激光原理简答题整理
1?什么是光波模式？
答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。
2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？
答：光的相干性：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。
3?何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？
答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。光子简并度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。联系: 激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。
4?什么是黑体辐射？写出公式，并说明它的物理
意义。
答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。物理意义：在单位体积内，频率处于附近的单
位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。
5. 描述能级的光
学跃迁的三大过程，并写出它们
的特征和跃迁几率。
答：（1）自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃
迁，并发射一个能量为hv的光子，这种
过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自
发辐射。
特征：a）自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐
射场无关的自发过程，无需外来光。b）每个发生辐射
的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联
系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波
频率虽然相同，均为V,各列光波之间没有固定的相位关
系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向
空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱
无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。自发
跃迁爱因斯坦系数：
（2）受激吸收：处于低能态的一个原子，在频率为的辐
射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能态跃
迁，这种过程称为受激吸收跃迁。
特征：a）只有外来光子能量时，才能引起受激辐射。
b）跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的有关。
受激吸收跃迁概率：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为
辐射场）
⑶受激辐射：处于上能级的原子在频率为的辐射场作用
下，跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。受激辐射跃
迁发出的光波称为受激辐射。特征：a）只有外来光子能
量时，才能引起受激辐射；b）受激辐射所发出的光子与
外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全
相同。受激辐射跃迁概率：（为受激辐射跃迁爱因斯坦
系数，为辐射场）
6. 激光器速率方程中的系数有哪些？它们之间
的关系是什么？
答：自发跃迁爱因斯坦系数，受激吸收跃迁爱因斯坦系
数，受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系：
7. 激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用
是什么？
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。
8?什么是热平衡时能级粒子数的分布？什么是
粒子数反转？如何实现粒子数反转？
答：热平衡时能级粒子数的分布：在物质处于热平衡状态
时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔兹曼分布。粒子数反转：使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度。
如何实现粒子数反转：外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状 ^态。
9. 如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信号增益？增益饱和？
答：激光增益定义：表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。小信号增益：当光强很弱时，集居数差值不随Z变化，增益系数为一常数，称为线性增益或小信号增益。大信号增益：在放大器中入射光强与（为饱和光强）相比拟
时，，为大信号增益。增益饱和：当光强足够强时，增益系数g也随着光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。
10. 什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什
么？
答：自激振荡：不管初始光强多么微弱，只要放大器足够长，就总是形成确定大小的光强，这就是自激振荡的概念。
产生条件：满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一；频率落在工作物质的谱线范围内，即对应增益系数大于等于阈值增益系数。
11. 激光的基本特性是什么？答：激光四性:单色性、相干性、方向性和高亮
度。这四性可归结为激光具有很高的光子简并
度。
12 .如何理解激光的空间相干性与方向性？如何理解激
光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？
答：（1）激光的方向性越好，它的空间相干性程度越
高。（2）激光的相干时间和单色性存在着简单关系，即
单色越好，相干时间越长。（3）激光
具有很高的亮度，激光的单色亮度，由于激光具有极好的
方向性和单色性，因而具有极高的光子
简并度和单色亮度。
13. 什么是谐振腔的谐振条件？如何计算纵模的频率、
纵模间隔和纵模的数目？
答：（1）谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干涉条件
（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔内往返一周
再回到原来位置时，应与初始出发
波同相（即相差为的整数倍）。如果以表示均匀平面波在
腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为。λ为光在
真空中的波长，L为腔的光学长度，q为正整数。
（2）如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数
目、纵模的频率、纵模间隔：
纵模的数目：对于满足谐振条件频率为的波，其纵模数
目，为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的那部分曲
线所对应的频率范围（振荡带宽）。
14. 在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与哪些
因素有关？
答：损耗因素:a、几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几
何尺寸、模式有关。b、衍射损耗：与腔
的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。
c、腔镜反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射
率、反射率有关。d、材料中的非激活吸收、散射、腔内
插入物所引起的损耗：与介质材料的加工工艺有关。
15. 哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关
系如何？（p29-31 ）
答：（1）描述参数:a）平均单程损耗因子：（为初始光
强，为往返一周后光强）b）腔内光子的平
均寿命：C）品质因数：（2）关系：腔的损耗越小, 平均
单程损耗因子越小，腔内光子的平均寿命越长，品质因数
越大。
16. 如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？答：开腔
镜面上，经过足够多次往返后，能形成这样一种稳恒场，
其分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次能够再现出发
时的场分布。这种稳恒场经一次往返后，唯一可能的变化
是，镜面上各点的场分布按同样的比例衰减，各点的相位
发生同样大小的滞后。把这种开腔镜面上的经一次往返
能再现的稳恒场分布称为开腔的自再现模。
17. 求解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数
和本征值各代表什么？
答：本征函数:描述腔的一个自再现模式或横模。其模描述镜面上场的振幅分布，幅角描述镜面上场的相位分布。本征值:表示自再现模在渡越一次时的幅值衰减和相位滞后。其模值量度自再现模在腔内往返一次的功率损耗，幅角量度自再现模的单程相移，从而也决定模的谐振频率。
18. 什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？答：（1）任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价；（2）任一满足稳定条件的球面腔唯一地等价于某一个共焦腔。即如果某一个球面腔满足稳定性条件，则必定可以找到而且也只能找到一个共焦腔，其行波场的某两个等相位面与给定球面腔的两个反射镜面相重合。
19. 高斯光束的表征方法有哪些？
答：（1）表征方法a）用束腰半径（或共焦参数）及束腰位置表征高斯光束；b）用光斑半径及等相位面曲率半径表征高斯光束。
20. 为了使高斯光束获得良好聚焦，常采用的方
法有哪些？
答：a）用短焦距透镜；b）使高斯光束腰斑远离透镜焦点；C）将高斯光束腰斑半径放在透镜表面处.
