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第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。
激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。
实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。
由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。
因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。
3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。
而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。
光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。
3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。
菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。
基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。
图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。
激光物理学的基本理论与应用激光物理学是一门研究激光的生成、传输、放大、调制和控制等基本理论及应用的学科。
激光技术的成功应用广泛地改变了人类的生活和工作方式，被誉为二十世纪最重要的科学技术进步之一。
这篇文章将介绍激光物理学的基本理论和应用。
一、激光物理学的基本理论1.激光的基本概念激光是一种具有高度定向性、高强度和窄带宽的电磁波。
激光的特点有相干性、单色性、选择性和聚焦性等，是由于激光与其他光源不同的特点。
2.激光的产生原理激光的产生原理是基于电子从低能级到高能级跃迁的过程，形成了一种能量超过发射阈值的光子。
在激光器中，常用的产生激光的方法有：光泵浦，电子束激活，化学反应激发和光化学反应激发。
其中最常用的是光泵浦激光器。
3.激光的放大原理放大即是将激光产生的辐射能量增强，激光的功率输出与放大器的尺寸和材料的物理特性等密切相关。
激光放大原理主要有三种：受激辐射放大、提高光场强度耦合放大和多光子效应放大。
4.激光作用机制激光的作用机制包括：热效应、电离效应、激光微切割、激光微加工和激光光化学等。
其中电离效应可应用于激光制导、光谱分析和人工宝石生长等领域；激光微切割和激光微加工可用于制造薄膜电路、内脏手术和焊接工艺等领域；激光光化学可用于光化学反应器制造和光解腐蚀等领域。
二、激光物理学的应用1.医疗领域激光在医疗领域的应用十分广泛。
手术激光器可用于眼科手术、皮肤美容、血管手术和泌尿科手术等；诊断激光器包括激光血流仪和激光显微镜等；治疗激光器包括激光低能量疗法、激光曝光疗法和激光消毒技术等。
这些激光技术已经极大地改善了医学的治疗效果和患者的生活质量。
2.工业制造激光技术在工业领域的应用十分广泛。
激光切割机可用于金属、木材和塑料等材料的切割和雕刻；激光焊接机可用于制造汽车、电子产品和航空器件；激光三维打印技术可用于制造家具、艺术品和建筑构件等。
这些激光技术已经极大地改善了工业的制造效率和产品的质量。
3.通信技术激光技术在通信领域的应用也十分广泛。
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。
激光物理基础激光物理是研究激光的产生、传播和相互作用规律的学科。
激光作为一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等独特的特点，广泛应用于科学研究、医学、工业制造、通信等领域。
激光物理的研究涉及光的产生、放大、调制、激光器的工作原理等方面。
激光的产生是激光物理研究的核心内容之一。
激光的产生主要依赖于激活介质的存在。
激活介质可以是气体、固体或液体等物质。
通过施加一定的能量，激活介质中的原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成激发态。
当激发态的粒子退激回到低能级时，会释放出光子，形成光子能量的集中放大。
经过光学谐振腔的增益介质放大，就可以得到高强度的激光光束。
激光的传播是激光物理研究的另一个重要方面。
激光的传播特点主要与激光的单色性和相干性有关。
激光的单色性指的是激光中的光子具有非常狭窄的能量范围，即具有高单色性。
而激光的相干性则是指激光中的光波具有一定的相位关系，即具有一定的相干性。
这种单色性和相干性使得激光能够在空间中以一定的传播方向传播，形成高方向性的光束。
激光的相互作用是激光物理研究的另一个重要方面。
激光与物质的相互作用可以产生一系列的物理效应。
例如，激光与物质的相互作用可以使物质发生光谱吸收、荧光发射、光解、电离等过程，这些过程在激光科学和激光技术中得到了广泛的应用。
此外，激光还可以通过与物质的相互作用来实现激光切割、激光焊接、激光打标等工业应用。
激光器是激光物理研究的重要研究对象之一。
激光器是产生和放大激光的装置，它由激活介质、光学谐振腔和泵浦源等组成。
激光器的工作原理是通过泵浦源向激活介质输入能量，激发介质中的原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成激发态。
随后，激发态的粒子退激回到低能级，释放出光子，光子在光学谐振腔中来回多次反射放大，最终形成高强度的激光光束。
激光物理作为一门研究激光产生、传播和相互作用规律的学科，对于推动激光科学和激光技术的发展具有重要意义。
通过深入研究激光的产生、传播和相互作用等方面的基础知识，可以更好地理解和应用激光技术，为科学研究、医学诊断治疗、工业制造和通信等领域的发展做出贡献。
激光原理复习题第一章电磁波1、麦克斯韦方程中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：每个方程的意义：1）第一个方程为法拉第电磁感应定律，揭示了变化的磁场能产生电场。
2）第二个方程则为Maxwell的位移电流假设。
这组方程描述了电荷和电流激发电磁场、以及变化的电场与变化的磁场互相激发转化的普遍规律。
第二个方程是全电流安培环路定理，描述了变化的电场激发磁场的规律，表示传导电流和位移电流（即变化的电场）都可以产生磁场。
第二个方程意味着磁场只能是由一对磁偶极子激发，不能存在单独的磁荷（至少目前没有发现单极磁荷）3）第三个方程静电场的高斯定理：描述了电荷可以产生电场的性质。
在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。
4）第四个方程是稳恒磁场的高斯定理，也称为磁通连续原理。
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：赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理设计的电磁波发生器实验。
（赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。
当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。
瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。
有麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。
他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。
因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。
所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。
赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。
赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。
