下载文档原格式
3受激辐射过程：特点：非自发的, 全相同。
受激辐射跃迁几率W 21dn 12、 1対2-（ 「）stdt R|dn 21dtst1n 2《激光原理》复习思考题 第一章：1、 LASER 英文名称的含义是什么？激光是何时发明的？受激发射实现光放大（激光）。
I960年梅曼世界上第一台红宝石激光器 2、 激光的基本特性是什么？单色性： 指光强按频率的分布状况，激光的频谱宽度非常窄。
相干性：时间相干性和空间相干性都很好。
方向性：普通光向四面八方辐射， 而激光基本沿某一直线传播，激光束的发 散角很小。
高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大 3、 激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？激光器基本组成包括：工作物质、谐振腔和泵浦系统三大部分。
工作物质是激光器的核心。
谐振腔的作用：模式选择、提供轴向光波模的反馈。
泵浦系统为实现粒子数反转提供外界能 量 4、什么是黑体辐射？写出Planek 公式，并说明它的物理意义。
黑体辐射是黑体温度 T 和辐射场频率的函数，用单色能量密度 二v 来描述：在单位体积内, 频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量J m-3 s ）。
黑体辐射的普朗克公式8h 31吨k b T5、 什么是光波模式和光子态？在自由空间，具有任意波矢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。
这种能够存在于腔内的驻波 （以 某一波矢k 为标志）称为电磁波的模式或光波模。
一个光波模在相空间也占有一个相格。
因 此，一个光波模等效于一个光子态6、 如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？ 光的相干性（在不同的空间点上、在不同时刻的光波场的某些特性的相关性。
光场的相干函数来度量）。
如果在空间体积Vc 内各点的光波场都具有明显的相干性， 则Vc 称为相干体积。
Vc=AcLc , Ac--相干面积，Lc--相干长度，相干时间 c 是光沿传播方向通过相干长度Lc 所需的时间。
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 LCq 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.lr r G q )ln(,2210-≥-=απδφ B.0,2≥∆-=n q πδφC.=δφ3.A.C.4.A.C.Q 5.A.6.L 为光腰A ．q 11-7.A.B.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，CA.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；C.均匀加宽原子全部以相同几率受激辐射或受激吸收；D.非均匀加宽全部原子以相同几率受激辐射或受激吸收。
9.饱和光强CA ．与入射光强有光B.与泵浦有关；C.由原子的最大跃迁截面和能级寿命决定； D.与反转集居数密度有关。
10.下列条件哪一个是激光器稳定振荡条件？AA.t v G I v G =),(；B.t G v v G =),(00；C.t G v v G ≥),(00；D.t v G I v G ≥),( 二.填空题（共20分，共20空，每空1分)1.电光效应是指在外加电场的作用下，晶体的折射率椭球发生变形，使沿特定方向传播的线偏振光折射率发生相应变化。
2.KDP ，则3.4.5.6.调Q7.脉冲能量比较低，但重复频率比较高。
8.9.10.1.2.3.对称性差。
四.简述题(共30分)1.简述受激辐射和自发辐射的区别与联系（6分）受激辐射是原子在外界入射光扰动下原子从高能级向低能级跃迁产生的辐射，自发辐射是原子不受外界入射光扰动下从高能级向低能级跃迁所产生的辐射。
（2分）受激辐射的光频率、传播方向、偏振方向与入射光完全相同，自发辐射光传播方向、偏振方向是随机的，光频率谱线加宽范围内均匀分布。
1、Laser ：light amplification by stimulated emission of radiation2、激光的基本特性：方向性好、单色性好、能量集中、相干性好。
本质原因是光子的简并度很高。
3、激光器的主要组成部分：谐振腔：光波的模式选择，提供轴向光波模的反馈泵浦源：给工作物质能量，即将原子有低能级激发到高能级的外界能量。
增益介质：能实现能级跃迁的物质4、黑体：某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射。
黑体辐射：黑体处于某一温度T 的热平衡情况下黑体所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，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5、光波模式和光子态：光波的模式和光子的状态是等效的概念。