21. 非稳腔和稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？
答：（1）区别：稳定腔中傍轴光线能在腔内往返任意多次而不致横向溢出腔外；而非稳腔中傍轴
光线在腔内经过有限次往返后必然从侧面溢出腔外。
⑵非稳腔类型：所有双凸腔：所有平-凸腔；凹面镜曲
率半径小于腔长的平-凹腔；一镜曲率半
径小于腔长一镜曲率半径大于腔长的双凹腔-双
凹非稳腔；两镜曲率半径之和小于腔长的双凹
腔；凹面镜曲率半径小于腔长的凹凸非稳腔-凹
凸非稳腔；两镜曲率半径之和大于腔长的凹凸非稳腔.
22. 什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机
制是什么？
答：（1）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，这就叫谱线加宽。
⑵加宽类型及机制：
a）.均匀加宽.
自然加宽机制：原子的自发辐射引起的。碰撞加. .宽机制：
大量原子（分子、离子）之间的无规则碰撞。晶格振动加
宽机制一:…晶格振动使激活离子处于随周期变化的晶格
场，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化。
b）非均匀加宽_
多普勒加宽机制：由于作热运动的发光原子（分子所发
出）辐射的多普勒频移引起的。
晶格缺陷力加宽.机制晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷
部位的理想晶格场不同，因而处于缺陷部位的激活离子的
能级将发生位移，导致处于镜体不同部位的激活离子的发
光中心频率不同。
C）.综合加宽_
气体工作物质的综合加宽机制：由碰撞引起的均匀加宽和
多普勒非均匀加宽。
固体激光工作物质综合加宽机制.:…由晶格热振动引起的
均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。
液体工作物质的综合加宽机制：溶于液体中的发光分子与
其它分子碰撞而导致自发辐射的碰撞加宽。
23. 如何理解均匀加宽和非均匀加宽？
答：均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同
的，对于均匀加宽，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，或者说，每一个原子对光谱内任一频率都有贡献。非
均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的中心频
率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率
是由哪一部分原子发射的。
24. 分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁
过程，画出示意图，为什么三能级系统比四能级系统需要
更强的激励？
答：这是因为四能级系统系统的激光下能级为激发态，所
以只需把△ n t个粒子激励到能级就可以使增益克服腔的
损耗而产生激光。而在三能级系统中，激光下能级是基
态，至少要将（n+A n t）
/2个粒子激励到能级上去，其中n远远大于厶n t 才能形成集居数反转，所以三能级系统的阈值能量或阈值功率要比四能级系统大得多。
25. 说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。
答：均匀加宽增益饱和机理：在均匀加宽情况下，每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献，也就是说均匀加宽的激光工作物质对各种频率入射光的放大作用全都使用相同的反转粒子数，因此强光会导致反转集居数密度的下降，而反转集居数密度的下降又将导致弱光增益系数的下降，结果是增益在整个谱线上均匀地下降。
非均匀加宽增益饱和机理：对非均匀加宽工作物质，频率为V 1的强光只引起表观中心频率在
V 1附近的反转集居数饱和，因而在增益曲线上形成一个烧孔。
26. 饱和光强的含义？怎样定义的？（p151）
答：饱和光强的物理意义是：当入射光强度可以和比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率才可以与其它弛豫过程（自发辐射及无辐射跃迁）相比拟。因此当时，与光强无关，而当可以和相比拟时，随着的增加而减少，减少到小信号情况下的倍。
27 .在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增益系数如何变化？（p157）
答：（1）均匀加宽物质中频率为V。的强光入射不仅使
自身的增益系数下降，也使其它频率的弱光
的增益系数也以同等程度下降，结果是增益在整
个谱线上均匀的下降。（2）非均匀加宽工作物质中频率
为V。的强光入射时，会形成V。以为中心，宽度为的烧
孔，若入射频率为V i的弱光处在烧孔造成的烧孔范围之
内，则弱光增益系数将小于小信号增益系数，若处于烧孔
范围之外，贝U弱光增益系数不受强光的影响仍等于小
信号增益系数。
28.描述非均匀加宽工作物质中的增益饱和的
“烧孔效应”，并说明原理。（p156、p157）
答：（1）描述:对于非均匀加宽工作物质中，在其增益
曲线曲线上，在频率处产生一个凹陷，凹陷宽度约为
，频率处的凹陷最低点下降到小信
号增益系数的倍，以上现象称为增益曲线的
烧孔效应。
（2）原理：在非均匀加宽工作物质中，频率的强光只在
附近宽度约为的范围内引起反转集
居数的饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集居
数没有影响。若有一频率为的弱光同时入射，如果频率处
在强光造成的烧孔范围之内，则由于反转集居数的减少，
弱光增益系数将小于小信号增益系数。如果频率处于烧孔
范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响而仍等于小信
号增益系数，所以在增益曲线曲线上，在频率处产生一个
凹陷，凹陷宽度约为。
29激光器的振荡条件是什么？稳定工作条件？答：
（1）振荡条件：满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之
一；频率落在工作物质的谱线范围内，即对应增益系数大
于等于阈值增益系数。
（2）稳定工作条件：增益系数等于于阈值增益系数。
30.在均匀加宽和非均匀加宽激光器中模式竞争有什么不
同？
答：均匀加宽激光器中只要有几个满足阈值条件的纵模，
就会在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一
个纵模得胜，形成稳定振荡，其它纵模都被抑制而熄灭。
因此理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模
的，单纵模的频率总是在谱线中心频率附近。非均匀加宽
激光器中也存在模式竞争，当纵模形成的烧孔重叠时会
发生竞争，竞争模的输出功率无规则起伏。31?什么是兰
姆凹陷？定性解释其成因。
答：（1）激光器的单模输出功率和单模频率的关系曲线
中，在处，曲线有一凹陷，称为兰姆凹陷。（2）成因：
当频率接近，且时，两个烧孔部分重叠，烧孔面积的和可
能小于时两个烧孔面积的和时，两个烧孔完全重合，此时
只有附近的原子对激光有贡献，虽然它对应着最大的小信
号增益，但由于对激光作贡献的反转集居数减少了，即烧
孔面积减少了，所以输出功率下降到某一极小值，从而出
现兰姆凹陷。
32?什么是激光器的弛豫振荡现象？
答：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓“尖峰”序列，激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小，把上述现象称为弛豫
振荡效应或尖峰振荡效应。
33. 为什么存在线宽极限？它取决于什么？
