激光原理期末知识点总复习材料
激光原理复习自整理资料
第一章 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 波尔兹曼定律：根据统计规律，大量粒子组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：kT E i i i eg -∞n 推论：假设gi=gj1.当E2-E1很小，且12-E E E =∆<< kT 时，112n =n ， 2.当E2>E1时，n2<n1. 说明高能粒子数密度总是较小3.当E1为基态，E2距离很远时，即E2>E1,012n =n ,说明绝大多数粒子为基态 普朗克公式：11h 8hv 33v -=kT e c v πρ 爱因斯坦关系：自发辐射，受激辐射，受激吸收之间的关系332121hv 8cB A π= 212121g B g B = 光子简并度g ：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 特点：1各粒子自发，独立的发射光子；2非相干光源光功率密度：212)()t (q A t hvn =自受及辐射：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的光子特点：1只有外来光频率满足12hv E E -=；2 受激辐射所发射的光子与外来光特征完全相同，相干光源【频率，相位，偏振方向，传播方向】，光场中相同光子数量增加，光强增加，入射光被放大，即光放大过程光功率密度：v B t hvn t ρ212)()(q =激光功率密度比：v v hv ρπλρπh88c q q 333==自激 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数增益饱和：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。
谱线宽度：线型函数在ν0时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。
激光原理复习
激光原理复习(总13页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--激光原理第一章1. 激光器的组成部分及作用（1）工作物质（激活物质）：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。
（2）泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。
（3）谐振腔：①提供轴向光波模的正反馈②模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。
2. 模式数的计算 V c V c g 322824νπννλπ∆=⨯⨯∆= 单色模密度：328c n πνν= 计算例：封闭腔在5000 Å处单色模密度。
Hz c14108106105000103⨯=⨯⨯==-λυ 353821432s 1035.310310614.388-⋅⨯=⨯⨯⨯⨯==m c n ）（）（πυυ3. 光谱宽度的计算c l c t //1=∆≈δν 其中，c l 为波列长度。
4. 本征状态的定义给定空间内任一点处光的运动情况，在初始条件和边界条件确定后，原则上就可求解麦克斯韦方程组，一般可得到很多解，而且这些解的任何一种线性组合都可满足麦克斯韦方程，每一个特解，代表一种光的分布，即代表光的一种本振振动状态。
5. 光子简并度的定义 光子简并度对应于线度光源λ，在单位时间单位立体角内发出单位频宽的光子数(处于同一个相格中的光子数，处于一个模式中的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一量子态内的光子数，都有相同的含义，均定义为光子简并度)。
并用δ表示：νλνδ∆∆Ω∆==∆ΩS h P g n )/2(26. 光子简并度与单色亮度之间的关系光源的光子简并度，从微观上反映出光源的单色亮度。
单色亮度：∆Ω∆∆=ννS P B 。
光子简并度δ与单色亮度νB 之间的关系为：hv B v 22λδ=7. 光子平均能量的表达同一种光子运动状态（或同一种光波模式）的光子平均能量：1)exp(-=KT h h E νν8. 光的自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射：处于2E 的原子在无外来光子情况下自发地向1E 能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。
激光复习总结要点
激光复习总结要点(总21页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--复习提纲2011年10月第一章 激光产生的基本原理一. 相干性的光子描述（概念、概念~~~）1. 光波的模式和光子态的概念、统一性：模式的概念、光子态的概念、基本推导过程。
（注意看pps 文件。
）2. 光子的相干性如何描述（相干时间、相干长度、相干体积、时间相干性、空间相干性、光子的简并度）。
3. 一种光波模式和一种光子态在相空间中均占据一个相格3h 。
二者是等价的4. 光子简并度越大，则相干光强越大。
二. 光的受激辐射基本概念 1. 热辐射、黑体辐射、近似黑体的定义；黑体辐射的Plank 公式；2. 光与物质相互作用的三种主要的过程是什么各自的特点是什么几个系数之间的关系是什么？3. 掌握每一种数学表示方法！!!!!三. 光的受激辐射放大与振荡（重点复习）1. 如何理解小信号系统、大信号系统、增益饱和、光强放大的过程、增益系数、增益曲线、粒子数反转和阈值条件的推导？理解光在工作物质中的增益系数的定义和表达式。