能够存在腔内的驻波（以波矢K 为标志）称为腔内的电磁波的模式或光波模。
不同的模式以不同的K 区分。
驻波条件光程差2λmx =∆，m 为正整数。
6、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。
相干长度：光波的相干长度相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需要的时间。
相干时间t 与光源频带宽度v ∆的关系vt ∆=1 相干性的结论相格空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都等于相干体积 属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的7、光子简并度：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8、激光的基本物理基础是什么9、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自发辐射：处于高能级2E 的一个原子自发地向1E 跃迁并发射一个能量为hv 的光子。
有原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射 特征表达式221211n dt dn A sp ⎪⎭⎫⎝⎛=：单位时间内自发辐射光子数占2E 能级光子数的比例。
自发跃迁几率用21A 描述 2211s A τ=2s τ表示2E 能级寿命。
激光原理复习题（含参考答案）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11. 任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔唯一地等价于一个共焦腔。
12. 激光器的基本结构包括三部分，即工作物质、激励物质光学谐振腔。
13. 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10 个（设μ=1）。
14. 激光的特点是相干性强、单色性佳、方向性好高亮度。
15 调Q 技术产生激光脉冲主要有 、 两种方法，调Q 激光器通常可获得ns 量级短脉冲，锁模有 和 两种锁模方式。
锁模 、 调Q 主动锁模 被动锁模16. 受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即 ， ， ， 。
传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同17写出光与物质相互作用的爱因斯坦关系式，说明其物理含义。
答：(1)自发辐射跃迁几率2121211sp s dn A dt n τ⎛⎫== ⎪⎝⎭，表示了单位时间内从高能级向低能级跃迁的原子数与高能级原有粒子数的比例。
(2)受激吸收跃迁几率121211st dn W dt n ⎛⎫= ⎪⎝⎭，表示单位时间内由于受激跃迁引起的由低能级向高能级跃迁的原子数和低能级原子数的比例。
激光原理第六版期末总结第一章1.光波模式的概念。
2.光波模式与光子态的等效性。
3.什么是光子简并度？4.同态光子数，同模光子数，同相格光子数，相干体积光子数。
5.光与物质相互作用的三种过程：①，②，③6.光放大的条件——集居数反转。
7.增益饱和效应概念。
8.激光器自激振荡条件。
P189.光学谐振腔作用：①，②；p1810.激光的四个特性：第二章1.腔模的种类。
见课件2.开腔的类型。
P263.空腔的谐振频率公式。
4.纵模间隔公式。
5.单纵模运转：①，②；见课件6.开腔损耗种类：①，②，③，④；p297.谐振腔Q值定义8.衍射损耗与菲涅尔系数9.共轴球面腔的稳定性条件10.衍射起到筛子的作用，能够将存在的自在现模筛选出来。
11.任何一个稳定球面腔等价于一个共焦腔。
P16512.一般稳定球面腔模式特征的六个描述参量：①，②，③，④，⑤，⑥13.高斯光束模式特征的三个重要参数：①，②，③14.Q参数的定义15.高斯光束变换的定律（ABCD定律）16.非稳腔的自在现模p91第四章1.关于激光的理论p1232.谱线的线型函数p1293.谱线宽度定义4.均匀加宽的类型：①，②，③；非均匀加宽的类型：①，②5.谱线加宽对A21的影响（答：无影响）P1426.增益系数与反转集居数的关系P1487.反转集居数的饱和定律P1498. 反转集居数的饱和程度与光强的关系P1509.反转集居数的饱和程度与频率的关系P150划线部分第五章1.激光按工作方式的分类：①，②;P1622.阈值反转离子数P1643.不同纵模的损耗及阈值特性和不同横模的损耗及阈值特性。
