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3
h 。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？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。
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 ；S
I I G I G +=1)(0
如果在增益介质中光强始终满足条件I<
=α 阈值条件为：210ln 21)(r r L
z G total -
=≥αα
2. 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
3. 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
4. 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。
四. 激光器的基本组成
泵浦源、增益介质、谐振腔、其他元件；
五. 两类能级系统
激活粒子系统主要归结为哪两类？每一类中典型代表激光器是什么激光器？
三能级：红宝石激光器、氩离子激光器；四能级：氦氖激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG 激光器。
六. 激光的四大特性
1.激光的四大特性是什么？
单色性好、方向性好、相干性好、高强度
2.影响单色性和方向性的因素分别是什么？
方向性越好，则光束的空间相干性越好。
根据光的衍射理论，任何光通过输出孔径时都要产生衍射，衍射角的大小与光波长成正比，与孔的直径成反比
方向性越好、空间相干性程度越高;方向性（发散角）受衍射极限的限制
模数对相干性的影响
横模数减少，θ
?变小，空间相干性越高，反之亦然
纵模数减少，θ
?变小，时间相干性越高，反之亦然
为了提高激光器的空间相干性，首先限制激光器工作在TEM00单横模；其次，合理选择光腔的类型以及增加腔长以利于提高光束的方向性。
第二章光学谐振腔
一. 第1节和第2节
1.光学谐振腔有哪两种作用？分类是怎样的？
光谐振腔的作用是提供轴向光波模的正反馈及保证激光器的单模振荡；
分类：闭腔；气体波导腔；开腔；按几何损耗的高低分：稳定腔、非稳腔、临界腔。
2.对于开腔，常用的处理方法有几种？
几何光学分析法、矩阵光学分析法、波动光学分析法
3.谐振腔内的模式与谐振腔的关系是怎样的？
谐振腔的模式:谐振腔内允许或可能存在的电磁波的本征态（光波模式）或腔内可能区分的光子的状态（光子态）。
关系：腔的参数确定后，则模的特征就由麦氏方程组及腔的边界条件唯一地确定。
4.描述腔内模式的基本特征有哪些？
电磁场分布、谐振频率、相对功率损耗、发散角
5.横模与纵模的基本概念、区别，如何理解自再现模（孔阑传输线）？谐
振的条件是什么？
谐振条件：nL c
q q 2=υ；纵模间隔：'
221L c nL c q q q ==-=?+υυυ 6. 纵模的个数与哪两个因素有关？
工作物质的荧光线宽和腔长
7. 光腔的损耗分类、描述（平均单程损耗因子、光子在腔内的平均寿命、无源腔的Q 值、无源腔的本征纵模线宽）以及和模式的对应关系。
(1)几何损耗；（2）衍射损耗；（3）腔镜反射不完全引起的损耗；（4）内损耗
光腔的损耗可用平均单程损耗因子δ、光子在腔内的平均寿命R τ、无源腔的本征纵模线宽c υ?、无源腔的Q 值描述。
8. 腔内光子的平均寿命τ、Q 、c ν?、平均单程损耗因子之间的关系。 损耗越大，δ 越大，R τ越短，c υ?越宽，Q 值越小。
二. 第3节
1. 几种简单的光线传播矩阵表示，理解ABCD 矩阵
折射矩阵：???? ?
?=21n n n T 001 球面反射矩阵：???
? ??=1T r R 2-01
3. 理解Sylvester 定理，理解共轴球面腔的稳定条件、稳定性简易判别方法、稳
定区图的指示意义。
往返矩阵与初始坐标无关，可用来描述任意傍轴光线在腔中的传播行为。
往返矩阵中的各个元素的具体值与初始出发位置、光线往返顺序有关。 ()2
12
21222121R R L R L R L D A +--≡+ 12
1<+D A ：稳定腔 12
1>+D A ：非稳腔 12
1±=+D A ：临界腔
221
111R L g R L
g -=-=，若1021<
102121==g g g g ，，临界腔。
临界腔：对称共焦腔( R 1 =R 2=L )、平行平面腔、共心腔。
如果将腔的任一个反射镜的曲率中心与顶点称为该反射镜的两个特征点，则当谐振腔中两个反射镜的两个特征点之间只包含另一个反射镜的一个特征点时，这个谐振腔就是稳定腔；
如果某个反射镜的两个特征点之间包含了另一反射镜的两个特征点或不包含另一反射镜的特征点时，该谐振腔就是非稳腔；
如果两个反射镜的特征点之间有重合，则该谐振腔就是临界腔。
三. 第4节到第8节内容综述
1. 首先要理解开腔模式的基本概念，要看ppt 文件；
2. 其次要理解在惠更斯——菲聂耳原理（光的衍射理论基础）的基础上进行的菲聂耳——基尔霍夫衍射积分方程运算来定量地处理开腔模式的问题。（积分公式表明：如果知道了光波场在其所到达的任意空间曲面上的振幅和相位分布，就可以求出该光波场在空间其他任意位置处的振幅和相位分布）
3. 在前面两步基础上处理对称开腔自再现模式应该满足的积分方程。
前面3步是理论基础，在前面3步理解的基础上，下面才考虑几种常见的谐振腔中的理论处理方法：
