激光技术及应用实验
Lasers Experiments
一、实验课简介
本课程是面向应用物理学专业学生开设的一门学科基础课程，在第五学期开设。本实验是在本科生接受了大学物理等系统实验方法和实验技能训练的基础上开设的，主要与理论课程《激光技术与应用》同步，训练学生的自主设计能力。该课程具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。
二、实验课目标
进一步加强学生的基本科学实验技能的培养，提高学生的科学实验基本素质，并与理论课程的教学融汇贯通，加深对理论课程学习的理解。通过本课程的学习，要使学生熟悉激光器的基本工作原理、激光振荡及放大的条件、高斯光束的变换，熟练使用几种常用激光器，如氦氖激光器、半导体激光器、脉冲激光器和可调谐燃料激光器。使学生通过实际动手操作，掌握激光器的一般构造，加深对激光特性的理解，了解激光在精密测量中的使用。
培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。提高学生的科学素养，培养学生积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作的优良品德。
三、实验课内容
实验项目一：气体激光器（3学时）
1. 实验属性：综合性实验。
2. 开设要求：必开。
3. 教学目标：
（1）掌握气体激光器的主要结构和原理；
（2）掌握气体激光器的调节方法；
（2）了解激光输出的特性及其测量；
（3）了解高斯光束的传播规律，掌握光束基本特性的测量。
4. 主要实验仪器设备：游标卡尺、开放式He-Ne激光器等。
5. 实验内容（至少做两个子项目）：
（1）调节He-Ne激光器的谐振腔镜，获得激光稳定输出；
（2）测量激光光束的发散角和束腰半径（选作）；
（3）测量激光激励电压与激光输出功率之间的相互关系（选作）；
（4）进行简单的高斯光束变换（选作）。
实验项目二：固体连续激光器（3学时）
1. 实验属性：综合性实验。
2. 开设要求：必开。
3. 教学目标：
（1）掌握固体激光器的主要结构和原理；
（2）了解固体激光器的结构、阈值、选模；
（3）学习谐振腔长度对激光选模的影响。
4. 主要实验仪器设备：Nd:YAG激光器、光功率计、CCD相机等。
5. 实验内容：
（1）调节Nd：Y AG激光器的谐振腔长度，获得稳定的激光模式；
（2）利用CCD相机拍摄不同激光模式的光斑；
（3）测量谐振腔长度与激光输出功率之间的相互关系。
实验项目三：脉冲激光器（3学时）
1. 实验属性：综合性实验。
2. 开设要求：必开。
3. 教学目标：
（1）熟悉脉冲激光器与广电调Q的工作原理；
（2）测量静态输出特性，了解谐振腔对激光器输出特性的影响，并掌握调试方法；
（3）测试光电Q开关的消光特性，以及对激光器输出特性的影响
4. 主要实验仪器设备：脉冲Nd:Y AG激光器、光电调Q开关、光脉冲能量计、倍频晶体、滤波片、数字示波器等。
5. 实验内容：
（1）调试静态脉冲激光器；
（2）提高激光器的输出频率；
（3）压缩输出激光脉冲宽度，提高脉冲峰值功率；
（4）测量脉冲宽度与激光功率之间的对应关系。
实验项目四：半导体激光器（3学时）
1. 实验属性：综合性实验。
2. 开设要求：必开。
3. 教学目标：
（1）通过实验熟悉半导体激光器的光学特性；
（2）掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节；
（3）根据半导体激光器的光学特性考察其在光电技术方面的应用。
4. 主要实验仪器设备：半导体激光器、可调电源、偏振片、光学升降台、功率计、准直透镜、光谱分析仪。
5. 实验内容：
（1）调节准直透镜使半导体激光器输出光路近似准直；
（2）改变电源电流，观察激光器输出功率变化，做出P-I曲线；
（3）测量半导体激光器的发散角、偏振度；
（4）测试半导体激光器的光谱特性。
实验项目五：光泵浦激光器（3学时）
1. 实验属性：综合性实验。
2. 开设要求：必开。
3. 教学目标：
（1）熟悉LD泵浦固体激光器的基本原理；
（2）掌握激光器的主要参数、光斑尺寸、远场发散角及调整方法。
4. 主要实验仪器设备：半导体泵浦激光器原理实验装置主机、刀口部件、准直透镜、功率计。
5. 实验内容：
（1）调节半导体激光器及反射元件的光斑重合；
（2）测量激光器的光斑尺寸和远场发散角；
（3）测量泵浦光源的输出功率和固体的激光器输出功率之间的对应关系，并绘制P in-P th曲线；（4）利用双斜率法测量阈值功率。
实验项目六：激光测距实验（3学时）
1. 实验属性：综合性实验。
2. 开设要求：必开。
3. 教学目标：
（1）了解激光测距仪的构成；
（2）掌握激光测距仪的基本原理；
（3）学会脉冲法和相位法的距离计算方法。
4. 主要实验仪器设备：脉冲激光器、调制器、反射镜、连续激光器等。
5. 实验内容：
（1）调整分光镜、反射镜，使得光路准直；
（2）利用脉冲法进行距离测量，并计算待测距离；
（3）利用相位法进行距离测量，并计算待测距离。
四、实验课实施
1.成绩考核
（一）期末考核采用课程论文的形式，主要考查内容为激光技术的发展动态、相关应用等知识。
（二）成绩评定：
2.平时成绩30%+期末考核成绩70%。
3.平时成绩主要依据考勤、预习、操作和实验报告等情况。
2.教学资料
（1）教材：
[1] 周炳琨, 高以智, 陈倜嵘. 《激光原理(第6版)》. 北京：国防工业出版社，2009
（2）参考书：
[1] Orazio Svelto. 《激光原理(第4版)》. 北京：世界图书出版公司，2008
五、实验项目汇总表
《激光技术及应用实验》，34学时
半导体泵浦激光原理实验 理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人：余传祥 【实验目的】 1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。 2、掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。 【实验仪器】 808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪 【实验原理】 激光的产生主要依赖受激辐射过程。 处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。 激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，