答：（1）由于存在着自发辐射，稳定振荡时的单程增益略小于单程损耗，有源腔的净损耗不等于零，虽然该模式的光子数密度保持恒定，但自发辐射具有随机的相位，所以输出激光是一个具有衰减的有限长波列，因此具有一定的谱线宽度，这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排出的，因此称为线宽极限。（2）取决于输出功率、损耗及腔长。输出功率越大，线宽就越窄；减小损耗和增加腔长也可以使线宽变窄。
34. 简述横模和纵模选择的原理及具体方法。
答：⑴横模选择
原理：在各个横模增益大体相同的条件下，不同横模间衍射损耗有差别，在稳定腔中，基膜的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。如果降低基膜的衍射损耗，使之满足阈值条件（基膜的单程增益至少能补偿它在腔内的单程损耗），则其它模因损耗高而不能起振被抑制。
横模选择方法：小孔光阑选模、谐振腔参数法，非稳腔选
模，微调谐振腔。
（2）纵模选择
原理：一般谐振腔中有着相同的损耗，但由于频率的差
异而具有不同的小信号增益系数。因此，扩大和充分利用
相邻纵模间的增益差，或人为引入损耗差是进行纵模选择
的有效途径。
纵模选择方法：短腔法、行波腔法、选择性损耗法。
35. 激光器主要的稳频技术有哪些？
答：兰姆凹陷稳频、饱和吸收稳频、无源腔稳频。
36. 调制激光器的工作原理，目前常用的几种调方法。
答：（1）工作原理：通过某种方法使谐振腔的损耗因子
值按照规定的程序变化，在泵浦源刚开始时，先使光腔具
有高损耗因子，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，
于是亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平，然后在适
当的时刻，使腔的损耗因子突然降到，阈值也随之突然降
低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速
地增强。于是在极短时间内，上能级存储的大部分粒子的
能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。
（2）调制方法:电光调制（利用晶体电光效应控制光在
传播过程中的强度称为电光强度调制）、声光调制（利用
晶体声光效应控制光在传播过程中的强度称为电光强度调
制）、被动调Q （可饱和染料调Q染料调Q技术是利用
某种有机染料材料对光的吸收系数随光强变化的特性，实
现调Q的技术。这种调Q方式中，Q开关的延迟时间由
材料本身决定，不受人控制，故又称为被动调Q技
术）。
37设么叫内调制什么叫外调制？
答：在激光形成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激
光的输出特性实现调制的方法称为内_
週制。在激光形成以后，用调制信号对激光进行调制，调
制不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参
数，称为外调制。
38、第一台激光器是谁制造的是什么激光器，它
属于哪一类型的激光器？激光器分类有哪些？
（I960）年美国加利福尼亚州休斯航空公司实验
室的研究员梅曼（Maiman）制成世界上第一台激光器一
红宝石激光器，属于固体激光器。
激光是利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量
来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。
根据激光器工作物质分类有：固体激光器；（气体激光
器）；液体激光器；染料激光器；半导体激光器等。固体
激光器用（固体材料）作为激光器的工作物质。工作物质
有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG等；气体激光器的
工作物质是气体或金属蒸气。
华中科技大学激光原理2002-2015历年真题
华科考研激光原理2002--2015真题 2015年（839） 一、简单 1、激光产生的必要条件？ 2、激光的四种特性？选择一种说明其用途 3、谐振腔的稳区图，并写明稳定腔和非稳腔的位置 4、四能级系统速率方程和图示 二、共焦腔与一般稳定腔的对应计算 三、行波腔的均匀加宽和多普勒加宽的最大输出功率计算 四 2015激光原理（900） 一、简答题 1、△n 大于0，激光器是否能够产生自激振荡？ 2、光学谐振腔的结构和作用 3、共焦腔与一般腔的等价性 4、均匀加宽与非均匀加宽的特点 5、连续激光器从开始振荡到产生稳定输出增益系数的变化情况 6、光学模式以及横模和纵模 二、三能级四能级的本质区别，以及为什么四能级更容易产生粒子数反转
三、三能级能级示意图，速率方程 四、稳定腔，非稳腔，临界腔计算判断(很简单) 五，光线传输矩阵相关的题 2014年 一.解释题 1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15) 2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15) 4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15) 二．解答题 1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。 （1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。 （2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。 （3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ?，横模间隔m υ?,n υ?. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25) 3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。(20) 4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有：
最新激光原理及应用试卷
激光原理及应用 考试时间:第 18 周星期五 ( 2007年1 月 5日) 一单项选择（30分） 1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（ B ） 2．爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（C ） 3．自然增宽谱线为（ C ） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（B ） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5．阈值条件是形成激光的（ C ） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6．谐振腔的纵模间隔为（B ） 7．对称共焦腔基模的远场发散角为（C ） 8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的（C ） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲 10．YAG激光器是典型的（ C ）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 二填空（20分） 1.任何一个共焦腔与等价，