⑴. 平行平面腔模式的迭代求解——Fox--Li 迭代求解法；平行平面腔的优点有哪些？方向性极好、模体积较大、容易获得单模模振荡
⑵. 方形镜共焦腔的自再现模：积分方程→→精确求解→→得到镜面上场的振幅和相位分布→→单程功率损耗→→单程相移和谐振频率； ⑶
. 方形镜共焦腔的行波场（厄米-高斯光束）：腔内任意一点处的光波场特点，如振幅分布、光斑尺寸、模体积大小、等相位面的变化、远场发散角； 基模高斯光束腰斑半径：πλπλωωf L s
===2200
光斑半径随z 按照双曲线规律变化。()122
202=-f
z z ωω 当 z=0 时，()z ω达到最小值, ()002ωωω==s
z ；当2
L f z ±=±=时，有()s z 002ωωω==。
模体积：描述某一腔模在腔内扩展的空间体积；模体积大，对激活介质能量的提取就大，对模式振荡作贡献的粒子数越多，就有可能获得大的输出功率；决定一个模式能否振荡，能获得多大的输出功率，与其它模式的竞争情况等。
模体积：看成底半径为ω0，高为L 的圆柱体。2212200
00
λπL w L V s == 等相位面分布：当2
0L f z ±=±=时，()L f z R ==20，反射镜面本身与两个等相面重合；当∞=或00z 时，∞→R 腔心和无穷远处的等相面为平面。
远场发散角：(基模) ()=210e θ f
πλ2=；高阶模的发散角随阶次的增大而增大，方向性变差！0012;12θθθθ?+=?+=n m n m
⑷. 圆形镜共焦腔（积分方程有解析解——超椭球函数）：
⑸. 一般稳定球面腔的模式特点：使用等价腔的概念。
处理原则：稳定球面腔与共焦腔的等价性。
任何一个共焦腔可以与无穷多个稳定球面镜腔等价
等价的含义：二者有相同的行波场。以共焦腔模式空间分布，尤其是其等相面的分布规律为依据；
任意一个稳定球面腔唯一地等价于某一共焦腔
等价条件：以拉盖尔—高斯或厄米—高斯近似为前提。即只有稳定腔的孔径足够大，腔中的场集中在轴线附近时，等价结论才正确
第三章高斯光束
1.理解基模高斯光束的基本性质；
2.高斯光束的特征参数有几组？
3.高斯光束光强的空间分布、光斑半径公式、瑞利长度、远场发散角公式，
理解等相位面沿着腔轴的变化关系；
4. 高斯光束的q 参数变换及其传输规律；稳定腔中的传输特点； D Cq B Aq q ++=112
5. 高斯光束的准值（减小发散角，提高方向性）、聚焦（使腰斑变小）；
准直：目的：减小发散角，提高方向性；
方法：（1）单透镜：腰斑半径越小，则像高斯光束的方向性越好。因此，先用一
个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，以便获得较小的腰斑，然后再用一个长焦距的透镜来改善其方向性。
（2）望远镜；
6.高斯光束的自再现变换：什么情况下是自再现变换？
利用薄透镜实现高斯光束的自再现变换；
当透镜的焦距等于高斯光束入射在透镜表面上的波面曲率半径的一
半时，透镜对该高斯光束作自在现变换；
利用球面反射镜实现高斯光束的自再现变换；
当入射在球面镜上的高斯光束波前曲率半径正好等于球面镜的曲率
半径时，在反射时高斯光束的参数将不会发生变化，即像高斯光束
与物高斯光束完全重合，将这种情况称为反射镜与高斯光束的波前
匹配。
高斯光束的自再现变换与稳定球面腔的关系；
高斯光束的等相位面近似为球面，且任意两个等相位面的曲率半径及其间距之间满足稳定性条件。因此，如果用球面反射镜代替这两个等相位面就构成稳定腔。而且，由于该高斯光束被谐振腔的两个反射镜做自再现变换，因此，它将成为该谐振腔的自再现模。
反之，对于任意稳定腔而言，只要适当选择高斯光束的束腰位置和腰斑大小，就可以使它成为该稳定腔的本征模式。
这样，以高斯光束的基本性质和传输规律为基础，可以逻辑地建立起稳定腔的模式理论。
7.高斯光束质量的描述。
聚焦光斑尺寸、远场发散角；2.光腰尺寸和远场发散角的乘积；3.光束倍
率因子。
第四章光与物质的共振相互作用
一.第1到第2节：
1.谱线加宽分类、各自线型函数的特点；
加宽分类：均匀加宽、非均匀加宽、综合加宽
种类: 自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽
自然加宽：原子在激发态上的有限寿命。在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发地向低能态跃近；碰撞加宽：气体中，原子或分子之间的无规“碰撞”。在固体中，是指原子—晶格热弛豫过程；由于晶格原子的热振动，镶嵌在晶体里的激活离子处在随时间变化的晶格场中,导致其能级位置在一定范围内发生变化从而引起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。
线型函数()0,υυg ：分布在某一频率附近单位频率间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。
()()P
P g υυυ=0,；()1,0=?+∞∞-υυυd g 谱线宽度：υ?
2. 均匀展宽与非均匀展宽的主要区别点（各自的定义）；
均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的；非均匀加宽：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，可以区
分谱线上的某一频率范围是由哪部分原子发射的，它的特点是，不同发光粒子只对光源光谱线相应部分有贡献。
二. 第3节
1.