2.3.处于粒子数反转状态的物质——激活介质、激光介质或增益介质； 增益系数：表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数；0ln 1I I L G 当(n 2-n 1)不随着z 的变化而变化，而且I 0很小，G 0可以认为是常数，这种情况称为小信号增益。
（增益曲线）当(n 2-n 1)随着z 的变化而变化，称为大信号增益，用G 00表示；增益饱和现象激光上能级粒子数n 2减小到小信号时的1/2时候对应的光强 I 就是饱和光强I S ；SI I G I G +=1)(0如果在增益介质中光强始终满足条件I<<I S ， 则增益系数0)(G I G =为常数且不随Z 而变化，这就是小信号的情况；如果在增益介质中光强不能满足条件I<<I S ，则增益)(I G 随着z 的增加而减小，这就是大信号的情况；在光放大同时，总存在着光的损耗，损耗系数定义为：)(1)(z I dz z dI ⋅-=α 阈值条件为：210ln 21)(r r L z G total -=≥αα4. 激光的产生具备的两个条件是什么？粒子数反转；增益大于损耗当能量为h 21=E 2-E 1的光子通过增益介质时，引起的受激辐射将超过受激吸收，使得输出的光能量大于入射的光能量，增益介质对光进行了放大，这就是激光放大器的基本原理，这样的增益介质即为——光放大器5. 理解粒子数反转过程、光放大过程、增益饱和过程、激光振荡过程（激光器）和微波激射器的区别；当激光放大器的长度足够大时，它可能成为一个自激振荡器6. 完整叙述叙述从粒子数反转到阈值条件到最后形成激光振荡的整个过程。
激光原理与技术各章重点(基本补全)
激光原理与技术期末总复习第1章1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布)2.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强)3.饱和光强定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强4.谱线加宽的分类:均匀加宽和非均匀加宽两种加宽的本质区别？5激光器泵谱技术的分类:直接泵谱缺点：首先从基态E1到激光上能级E3往往缺乏有效途径，即B13（对光泵浦）或σ13（对粒子泵浦）太小，难以产生足够的增益；其次即使存在E1 E3的有效途径，但同一过程可能存在由E1到激光下能级E2的有效途径，结果是W12/W13太大难以形成粒子反转分布。
这些缺点是直接泵浦方式对很多激光器来说是不适用的。
间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式)间接泵谱的优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而，Ei 上很容易积累大量的粒子；其次，在有些情况下，将粒子从基态激发到Ei 的几率要比激发到Eu 的几率大得多，这就降低了对泵浦的要求；最后，依据选择定则，可以使Ei 向Eu 的弛豫过程比Ei 向激光下能级Ei 的弛豫过程快得多6..频率牵引有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度)10. 证明光谱线型函数满足归一化条件证明: ⎰⎰⎰+∞∞-+∞∞-+∞∞-====1)()()(ννννννd g I d Ig d I I则 11.激光器的输出特性。
（43页）第2章1.光学谐振腔的分类和作用分类：能否忽略侧面边界，可将其分为开腔，闭腔以及气体波导腔按照腔镜的形状和结构，可分为球面腔和非球面腔是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面，可以分为简单腔和符合腔 u u u u S h A c h I τσντνπν11228==)211(2121111τττπν++++=∆∑∑u jj i ui H A A N D M T Mc kT 072/120)1016.7(])2(ln 2[2ννν-⨯==∆⎰+∞∞-=1)(ννd g根据腔中辐射场的特点，可分为驻波腔和行波腔从反馈机理的不同，可分端面反馈腔和分布反馈腔根据构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔作用：①提供轴向光波模的光学反馈；②控制振荡模式的特性2.光学谐振腔的损耗分类:几何损耗、衍射损耗、输出腔镜的透射损耗和非激活吸收、散射等其他损耗 计算: 单程损耗：122L m D ββδ==( D 为平平腔镜面的横向尺寸（反射镜的直接）β两镜面直接的小角度L 两镜面直接的距离（腔长）)单程衍射p59开始带图3.推导平平腔的两个相邻纵模的频率间隔证明：4.以平-平腔为例理解光学谐振腔横模的形成过程5. 用g 参数表示的谐振腔稳定性条件6..高斯光束高斯光束既不是平面波、也不是一般的球面波，在其传播轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。
激光原理复习总结要点
激光原理复习要点 第一章 激光的基本原理一、激光的基本性质：1.光子的能量与光波频率对应νεh =；2.光子具有运动质量22ch cm νε==；3.光子的动量与单色波的波失对应k n mc p ==0；4.光子具有两种可能的偏振态，对应光波场的两个独立偏振方向；5.光子具有自旋，且自旋量子数为整数。
二、光子的相干性：1.相干性：在不同的空间点上，在不同的时刻的光波场的某些特性（例如光波场的相位）的相关性。
2.相干体积：在空间体积为c V 内的各点光波场都具有明显的相干性。
3.相干长度：光波波列的长度。
4.光源的单色性越好，则相干时间越长。
