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光学专业硕士研究生培养方案一、培养目标能较好地掌握马列主义基本原理，坚持四项基本原则，热爱祖国和人民，遵纪守法，品德优良，积极地为社会主义现代化建设服务。
具有光学领域较坚实的理论基础和系统的知识技能，熟悉本专业国际研究动态，具有从事科研、高教或或承担专门技术工作的能力。
二、研究方向1．量子光学和量子信息科学2．激光物理3．信息光电子学4. 集成光学5. 激光光谱学三、学习年限与学分本专业学制2-3年，总学分为36-40学分。
四、课程设置（一）学位课程（本专业各方向硕士生公共必修课，计26学分）（二）指定选修课程（按研究方向设置，可交叉选修）（三）任意选修课程（可从交叉方向指定选修课程中选修）五、教学实践教学实践一般安排在第二学年。
教学实践的内容和形式可为：辅导本、专科学生课程；辅导本、专科学生实验；辅导本、专科学生论文。
成绩合格者计2学分。
六、调查研究调查研究为四周时间，一般安排在第三学期。
主要形式：调查各自研究课题的历史、现状和发展动向；参加科技咨询与开发；参加学术会议。
应写出调研报告。
七、科学研究及学位论文要求1、本专业硕士生在校期间应至少完成2篇课程论文，2篇学年论文。
其中应至少有1篇论文在国内核心刊物上公开发表。
2、本专业硕士生至迟应在第3学期末确定学位论文题目，通过学位论文开题报告，并订出学位论文工作计划。
3、本专业硕士生学位论文选题及学术水平的要求为：（1）论文应体现作者对研究课题所在领域的背景、现状及发展趋向有较全面的了解；（2）通过课题研究和论文撰写工作使学生科研综合能力得到全面提高；（3）对所研究的课题（问题）应有独立见解，成果有所创新；（4）论文达到相应专业刊物发表的水平。
八、培养方式与方法课程教学采用多种形式：讲授、自学、讨论、课程论文等相结合，具体形式主要取决于任课教师的安排。
研究课题在导师和专业指导小组（以导师为主）的指导下独立完成。
九、其它1、凡以同等学力或跨学科录取的硕士生，均须补修本学科大学本科主干课程至少3门。
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
1.3 什么是时间相干性和空间相干性？怎样定义相干时间和相干长度?时间相干性：光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性，描述的是光束传播方向上的各点的相位关系，与光束单色性密切相关。
空间相干性：光场中不同的空间点在同一时刻的光场的相干性，描述的是垂直于光束传播方向的平面上各点之间的相位关系，与光束方向性密切相关。
相干时间t c，即光传播方向上某点处可以使不时刻光波场之间有相干性的最大时间间隔。
相干长度L c指的是可以使光传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔。
二者实质上是相同的。
L c=t c∙c=C∆ν1.4 为使He-Ne激光器的相干长度达到1Km，它的单色性∆λ/λ0应是多少？L c=C∆ν⁄=1Km ∆ν=3×105Hz∆λλ0=∆νν0=∆νc∙λ0=6.328×10−112.3 如果激光器和微波激射器分别在λ=10μm、λ=500nm和ν=3000MHz输出1W连续功率，问每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？W=Pt=nhν当λ=10μm时， ν=cλ=3×1013Hz n=5.03×1019当λ=500nm时，ν=cλ=6×1014Hz n=2.51×1018当ν=3000MHz时，n=5.03×10232.4 设一对激光能级为E2和E1(f2=f1),相应频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求：（1）当ν=3000MHz，T=300K时n2n1⁄=？（2）当λ=1μm，T=300K时n2n1⁄=？（3）当λ=1μm，n2n1⁄=0.1时，温度T=？（1）E2−E1=hν=1.99×10−24 J k b=1.38×10−23J K⁄n2 n1=f2f1e−(E2−E1)k b T=0.9995（2）同理得n2n1⁄=1.4×10−21（3）同理得T =6.26×103K2.10 激光在0.2m 长的增益介质中往复运动的过程中，其强度增加了30%。
激光原理考试要点第一章激光的基来源理1.光子的颠簸属性包含什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包含什么？质量与频次的关系？答：光子的颠簸性包含频次，波矢，偏振等。