P164划线部分4.三能级系统所需阈值高于四能级系统，为什么？P1665.均匀加宽激光器的模竞争P1676.斜率效率的含义及公式P1747.弛豫振荡的特征P1768.有源腔的模式线宽P1779.频率的牵引P181第六章1.发展激光放大技术的意义：①，②，③，④详情见课件2.设计激光器要考虑的两个重要因素是：增益和噪声。
激光原理复习题（含参考答案)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11. 任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价,而任何一个满足稳定条件的球面腔唯一地等价于一个共焦腔。
12. 激光器的基本结构包括三部分，即工作物质、激励物质光学谐振腔。
13.有一个谐振腔,腔长Ｌ=１ｍ,在150０MH z的范围内所包含的纵模个数为１0个（设μ=1)。
14.激光的特点是相干性强、单色性佳、方向性好高亮度。
１５ 调Q 技术产生激光脉冲主要有 、 两种方法,调Q激光器通常可获得ｎs 量级短脉冲，锁模有 和 两种锁模方式。
锁模 、 调Q 主动锁模 被动锁模 16.受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即 , , ,。
传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同１7写出光与物质相互作用的爱因斯坦关系式,说明其物理含义。
答:（１)自发辐射跃迁几率2121211sp s dn A dt n τ⎛⎫== ⎪⎝⎭,表示了单位时间内从高能级向低能级跃迁的原子数与高能级原有粒子数的比例。
(2)受激吸收跃迁几率121211st dn W dt n ⎛⎫= ⎪⎝⎭，表示单位时间内由于受激跃迁引起的由低能级向高能级跃迁的原子数和低能级原子数的比例。
激光原理复习体第六版1、Laser ：light amplification by stimulated emission of radiation2、激光的基本特性：方向性好、单色性好、能量集中、相干性好。
本质原因是光子的简并度很高。
3、激光器的主要组成部分：谐振腔：光波的模式选择，提供轴向光波模的反馈泵浦源：给工作物质能量，即将原子有低能级激发到高能级的外界能量。
增益介质：能实现能级跃迁的物质4、黑体：某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射。
黑体辐射：黑体处于某一温度T 的热平衡情况下黑体所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，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5、光波模式和光子态：光波的模式和光子的状态是等效的概念。
能够存在腔内的驻波（以波矢K 为标志）称为腔内的电磁波的模式或光波模。
不同的模式以不同的K 区分。
驻波条件光程差2λmx =∆，m 为正整数。
6、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。
相干长度：光波的相干长度相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需要的时间。
相干时间t 与光源频带宽度v ∆的关系v t ∆=1 相干性的结论相格空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都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，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的7、光子简并度：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8、激光的基本物理基础是什么9、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自发辐射：处于高能级2E 的一个原子自发地向1E跃迁并发射一个能量为hv 的光子。
有原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射 特征表达式221211n dt dn Asp ⎪⎭⎫ ⎝⎛=：单位时间内自发辐射光子数占2E 能级光子数的比例。
自发跃迁几率用21A 描述 2211s Aτ=2s τ表示2E 能级寿命。
激光原理复习题（含参考答案）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11. 任何一个共焦腔与 无穷多个稳定球面腔 等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔 唯一 地等价于一个共焦腔。
12. 激光器的基本结构包括三部分，即 工作物质 、 激励物质 光学谐振腔 。