而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分) 2 .光子简并度指光子处于、 、、。（4分）3．激光器的基本结构包括三部分，即、 和。（3分） 4．影响腔内电磁场能量分布的因素有、 、。（3分） 5．有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 个。（2分） 6．目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是、、和。（4分） 三、计算题（42分） 1．（8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知＝6328?，1/f( ) ＝109Hz，＝1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率R＝l－L ＝98.33％，＝10—7s，腔长L＝0.1m。 2．（12分）稳定双凹球面腔腔长L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R 1＝3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。 ＝1.5m,R 2 3．（12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横模就不可能存在。试估算在L＝30cm, 2a=0.2cm 的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大？ 4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。 四、论述题（8分） 1．（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程
激光原理复习题答案
激光原理复习题 1. 麦克斯韦方程中 0000./.0t t μμερε????=-???????=+????=???=?B E E B J E B 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果？ 答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两个分别表 示电场和磁场的散度； (2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋 电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的; (3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 t E ??=? 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这 种交替的不断变换会导致电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？ 答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶 极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？ 答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？ 答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有 关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射 方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。
激光原理简答题(西南科技大学)
光学谐振腔的作用 1、提供正反馈（放大）作用（1）腔镜的反射率（吸收、透射少，反射率大；反之亦然）；（2）腔镜的形状及组合方式。 2、控制振荡光束，表现在三个方面（1）控制纵模的数目—光的模式少，光子的简并度高 （2）控制高阶横模—基模光强大、光斑小、发散角小（3）控制各种损耗—在增益一定的条件下，通过控制损耗来控制激光的输出。 横模的形成 a 、谐振腔中稳定的激光等效于任何波面的光通过一系相同列光栏后形成的自再现光场 b 、光栏有衍射，因此在光束的不同位置光将形成干涉叠加，这种稳定的叠加就形成了横模 c 、不同位置稳定场形成的条件不同，故而有不同频率。不同频率的横模的光场有不同的横向分布，它们是重叠在激光腔的同一空间内。 1、损耗的种类 （1）几何损耗：非平行轴的光线，折、反出腔外的损耗。 ① 光腔结构和尺寸影响的损耗；② 横模阶次的高低不同损耗不同。一般，高阶模的损耗大。 （2）衍射损耗：反射镜尺寸有限、腔中有插件，必有衍射。 ① 损耗与菲涅尔数N=a2/Lλ有关，该常数越小，损耗越大。② 与腔的几何结构有关，参数g=1-L/R 越小损耗越大。③ 与横模的阶次有关，阶次越高损耗越大。 （3）腔镜反射不完全引起的损耗 ① 反射镜吸收、散射引起的损耗；②反射镜的部分出射引起的损耗（对固体激光器可达50%） （4）非激活吸收、散射引起的损耗① 腔内加插件引起的损耗 a 、产生偏振光的布儒斯特窗口 b 、提高激光瞬间强输出功率的调Q 元件 c 、各种用途的加载调制元件 ② 非激活介质的吸收、散射 两个相同腔面共振漠视的积分方程 意义 腔内可能存在着得稳定的共振光波场，他们由一个腔面传播到另一个腔面的过程中虽然经受了衍射效应，但这些光波场在两个腔面处得相应振幅分布和相位分布保持不变，亦即共振光波场在腔内多次往返过程中始终保持自洽或自再现的条件。 方形镜共焦腔： 长椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成厄米多项式与高斯函数乘积的形式。 圆形镜共焦腔： 超椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。 单程衍射损耗 损耗随着菲涅耳系数N 的增大而迅速减小 菲涅耳系数相同时，不同横模的损耗不同，模的阶次越高，损耗越大； 共焦腔模的损耗要小于平面腔模的损耗，这是因为共焦腔对光束会聚作用的结果。 自再现模的衍射损耗小于均匀平面波的衍射损耗，因为自再现模的形成过程反应了衍射损耗的影响，从而使得边缘部分强度变小，衍射损耗的作用变小。 1 模式的损耗随菲涅耳数N 值的增大而急剧减小； 2 共焦腔损耗＜共心腔损耗＜平面腔损耗 3 基模的损耗<高阶模的损耗，模阶次越高，损耗越大； 稳定腔的优点：衍射损耗小 稳定腔的缺点：模体积小，利用的反转粒子数少， 平行平面腔的优点：模体积大 平行平面腔的缺点：调节精度很高 一、非稳定腔的优点和缺点： 非稳定腔的优点：大的可控模体积，通过扩大反射镜的尺寸，扩大模的横向尺寸； 可控的衍射耦合输出，输出耦合率与腔的几何参数g 有关；容易鉴别和控制横模； 易于得到单端输出和准直的平行光束。 非稳定腔的缺点：输出光束截面呈环状；光束强度分布是不均匀的，显示出某种衍射环。 高斯光束聚焦的方法(1)采用短焦距透镜，使f 尽量减小；(2)使入射高斯光束腰斑远离透镜焦点，满足： 若使一个稳定腔所产生的高斯光束与另一个稳定腔产生的高斯光束相匹配，需在合适的位置放置一个焦距适当的透镜，使两束高斯光束互为物象共轭光束。该透镜称为模匹配透镜。 f z
激光原理与应用课试卷试题答案
激光原理及应用[陈家璧主编] 一、填空题（20分，每空1分） 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。 2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误！未找到引用源。），其值越大，则衍射损耗（愈小）。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误！未找到引用源。）。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。 7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。 8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。 9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误！未找到引用源。）S，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。 二、简答题（四题共20分，每题5分） 1、什么是自再现？什么是自再现模？ 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在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？ 4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。 三、推导、证明题（四题共40分，每题10分）