粒子性包含能量，动量，质量等。
动量与波矢：质量与频次：2.观点：相格、光子简并度。
答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为，上述相空间体积元称为相格。
处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它拥有以下几种同样含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相关体积内的光子数、处于同一相格内的光子数3.光的自觉辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系答：自觉跃迁爱因斯坦系数：. 受激汲取跃迁爱因斯坦系数： ) 。
受激辐射跃迁爱因斯坦系数：。
关系： ;;为能级的统计权重 ( 简并度 )当时有4.形成稳固激光输出的两个充足条件是起振和稳固振荡。
形成激光的两个必需条件是粒子数反转散布和减少振荡模式数5.激光器由哪几部分构成？简要说明各部分的功能。
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系统。
接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够激烈发光的活跃状态，也称为激活物质。
泵浦源：供给能量，实现工作物质的粒子数反转。
光学谐振腔： a) 供给轴向光波模的正反应； b) 模式选择，保证激光器单模振荡，进而提升激光器的相关性。
6.自激振荡的条件？答：条件：此中为小信号增益系数：为包含放大器消耗和睦振腔消耗在内的平均消耗系数。
7.简述激光的特色？答：单色性，相关性，方向性和高亮度。
8.激光器分类：固体液体气体半导体染料第二章开放式光腔与高斯光束1.开放式谐振腔依据光束几何偏折消耗的高低，能够分为稳固腔、非稳腔、临界腔。
2.驻波条件，纵模频次间隔答：驻波条件：应知足等式：式中，为平均平面波在腔内来回一周时的相位滞后；为光在真空中的波长；为腔的光学长度；为正整数。
相长干预时与的关系为：或用频次来表示：.纵模频次间隔：不一样的 q 值相应于不一样的纵模。
第一章激光器的基本原理1、问：产生激光的条件是什么？(戴大鹏)答： 1.受激辐射是激光产生的必要条件； 2.要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级，这是产生激光的第二个条件； 3.选择适当的物质，使其在亚稳态能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子束反转，这是形成激光的第三个条件；4.激光中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向是杂乱无章的。
要使得频率单纯，方向集中，就必须有一个谐振腔，这是形成激光的第四个条件；5. 只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子要多得多，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。
2、问：什么是粒子数反转？(钟双金)粒子数反转 (population inversion )是激光产生的前提。
两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。
在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律，这种情况得不到激光。
为了得到激光，就必须使高能级 E2 上的原子数目大于低能级 E1 上的原子数目，因为 E2 上的原子多，发生受激辐射，使光增强(也叫做光放大) 。
为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态 E2，处于高能级 E2 的原子数就可以大大超过处于低能级 E1 的原子数。
这样就在能级 E2 和 E1 之间实现了粒子数的反转。
实现粒子数反转的条件：通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。
3、什么叫纵模、横模？由谱线宽度和腔长来估算可能振荡的纵模数目答案：光场在腔内的纵向和横向分布分别叫做纵模和横模。
横模数目 n=谱线宽度/c纵模数目 n=谱线宽度/ (c/2*腔长 L)第二章激光器的速率方程理论答案：第三章 密度矩阵1：考虑衰减过程、原子的泵浦或激发过程，写出在初始光场为零时的光学布洛 赫方程并说明各项含义。