在考虑加宽机制前后三大跃迁之间的公式区别； 2.
两种实际情况的讨论及其物理意义； 3.
三能级单模振荡速率方程组（已经考虑了加宽在内）； 4.
四能级单模振荡速率方程组（已经考虑了加宽在内）；
三. 第4节（均匀加宽）
1. 均匀加宽工作物质的增益系数的变化特点（要考虑均匀加宽的线型函
数）；
2. 均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和s n ?、均匀加宽工作物质的增益系
数饱和H s G ；
四. 第5节（非均匀加宽）
1. 非均匀加宽工作物质的增益系数的变化特点（要考虑非均匀加宽的线型
函数）；
2. 非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和s n ?、非均匀加宽工作物质的增
益系数饱和H s G ；
第五章 激光振荡特性
一. 连续激光（稳态）与脉冲激光（非稳态）是如何分类的？注意对几个图
的理解！
连续或长脉冲激光器 ( t0>>τ2 )——稳定工作状态(稳态)
脉冲激光器 ( t0 <<τ2 )——非稳定工作状态(非稳态)
二. 激光器的振荡阈值：
1. 阈值反转粒子数密度th n ?；
l n th ),(021υυσδ=?;自激振荡阈值条件：l
n n th ),(0210υυσδ=?≥?
不同模式(频率)具有不同的阈值反转粒子数密度△nth ;
中心频率处阈值反转粒子数最低△nth (中心频率);
损耗越大、发射截面越小、腔长越短、则阈值反转粒子数密度越大。
2. 阈值增益系数th G ?；
()()0210,υυσδ
υt t n l G G ?==≥
不同的纵模具有相同的损耗δ，因而具有相同的t G ；
不向的横模具有不同的损耗δ，因而具有不同的t G ；
高次横模的t G 比基模的大；
3. 连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率Pth P （三能级系统；四能级系
统）； 三能级：s F p Pt nV
h P τηυ2= 四能级：s F p s F th p s th p Pt l V h V n h V
n h P τσηδυτηυτηηυ2121=?=???=
4. 短脉冲激光器的阈值泵浦能量Pth E （三能级系统；四能级系统）； 三能级：11
22ηυηυV n h V
n h E p t p pt == 四能级：l V h V n h V n h E p t p t p pt 211112σηδυηυηυ=?==
5. 阈值特点小结；
1.三能级系统所需的阈值能量比四能级大得多（三能级系统的激光下
能级是基态，至少要将一半粒子n/2激励到E2。四能级系统的激光
下能级几乎为空，只需将Δn t 个粒子激发到E2，而n /2>> Δn t 。）
2. 光腔损耗对三能级系统的影响较对四能级的影响要小（对三能级
系统，要将(n+Δn t )/2粒子激励到E2 ，而n/2>>Δnt ，可忽略Δn t 。
而对四能级系统，只需将Δn t 个粒子 激发到E2，而Δn t ∝δ。但
当δ很大，使得Δn t 也很大，达到可以与n/2相比拟时，才要考虑
损耗对三能级系统阈值的影响。）
3. Ppt,， Ept 与工作物质特性有关()F s F υτση?,,,21
三. 激光器的振荡模式
不管激发强或若，稳态工作时激光器振荡模式的大信号增益系数总是等于阈值增益系数。
1. 均匀加宽激光器的模式竞争（纵模的自选模、空间烧空引起的多纵模振荡），注意学会叙述！！！！！
空间烧孔引起的多纵模振荡:
激光增强时，均匀加宽激光器为多纵模振荡，激发越强，达到阈值从而参与竞争而振荡的纵模个数越多。
增益的轴向(或纵向)空间烧孔效应:由于腔内的驻波场分布，波腹处光强大，波节处光强小。由于饱和效应，则在波腹处增益系数最小，在波节处最大，形成增益系数的轴向空间分布。
2.非均匀加宽激光器的多纵模振荡
四.连续或长脉冲激光器的输出功率
1.均匀加宽单模激光器的输出功率；
2.非均匀加宽单模激光器的输出功率；
3.均匀加宽多模激光器的输出功率；
4.非均匀加宽多模激光器的输出功率；
五.短脉冲激光器的输出能量
六.驰豫振荡
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；
单模激光器的输出是一个衰减尖峰序列；
泵浦功率越大，尖峰形成越快，因而尖峰的时间间隔越小；
尖峰序列是向稳态振荡过渡的驰豫过程的产物
七. 单模激光器的线宽极限 无源腔：L c R c '
==?πδπτυ221
腔的损耗越低，则光场的衰减时间越长，模式线宽也越窄。
有源腔：有源腔单模激光器的线宽极限为：
022022)(2)(2P h n n P h n n c t t c t t s υυπυυπυ??≈??=?；这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排除的，所以称它为线宽极限。 由上述公式可看出：输出功率越大，线宽就越窄。这是因为输出功率增大就意味着腔内相干光子数增多，受激辐射比自发辐射占更大优势，因而线宽变窄。减小损耗和增加腔长也可使线宽变窄。
八．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，这种现象叫做频率牵引。
第六章 激光器件
一. He-Ne 激光器、CO 2激光器、Ar+离子激光器的各自波长、能级系统、能
量共振转移的过程；
三能级：红宝石激光器、氩离子激光器；四能级：氦氖激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG 激光器。
氦氖激光器：632.8nm 、1.15μm 、3.39μm ；原子激光器；连续输出； CO 2激光器：10.6微米，9.6微米；分子激光器；连续、脉冲输出；功率较大（高达几十万瓦）、能量转换效率高，但体积大；
氩离子激光器：488nm 蓝光、514.5nm 绿光；离子激光器；连续输出； 红宝石激光器（第一个出现激光器）：Al2O3:Cr3+，基质为刚玉；脉冲工作方式（具有较高的泵浦能量阈值，故不常用）；
Nd:YAG ：1.064微米（四能级）、1.3微米（四能级）、946nm （三能级）Nd:YAG 激光器器件阈值低、理化性能好、连续、脉冲、锁模、调Q 技术
均适用。
二. 红宝石激光器波长、能级特点、两个波长的竞争情况；
692.9nm 、694.3nm ；三能级系统，具有高的泵浦能量阈值，通常只能以脉冲方式工作；
三. 完整理解尖峰振荡的形成过程；
四. Nd:YAG 激光器和掺钕玻璃激光器波长、能级特点；
五. 激光束质量的表示方法：M 2因子等；
六. 固体激光材料的一般特点；
固体激光器：运行方式多样，能实现激光运转的固体工作物质多达数百种、激光谱线达数干条，多分布于可见光及近红外光区，并能利用非线性晶体实现倍频、二倍频、四倍频，其频率可达紫外区，固体激光器导光系统简单，制作容易，结构紧凑、牢固耐用。
气体激光器：气态工作物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器易于获得衍射极限的高斯光束，方向性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因而激光的单色性好，但气体激光器的体积一般比较大。
七. 钛宝石激光器的特点；
很宽的波长范围（660~1180nm ）连续可调；
调谐范围宽、增益高、泵浦源好找（吸收峰在500nm 附近绿光）、理化性能好。
第七章 激光技术（单独）
一. 调Q 技术：