激光原理MOOC答案详解
1.2 1 谁提出的理论奠定了激光的理论基础？ ?A、汤斯 ?B、肖洛 ?C、爱因斯坦 ?D、梅曼 正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 2 氢原子3p态的简并度为? ?A、2 ?B、10 ?C、6 正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 3 热平衡状态下粒子数的正常分布为： ?A、处于低能级上的粒子数总是等于高能级上的粒子数?B、处于低能级上的粒子数总是少于高能级上的粒子数?C、处于低能级上的粒子数总是多于高能级上的粒子数正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 4 原子最低的能量状态叫什么？ ?A、激发态 ?B、基态 ?C、.亚稳态 正确答案：B 我的答案：B得分： 10.0分 5 对热辐射实验现象的研究导致了？ ?A、德布罗意的物质波假说 ?B、爱因斯坦的光电效应
?C、普朗克的辐射的量子论 正确答案：C 我的答案：A得分： 0.0分 6 以下关于黑体辐射正确的说法是： ?A、辐射的能量是连续的 ?B、黑体一定是黑色的 ?C、 辐射能量以hν为单位 正确答案：C 我的答案：C得分： 10.0分 7 热平衡状态下各能级粒子数服从： ?A、A. 高斯分布 ?B、玻尔兹曼分布 ?C、正弦分布 ?D、余弦分布 正确答案：B 我的答案：B得分： 10.0分 8 以下说法正确的是： ?A、受激辐射光和自发辐射光都是相干的 ?B、受激辐射光和自发辐射光都是非相干的 ?C、受激辐射光是非相干的，自发辐射光是相干的 ?D、受激辐射光是相干的，自发辐射光是非相干的正确答案：D 我的答案：D得分： 10.0分 9 下列哪个物理量不仅与原子的性质有关，还与场的性质有关？?A、自发跃迁几率 ?B、受激吸收跃迁几率 ?C、受激辐射跃迁爱因斯坦系数 正确答案：B 我的答案：B得分： 10.0分 10
激光原理简答题整理
1.什么是光波模式？ 答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。 2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？ 答：光的相干性：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。相干时间: 光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。相干长度:相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。 3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？ 答:光子简并度:处于同一光子态的光子数称为光子简并度。光子简并度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。联系: 激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。 4.什么是黑体辐射？写出公式，并说明它的物理意义。 答：黑体辐射:当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。物理意义:在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。 5.描述能级的光学跃迁的二大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。 答：(1)自发辐射:处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。 特征：a)自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程，无需外来光。b)每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为V，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。自发跃迁爱因斯坦系数： (2)受激吸收:处于低能态的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。 特征：a)只有外来光子能量时，才能引起受激辐射。 b)跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的有关。受激吸收跃迁概率：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为辐射场） (3)受激辐射:处于上能级的原子在频率为的辐射场 作用下，跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。 受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。特征：a) 只有外来光子能量时，才能引起受激辐射；b)受激 辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、 偏振方向、相位等性质完全相同。受激辐射跃迁概 率：（为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场） 6.激光器速率方程中的系数有哪些？它们之间的 关系是什么？ 答：自发跃迁爱因斯坦系数，受激吸收跃迁爱因斯 坦系数，受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系： 7.激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是 什么？ 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。 8.什么是热平衡时能级粒子数的分布？什么是粒 子数反转？如何实现粒子数反转？ 答:热平衡时能级粒子数的分布:在物质处于热平衡 状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔 兹曼分布。粒子数反转:使高能级粒子数密度大于低 能级粒子数密度。 如何实现粒子数反转:外界向物质供给能量（称为激 励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。 9.如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信 号增益？增益饱和？ 答??激光增益定义:表示光通过单位长度激活物质 后光强增长的百分数。小信号增益:当光强很弱时， 集居数差值不随z变化，增益系数为一常数，称为 线性增益或小信号增益。大信号增益: 在放大器中 入射光强与（为饱和光强）相比拟时，，为大信号 增益。增益饱和:当光强足够强时，增益系数g也随 着光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。 10.