13. 有一个谐振腔，腔长L=1m ，在1500MH ｚ的范围内所包含的纵模个数为 10 个（设μ=1）。
14. 激光的特点是 相干性强 、 单色性佳 、方向性好 高亮度 。
15 调Q 技术产生激光脉冲主要有 、 两种方法，调Q 激光器通常可获得ns 量级短脉冲，锁模有 和 两种锁模方式。
锁模 、 调Q 主动锁模 被动锁模16. 受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即 ， ， ， 。
传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同17写出光与物质相互作用的爱因斯坦关系式，说明其物理含义。
答：(1)自发辐射跃迁几率2121211sp s dn A dt n τ⎛⎫== ⎪⎝⎭，表示了单位时间内从高能级向低能级跃迁的原子数与高能级原有粒子数的比例。
(2)受激吸收跃迁几率121211st dn W dt n ⎛⎫= ⎪⎝⎭，表示单位时间内由于受激跃迁引起的由低能级向高能级跃迁的原子数和低能级原子数的比例。
激光原理试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 激光的产生原理是基于以下哪种效应？A. 光电效应B. 康普顿效应C. 受激辐射D. 多普勒效应答案：C2. 激光器中，用于提供能量的介质被称为什么？A. 增益介质B. 反射介质C. 吸收介质D. 传输介质答案：A3. 激光器中，用于将光束聚焦的元件是：A. 透镜B. 棱镜C. 反射镜D. 滤光片答案：A4. 激光的波长范围通常在：A. 红外线B. 可见光C. 紫外线D. 所有选项5. 以下哪种激光器是固态激光器？A. CO2激光器B. 氩离子激光器C. 钕玻璃激光器D. 所有选项答案：C6. 激光的相干性意味着：A. 波长一致B. 相位一致C. 频率一致D. 所有选项答案：D7. 激光器的输出功率通常用以下哪种单位表示？A. 瓦特B. 焦耳C. 牛顿D. 伏特答案：A8. 激光切割机利用激光的哪种特性进行切割？A. 高亮度B. 高方向性C. 高单色性D. 高相干性答案：A9. 激光冷却技术主要应用于：B. 工业C. 物理学研究D. 军事答案：C10. 激光二极管通常使用的半导体材料是：A. 硅B. 锗C. 砷化镓D. 碳化硅答案：C二、填空题（每题2分，共20分）1. 激光的英文全称是________。
答案：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation2. 激光器的三个主要组成部分是________、________和________。
答案：工作物质、激励源、光学谐振腔3. 激光器中，________用于提供能量，________用于产生激光。
答案：激励源、工作物质4. 激光的________特性使其在通信领域有广泛应用。
答案：高相干性5. 激光器的________特性使其在医疗手术中具有高精度。
答案：高方向性6. 激光冷却技术中，激光与原子相互作用的效应被称为________。
激光原理复习资料一、选择题1. 在光和原子体系的相互作用中，自发辐射和受激吸收总是（D ）存在的。
A.. 都不B. 不同时C. 一种或两种D.同时2. 在共轴球面谐振腔，如果腔体是稳定的，则腔需要满足的是（A ）A. 1021<<g gB. 121>g gC. 0g 12121==g g g 或D. 121<g g3. 对称共焦腔的1D A 21-=+）（，就稳定性而言，此对称共焦腔是（A ） A.稳定腔 B.非稳定腔 C.混合腔 D.任意腔4. 半导体发光二极管发出的光是（C ）A.自然光B. 激光C. 荧光D.任意光5. 以下那个不是激光武器所具有的优点（B ）A.无需进行弹行计算B.有小的后座力C.操作简便，移动灵活，使用范围广D.污染，消费比高6.以下哪个过程能实现激光的光放大（C ）A.受激吸收B.自发辐射C.受激辐射D.自发辐射和受激辐射7.四价的本征导体Si ，Ge 等，掺入少量三价的杂志元素（如B ，Ga ，Ze 等）形成空穴为（D ）A.绝缘体B.导体C. n 型导体D.P 型半导体8.以下不是激光器的基本组成部分的是（B ）A.工作物质B.谐振腔C.泵浦原D.发光二极管二、填空题1.激光器的基本组成包括工作物质、谐振腔、泵浦原.2.激光器按工作物质可以分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器。
3.在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，钕玻璃激光器是四能级系统。
4.产生激光的必要条件是实现粒子反转。
5.激光的四个特性分别是方向性、单色性、高亮度、相干性。
6.激光的调制技术按调制的物理效应可以分为电光调制、声光调制、磁光调制。
7.激光武器的杀伤机理是烧灼效应、激波效应、辐射效应。
8.调Q技术产生激光脉冲主要有锁模、调Q两种方法，调Q激光器通常可以获得ns量级，锁模有主动锁模和被动锁模两种锁模方式。
