激光原理与技术复习共36页

激光原理复习题----填空简答论述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。

Page10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，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。

激光原理与技术复习激光（Laser）是一种产生具有高度相干性、单色性和直线传播特性的电磁辐射的装置或系统。

激光原理与技术是激光的产生、放大、调谐、传输及应用的基本原理和方法。

下面将从激光原理、激光器的结构与工作原理、激光放大原理，激光调谐原理和激光应用等方面进行复习。

激光原理：激光的基本原理是利用物质的电子、原子或分子之间的能级跃迁和光的受激辐射相互作用产生的。

激光的产生需要具备以下几个条件：工作物质具有能级跃迁，在激发态和基态之间存在一个稳定的维持装置；能比较容易地将激发态的粒子数目大于基态的粒子数目；能量输入到工作物质中来维持激光产生。

激光器的结构与工作原理：激光器的基本结构由光学腔、泵浦源和工作物质组成。

激光的产生主要经历电子和能级跃迁两个过程：激发过程和放射过程。

其中激发过程是将静态基态的电子通过吸收光共振激发到激发态；放射过程主要有自发辐射和受激辐射两种形式。

当工作物质中的激发态电子由自发辐射退激到基态时，会产生光子并放出能量。

而当一光子经过一个被激激发的原子时，能够促使该原子发射一个与之方向、频率、相位完全一致的光子，这就是受激辐射原理。

激光放大原理：激光放大的原理是利用激光受激辐射的特性，将出射光子传递到另一个有重复态的原子，使其放出同样频率、振幅和相位的光子，实现放大。

激光放大主要经过两个过程：吸收过程和放射过程。

吸收过程中，光子与工作物质中的原子相互作用，光子的能量被传递到原子中，激发原子中的电子到激发态。

放射过程中，激发态的原子由于自发辐射或受外界光的作用而跃迁到基态，释放出能量并放出同样频率、振幅和相位的光子。

激光调谐原理：激光调谐的原理是通过改变激光器的谐振光路，使激光器输出的光波长可调。

常见的调谐方法有机械调谐法、电光调谐法、热调谐法和电流调谐法。

机械调谐法通过改变激光器腔体的长度或曲率，改变光的传播路径来实现光波长的调谐。

电光调谐法通过在激光介质中施加电场调节介质的折射率来实现光波长的调谐。

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. 模式数的计算单色模密度：计算例：封闭腔在5000 Å处单色模密度。

3. 光谱宽度的计算其中，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)。

并用表示：V c V c g 322824νπννλπ∆=⨯⨯∆=328c n πνν=Hz c14108106105000103⨯=⨯⨯==-λυ353821432s 1035.310310614.388-⋅⨯=⨯⨯⨯⨯==m c n ）（）（πυυc l c t //1=∆≈δνc l δνλνδ∆∆Ω∆==∆ΩS h Pg 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：。

光子简并度与单色亮度之间的关系为：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：8. 光的自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射：处于的原子在无外来光子情况下自发地向能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。

特点：自发辐射是仅与原子自身性质有关的随机过程，自发辐射的光在方向、偏振、相位方面都没有确定的关系，因此是不相干的。

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。

激光原理复习知识点
激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高直线度等特点，广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。

激光的产生是基于激光原理，本文将围绕激光原理展开复习，帮助读者更好地理解激光的工作原理及常见应用。

1. 光的特性：
光是电磁波的一种，具有波粒二象性。

在光学中，我们常常将光看作是一束光线，使得光的传播更易于理解。

光的主要特性包括波长、频率、振幅和相位等。

2. 激射过程：
激光的产生是通过光子在外部受激辐射的作用下，从处于激发态的原子或分子中重新退激而产生。

这个过程需要一种激光介质，如气体、固体或液体，以及与之匹配的能量源，如泵浦光源或电子束。

3. 受激辐射：
在激光介质中，经过泵浦作用，一部分原子或分子被激发到激发态。

当这些处于激发态的粒子受到外界能量刺激时，会从高能级跃迁到较低能级，释放出额外的光子，这就是受激辐射。

这些受激辐射的光子可以与其他激发态粒子进行相互作用，进一步增强受激辐射的效果。

4. 波导结构：
为了通过受激辐射实现激光的放大和反射，激光器通常采用波导结构。

波导结构允许激光光束在其中传播，而不会发生较大的损耗。

波导结构可以是导光纤、半导体器件或光学腔等形式。

5. 消谐：
在激光器中，为了保持单一频率的输出，需要进行消谐。

消谐可以通过调整激光介质的性质或使用消谐元件来实现。

消谐的目的是确保激光器输出的光具有较窄的频谱宽度，以便于在通信和光谱分析等应用中的有效使用。

6. 光的放大：。

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)。

《激光原理及应用》复习提纲一、名词解释1.光波模式——光学上把具有一定频率、一定偏振状态和传播方向的光波称作光波的一种模式。

2.受激辐射——如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hν=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子受到外来光激励作用跃迁到较低能级E1上并发射一个与外来光子完全相同的光子的过程。

3.粒子数反转——当高能态的粒子数大于低能态的粒子数（E m>E n），有n m /gm>nn/gn的情况叫做粒子数反转。

4.激光纵模——谐振腔内正反两列沿轴线相反方向传播的同频率光波叠加形成驻波，谐振腔内的驻波场称为激光纵模。

5.激光横模——自再现模积分方程的本征函数解u mn表示的是在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，叫做激光横模。

6.谱线加宽——实际光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都有一定的宽度, v = v0只是谱线的中心频率，这种现象称为谱线加宽。

7.激活物质——能把处于低能级上的粒子大量地抽运到高能级上去，造成n 2/g2>n1/g1的粒子数密度反转分布的状态的介质。

8.辐射跃迁——因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。

9.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。

10.光谱线型——表征某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布线型函数f(v)。

11.高斯光束——基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度分布呈高斯线型，称为高斯光束。

12.自再现模——对于两个镜面完全相同的的谐振腔，光束的横向场分布在腔内经单程渡越后实现再现，这个稳定的横向场分布就是激光谐振腔的自再现模。

二、基本公式与概念（第一章1-6；第二章7-9；第三章10-13；第四章14-19）1.光子能量与动量：k h h P πννε2ch ===。

2.两能级上原子数分布(玻尔兹曼分布)：kTE E nn m m n m eg n g)(//n --=，粒子数反转指的就是n n m m g n g //n >。

激光原理复习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。