要求掌握调Q 的含义，调Q 的分类、电光效应、电光调Q 、声光调Q 的过程；电光调Q 和声光调Q 的区别；
每秒中损耗的激光能量
腔内储存的激光能量)(20W Q ?=πν；设腔的长度为L ，腔内介质的折射率为n ，则
光在腔内传播一个单程所需要的时间t 为nL/C ，光在腔内每秒中损耗的能量为C nL W /δ ，则： 0
02/2δλπδπνnL nL WC W Q =?= 分类：主动调Q 和被动调Q
调Q 激光器的两种储能方式：工作物质储能和谐振腔储能
1. 工作物质储能——脉冲反射式调Q(PRM 法)
腔长不宜过长，输出损耗也不宜太小；
在低Q 值状态下激光工作物质的上能级积累粒子，当Q 值突然升高时形成巨脉冲振荡，同时输出光脉冲。
2.谐振腔储能——脉冲透射式调Q (PTM 法)：将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数密度达到最大值时，瞬间将腔内能量全部输出，因此也叫腔倒空法。特点：脉冲宽度更窄；峰值功率更高；能量利用率更高
电光效应：某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化（普克尔效应），使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象。KDP
电光调制效率很高；
声光调制：（不宜用于高能调Q 激光器）
声光效应：当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的位相光栅。
弹光效应：当材料受力时，光通过材料而引起材料折射率的变化的现象。 声光Q 开关的组成：由一块对激光波长透明的声光介质（熔融的石英）及换能器（石英：作用是将高频信号转换为超声波）。
二. 锁膜技术重点掌握：
超快激光器、超快脉冲、超短脉冲
基本原理：通常激光器的输出是由若干个纵模组成，由于各个纵模的相位不相同并呈随机变化，因而激光器输出光强只是各个模式非相干叠加的结果。当我们采取措施使各模的初始相位保持一定关系时，就会发生相干叠加，输出一列周期性变化的锁模光脉冲串。
1. 自由运转多纵模激光器的激光输出的光场分布和光强分布特点；
一个多纵模激光器中，假如有2N+1个纵模，各纵模初始相位彼此无关联，完全独立和随机的；相邻纵模之间的间隔并不完全相等；输出光强是各纵模的非相干叠加的结果。
2. 锁模后的多纵模激光器的激光输出光场分布和光强分布特点； 相邻最大峰之间的时间间隔：C
L t 2=
激光器输出的是间隔为t 的规则脉冲序列； 锁模脉冲的宽度：osc
q N C L N υυτ?≈??+=?+=?111212121； 锁模脉冲的输出峰值功率：锁模输出脉冲峰值功率正比于 220)12(+N E ，而自
由运转激光器的平均功率正比于)12(20+N E ，因此，锁模脉冲的输出峰值功率是锁模
前单个脉冲的2
)12(+N 倍，是锁模前多个脉冲合成功率的)12(+N 倍；在固体激光器中，振荡模的数量可以达到103～104，所以锁模后单个脉冲的峰值功率可以达到很高。 3. 锁模后的超短脉冲峰值光强公式、时间周期、超短脉冲的宽度等公式；
三. 上述调Q 和锁模技术两者之间的主要区别；
四. 变频技术中的极化强度的理解，对混频、倍频、OPA 、OPO 的理解；
第八章 半导体激光器
一. 基本定义：禁带宽度、光电导、pn 结、超晶格结构、量子阱等
满带（filled band ）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据
对于金属，所有价电子所处的能带就是导带；对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带——导带（本征吸收）。 光电导指半导体由于受到光照而使其电导率发生变化的现象。
费米能级与费米能：一般可以认为，在温度不很高时，能量大于费米能级的量子态基本上没有被电子所占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据，电子占据费米能级的几率在各种温度下总是1/2，所以费米能级的位置比较直
观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。
量子尺寸效应：当材料的尺寸与光波的波长、传导电子德布洛意波长等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将遭到破坏，从而导致材料的光、电、磁、声、热以及超导电性出现很大的变化，出现一系列
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：
激光原理与技术期末总复习 考试题型 ?一. 填空题（20分） ?二.选择题（30分） ?三.作图和简答题（30分） ?四.计算题（20分） 第一章辐射理论概要与激光产生的条件 1、激光与普通光源相比较的三个主要特点：方向性好，相干性好和亮度高 2、光速、频率和波长三者之间的关系： 线偏振光：如果光矢量始终只沿一个固定方向振动。 3、波面——相位相同的空间各点构成的面 4、平波面——波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。 5、单色平波面——具有单一频率的平面波。 6、ε= h v v —光的频率 h —普朗克常数 7、原子的能级和简并度 （1）四个量子数：主量子数n、辅量子数l、磁量子数m和自旋磁量子数ms。 （2）电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态不同。 （3）电子能级：电子在原子系统中运动时，可以处在一系列不同的壳层状态活不同的轨道状态，电子在一系列确定的分立状态运动时，相 应地有一系列分立的不连续的能量值，这些能量通常叫做电子的能 级，依次用E1，E2,…..En表示。 基态：原子处于最低的能级状态成为基态。 激发态：能量高于基态的其他能级状态成为激发态。 （4）简并能级：两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫做简并能级。 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫做简并 度，用g表示。 8、热平衡状态下，原子数按能级分布服从波耳兹曼定律 （1）处在基态的原子数最多，处于越高的激发能级的原子数越少； （2）能级越高原子数越少，能级越低原子数越多； （3）能级之间的能量间隔很小，粒子数基本相同。 9、跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程 （1.）辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象 ①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2－E1而由高能级跃迁至低能级; ②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁至高能级. （2）非辐射跃迁：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 10、光和物质相互作用的三种基本过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收