9.固体激光器主要的泵浦源有氪灯泵浦、高效脉冲氙灯泵浦等。
一、 选择题（请在正确答案处打√，2×11分）1．根据黑体辐射维恩位移定律，最大辐射强度波长M λ,72.89810M T λ=⨯ Å·K ,那么人体(300K)时辐射最大M λ属于:(A) 可见光 (B)近红外 (C) √远红外光2.已知自发发射系数21A 与受激发射系数21B 之比32121/8/A B h πλ=,那么对于较短波长激光，例如紫外、X 射线激光器相对于长波长激光器产生激光输出将(A) √更难 (B)更易 (C)与波长无关3．激光腔的Q 因子越大，该腔的输出单色性越高，即(A) √输出光谱带宽越小 (B)输出光谱带宽越大 (C)光子寿命越小4．电光调Q 激光器的调制电压波形一般为(A) √方波 (B)正弦波 (C)余弦波5．Nd +3:YAG 和Ti +3:sapphire(掺钛蓝宝石)激光器中产生激光的物质分别是√(A) Nd 和Ti 离子 (B)YAG 和Sapphire (C)Nd 和Ti 原子6．电光调制器半波电压产生的相位差是(A) 90度 (B)45度 (C) √180度7．一般情况下谐振腔的稳定条件是（22111,1R L J R L J -=-=）： (A) √1021≤≤J J ， (B)1021<<J J (C)101<<J ，102<<J8．在下列哪一种情况下激光上下能级布居数最容易实现反转(A) 二能级系统 (B)三能级系统 (C) √四能级系统9．精密干涉测量，全息照相，高分辨光谱等要求单色性、相干性高的 光源。
(A) √单纵模 (B)单横模 (C)多纵模10．假如各纵模振幅不同，则锁模脉冲的时间和光谱带宽积(A)等于1 (B) √315.0≥ (C)011．锁模与调Q 激光器中，饱和吸收体的受激态寿命锁模t 、Q 调t （驰豫时间）与激光器可能产生的极限脉冲宽度p t 关系是(A)锁模t 和Q 调t >p t ， (B)锁模t 和Q 调t <p t (C) √锁模t <p t ，Q 调t >p t二、 填空题(3×12分)1. 激光光源与普通光源相比，具有哪三方面的优点：（1） 单色性高 （2） 方向性好 （3）相干性高（或者亮度高）2. 辐射能量交换的三个基本过程是：（1） 受激吸收 （2） 受激发射 （3） 自发发射3. 激光器的三个基本组成部分是：（1） 工作物质 （2） 谐振腔 （3） 驱动源4. 声光调制器的四个组成部分是：（1） 声光介质 （2） 换能器 （3） 驱动电源 （4）吸声和声反射材料5. 试举出常见的四大类锁模的方法：（1）主动锁模 （2） 被动锁模 （3）同步泵浦锁模 （4）自锁模6. 假设光场能态密度是)(v ρ，粒子从较低能态1ϕ（能量E 1）过渡到较高能态2ϕ（能量E 2）的受激吸收几率是（1）)(12v B ρ；粒子从较高能态2ϕ（能量E 2）过渡到较低能态1ϕ（能量E 1）的受激发射和自发发射几率分别是（2）)(21v B ρ和21A 。
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。
1、Laser ：light amplification by stimulated emission of radiation2、激光的基本特性：方向性好、单色性好、能量集中、相干性好。
本质原因是光子的简并度很高。
3、激光器的主要组成部分：谐振腔：光波的模式选择，提供轴向光波模的反馈泵浦源：给工作物质能量，即将原子有低能级激发到高能级的外界能量。
增益介质：能实现能级跃迁的物质4、黑体：某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射。
黑体辐射：黑体处于某一温度T 的热平衡情况下黑体所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，这种平衡必然导致空腔存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射5、光波模式和光子态：光波的模式和光子的状态是等效的概念。
能够存在腔的驻波（以波矢K 为标志）称为腔的电磁波的模式或光波模。
不同的模式以不同的K 区分。
驻波条件光程差2λmx =∆，m 为正整数。
6、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。
相干长度：光波的相干长度相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需要的时间。
相干时间t 与光源频带宽度v ∆的关系vt ∆=1 相干性的结论相格空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都等于相干体积 属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的7、光子简并度：同态光子数，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8、激光的基本物理基础是什么9、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自发辐射：处于高能级2E 的一个原子自发地向1E 跃迁并发射一个能量为hv 的光子。
