2015年激光原理思考题
1.激光与普通光源的区别？激光器的组成。
方向性好，（光源的方向性由光束的发散角来描述）。单色性好（带宽），相干性好，（时间相干性，空间相干性）。能量集中（衡量光源能量集中程度可用亮度来定义）。组成：激励能源，工作物质，谐振腔。
2.光子与原子的相互作用的三种过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收的特点与区别。
即使没有任何外界激励，处于高能级的原子有可能会自发地向低能级跃迁，并以光子的形式将能量释放出来。各原子自发辐射发出的光彼此独立。频率、偏振、相位、传播方向等不一定相同——非相干光。处于高能级的原子，可能受到外来光子的激励作用，从高能级向低能级跃迁，并发射一个与外来光子一模一样的光子，这一过程被称为受激辐射。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位相，完全相干。处于低能态的原子在光子流的照射下，可能会吸收一个光子，受激发向高能态跃迁。这一过程称为受激吸收。需要外来光子，hν=E2-E1吸收才会发生。
3.热平衡状态下，三个爱因斯坦系数之间的关系。
4.原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从什么分布？写出表达式
原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布。
5.谱线加宽、线型函数的基本概念。
实际上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.线型函数表示谱线中频率在ν附近的单位频率间隔中的单色光的功率与谱线总功率的比值
6.均匀加宽的分类及特点，非均匀加宽的分类及特点。
自然加宽，碰撞加宽，晶格热振动加宽。
均匀加宽具有以下的特点：引起加宽的因素对每个原子都相同；每个原子发光时，发出整个线型，即对整个分布都有贡献，每个原子在形成谱线时的作用与地位都是相同的；
多普勒加宽，晶格缺陷加宽
非均匀加宽的特点：发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化, 每个原子辐射时都有自己的表观中心频率和线型，其线型仍是洛仑兹线型，非均匀加宽整个谱线这些“小的洛仑兹线型”的包络。不同的原子向不同的谱线发射，即不同的原子只对谱线内与它的中心频率响应的部分有贡献；可以分辨出谱线上的某一频率范围是哪一部分原子发出的。
7.粒子数反转条件？激光工作物质在热平衡下能否实现粒子数反转？怎样实现？
内有能实现反转分布的物质（称为激活介质）。合适的能级结构。外有激励源。这一能量供应过程叫做“激励”或“激发”“抽运”“泵浦”
不能。
8.为什么四能级系统比三能级系统易实现粒子数反转？
三能级系统缺点:由于基态能级上总是集聚着大量的粒子，因此要实现反转，外界抽运需相当强。四能级系统：激光的下能级不是基态，而且，E2与基态E1的间隔大，在热平衡条件下，只有极少数粒子处于E2能级。另外自发辐射和受激辐射跃迁到E2能级上的粒子通过无辐射跃迁回到基态E1，由于S21很大，故E2上的粒子数可以忽略不计9.常用的抽运（泵浦）的方法。
光学泵浦、电子碰撞、共振转移、化学反应。
10.谱线加宽后自发辐射、受激辐射和受激吸收几率如何改变。
乘上G（v）。A21 (ν ) = A 21g(ν ,ν ).表示在自发辐射跃迁几率A21中，分配在频率 处的单位频带内的自发跃迁几率。
11.增益系数的物理意义是什么？若增益系数不随距离改变，增益系数与光强的表达式
怎样？
设频率为ν的单色光，沿x 轴入射，单位时间经dx 厚度后，光强改变量为dI ，增益系数定义为：
光强随距离指数增加
12.什么是增益饱和现象，增益饱和是怎样产生的？
随着Iv 的增大,G（v）和△n 不增反降的现象。入射光引起强烈的受激辐射使激光上能级粒子数减少。激光发光的强度的增加是以消耗反转粒子数为代价的。而增益系数与反转粒子数成正比，所以增益下降。
13.对均匀加宽和非均匀加宽介质，其增益系数如何改变？
对于均匀加宽介质：光强Iν使均匀加宽型介质对各种频率的光波的增益系数都均匀下降。由于每个粒子对谱线不同的频率处都有贡献，所以当某一频率的受激辐射消耗了激发态的粒子时，也就减少了对其它频率信号的增益起作用的粒子数，其结果是增益曲线在整个谱线上均匀的下降。对于非均匀加宽介质：光强Iν使非均匀加宽型介质只能引起某个范围内的光波的增益系数下降，并且下降的倍数不同。因此在曲线上形成一个以ν 1 为中心的凹陷，称为烧孔效应。因为每一种特定类型的粒子，只能同某一定频率v 的光相互作用。
14.光学谐振腔的构成及分类。
以这一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。两块反射镜以一定的间距平行放置，即构成了最简单的光学谐振腔。两个反射镜中，一个为全反射镜，另一个为部分反射镜。
稳定腔，非稳腔，临界腔;共焦腔，共心腔
15.简述谐振腔的作用。
（1）提供光学正反馈作用，保证光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大,从而在腔内建立和维持稳定的自激振荡。得到高强度的激光。（2）使激光具有极好的方向性和单色性.只有与反射镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射，雪崩式地放大。从入射的荧光宽带光中挑选出一系列离散的透射中心波长，并大大压缩其线宽，以某种方式取出的一个单一频率，使输出单色性将大大提高。
16.激光纵模和横模的概念。
可能存在于谐振腔中的电磁振荡，称为模式。沿腔轴方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模。垂直于腔轴方向的稳定场分布称为谐振腔的横模。
向一个方向传播的诸相干光束位相相同，相互加强，产生谐振，形成激光。
17.如何计算谐振频率？纵模间隔？
18.激光振荡的阈值条件、频率条件？产生激光的条件？起振模式数的计算方法？
19.模式竞争的概念。均匀加宽和非均匀加宽激光器纵模竞争特点？