一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分) 1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。 A. q kL π22= B. q L C q 2= ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。（δφ为往返相移） A. l r r G q ) ln(,2210- ≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφ C. 0, 20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ 3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。 A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共心腔 4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。 A. 单程损耗因子 B. 腔内光子平均寿命 C. Q 值与无源线宽 D. 小信号增益系数 5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。 A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D. 相同谐振频率 6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。 A ． F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.F L L 11121=+ 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的 C 。 A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零； B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关； C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比； D. 自发辐射光相干性好。 8.入射光作用下， C A. 均匀加宽只有部份原子受激辐射或受激吸收； B. 非均匀加宽全部原子受激辐射或受激吸收；
华中科技大学《激光原理》考研题库及答案 1．试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000m ，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：188346 341105138.210 31063.6105.01063.61?=????=? ?= =---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＝1 ，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[2393412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 36 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 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．(1)普通光源发射λ＝0.6000 m 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体
激光探测技术 激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。当测定对象物受到激光照射时，激光的某些特性会发生变化，通过测定其响应如强度、速度或种类等，就可以知道测定物的形状、物理、化学特征，以及他们的变化量。响应种类有：光、声、热，离子，中性粒子等生成物的释放，以及反射光、透射 激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。当测定对象物受到激光照射时，激光的某些特性会发生变化，通过测定其响应如强度、速度或种类等，就可以知道测定物的形状、物理、化学特征，以及他们的变化量。响应种类有：光、声、热，离子，中性粒子等生成物的释放，以及反射光、透射光、散射光等的振幅、相位、频率、偏振光方向以及传播方向等的变化。 ◆激光测距 激光测距的基本原理是：将光速为 C 的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离 d 。 即：d＝ct/2 式中t-激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。可见这种激光测距的精度取决于测时精度。由于它利用的是脉冲激光束，为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。 ◆激光测长
从光学原理可知，单色光的最大可测长度L与光源波长λ和谱线宽度Δλ的关系用普通单色光源测量，最大可测长度78cm。若被测对象超过 78cm，就须分段测量，这将降低测量精度。若用氦氖激光器作光源，则最大可测长度可达几十公里。通常测长范围不超过10m，其测量精度可保证在 0.1μm 以内。 ◆激光干涉测量 激光干涉测量的原理是利用激光的特性－相干性，对相位变化的信息进行处理。由于光是一种高频电磁波，直接观测其相位的变化比较困难，因此使用干涉技术将相位差变换为光强的变化，观测起来就容易的多。通常利用基准反射面的参照光和观测物体反射的观测光产生的干涉，或者是参照光和通过观测物体后相位发生变化的光之间的干涉，就可以非接触地测量被测物体的距离以及物体的大小，形状等，其测量精度达到光的波长量级。因为光的波长非常短，所以测量精度相当高。 ◆激光雷达 激光雷达是用于向空中发射激光束，并对其散射信号光进行分析与处理，以获知空气中的悬浮分子的种类和数量以及距离，利用短脉冲激光，可以按时间序列观测每个脉冲所包含的信息，即可获得对象物质的三维空间分布及其移动速度、方向等方面的信息。如果使用皮秒级的脉冲激光，其空间分辨率可以达到 10cm以下。激光照射在物体上后，会发生散射，按照光子能量是否发生变化，散射分为弹性散射和非弹性散射两种类型。弹性散射又有瑞利散射和米氏散射之分。相对于激光波长而言，散射体的尺寸非常小时，称为瑞利散射；与激光波长相当的散射，称之为米氏散射。瑞利散射强度与照射激光波长的四次方成反比，所以，通过改变波长的测量方式就可以和米氏散射区别开。相应地，非弹性散射也有拉曼散射和布里渊散射两种。拉曼散射是指光遇到原子或分子发生散射时，由于散射体的固有振动以及回转能和能量的交换，致使散射光的频率发生变化的现象。拉曼散射所表现出的特征，因组成物质的分子结构的不同而不同，因此，将接收的散射光谱进行分光，通过光谱分析法可以很容易鉴定分子种类。所以，通过测量散射光，就可以测定空气中是否有乱气流（米氏散射），以及CO、NO等各种大气污染物的种类及数量（拉曼散射）。由此可见，激光雷达技术在解决环境问题方面占据着举足轻重的位置。
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
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 +?