光学章动如果以一个前沿上升时间极短的方形强激光脉冲入射到共振吸收介质时，发现经过介质后的透射光脉冲不再是简单的方形脉冲，而是在脉冲的前沿呈现出周期性的减幅振荡。
光学自感应衰减当某种介质受一恒定得共振激光场的作用，经过一段时间达到稳定状态后，突然终止这种作用，由于共振介质内的感应极化波场并不马上消失，而是继续辐射出相干波场，只是光强随时间衰减很快。
光子回波满足相干作用条件下，如果有两个强短光脉冲相继入射到共振吸收介质中，其中第一个脉冲为π/2脉冲，第二个脉冲为π脉冲，两个脉冲的间隔满足，，则在第二个脉冲通过介质后的一定时刻，介质将在空间确定方向上发射出第三个相干定向光脉冲。
频率牵引振荡频率向介质辐射频率ω方向移动旋波近似光频下，ω+ν非常大，忽略高频，仅保留共振项。
绝热近似若原子弛豫时间很短，对光场的技法是瞬时的。
二能级近似把所有能级之间的作用看做二能级之间等效的近似作用。
慢变振幅近似光场频率ν很大，可认为在一个光场周期内的电场为常数。
频率烧孔效应一般气体激光器采用驻波腔，光在腔内来回传播，原子的速度为±v，这样向+z方向传播的光子与速度为v的原子发生共振，使该群原子发生增益饱和；而同样频率的光经反射后沿-z 方向传播，与速度为-v的原子发生共振导致增益饱和。
从而在增益曲线上出现了频率烧孔。
空间烧孔由于受激辐射速率参数R是空间坐标z的周期的周期函数，而此时算的的粒子布居差方程为：，所以在驻波波腹处，光强最强，R最大粒子反转数下降的最多；在驻波波节处，光强为零，粒子数基本上没有变化，于是粒子反转数相对于z的变化曲线将出现周期性的凹陷，称为空间烧孔效应。
拉比振荡布洛赫矢量B绕β轴旋进，在k轴上的ω分量做周期性振荡，即翻转粒子数随时间周期变化。
自感应透明当入射光脉冲面积为π的偶数倍时，光脉冲在共振吸收介质吸收介质中传播其面积值不变，即介质对光脉冲呈现出完全透明的特点。
海森堡绘景、薛定谔绘景以及它们之间的关系海森堡绘景：固定态矢，是基矢运动的描述方式，即算符是运动的，而量子态不相依于时间。
第一章P23-1解:由cλν=,可得2cd d d λλνννν=-=- 考虑波长和频率变化的绝对值λ∆、ν∆,有λνλν∆∆=相干长度可知在时，有在 时，在P23-3解：（a ）1C L km =500n m λ=3000MHz ν=(c) 如，可得，P23-4解：题中Cr +3离子浓度193210n cm -=⨯，对应激光跃迁的上下能级简并度相同，在Cr +3离子几乎全部激发到上能级时反转粒子数浓度19321210n n n cm -∆=-≈⨯，当损耗突然变小2L Q c πνδ'=变大时19321210022t n nn cm n n n -∆≈⨯>>∆=-≈-=， 假设在巨脉冲宽度10ns 时间内反转粒子数浓度从1932100cm -⨯约降到，这一过程有约2nV个上能级的Cr +3离子通过受激辐射跃迁至下能级并产生一个光子，因而可得激光输出能量216.8242n d n cE V h v l h J πλ=⋅⋅=⋅⋅≈ 得脉冲功率 9816.81.71010E P W t -==≈⨯∆注：红宝石为三能级结构，激光跃迁下能级为基态，当上能级粒子数浓度为总粒子数浓度一半时反转粒子数浓度等于0，此后仍处于上能级的粒子将在～2τ时间内通过自发辐射跃迁和无辐射跃迁的形式回到基态下能级。
另外，即使对于四能级系统的调Q 激光器，当调Q 的巨脉冲持续时间很短时，激光跃迁的下能级粒子数浓度也不能近似为0来处理，这时在巨脉冲持续阶段接近三能级情形。
巨脉冲消失后处于上能级的粒子将通过一定程度的放大的自发辐射（ASE ）、自发辐射跃迁及无辐射跃迁等形式回到下能级。
P23－6解：（1）能级E 4的分子通过自发辐射跃迁到三个较低能级，有()43442414434241()()sp spsp dn dn t dn dn n t A A A dt dt dt dt ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=---=-⋅++ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 可得：()434241444040()s tA A A tn t n en eτ--++=⋅=⋅分子在E 4的自发辐射寿命8477743424111 1.110510110310s s A A A τ-==≈⨯++⨯+⨯+⨯ （2）在对能级E 4连续激发并达到稳态时，四个能级的分子数都保持动态平衡，即单位时间从E 4能级跃迁到各下能级的分子数等于单位时间各能级减少的分子数，假设各能级简并度（统计权重）相等，对E 1能级有：441111n A n τ⋅=⋅，771411431051015n A n τ-=⋅=⨯⨯⨯= 同样可得：79242241106100.06n A n τ-=⋅=⨯⨯⨯= 78343345101100.5n A n τ-=⋅=⨯⨯⨯= 进一步可得 2243340.060.120.5n n n n n n ===可知，在E 2能级和E 4能级、在E 3能级和E 4能级、在E 2能级和E 3能级之间有集居数反转。