什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什 么？答:自激振荡:不管初始光强多么微弱，只要放 大器足够长，就总是形成确定大小的光强，这就是 自激振荡的概念。 产生条件:满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一； 频率落在工作物质的谱线范围内，即对应增益系数 大于等于阈值增益系数。 11.激光的基本特性是什么？ 答:激光四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。 这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。 12.如何理解激光的空间相干性与方向性？如何 理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光 强？ 答：（1)激光的方向性越好，它的空间相干性程度 越高。（2)激光的相干时间和单色性存在着简单关 系，即单色越好，相干时间越长。（3)激光具有很 高的亮度，激光的单色亮度，由于激光具有极好的 方向性和单色性，因而具有极高的光子简并度和单 色亮度。 13.什么是谐振腔的谐振条件？如何计算纵模的 频率、纵模间隔和纵模的数冃？ 答：（1)谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干涉 条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔 内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同 相（即相差为的整数倍）。如果以表示均匀平面波 在腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为。A 为光在真空中的波长，L为腔的光学长度，q为正 整数。 (2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目、 纵模的频率、纵模间隔： 纵模的数目：对于满足谐振条件频率为的波，其纵 模数目，为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的 那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽）。 14.在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与 哪些因素有关？ 答：损耗因素:a、几何偏折损耗：与腔的类型、腔 的几何尺寸、模式有关。b、衍射损耗：与腔的菲涅 尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。c、腔镜反射 不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。 d、材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起 的损耗：与介质材料的加工工艺有关。 15.哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关 系如何？（P29-31) 答：(1)描述参数:a)平均单程损耗因子：（为初始 光强，为往返一周后光强）b)腔内光子的平均寿命： c)品质因数：⑵去重：腔的损耗越小，平均单程损 耗因子越小，腔内光子的平均寿命越长，品质因数 越大。 16.如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？ 答：开腔镜面上，经过足够多次往返后，能形成这 样一种稳恒场，其分布不再受衍射的影响，在腔内 往返一次能够再现出发时的场分布。这种稳恒场经 一次往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场 分布按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小 的滞后。把这种开腔镜面上的经一次往返能再现的 稳恒场分布称为开腔的自再现模。 17.求解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分方程得到的本 征函数和本征值各代表什么？ 答：本征函数:描述腔的一个自再现模式或横模。其 模描述镜面上场的振幅分布，幅角描述镜面上场的 相位分布。本征倌:表示自再现模在渡越一次时的幅 值衰减和相位滞后。其模值量度自再现模在腔内往 返一次的功率损耗，幅角量度自再现模的单程相移， 从而也决定模的谐振频率。
激光原理考试基本概念
第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 19、自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几 思考练习题1 1.答：粒子数分别为：188346 341105138.210 31063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 239342100277.510 31063.61?=???== -νh q n 2． 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=） 则有：1]300 1038.11031063.6exp[23 93412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3． 答：（1）1923 18 1221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且202110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918810084.51064.13110--?=??? 4.答：（1） 3 1734 3 6333/10857.310 63.68)106.0(2000188m s J h h c q q ??=????=?=---ννννρρπρπλρνπ＝自激 （2）9434 36333106.71051063.68)106328.0(88?=?????==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激 5． 答：（1）最大能量 J c h d r h N W 3.210 6943.01031063.61010208.0004.06 83461822=??????????=? ???=?=--πλ ρπν 脉冲平均功率＝瓦8 9 61030.210 10103.2?=??=--t W （2）瓦自 自自145113.211200 2021=?? ? ??-?==? ? ? ??-==?-e h N P e n dt e n N t A τνττ 第七章 激光特性的控制与改善 习题 1．有一平凹氦氖激光器，腔长0.5m ，凹镜曲率半径为2m ，现欲用小孔光阑选出TEM 00模，试求光阑放于紧靠平面镜和紧靠凹面镜处的两种情况下小孔直径各为多少？(对于氦氖激光器，当小孔光阑的直径约等于基模半径的3.3倍时，可选出基模。) 解：腔长用L 表示，凹镜曲率半径用1R 表示，平面镜曲率半径用2R 表示，则 120.5m ,2m ,L R R ===∞ 由稳定腔求解的理论可以知道，腔内高斯光束光腰落在平面镜上，光腰半径为 0121 4 1 ()] 0.42m m w L R L = = -≈ 共焦参量为2 207 0.420.87m 632810 w f ππλ -?= = ≈? 凹面镜光斑半径为 10.484m m w w w ==≈ 所以平面镜端光阑直径为 03.3 1.386m m D w =?=平 凹面镜端光阑直径为 13.3 1.597m m D w =?=凹 2．图7.1所示激光器的M 1是平面输出镜，M 2是曲率半径为8cm 的凹面镜，透镜P 的焦距F =10cm ，用小孔光阑选TEM 00模。