場(chǎng)與物質(zhì)原子相互作用主要有三個(gè)過程，分別是：自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。14.CO2激光器中，含有氮?dú)夂秃?，氮?dú)獾淖饔檬翘岣呒す馍夏芗?jí)的激光效率，氦氣的作用的是有助于激光

38、下能級(jí)的抽空。15.有源腔中，由于增益介質(zhì)的色散，使縱模頻率與無源腔頻率縱模頻率更接近中心頻率，這種現(xiàn)象叫做頻率牽引。16.激光的線寬極限是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的，因而無法消除。17.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微觀粒子滿足負(fù)溫度分布。18.碰撞增寬譜線為洛倫茲線型。自然加寬是由于激發(fā)態(tài)有一定的壽命引起的。多普勒展寬發(fā)生在氣體介質(zhì)中。19.第一臺(tái)激光器是紅寶石激光器。20.平行平面腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（1,1）。對(duì)稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（-1,-1）。半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（0,1），（1,0）。21.諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q是用來衡量腔的儲(chǔ)存信號(hào)的能力。閾值條件是形成激光的充分必要條件。22.光

39、子簡(jiǎn)并度指光子處于一個(gè)光子態(tài)的平均光子數(shù)、處于同一模式的光子數(shù)、相干體積內(nèi)偏振一樣的光子數(shù)、處于同一相格中的偏振一樣的光子數(shù)。23.腔模經(jīng)一次往返再現(xiàn)后保持原來的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布稱為自再現(xiàn)模。24.全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三維成像，記錄的是物體的相位。二、問答題：（70分）1.畫出聲光調(diào)Q激光器原理圖，說明聲光調(diào)Q基本原理？（10分）答：首先Q開關(guān)關(guān)閉, 腔內(nèi)聲光晶體衍射產(chǎn)生的損耗高，腔內(nèi)Q值低，激光振蕩閾值高，激光不振蕩，上能級(jí)聚集大量反轉(zhuǎn)粒子：Q開關(guān)迅速開啟,腔內(nèi)損耗迅速下降，Q值急劇升高，閾值迅速下降，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)遠(yuǎn)大于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，上能級(jí)聚集大量反轉(zhuǎn)粒子變?yōu)榉逯倒β屎芨叩募?/p>

40、光脈沖。2. 畫出電光調(diào)Q激光器原理圖，說明電光調(diào)Q基本原理？ 答.電光晶體兩端加一定電壓，使沿x方向的偏振光通過電光晶體后，沿x軸兩方向偏振光的位相差為/2，電光晶體相當(dāng)于1/4波片，光束兩次通過電光晶體時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)90，偏振方向與偏振片檢偏方向垂直，光束無法通過檢偏片，腔內(nèi)損耗高，激光無法振蕩;突然撤除電壓后，損耗迅速下降，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)迅速轉(zhuǎn)化為激光脈沖輸出。3什么是對(duì)成共焦腔,計(jì)算對(duì)成共焦腔g參數(shù).:答: 對(duì)成共焦腔:R1=R2=L對(duì)成共焦腔g參數(shù).: 4.說明均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別？說明為什么均勻增寬介質(zhì)內(nèi)存在模式競(jìng)爭(zhēng)？（10分）答：均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率

41、光波都有相同的貢獻(xiàn)， 所有原子對(duì)發(fā)射譜線上每一頻率的光波都有相同貢獻(xiàn)，所有原子的作用相同；非均勻增寬介質(zhì)發(fā)射的不同的光譜頻率對(duì)應(yīng)于不同的原子，不同的原子對(duì)中譜線中的不同頻率有貢獻(xiàn)，不同原子的作用不同的（5分）。均勻增寬激光介質(zhì)發(fā)射譜線為洛侖茲線型，中心頻率處譜線增益最大，該頻率處附近縱模優(yōu)先起振，由于均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻(xiàn)，中心頻率處縱模振蕩發(fā)射激光將引起激光上能級(jí)原子數(shù)下降，激光增益曲線形狀不變，但整體下降，當(dāng)中心頻率處縱模增益降低為激光振蕩閾值時(shí)，該處縱模穩(wěn)定輸出，其它頻率的縱模增益都小于閾值，無法振蕩。5.畫出電光強(qiáng)度調(diào)制原理圖，說明電光強(qiáng)度調(diào)制基本原

42、理？（10分）答：電光調(diào)制器是利用某些晶體材料在外加電場(chǎng)的作用下所產(chǎn)生的電光效應(yīng)而制成的器件。常用的有兩種方式：一種是加在晶體上的電場(chǎng)方向與通光方向平行，稱縱向電光效應(yīng)（也稱為縱向運(yùn)用）；另一種是通光方向與所加電場(chǎng)方向相垂直，稱橫向電光效應(yīng)（也稱為橫向運(yùn)用）。 縱向調(diào)制與橫向調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)縱向電光調(diào)制優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，無自然雙折射的影響，不需進(jìn)行補(bǔ)償。其缺點(diǎn)是半波電壓太高，功率損耗較大。一般橫向調(diào)制器橫向運(yùn)用時(shí)其半波電壓要低于縱向運(yùn)用 ,但由于存在著自然雙折射引起的相位延遲，且隨溫度的漂移而改變，往往使已調(diào)波發(fā)生畸變，常采用“組合調(diào)制器”來進(jìn)行補(bǔ)償。6.試畫圖并文字?jǐn)⑹瞿Ｊ礁?jìng)爭(zhēng)過程。答：假

43、設(shè)只有q-1，q，q+1三個(gè)縱模滿足振蕩條件，這三個(gè)縱模的光均有增益，光強(qiáng)都在增強(qiáng)，整個(gè)增益曲線由小信號(hào)增益曲線G（v）開始下降。當(dāng)降到曲線1時(shí)，對(duì)q+1模來說，增益已經(jīng)變得比G閾低。這樣當(dāng)下降到曲線2，q-1模也被抑制掉，只有q模的光強(qiáng)繼續(xù)增強(qiáng)，最后變成曲線3的情形。這種通過增益飽和效應(yīng)，靠近譜線中心頻率的縱模逐漸把其它縱模抑制掉的過程就是模式競(jìng)爭(zhēng)。7.為什么一般來說均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器的輸出通常是單縱模的，而非均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器輸出通常是多個(gè)縱模？答：（1）對(duì)于均勻增寬型介質(zhì)激光器來說，每個(gè)發(fā)光粒子對(duì)形成整個(gè)譜線都有貢獻(xiàn)。當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過時(shí)，它會(huì)造成整個(gè)增益曲線按同一比例下降，通過增益的飽和效應(yīng)模式之間會(huì)造成譜線競(jìng)爭(zhēng)，最終只剩下與中心頻率靠的很近的那個(gè)模式，所以是單縱模的。（2）對(duì)于非均勻增寬型介質(zhì)激光器來說，某一個(gè)縱模的光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，增益的飽和效應(yīng)并不引起整個(gè)增益曲線下降，而是在該縱模對(duì)應(yīng)的頻率處燒一個(gè)孔，所以如果有多個(gè)縱模的小信號(hào)增益都大于閾值都大于閾值的話，這些縱模都可以建立起自己的振蕩，