激光测量技术 第一章 激光原理与技术 1、简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目； 简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫 简并能级 2、泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦 3、激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔 阀值条件:光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种 损耗之和. 4、He-Ne 激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）外腔式；3）半内腔式 5、激光器分类：1）工作波段：远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X 光激光器 2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器 6、激光的基本物理性质：1）激光的方向性。不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及均匀性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关。气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性 ，最好！ 例1：对于直径3mm 腔镜的632.8nmHe-Ne 激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为 2）激光的高亮度。 3）单色性。激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化←泵浦、温度、振 动 4）相干性：时间相干性(同地异时)：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置， 尚能发生干涉，其经过的时间差τc 称为相干时间。相干长度： 例 : He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7求Michelson 干涉仪的最大测量长度是 多少？ 解： ，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m 。 空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相 干性。 7、相邻两个纵模频率的间隔为 谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。 例 设He-Ne 激光器腔长L 分别为0.30m 、1.0m,气体折射率n~1,试求纵模频率间隔各为多 少? 8、激光的横模：光场在横向不同的稳定分布，激光模式一般用TEMmnq 表示 原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用,光束不再是平行光，光强也改变为非均匀的。 λ λν?=?=?=//2c t c L c 1 =?c ντm L c 328.6/2=?=λλrad d 4102/22.1-?≈≈λθnL C 2=?νHz 105.10.1121031.0m,Hz 1053 .012103,m 30.0288288 1?=???=?=?=???=?==?νννL L nL c
第一章 电磁波 1. 麦克斯韦方程中 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和 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； ⑶由方程组中的2式可知，在真空中，，J =0，则有 *B 0 0卡 ；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 激光原理复习题 B 0J .E .B B t E 0 0 t / 0 0
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。对于可见光范围的电磁波，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。 5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原 子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中 扮演什么角色？ 答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。 6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也
一 名词解释 1. 损耗系数及振荡条件: 0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内 的平均损耗系数。 2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~ = ，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有 ?+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ?时下降至最大值的一半。按上式定义的v ?称为谱线宽度。 3. 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。 4. 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0v 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。 5. 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 p v P w Q ξπξ 2==。ξ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。 6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 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。 7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧 孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。 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 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。 9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的 光谱特性及空间特性的锁定现象。（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。 10. 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 /)(12E E -附近一个很小的频率范围内。这就叫谱线加宽。 11. 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。 12. 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 13. 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 14. 激光器的组成部分：谐振器，工作物质，泵浦源 15. 腔的模式：将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态称为‘’。 