5.关于相干性的两个结论：（1）相格空间体积以及一个光波模式或光子偏振态占有的空间都等于相干体积。
（2）属于同一状态的光子或同一个模式的光波是相干的，不同状态的光子、不同模式的光波是不相干的。
三、光子简并度：同一状态的光子数、同一模式的光子数、处于相干体积的光子数、处于同一相格的光子数。
四、自发辐射：处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为νh 的光子，这种过程叫自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光成为自发辐射。
五、受激辐射：处于上能级的原子在频率为ν辐射场作用下，跃迁至低能级，并辐射出一个能量为νh 的光子，受激辐射跃迁发出的光成为受激辐射。
六、受激吸收：处于低能级的一个原子，在频率为ν的辐射场作用下，吸收一个能量为νh 的光子并向高能级跃迁。
七、辐射跃迁：自发辐射跃迁、受激辐射跃迁，非辐射跃迁：受激吸收八、增益系数：用来表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分比。
()()z I dz z dI g 1=。
九、饱和增益：增益系数g 随着z 的增加而减小，这一现象称为饱和增益。
十、引起饱和增益的原因：1.光强I 的增加是以高低能级粒子数差的减小为代价的。
2.光强越大，高低能级的粒子数差减小的就越多，所以g 也随z 的增大而减小。
十一、光谐振腔的作用：1.模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高相干性。
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激光原理期末知识点总复习材料2.激光特性：单色性、方向性、相干性、高亮度3.光和物质的三种相互作用：自发辐射，受激吸收，受激辐射4.处于能级u 的原子在光的激发下以几率 向能级1跃迁，并发射1个与入射光子全同的光子，Bul 为受激辐射系数。
5.自发辐射是非相干的。
受激辐射与入射场具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同方向传播，因而具有良好的相干性。
6.爱因斯坦辐射系数是一些只取决于原子性质而与辐射场无关的量，且三者之间存在一定联系。
7.产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态8.产生激光的充分条件：在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强Is9.谱线加宽特性通常用I 中频率处于ν～ν+d ν的部分为I(ν)d ν,则线型函数定义为线型函数满足归一化条件：10.的简化形式。
11.四能级比三能级好的原因：更容易形成粒子数反转 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组()()()() Rll l l l N N n f f n dt dN nn n n n A n W n s n dtdn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dtdn τυννσυννσ-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==++++-=++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul ul B W =1)(=⎰∞∞-ννd g 121212)(-+=S A τ12E 2112.13.14.15.程的本征函数和本征值。
研究方法：①几何光学分析方法②矩阵光学分析方法③波动光学分析方法。
处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔。
16.腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。
17.腔长和折射率越小，纵模间隔越大。
对于给定的光腔，纵模间隔为常数，腔的纵模在频率尺上是等距排列的不同的横模用横模序数m,n 描述。
激光原理 期末复习 廖为兵
一．激光成分: 光子（光子不会停留）光子的基本性质: (P4)（4）光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向（5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。
激光的四个性质：(P19)（1）单色性（2）高亮度（3）方向性（4）相干性：（空间相干性、时间相干性、相干光强）自再现模：（P50）产生位置：在谐振腔的镜面上产生。
产生原因：衍射损耗。
注：1. 由于衍射主要发生在镜的边缘上，因而恰恰将对场的空间分布发生重要影响，而且，只要镜的横向尺寸是有限的这一影响将永远存在。
2. 由于每一次渡越时，波都将因衍射而损失一部分能量，而且衍射还将引起能量分布的变化。
3. 在经过足够多次渡越后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布。
这种稳态经一次往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。
4. 我们把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。
自再现模一次往返所经受的能量损耗称为模的往返损耗。
在理想开腔中，等于前面所指出的衍射损耗。
自再现模经一次往返所发生的相移称为往返相移，该相移等于2的整数倍，这就是模的谐振条件。