有原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射 特征表达式221211n dt dn A sp ⎪⎭⎫⎝⎛=：单位时间自发辐射光子数占2E 能级光子数的比例。
自发跃迁几率用21A 描述 2211s A τ=2s τ表示2E 能级寿命。
21A 只与原子本身性质有关。
受激吸收：处于低能态1E 的原子，在频率为v 的辐射场作用下，吸收一个能量为hv 的光子并向2E 能态跃迁受激吸收跃迁概率用12w 描述。
12W 与原子性质有关，还与辐射场的v ρ有关1212β=w v ρ其中12β称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数他与原子的性质有关，v ρ泵浦源的能量密度特征112121n dt dn W st ⎪⎭⎫⎝⎛= 受激辐射：处于2E 的原子在频率v 的辐射场作用下跃迁至低能态1E 并发射一个能量为hv 的光子121211n dt dn W st ⎪⎭⎫⎝⎛= 受激辐射概率用21W 表示，21W =21βv ρ受激辐射产生的场应于外加辐射场具有相同的频率，相位，传播方向 10、爱因斯坦系数：21A 、12β、21β只与原子的性质有关12β1f =21β2f 21A =21βhv n v 当权重1f =2f 时12β=21β即21W =12W11.什么是热平衡时能级粒子数的分布玻尔兹曼分布：TK E E b e f f n n 121212--=12、产生激光的必要条件：谐振腔，泵浦源，增益介质 13、粒子数反转：高能级集居数大于低能级集居数的状态。
热平衡状态集居数分布满足玻尔兹曼分布只有当外界向物质供给能量从而使物质处于非平衡状态才能实现集居数反转。
14、激光增益：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数15、什么是自激震荡？假设以微弱光进入一无限长放大器。
起初，光强慢慢增加，但随着光强的怎家增益系数慢慢减小最后当增益系数等于损耗系数是可求得腔最大光强m I ，这种不管初始光强0I 多么微弱，只要放大器足够长，就总可形成确定的最大光强m I振荡条件：单程小信号增益系数大于单程损耗系数。
1、谐振腔的谐振条件：波从某一出发点经腔往返一周再回到原来位置时，与初始出发波同相（及相差为2π的整数倍）即2'λq L =，'L 为腔光学长度2、纵模的频率nl c qV q 2=，纵模间隔nlcV q 2=∆，纵模的数目q=λnl 23、谐振腔的损耗：几何偏折损耗，衍射损耗，腔镜反射不完全引起的损耗，材料中的非激活吸收散射损耗。
其中前两项为选择损耗，后两项称为非选择损耗 4、单程损耗因子δ。
在无源腔初始光强0I 往返一次光强衰减为1I 则δ=10ln 21I I 光腔的光子平均寿命cnlR δτ=经过R τ时间后腔光强衰减为初始值的1/e 看出δ越大，R τ越小腔的损耗越大腔光强衰减的越快。
无源谐振腔的Q值Q=cnlvδπ2 v为腔的谐振频率，l表示光腔长度。
Q值越大表明损耗越小5、熟悉射线矩阵光学，会进行推导。
傍轴光线在腔完成一次往返总的变化矩阵为当凹面镜向着腔时，R取正值；当凸面镜向着腔时，R取负值6、激光谐振腔的稳定性条件11121<⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-<RLRL，其中当凹面镜向着腔时，R取正值，当凸面镜向着腔时，R取负值7、自在现模当通过的孔阑数足够多的时候，镜面上唱的相对振幅和相位分布将不再发生变化。
在孔阑传输线中形成的这种稳态场分布就是自在现模。
自再现模经一次往返所发生的相移称为往返相移，该相移等于2∏的整数倍，这就是模的谐振条件8、本征函数())(,yVxVnm为复数函数，它的模|()yxVmn,|描述镜面上场的振幅分布，二期辐角arg()yxVmn,描述镜面上场的相位分布本征值：nmmnγγγ=模描述自在现摸的单程损耗，它的辐角描述了自在现模的单程相移方形镜花斑图样圆形镜横模的花斑图样11、腰斑的大小oW=πλ2L、腰斑位置在共焦腔的焦平面处，镜面上的光斑大小πλLWs==2oW，腔光斑尺寸大小222)(1)1(2)(fzWfzLzw+=+=πλ。
等相位面分布的公式光束的远场发散角：LRLRTTTTLRLRDCBAT21211112111121=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=基模体积12、高阶的高斯光束 13、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。