16. 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 17. 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 18. 粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使得n2>n1 19. 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数 20. 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。 21. Q 值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。 22. 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 23. 横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模 24. 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。
华科考研激光原理2002--2014真题 2013年 一、简答： 1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。 2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。 3.试写出二能级的速率方程。并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。 4.说出三种粒子跃迁的方式。并给出各自的特点。 5.什么是增益饱和，在激光器增益中的作用。 二、 三、就是那个三个镜的三角环形腔，周版书上的原题，求腔的稳定性。 四、激光模式的匹配。两个平凹腔，分别给出腔长和半径，先计算稳定性，再求透镜放在两腔之间什么地方以及透镜的焦距才能实现两高斯光速的匹配。五、大信号增益。 （1）给出初始光强I0>> 饱和光强Is，和腔长L求输出光强； （2）求极限光输出功率（单位输出面积的）。 2012年 题型：简答题5个，一个10分。计算4个，一个25分。 一、简答： 1，什么是兰姆凹陷，说明形成条件。 2，何为激光模式，解释横模、纵模。
3，反转粒子数密度大于零时，是否能形成稳定振荡，说明理由。 4，非均匀加宽和均匀加宽各有什么特点？ 5，高斯光束有什么特点？ 二、计算： 1、某谐振腔中除两反射镜外所有光学元件的矩阵元是(A B C D)（2*2矩阵），求证其稳定性条件为0 2011年 一、简要回答下列问题 1.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性？ 2.简要描述三能级和四能级系统形成反转粒子数的区别，三能级系统形 成反转粒子数为什么比四能级系统要困难，试举例三能级和四能级激 光器各一种，并说明波长。 3.简述非稳腔的优缺点，画出实共焦望远镜的几何自再现波形。 4.分析均匀加宽固体激光器的模式竞争。 二、求所示谐振腔的稳定性 三、一种三能级系统激光器，其S32=5*106s-1, S21=0, A21=3*102s-1, A31=3*106 s-1, g1=g2, 腔只存在一个谐振模，不计各种损耗： a）求在外界泵浦情况下，该激光器的激光形成过程； b）列出完整的速率方程； c）稳态时，如果介质激光上下能级粒子数相等，则应为多少？ 物理专业2006级本科《激光原理及应用》期末试题（A卷答案） 一、简答题 1.激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分 答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔； 2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。 答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。 3.激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线 型。 答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。 非均匀加宽是原子体系中每一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。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。 4.简述均匀加宽的模式竞争 答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模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获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。 这种情况叫模式竞争。 5.工业上的激光器主要有哪些应用为什么要用激光器 答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。 6.说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。 答：He-Ne激光器，（红光），Ar+激光器，（绿光），CO2激光器，μm（红外） 7.全息照相是利用激光的什么特性的照相方法全息照相与普通照相相比有什么特点 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。 二、证明题：（每题6分，共18分） 1.证明：由黑体辐射普朗克公式 3 3 81 1 h KT h c e νν πν ρ= - 导出爱因斯坦基本关系式： 3 21 3 21 8 A h n h B cν πν ν== 三、计算题 1．由两个凹面镜组成的球面腔，如图。凹面镜的曲率半径分别为2m、3m，腔长为1m。发光波长600nm。 （1）求出等价共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置； （2）求出距左侧凹面镜向右米处的束腰大小w及波面曲率半径R； 解: (0) 激光腔稳定条件 第1页 哈尔滨工业大学 共4页 二O—O年硕士研究生入学考试试题 考试科目：激光原理报考专业：物理电子学 考试科目代码：[817 ] 是否允许使用计算器：[是] 考生注意：答案务必写在答题纸上，并标明题号。答在试题上无效。 物理常数： 真空中光速c=3x 108[m/s] 普朗克常数h=6.626x 10-34[j?s] 电子电荷e=1.6x 10-19[c] 玻耳兹曼常数k=1.38 X0-23 [J/K] 一?填空(每空2分，共40分，按(1)、(2)……(20)顺序写在答题纸上) 1 ?频率为v温度为T的黑体辐射光源的光子简并度n=[ (1)]，模密度n v= [ (2)] 2. 红宝石激光器常用的发射波长为[⑶]nm ,其激光形成过程包括：Cr3+的受激吸收、 [(4)]、粒子数反转状态的形成、[(5)]、受激发射、在谐振腔的作用下产生激光。 3?增益饱和的物理机制为：当激光腔内光强I v增加时，由于强烈的受激发射导致[⑹] 减小，致使增益系数下降。均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(7)];非均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(8)]。 4?若某激光器的损耗系数为0.1cm-1，贝U达到激光振荡的阈值条件时增益系数G二 第2页[(9) ] cm-1;当四能级系统的受激发射截面为5X10-15cm2时，激光上能级粒子数密 共4页 度阈值n3t?(10) ］cm-3。 5?无源腔损耗描述参数中，光子的平均寿命T R与平均单程损耗因子S 的关系式为：［(11)］，品质因数(Q值)与光子的平均寿命T R的关 系式为：［(12)］ 6. 