部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为的光。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： 式中均为与物质有关的系数，且逐次减小。 当E很大时，电场的平方项不能忽略。 ,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： 式中L为晶体长度，、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。 【实验装置】 图2 实验装置示意图
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 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。
激光技术及应用实验 Lasers Experiments 一、实验课简介 本课程是面向应用物理学专业学生开设的一门学科基础课程，在第五学期开设。本实验是在本科生接受了大学物理等系统实验方法和实验技能训练的基础上开设的，主要与理论课程《激光技术与应用》同步，训练学生的自主设计能力。该课程具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。 二、实验课目标 进一步加强学生的基本科学实验技能的培养，提高学生的科学实验基本素质，并与理论课程的教学融汇贯通，加深对理论课程学习的理解。通过本课程的学习，要使学生熟悉激光器的基本工作原理、激光振荡及放大的条件、高斯光束的变换，熟练使用几种常用激光器，如氦氖激光器、半导体激光器、脉冲激光器和可调谐燃料激光器。使学生通过实际动手操作，掌握激光器的一般构造，加深对激光特性的理解，了解激光在精密测量中的使用。 培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。提高学生的科学素养，培养学生积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作的优良品德。 三、实验课内容 实验项目一：气体激光器（3学时） 1. 实验属性：综合性实验。 2. 开设要求：必开。 3. 教学目标： （1）掌握气体激光器的主要结构和原理； （2）掌握气体激光器的调节方法； （2）了解激光输出的特性及其测量； （3）了解高斯光束的传播规律，掌握光束基本特性的测量。 4. 主要实验仪器设备：游标卡尺、开放式He-Ne激光器等。 5. 实验内容（至少做两个子项目）： （1）调节He-Ne激光器的谐振腔镜，获得激光稳定输出； （2）测量激光光束的发散角和束腰半径（选作）； （3）测量激光激励电压与激光输出功率之间的相互关系（选作）； （4）进行简单的高斯光束变换（选作）。 实验项目二：固体连续激光器（3学时） 1. 实验属性：综合性实验。 2. 开设要求：必开。 3. 教学目标：
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）
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
实验一 He-Ne 激光器模式分析 （一）实验目的与要求 目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。 要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。 （二）实验原理 1．激光器模的形成 我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用， 将有一定频率的光波产生，在腔内传播， 并被增益介质逐渐增强、放大，如图1-1所示。实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图1-2所示，图中)(νG 为光的增益系数。只有频率落在这个范围 内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中 图 1-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续 振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即 q q L λμ=2 （1-1） 式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长；q 为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q 称作纵模序数。q 是一个很大
的数，通常我们不需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的q 值，即激光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式 存在的， q 值反映的恰是驻波波腹的 图 1-2 光的增益曲线 数目，纵模的频率为 L c q q μν2= （1-2） 同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 L c L c q 221≈ = ?=?μν （1-3） 从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗， 使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、 镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图2-3所示，有五个纵模满足谐振条件，其中有两个纵模的增益小于损耗，所以，有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测，由于q 值很大，相邻纵模频率差异很小，一般的分光仪器无法分辨，必须使用 精度较高的检测仪器才能观测到。 谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产 生影响呢？回答是肯定的，这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次 图 1-3 纵模和纵模间隔 衍射，多次反复衍射，就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。图2-4中，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本