试标出P 、M 2和小孔光阑间的距离。若工作物质直径是5mm ，试问小孔光阑的直径应选多大？ 图 7.1 1 2 解：如下图所示： 1 2 P 小孔光阑的直径为： 3 1.0610100 2 2mm 0.027mm 2.5 f d a λππ-??==? ≈? 其中的a 为工作物质的半径。 3．激光工作物质是钕玻璃，其荧光线宽F ν?=24.0nm ，折射率η=1.50，能用短腔选单纵模吗？ 解：谐振腔纵模间隔 2 22q q c L L νηλ λη?=?= 所以若能用短腔选单纵模，则最大腔长应该为 2 15.6μm 2L λ ηλ = ≈? 所以说，这个时候用短腔选单纵模是不可能的。 6．若调Q 激光器的腔长L 大于工作物质长l ，η及' η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，试求峰值输出功率P m 表示式。 解：列出三能级系统速率方程如下： 2121 (1) 2 (2) R dN l N cN n dt L d n N n dt στσυ=?-'?=-? 式中，()L l L l ηη''=+-，η及' η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，N 为工作物质中的平均光子数密度，/,/R c L c υητδ'==。 由式(1)求得阈值反转粒子数密度为： 激光原理考试基本概念 https://www.360docs.net/doc/5c15848410.html,work Information Technology Company.2020YEAR 第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）； d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 思考练习题1 1． 试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=3000MHz 的光，每秒 从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为：18 8 346341105138.21031063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=） 则有：1]300 1038.11031063.6exp[23 93412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－ 18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 181221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且20 2110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918 8 10084.510 64.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 q q 激自1 = 2000 ，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ??=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求 q q 激 自 为若干？ 答：（1） 内蒙古工业大学200 —200 学年第一学期 《激光原理及应用》期末（考试）试卷（A）课程代码： 试卷审核人：考试时间： 注意事项：1.本试卷适用于级电科专业本科生使用 2.本试卷共6页，满分100分，答题时间120分钟 一、选择题（30分） 1、平面波的单色性是由下面的那个参数来评价其优劣的（） A、振幅 B、频率 C、光强 D、先谱的线宽 2、激光束偏转技术是激光应用的基本技术，如果它使激光束离散地投 射到空间中某些特定的位置上，则主要应用于（）。 A．激光打印B．激光显示 C．激光存储D．传真 3、具有超小型、激光强度快速可调特点的激光器是（）。 A．固体激光器B．气体激光器 C．半导体激光器D．光纤激光器 4、LED不具有的特点是（）。 A．辐射光为相干光 B．LED的发光颜色非常丰富 C．LED的单元体积小 D．寿命长，基本上不需要维修 9、高斯光束波阵面的曲率半径R0=（） A 、])(1[||2 2 O Z Z πωλ+ B 、21 220 0])(1[(πωλωZ + C 、])(1[||22Z Z O λπω+ D 、21 )(λ λL 10、输出功率的兰姆凹陷常被用作一种，（）的方法。 A 、稳定输出功率 B 、稳定频率 C 、稳定线宽的 D 、稳定传输方向的 11、本书介绍的激光调制主要有哪几种调制（） A 、声光偏转 B 、电光强度 C 、电光相位 D 、电光调Q 12、半导体激光器的光能转换率可以达到（） A 、 25%—30% B 、70% C 、100% D 、≥50% 13、半导体光放大器英文简称是（ ）。 A ．FRA B ．SOA C ．EDFA D ．FBA 14、激光器的选模技术又称为（ ）。 A ．稳频技术 B ．选频技术 C ．偏转技术 D ．调Q 技术 15、非均匀增宽介质的增益系数阈值D G =阈（ ）。 A ．)(21 21r r Ln L a - 内 B ．hvV A n 32阈? C ． 1D M s G I I + D ． 2 /1) /1(S I I G +? 2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1．填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性 为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？ 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么？ 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响？ 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模 1.什么是光波模式 答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。 2.如何理解光的相干性何谓相干时间、相干长度答：光的相干性：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。相干时间: 光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。相干长度:相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。 3.何谓光子简并度，有几种相同的含义激光源的光子简并度与它的相干性什么联系 答:光子简并度:处于同一光子态的光子数称为光子简并度。光子简并度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。联系: 激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。 4.什么是黑体辐射写出公式，并说明它的物理意义。 答：黑体辐射:当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。物理意义:在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。 5.描述能级的光学跃迁的二大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。 答：(1)自发辐射:处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。 