某高斯光束焦参数为f=1m，将焦距F=1m的凸透镜置于其腰右方l=2m处，计算经透 镜变换后的像光束的焦参数f为［(13)］及其腰距透镜的距离I为［(14)］。 7. 任意一个共焦球面腔与［(15)］个稳定球面腔等价；任一满足稳定性条件的球面腔 ［(16)］等价于某一个共焦腔。 8. 选横模的物理基础是：不同横模的［(17)］损耗不同，高阶横模比基模损耗［(18)］， 以此来抑制高阶横模，而只保留TEM 00模。 9. 激光工作物质的净增益线宽内包含有(2N+1)个纵模，假设各个纵模振幅均相等为E o, 如果锁模输出，其两个主脉冲(极大值)之间的时间间隔为［(19)］，锁模脉冲宽度为［(20)］。 二.简要回答下列问题(每题4分，共40分) 1. 原子的受激发射概念、受激发射系数和受激发射几率之间的关系式。 2. 什么是激光？与荧光光源相比激光有哪些特性？ 3. 三能级系统的缺点。 4. 激光为什么具有很好的单色性？ 5. 原子谱线非均匀加宽的特点、类型和线型。 6. 均匀加宽激光器中模的竞争概念。 7. 简述描述高斯光束的(f，z)参数、(3，R)参数、q参数之间的关系 8. 简述激光行波放大器设计中要重点考虑的几个问题。 9 .声光调Q工作原理。 激光器的种类及性能参数总结 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。 （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。 工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义： 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Is 9.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 ()()()() 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-???? ??-==++++-=++-???? ? ?--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul ul B W =1 )(=?∞ ∞-ννd g 1 21212)(-+=S A τ建议收藏下载本文，以便随时学习！ 12 E 2 1 12.13.14.15.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。对于方形镜谐振腔这种轴对称系统来说，m,n 分别表示 沿腔镜面直角坐标系的水平和垂直坐标轴的光场节线数。对于圆形镜谐振腔这种旋转对称 系统来说，m,n 分别表示沿腔镜面极坐标系的角向和径向的光场节线数。 18. 腔内光子的平均寿命就等于腔的时间常数。 19. δ：平均单程损耗因子，τR ：腔的时间常数，Q ：品质因数，三个量都与腔的损耗有 20. 21.共轴球面腔的稳定性条件： 当g 1g 2=0或1时是临界腔，当g 1g 2>1或<0时是非稳定腔。 22.所谓自再现模就是这样一种稳定场分布，其在腔内渡越一次后，除振幅衰减和相位滞后 外，场的相对分布保持不变。 卷号： XXXXXXXX 大学 二OO 八 —二OO 九 学年第二 学期期末考试 激光原理 试题（闭卷） （ 专业用） 注意：学号、姓名和所在年级班级不写、不写全或写在密封线外者，试卷作废。 一、简要回答下列问题（共28分） 1．激光与普通光源的主要区别是什么激光具有什么特性试列举激光的某一 个特性在相关领域的应用。（7分） 2．简要回答对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性。（7分） 3．简要分析激光器弛豫振荡的过程（6分） 4．声光调Q 激光器在输入功率不变的情况下，调制频率从1KHz 变为10KHz,请问：激光器输出的平均功率和峰值功率如何变化为什么（8分） 二、试述均匀加宽和非均匀加宽的特点和区别，并简述在均匀加宽激光器中的自选模过程和非均匀加宽激光器的多纵模振荡。（18分） 三、有一球面腔，R 1＝, R 2=2m, L=80cm 。求出它等价共焦腔的共焦参数f 。 如果晶体的热透镜效应等效为在中心位置F=1m 的薄透镜，分析该谐振腔的稳定性。（18分） 四、腔内均匀加宽增益介质具有最佳增益系数m g 及中心频率处的饱和光强 SG I ，同时腔内存在一均匀加宽吸收介质，其最大吸收系数为m a ，中心 频率处的饱和光强Sa I ，为假设二介质中心频率均为0v ，m m g a >， SG Sa I I <，试问： 1）此激光器能否起振说明理由。（7） 2）如果瞬时输入一足够强的频率为0v 的光信号，此激光器能否起振写出其起振条件；讨论在何种情况下能获得稳定振荡，并写出稳定振荡时的腔内光强。（10） 五、某高斯光束束腰斑大小为mm w 3.1 0=,波长m μλ6.10 =。 1) 求此高斯光束的共焦参数f 和束腰处的q 参数值。（8分） 2) 若距束腰1m 处有一焦距为的透镜，求透镜后2m 处的q 参数值、光 斑半径W 和波前曲率半径R 。（11分） 一、密封线内不准答题。 二、姓名、准考证号不许涂改，否则试卷无效。 三、考生在答题前应先将姓名、学号、年级和班级填写在指定的方框内。 四、试卷印刷不清楚。可举手向监考教师询问。 所在年级、班级 注意 激光实验报告 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.激光模式的一般分析 由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为： L C V mnq η2= [1q (m 2n 1)+++π]cos -1[(1—1 R L )(1—2R L )]1/2 (17) 其中：L —谐振腔长度； R 1、R 2—两球面反射镜的曲率半径； q —纵横序数； m 、n —横模序数； η—腔内介质的折射率。 横模不同（m 、n 不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑花样。但对于复杂的横模，目测则很困难。精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。 由（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为： )(12' ':n m L C n m mn ??πηυ?+= cos -1[（1－1R L ）(1－2 R L )]1/2 （18） 其中：Δm=m －m ′；Δn=n －n ′。对于相同的横模，不同纵模间的频差为 q L C q q ?ηυ?2':= 其中：Δq=q －q ′，相邻两纵模的频差为 L C q ηυ?2= （19） 由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。 （18）式除以（19）式得 cos )(1'':n m n m mn q ??πν??+=-1[(1－1R L )(1－2 R L )]1/2 （20） 设：q n m mn υ?υ??'':= ； S= π 1 cos -1[(1－)]1)(21R L R L -1/2 Δ表示不同的两横模（比如υ00与υ 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之 比，于是（20）式可简写作： S n m ? = ?+?)( （21） 只要我们能测出Δ，并通过产品说明书了解到L 、R 1、R 2（这些数据生产厂家常给出），那么就可以由（21）式求出（Δm +Δn ）。如果我们选取m=n=0作为基准，那么便可以判断出横模序数m 、n 。例如，我们通过测量和计算求得（Δm +Δn ）=2，那么，激光器可能工作于υ00、υ10、υ01、υ11、υ20、υ02。 2. 共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理 共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图2—2。反射镜的曲率半径R 1=R 2=L 。 图 2-2激光原理试题
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