横模：在激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模，即横截面上光强的分布。
（注：减少横模的主要途径有：1、改善谐振腔反射镜与工作物质端面所形成的光路的等效平面性，如果产生了凸透镜效应则要想办法补偿；2、减小谐振腔和工作物质直径。
）纵模：纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，简单而近似的说，纵模即频率。
模的概念()P26开腔中的振荡模式以TEM mnq表征，TEM表示纵向电场为零的横电磁波，m、n、q为正整数，其中q为纵模指数，m、n为横模指数。
模的纵向电磁场分布由纵模指数（通常是一个很大的正整数）表征，在驻波型谐振腔中，q代表场在纵向的波节数。
横向电磁场分布与横模指数有关。
激光原理与技术期末复习
激光原理与技术期末复习激光原理与技术期末复习第一章、辐射理论概要与激光产生的条件1、光量子能量E与波长成反比: E ? 1/λ; 波长越长;光量子能量E 越小;(频率越低) ;波长越短; 光量子能量E越大; (频率越高)。
2、原子处于最低的能级状态称为(基态)。
能量高于基态的其它能级状态称为激发态。
3、能级有两个或两个以上的不同运动状态称为简并能级。
同一能级所对应的不同电子运动状态的数目称为(简并度)。
4、在热平衡条件下，原子数按能级分布服从(波尔兹曼定律)。
5、原子能级间跃迁发射或吸收光子的现象称为辐射跃迁。
原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量的现象称为(非辐射跃迁)。
6、辐射场中单位体积内，(单位频率间隔)中的辐射能量称为单色辐射能量密度。
7、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程:(自发辐射);受激吸收;受激辐射。
8、自发辐射:高能级的原子自发地从(高能级E2)向低能级E1跃迁，同时放出能量为E=hv 的光子的现象称为自发辐射。
9、自发辐射系数(A21):表示单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。
即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。
自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身。
各个原子自发辐射的光向空间各个方向传播，是(非相干光)。
10、原子数密度由起始值降至它的1/e的时间为自发辐射的(平均寿命)。
A21就是原子在能级E2的平均寿命的倒数。
11、当受到外来能量为hv=E2-E1 的光照射时，高能级E2上的原子向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子的现象称为受激辐射。
受激辐射的光子与外来光子的特性一样。
频率、位相、偏振和传播方向相同称之为(全同光子)。
12、受激辐射的跃迁几率(W21)为单位时间内，在外来单色能量密度的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的(百分比)。
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激光原理期末知识点总复习材料
激光原理是物理学和光学学科中的重要内容，它是现代科技发展的基
础之一、下面是激光原理期末知识点的总复习材料。
1.激光的定义和概念：激光是指具有相干特性、能量集中、波长单一
且紧凑的光束。
其与常规光的最大区别在于具有相干性和能量集中性。
2.激光的产生过程：激光的产生过程主要包括受激辐射和自发辐射。
受激辐射是指在外界光或电磁辐射的刺激下，原子或分子由基态跃迁到激
发态并通过受激辐射返回基态时所发射的光。
自发辐射是指原子或分子自
发地从激发态返回基态所发射的光。
3.光激发和电子激发的激光：根据产生激发所用的不同方法，激光可
以分为光激发和电子激发的激光。
光激发的激光是通过外界光的能量传递
使原子或分子激发并产生激光。
电子激发的激光是通过外界电子束或放电
使原子或分子激发并产生激光。
4.激光功率和激光能量：激光功率是指单位时间内激光辐射出的能量，单位为瓦特(W)；激光能量是指激光脉冲的总能量，单位为焦耳(J)。
5.激光的特性：激光具有相干性、方向性、单色性和高亮度等特性。
相干性是指激光的波长相近的光波的相位关系保持稳定，能够构成干涉图样。
方向性是指激光具有狭窄的发射角度，能够通过透镜等光学元件进行
聚焦。
单色性是指激光具有非常狭窄的波长，具有很高的色纯度。
高亮度
是指激光能够将能量集中在很小的空间范围内，能够产生很高的光功率密度。
6.激光器的结构和工作原理：激光器主要由激光介质、泵浦能源、光
腔和输出镜组成。
激光介质是产生激光的核心部件，泵浦能源是提供激发
条件的能源，光腔是激发介质形成激光放大的空间环境，输出镜是选择性反射激光光束的光学元件。
7.常见的激光器种类和应用：常见的激光器种类包括氦氖激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器和固体激光器等。
激光器的应用非常广泛，包括科学研究、医学治疗、通信、激光加工和激光雷达等。
8.激光安全：激光具有较强的穿透力和燃烧能力，因此在使用激光器时需要注意安全。
激光安全主要包括对激光光束的防止散焦、眼睛和皮肤的防护、激光辐射的监测和控制等。
9.激光技术的发展与前景：激光技术在科学、医学、通信、材料加工等领域的应用都取得了显著的进展。
激光技术的未来发展趋势包括激光器的小型化、高功率化和高效率化，以及激光技术在新能源、新材料和信息技术等领域的广泛应用。
以上是激光原理期末知识点总复习材料，希望对你的复习有所帮助。
祝你考试顺利！。