(完整版)激光原理简答题整理

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。

第一章 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 波尔兹曼定律：根据统计规律，大量粒子组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：kT E i i i eg -∞n 推论：假设gi=gj1.当E2-E1很小，且12-E E E =∆<< kT 时，112n =n ， 2.当E2>E1时，n2<n1. 说明高能粒子数密度总是较小3.当E1为基态，E2距离很远时，即E2>E1,012n =n ,说明绝大多数粒子为基态 普朗克公式：11h 8hv 33v -=kT e c v πρ 爱因斯坦关系：自发辐射，受激辐射，受激吸收之间的关系332121hv 8cB A π= 212121g B g B = 光子简并度g ：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 特点：1各粒子自发，独立的发射光子；2非相干光源光功率密度：212)()t (q A t hvn =自受及辐射：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的光子特点：1只有外来光频率满足12hv E E -=；2 受激辐射所发射的光子与外来光特征完全相同，相干光源【频率，相位，偏振方向，传播方向】，光场中相同光子数量增加，光强增加，入射光被放大，即光放大过程光功率密度：v B t hvn t ρ212)()(q =激光功率密度比：v v hv ρπλρπh88c q q 333==自激 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数增益饱和：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。

谱线宽度：线型函数在ν0时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。

从网上整理的仅供参考。

SER 英文名称的含义是什么？激光是何时发明的？Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

2.激光的基本特性是什么？答：激光四性：单色性、相干性、方向性和高亮度。

这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。

3.激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？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体系。

接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。

泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。

光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。

4. 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。

答：(1)自发辐射过程描述(page10)：处于高能级2E 的一个原子自发的向1E 跃迁，并发射一个能量为h ν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νρ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ν，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。

自发跃迁爱因斯坦系数：211s A τ=(2)受激吸收过程描述(page12)处于低能态1E 的一个原子，在频率为ν的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为h ν的光子并向2E 能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。

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pv 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 ξπξ2==。

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）。

激光原理复习自整理详解激光（Laser）是指将电能、化学能、光能等不同形式的能量转化为相干单色光束的一种装置。

激光器可精密控制光的时间、空间强度分布，因此被广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造等领域。

激光的产生是基于光放大原理和光产生原理。

光放大原理即光在经过光学放大介质时，通过受激辐射过程放大而得到激光。

光产生原理则是指在光学放大介质中，通过受激辐射过程得到的初级激光，再经过多次光放大过程最终得到激光。

下面就详细介绍激光的产生原理。

1.激光器的组成激光器主要由光学谐振腔、激光介质和泵浦源三部分组成。

-光学谐振腔：用于延长光在激光器中的传播距离，增强激光的反射和放大效应。

-激光介质：负责将入射光转化为激光的介质，常见的激光介质有气体、固体和液体等。

-泵浦源：为激光介质提供能量，使其处于各能级的适当分布。

2.可逆过程和受激辐射受激辐射是产生激光的基本原理之一、当激光介质从低能级跃迁到高能级时，如果有一束与该过程产生的光子完全匹配的入射光通过，该过程将被增强。

这是一种受激辐射过程，其与自发辐射（即自发跃迁）形成了对称关系。

3.反射和放大过程激光器中的光线会在光学谐振腔内被多次反射，导致光线的衰减和放大。

谐振腔中有两个镜子，其中一个镜子是半透明的，称为输出镜，另一个镜子是全反射的，称为输入镜。

-当光线经过输出镜时，一部分光经过透射，成为激光器的输出光。

经过透射的光具有激光的特性，即单色、相干和定向等。

-另一部分光线经过反射，回到激光介质中，形成了反射光。

反射光在激光介质中被吸收、放大，然后再次被反射。

这个过程中，入射光不断放大，最终形成激光。

激光产生的过程可以概括为：泵浦源提供能量给激光介质，使其处于激发态；谐振腔内的光经过多次的反射和放大，形成激光。

总之，激光产生的原理是基于光放大和受激辐射过程，通过泵浦源提供能量给激光介质，经过光学谐振腔的多次反射和放大，最终形成相干单色激光。

激光具有独特的光学特性，广泛应用于各个领域。

激光原理复习题答案（参考版）激光原理复习题第一章电磁波1. 麦克斯韦方程中0000./.0t tμμερε??=-=+?=?=?B E E B J E B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;(3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 tE=?00B *εμ ；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。

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。

光学谐振腔的作用1、提供正反馈（放大）作用（1）腔镜的反射率（吸收、透射少，反射率大；反之亦然）；（2）腔镜的形状及组合方式。

2、控制振荡光束，表现在三个方面（1）控制纵模的数目—光的模式少，光子的简并度高（2）控制高阶横模—基模光强大、光斑小、发散角小（3）控制各种损耗—在增益一定的条件下，通过控制损耗来控制激光的输出。

横模的形成a 、谐振腔中稳定的激光等效于任何波面的光通过一系相同列光栏后形成的自再现光场b 、光栏有衍射，因此在光束的不同位置光将形成干涉叠加，这种稳定的叠加就形成了横模c 、不同位置稳定场形成的条件不同，故而有不同频率。

不同频率的横模的光场有不同的横向分布，它们是重叠在激光腔的同一空间内。

1、损耗的种类（1）几何损耗：非平行轴的光线，折、反出腔外的损耗。

① 光腔结构和尺寸影响的损耗；② 横模阶次的高低不同损耗不同。

一般，高阶模的损耗大。

（2）衍射损耗：反射镜尺寸有限、腔中有插件，必有衍射。

① 损耗与菲涅尔数N=a2/Lλ有关，该常数越小，损耗越大。

② 与腔的几何结构有关，参数g=1-L/R 越小损耗越大。

③ 与横模的阶次有关，阶次越高损耗越大。

（3）腔镜反射不完全引起的损耗① 反射镜吸收、散射引起的损耗；②反射镜的部分出射引起的损耗（对固体激光器可达50%）（4）非激活吸收、散射引起的损耗① 腔内加插件引起的损耗a 、产生偏振光的布儒斯特窗口b 、提高激光瞬间强输出功率的调Q 元件c 、各种用途的加载调制元件② 非激活介质的吸收、散射两个相同腔面共振漠视的积分方程 意义腔内可能存在着得稳定的共振光波场，他们由一个腔面传播到另一个腔面的过程中虽然经受了衍射效应，但这些光波场在两个腔面处得相应振幅分布和相位分布保持不变，亦即共振光波场在腔内多次往返过程中始终保持自洽或自再现的条件。

方形镜共焦腔： 长椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成厄米多项式与高斯函数乘积的形式。

圆形镜共焦腔： 超椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。

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。