激光原理实验 指导老师陈钢 1实验目的：加深对激光原理理论概念的认识和理解，培养实验动手能力。 2实验内容： （1）谐振腔参数认识、调节，调节外腔式He-Ne激光器，使其激光输出，并达到最大值，记录相关实验结果，包括工作电流和激光功率； （2）光学谐振腔的稳定范围； （3）激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系； （4）波长选择，通过选频元件，调出可能的5条谱线，记录波长和相对功率； （5）横模特征观测与判断。 此5个内容，第一个大家都要做一遍，其余四个选两个做，但最好分配好，把每个内容 都做到。 3实验原理： 实验从调整基本装置开始，这部分内容老师讲解。只要调整好基本装置，就可以开始下面的各项实验。 3.1光学稳定性 He-Ne激光器的光学谐振腔是根据激活介质Ne以及所要求的光束质量而设计的。 稳定性的目标就是要获得尽可能好的光束输出，也就是基模高斯光束TEM 00模式。 一般来说，要获得高功率输出和较好的光束质量是两个相矛盾的要求，因为高功率输出需要较大的激活体积，而基模运转时的激活体积却被限制在他所要求的模体积之内。这也 就说明了为什么平凹腔对He-Ne激光器是最佳的结构。 3.2光学谐振腔的稳定范围； 实验可以这样进行，在激光稳定运转过程中，通过改变球面镜的位置，直到激光不能产生为止。球面镜位置改变的具体方法为：把球面镜调节支架上的固定螺丝轻微松动，同时又 使得它能够在轨道上保持静止不动。位置改变过程尽量保持不要破坏激光的振荡。重新固定 调节支架到新的位置，并且通过调节球面镜的垂直和水平调节螺丝，使得激光功率重新达到 最大值。重复这些过程，直到达到一个不能获得激光震荡的新位置为止。测量此时两面镜子 的距离，并与由稳定性条件给出的最大距离L进行比较。 0乞g l乜2乞1 g i =1and g2 =1 丄 R i R2 12 实验的测量方法如下，松开激光管支架的固定螺丝，使得它的位置可以在轨道上改变。第一步准直已经调节好了，在这个实验中要保证激光管支架的机械轴要和准直光给出的光轴
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：
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
实验一CO2激光器及激光扫描实验 一、实验目的 1、了解CO2激光器的工作原理及典型结构； 2、掌握CO2激光器的输出特性； 3、掌握CO2激光器的使用方法； 4、掌握激光扫描及F-Theta镜的工作原理。 二、实验器材 CO2激光管1支，激光电源1台，功率计1台，水冷系统1套，扫描系统1套，控制器1套，计算机1台 三、实验原理 1、CO2激光器工作原理 CO2激光器的工作气体是CO2、N2和He的混合气体。波长9-11um间，处于大气传输窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um）。利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。 图1 CO2激光器典型结构 CO2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。放电管大多采用硬质玻璃(如GG)制成，放电管的内径和长度变化范围很大。为了防止内部气压和气压比的变化而影响17 器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。激光器的 输出功率随着放电管长度加长而增大。 CO2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。CO2振动模型如图1所示。 激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程，分别输出10.6um和9.6um。激光低能级100和020都可以首先通过白发辐射到达0l0，再次通过自发辐射到达基态000，但由于自发辐射的几率不大，远不如碰撞驰豫过程快，其主要的驰豫过程如图2。
分子反对称振动 CO 2 分子振动模型 图1 CO 2 图2 CO2分子能级跃迁过程 其中前两个过程进行得很快，而后两个过程进行得很慢，故分子堆积在010能级上，形成瓶颈效应，而使粒子数反转减小，特别是温度升高时，由热激发而使010能级上分子增加，造成粒子数反转的严重下降，甚至停振，最后一个式子中的M代表辅助气体。如果选择恰当的气体(常见的如H2O和H2)作为辅助气体，可促进010能级上分子的弛豫过程。另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发，这就使器件的管壁不能太粗。另外，为了增加气体的热导率，通过在气体中加入He气，可实现对放电管的冷却，同样使气体流动，都是降低温的好办法。 气体中一般还需要加入N2气，利用其v＝1能级与CO2分子的001能级相差较小，可以实现共振转移，选择性激励co2分子进入001态，特别由于N2气的v=1态不能通过自发
系、班 姓 名 座 号 ………………密……………封……………线……………密……………封……………线………………… 华中科技大学2012年《激光原理》期末试题(A) 题 号 一 二 三 四 总分 复核人 得 分 评卷人 一. 填空: （每孔1分，共17分） 1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值 高 。 2. Nd:Y AG 激光器可发射以下三条激光谱线 946 nm 、 1319 nm 、 1064 nm 。其 中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm 、 1064 nm 。 3. 红宝石激光器属于 3 几能级激光器。He-Ne 激光器属于 4 能级激光器。 4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和 相干性好 5. 