特征：a)自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程，无需外来光。b)每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为V，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。自发跃迁爱因斯坦系数： (2)受激吸收:处于低能态的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。 特征：a)只有外来光子能量时，才能引起受激辐射。 b)跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的有关。受激吸收跃迁概率：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为辐射场）(3)受激辐射:处于上能级的原子在频率为的辐射场 作用下，跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。 受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。特征：a) 只有外来光子能量时，才能引起受激辐射；b)受激 辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、 偏振方向、相位等性质完全相同。受激辐射跃迁概 率：（为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场） 6.激光器速率方程中的系数有哪些它们之间的关 系是什么 答：自发跃迁爱因斯坦系数，受激吸收跃迁爱因斯 坦系数，受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系： 7.激光器主要由哪些部分组成各部分的作用是什 么 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。 8.什么是热平衡时能级粒子数的分布什么是粒子 数反转如何实现粒子数反转 答:热平衡时能级粒子数的分布:在物质处于热平衡 状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔 兹曼分布。粒子数反转:使高能级粒子数密度大于低 能级粒子数密度。 如何实现粒子数反转:外界向物质供给能量（称为激 励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。 9.如何定义激光增益什么是小信号增益大信号增 益增益饱和 答??激光增益定义:表示光通过单位长度激活物质 后光强增长的百分数。小信号增益:当光强很弱时， 集居数差值不随z变化，增益系数为一常数，称为 线性增益或小信号增益。大信号增益: 在放大器中入 射光强与（为饱和光强）相比拟时，，为大信号增 益。增益饱和:当光强足够强时，增益系数g也随着 光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。 10.什么是自激振荡产生激光振荡的条件是什么 答:自激振荡:不管初始光强多么微弱，只要放大器 足够长，就总是形成确定大小的光强，这就是自激 振荡的概念。 产生条件:满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之 一；频率落在工作物质的谱线范围内，即对应增益 系数大于等于阈值增益系数。 11.激光的基本特性是什么 答:激光四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。 这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。 12.如何理解激光的空间相干性与方向性如何理 解激光的时间相干性如何理解激光的相干光强 答：（1)激光的方向性越好，它的空间相干性程度 越高。（2)激光的相干时间和单色性存在着简单关 系，即单色越好，相干时间越长。（3)激光具有很 高的亮度，激光的单色亮度，由于激光具有极好的 方向性和单色性，因而具有极高的光子简并度和单 色亮度。 13.什么是谐振腔的谐振条件如何计算纵模的频 率、纵模间隔和纵模的数冃 答：（1)谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干涉 条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔 内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同 相（即相差为的整数倍）。如果以表示均匀平面波 在腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为。A 为光在真空中的波长，L为腔的光学长度，q为正 整数。 (2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目、 纵模的频率、纵模间隔： 纵模的数目：对于满足谐振条件频率为的波，其纵 模数目，为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的 那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽）。 14.在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与 哪些因素有关 答：损耗因素:a、几何偏折损耗：与腔的类型、腔 的几何尺寸、模式有关。b、衍射损耗：与腔的菲 涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。c、腔镜 反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率 有关。d、材料中的非激活吸收、散射、腔内插入 物所引起的损耗：与介质材料的加工工艺有关。 15.哪些参数可以描述谐振腔的损耗它们的关系 如何（P29-31) 答：(1)描述参数:a)平均单程损耗因子：（为初始光 强，为往返一周后光强）b)腔内光子的平均寿命： c)品质因数：⑵去重：腔的损耗越小，平均单程损 耗因子越小，腔内光子的平均寿命越长，品质因数 越大。 16.如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模答： 开腔镜面上，经过足够多次往返后，能形成这样一 种稳恒场，其分布不再受衍射的影响，在腔内往返 一次能够再现出发时的场分布。这种稳恒场经一次 往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场分布 按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞 后。把这种开腔镜面上的经一次往返能再现的稳恒 场分布称为开腔的自再现模。 17.求解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分方程得到的本 征函数和本征值各代表什么 答：本征函数:描述腔的一个自再现模式或横模。其 模描述镜面上场的振幅分布，幅角描述镜面上场的 相位分布。本征倌:表示自再现模在渡越一次时的幅 值衰减和相位滞后。其模值量度自再现模在腔内往 返一次的功率损耗，幅角量度自再现模的单程相 移，从而也决定模的谐振频率。 18.什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性答： （1)任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等激光原理及应用_答案
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