而任何一个稳定球面腔唯一地等价与一个共焦腔。
他们具有相同的行波场。
14、计算一般稳定球面腔的主要参数：腰斑的光斑尺寸πλf W =0这里的f 是等效后的焦距。
一般稳定腔镜面上的光斑尺寸利用等价共焦腔的腔场分布去求带入后结果41211211]))(()([||L R R L R L R L R W s -+--=πλ 41212122]))(()([||L R R L R L R L R W s -+--=πλ基模模体积22100)2(21s s w w L V +=π。
在一般稳定腔中15、腔的菲涅尔数：定义稳定球面腔的有效菲涅耳数对一般稳定球面腔，每一个反射镜对应着一个有效菲涅耳数，然后按共焦腔的单程衍射损耗曲线查得一般稳定球面腔的损耗值。
16、高斯光束的表征方法有哪些？什么是q 参数？参数w (z )和R (z )表征高斯光束高斯光束的q 参数: 参数q 将w (z )和R (z )统一在一个表达式中，知道了高斯光束在某位置处的q 参数值，可由下式求出该位置处w (z )和R (z )的数值17、高斯光束q 参数的变换规律是什么？镜面上场分布 腔中任一点的场分布 基横模 方形镜共焦腔 厄米特—高斯函数 厄米特—高斯函数 高斯函数 圆形镜共焦腔 拉盖尔—高斯函数 拉盖尔—高斯函数 高斯函数 2212121221122121)]()[())()(()()()()()()(R L R L L R R L R L R L f R L R L L R L z R L R L L R L z -+--+--=-+---=-+--=)(22si efi i a N πω=2/1220]))()((1)[(-+=z R z w z w w λπ122]))()((1)[(-+=z w z R z R z πλ)()(1)(12z i z R z q πωλ-=DCq B Aq q ++=112q 参数的变换规律可统一表示为: q 参数也称为高斯束复曲率半径。
结论：高斯光束经任何光学系统变换时服从ABCD 公式，由光学系统对傍轴光线的变换矩阵所决定。
18、什么是高斯光束的自在现变换如果一个高斯光束通过透镜后器结构不发生变化，即参数0W 或f 不变则这种变换为自再现变化19、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔有什么关系？20、非稳腔与稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？稳定腔（无几何偏折损耗）非稳腔（具有较高的几何损耗）21高斯光束的聚焦和准直第四章1,激光器的理论有哪些？ 经典理论：用麦克斯韦方程组描述电磁场将原子中运动的电子视为服从经典力学的贞子成功解释了物质对光的吸收和色散现象定性的说明了原子的自发辐射及谱线宽度 半经典理论：采用麦克斯韦方程组描述光频电磁场用量子力学描述原子它能较好的揭示激光器部分物理现象（反转粒子数，烧孔效应，振荡光强的兰姆凹陷） 量子理论：对光频电磁场和物质原子都做量子化处理并将二者作为一个统一的物理体系加以描述只有严格确定激光相干性和噪声以及线宽极限的性才是必要的 1、 什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有一个频率围，称为谱线加宽。
加宽类型有均匀加宽，非均匀加宽，综合加宽。
如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽。
非均匀加宽的特点：原子体系中不同原子向谱线的不同频率发射。
一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽主要是晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽，对于气体工作物质，主要的加宽类型就是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。
3、如何定义线型函数和谱线宽度？P (n)是描述自发辐射功率按频率分布的函数。
在总功率P 中，分布在n~n+dn 围的光功率为P (n)dn ，数学表示为 引入谱线的线型函数 线型函数在n=n0时有最大值，并在时下降到最大值 的一半，即 按上式定义的nD 称为谱线宽()1,1)(21-∈+D A 1021<<g g 1)(21-<+D A 021<g g 1)(21>+D A 121>g g ⎰+∞∞-=ννd P P )(),(~0ννg P P g )(),(~0ννν=20ννν∆±=2),(~),2(~),2(~000000ννννννννg g g =∆-=∆+4、如何理解均匀加宽和非均匀加宽？如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽。
每个原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，即每一发光原子对光谱线任一频率都有贡献。