激光器的基本组成部分 激活物质、 激光谐振腔 、 泵浦源 。 6. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为 阈值 增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率 相等. 7. 调Q 技术产生激光脉冲主要有 锁模 、 调Q 两种方法。 二、解释概念：（共15分，每小题5分）(选作3题) 题 号 一 二 三 合计 得 分 1. 基模高斯光束光斑半径： 激光光强下降为中心光强21 e 点所对应的光斑半径. 2. 光束衍射倍率因子 光束衍射倍率因子= 角 基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角 实际光束束腰半径?? 3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系： 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价； 任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。 三、问答题：（共32分，每小题8分） 题 号 一 二 三 四 合计 得 分 1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ??--=+-=02111220321303001010 3232121202111 222313230303 ,, W 03 A 03 S 03 S 32 S 21 A 21 W 21 W 12 E 3 E 2 E 1 E 0
《激光原理》习题解答 第二章习题解答 1 试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限次，而且两次往返即自行闭合. 证明如下：（共焦腔的定义——两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔。共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔。公共焦点在腔的共焦腔是实共焦腔，反之是虚共焦腔。两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔。） 根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明。 设两个凹镜的曲率半径分别是1R 和2R ，腔长为L ，根据对称共焦腔特点可知： L R R R ===21 因此，一次往返转换矩阵为 ?????? ?????????????????? ??-???? ??---?????????? ??-+-???? ??--=??????=211121222121221221221R L R L R L R L R R R L L R L D C B A T 把条件L R R R ===21带入到转换矩阵T ，得到： ? ? ? ???--=??????=1001D C B A T 共轴球面腔的稳定判别式子()12 1 1<+<-D A 如果 ()121 -=+D A 或者()12 1=+D A ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，因此可以断定是介稳腔（临界腔），下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔。 经过两个往返的转换矩阵式2 T ，?? ? ? ??=10012T 坐标转换公式为：?? ????=??????? ?????=??????=???? ??1111112221001θθθθr r r T r 其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过 两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。 2 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。 解答如下：共轴球面腔的()2 12 21222121R R L R L R L D A + --≡+，如果满足()1211<+<-D A ，
实验一：氦氖激光器 1.氦氖激光功率与发散角的测量实验 2.氦氖激光功率稳定性测量实验 实验二： 1.氦氖激光器模式竞争观测与测量实验 2.氦氖激光器偏振特性的测量实验 3.氦氖激光横模（单横模，多横模）变换与光束测量实验（？） 实验三： 1.氦氖激光高斯光束参数测量（束腰位置，高斯光强分布，质心位置，瑞利长度，远场发散角）实验； 2.高斯光束变换（准直，扩束，聚焦）与测量实验 实验四：（暂不做） 1.氦氖激光器谐振腔的观察及调整实验 实验五：半导体泵浦固体激光器 1.半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法 2.研究激光器的倍频效应及其测量实验（532mn） 3.激光倍频匹配角选择实验（测量532mn绿光功率比较选出最佳角度）实验六： 2.半导体泵浦固体激光器阈值测量及功-功转换效率测量实验（1064mn） 3.研究腔长和不同透过率对固体激光器效率的影响（1064mn） 实验七： 6.LD泵浦固体激光器光斑尺寸的测量实验 7.LD泵浦固体激光器远场发散角的测量实验 半导体泵浦固体激光器注意事项 1.半导体激光器（LD）对环境有较高要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内。实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免LD沾染灰尘。 2.LD对静电非常敏感。所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳。如果确实需要拆装，请带上静电环操作，并将拆下的LD两个电极立即短接。