量子力学中的相干态与密度矩阵量子力学是描述微观世界的一门理论，它涉及到许多复杂的概念和数学工具。
其中，相干态和密度矩阵是量子力学中的两个重要概念。
本文将深入探讨相干态和密度矩阵的定义、性质以及在实际应用中的意义。
首先，我们来了解相干态的概念。
相干态是指量子系统的一个特殊状态，它具有一定的干涉性质。
在相干态中，不同量子态之间存在着一定的相位关系，这种相位关系可以通过干涉实验来观察到。
相干态的一个典型例子是光的相干态，其中光的电场具有确定的相位差，从而表现出干涉现象。
相干态的性质非常有趣。
首先，相干态是纯态，即它可以用一个纯粹的量子态来描述。
其次，相干态的干涉效应是可观察的，可以通过测量得到。
此外，相干态还具有一些特殊的性质，比如叠加原理和相位稳定性。
叠加原理指的是，如果一个系统处于两个相干态的叠加态，那么它的性质可以由这两个相干态的性质叠加而成。
相位稳定性则表示，相干态的相位在时间演化中保持不变。
接下来，我们将介绍密度矩阵的概念。
密度矩阵是描述量子系统的一个工具，它包含了系统的所有信息。
密度矩阵是一个厄米算符，它的本征值给出了系统处于不同量子态的概率。
通过对密度矩阵的测量，我们可以得到系统的各种物理量的期望值。
密度矩阵的定义相对复杂一些。
对于一个纯态，它的密度矩阵可以表示为一个投影算符，即一个纯态的投影到自身的算符。
对于一个混合态，它的密度矩阵可以表示为各个纯态的加权平均。
密度矩阵的本征值和本征态给出了系统处于不同量子态的概率分布。
密度矩阵有一些重要的性质。
首先，密度矩阵是厄米的，即它的共轭转置等于它自身。
其次，密度矩阵是正定的，即它的本征值都大于等于零。
最后，密度矩阵的迹等于1，这是由于量子态的归一化条件。
相干态和密度矩阵在实际应用中有着广泛的应用。
首先，相干态在光学中有着重要的应用。
例如，相干态可以用来描述激光的性质，激光的干涉效应和相位稳定性与相干态的性质密切相关。
其次，密度矩阵在量子信息科学中起着关键的作用。
激光的物理基础一、相干性的光子描述1.光子的基本性质（1）光子的能量ε与光波频率ν对应------ε=hν（2）光子具有动质量------m=ε/c2但没有静质量（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应p=mc n0=（hν/c）n0=h kk=(2pi/λ)n0（4）光子具有两种可能的独立偏振状态，对应光波场的两个独立偏振方向。
（5）光子具有自旋，其自旋量子数S=1为整数(电子自旋量子数S=1/2或S=-1/2为半整数故为费米子)，故光子为玻色子，它的状态的分布集合服从量子统计中玻色-爱因斯坦(Bose-Einstein)统计规律,即处于同一状态中的光子数目是没有限制的。
2、从波动观点推导光波模式数在光频域，一种光的模式对应Maxwell方程组的一个特解，代表具有一定偏振、一定传播方向、一定频率和一定寿命的光波。
对于封闭的有限空间，这种模式，实际上就是存在于该空间体积内的各种不同频率的驻波。
（1）偏振和频率一定，因传播方向不同，可能存在的模式数目g----------瑞利判据（2）传播方向和偏振一定，频率不同可能存在的模式数目-----------测不准关系（3）偏振状态不同，而可能存在的模式数--------------------互相垂直的两个线偏振态是描写光偏振特性的两个独立的偏振状态，因此将（1）*（2）*2=g/V3、从粒子的观点讨论光波的状态数光子的动量与坐标之间存在海森堡测不准关系（1）在频率ν—ν+Δν间隔内，因光子的动量不同，所可能存在的状态数g综上所述：2 3 结果一致：光子态与光波模式等价关系定义：单色模密度m v4、光波模式与光子的量子状态式中Δm=Δn=Δq=1。
可见，一种光波模式在相空间也占一个相格h，所以光波模式和光的量子状态在物理概念上是等效的，模式表示光波在时空中存在的形态，即代表可以相互区分的光子的量子状态。
5、光子的相干性光的相干性：在不同时刻光波场的某些特性（例如光波场的相位）的相关性。