3.不要自行拆装LD电源。电源如果出现问题，请与产家联系。同时，LD电源的控制温度已经设定，对应于LD的最佳泵浦波长，请不要自行更改。 4.LD、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离大约为32mm、8mm，经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使用。 5.准直好光路后需用遮挡物（如功率计或硬纸片）挡住准直器，避免准直器被输出的红外激光打坏。 6.实验过程避免双眼直视激光光路。人眼不要与光路处与同一高度，最好能带上激光防护镜操作。 实验八：半导体激光器 1.半导体激光器的特性测量（I-P特性曲线、发散角、偏振度等） 注意：半导体激光器的 p-n结非常薄，极易被击穿，所以在开、关半导体激光器的电源时，一定要防止浪涌电流的产生，否则将有可能损坏半导体激光器。开启时，先开电源开关，再开电流开关。 关闭时，先将电流调节旋钮逆时针旋转到底，使输出电流最小（最小输出电流大于0mA，切勿用力调节旋钮），再关电流开关，最后关闭电源开关。 2.实验过程中，实验者不可以直视激光束，以免眼睛受到损伤。 3.半导体激光器不能承受电流或电压的突变。若使用不当容易损坏。当电路接通时，半导体激光器的注入电流必须缓慢地上升，不要超过65mA，以防半导体激光器损坏。使用完毕，必须将半导体激光器的注入电流降回零。 4.静电感应对半导体激光器也有影响。如果需要用手触摸半导体激光器外壳或电极时，手必须事先触摸金属一下。 5.周围的大型设备的启动和关闭极易损坏半导体激光器，遇到这种情况时，应先将半导体激光器的注入电流降低到零，然后再开关电器。
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 34634110 5138.21031063.6105.01063.61?=????=? ?= =---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 1038.110 31063.6exp[2393412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 36238 34121026.61.0]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 10084.51064.13110--?=??? 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）
07级光信息《激光原理》复习提纲 简答题 1、 简述自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的联系与区别。 （1）受激辐射过程是一种被迫的、受到外界光辐射控制的过程。 没有外来光子的照射，就不可能发生受激辐射。 (2) 受激辐射所产生的光子与外来激励光子属于同一光子状态， 具有相同的位相、传播方向和偏振状态。 (3) 激光来自受激辐射，普通光来自自发辐射。两种光在本质 上相同：既是电磁波，又是粒子流，具有波粒二象性；而 不同之处：自发辐射光没有固定的相位关系，为非相干光， 而激光有完全相同的位相关系，为相干光。 (4) 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 迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。 （5）受激吸收是与受激辐射相反的过程，它的几率与受激辐射几率一样取决于吸收系数和外来光单色辐射能量密度的乘积。 2、二能级系统有无可能通过光泵浦实现稳态粒子数反转？（不能，PPT 上有） 在光和原子相互作用达到稳定条件下 得到 不满足粒子数反转，所以不能实现。 3、简述均匀增宽和非均匀增宽的区别。（类型，贡献不同ppt 上有） 4、简述光谱线增宽类型，它们之间的联系与区别 均匀增宽的共同特点 引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的 都是光辐射偏离简谐波引起的谱线加宽 非均匀增宽的共同特点 原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡 献，因而可以区分谱线上某一频率范围是由哪一部分原子发射的。 E 1 E 2 B 12 B 21 A 21 W W W B B ===2112 2112 即当t n B t n B t n A ννd d d 1122212 21ρρ=+W A W n n +=2112
hv E 2 E 1 (a) 2 1 (b) E 2 E 1 (c) 光与物质作用的吸收过程 半导体泵浦激光原理实验 【实验目的】 1. 了解激光特别是半导体激光器工作原理 2. 调节激光器光路，观察倍频现象，测量阈值、相位匹配等基本参数，加深对激光技 术理解。 【实验仪器】 808nm 半导体激光器、半导体激光器可调电源、Nd:YVO4晶体、KTP 倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪 【实验原理】 1. 激光产生原理 光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。 如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21 的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。 激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。自发辐 射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
处于激发态的原子，在外的光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并两个状态间的 能量差以辐射光子的形式发射出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 2. 光学倍频 光的倍频是一种最常用的扩展波段的非线性光学方法。激光倍频是将频率为ω的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为2ω的光。 考虑电场的平方项 t E E ωcos 0= )2cos 1(2 cos 20 2 20 2 ) 2(t E t E E P ωβωββ+=== hv 21 2 E 1 (a) E 2 E 1 (b) hv 21 hv 21 光与物质作用的受激辐射过程 E 1 E 3 E 2 三能级系统示意图