激光原理2.2速率方程组与粒子数反转(2014)

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p v 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）。

激光原理与应⽤教案激光原理与应⽤教案⼀. 绪论本节课教学⽬标：让学⽣了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。

让学⽣了解激光科学的分⽀及激光在军事、信息技术、医疗等⽅⾯的应⽤；本节课教学内容：1．激光的概念：激光——利⽤受激辐射的光放⼤。

LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation2．激光的发现：最早在1917年——Einstein⾸次预⾔受激辐射激光，历史上⾸先在微波波段实现量⼦放⼤（1953），1954年——C. H. Townes, I. P. Gorden, H. J. Zeiger 使⽤NH3分⼦射束实现Maser向更短波长进发——ammonia beam maser，1958年——A. L. Schawlow, C. H. Townes, A. M. PoxopoB提出将Maser原理推⼴到光波段——laser，1960年——T. H. Maiman of Bell Lab 红宝⽯⾸次实现laser l=6943? 红光（早期的名称：莱塞、光量⼦振荡器、光激射器受激光，“激光”——钱学森在1963年提出。

61年中国（亚洲）第⼀台激光器诞⽣在长春（长春光机所和光机学院），由王之江院⼠发明。

激光科学技术发展的基础学科——光谱学，物理光学，固体物理，物质结构，⽆线电电⼦学。

推动⼒——⼴阔的应⽤领域：核聚变，加⼯，热处理，通讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲——⾼时间、空间分辨、能量分辨。

3．激光与普通光源的区别？（1）良好的单⾊性。

单⾊性指光源发射的光波长范围很⼩，测距。

（2）良好的⽅向性。

激光的光束⼏乎只沿着⼀个⽅向传输。

测距，通信。

（3）⾼亮度。

激光功率集中在极⼩的空间范围内。

切割，⼿术，军事。

（4）极好的相⼲性。

各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。

精确测距。

4．激光的应⽤。

（1）信息科学领域。

华科考研激光原理2002--2014真题2014年一.解释题1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。

(15)2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。

(15)3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15)4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15)二．解答题1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。

（1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。

（2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。

（3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。

(25)2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ∆，横模间隔m υ∆,n υ∆. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25)3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。

(20)4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有：（20）sL L m I I I I I L G 00ln -+= (提示：I dz dI G i =-α, s m I I G +=1G 构造微分方程) 2013年一、简答：1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。

2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。

3.试写出二能级的速率方程。

并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。

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）。

介质在小信号时的粒子数反转分布值——激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的发现1.2 激光的特点1.3 激光的应用领域第二章：激光原理2.1 介质中的粒子数反转2.2 受激辐射与受激吸收2.3 激光产生条件第三章：介质在小信号时的粒子数反转分布值3.1 粒子数反转的基本概念3.2 小信号下的粒子数反转分布3.3 粒子数反转分布与激光输出的关系第四章：激光器的工作原理4.1 气体激光器4.2 固体激光器4.3 半导体激光器第五章：激光应用技术5.1 激光通信5.2 激光雷达5.3 激光加工本教案主要介绍了激光的基本概念、原理以及应用。

通过学习，使学生了解激光的发展历程，掌握激光的产生原理，了解介质在小信号时的粒子数反转分布值，熟悉各种类型的激光器及其应用领域。

在教学过程中，应注意理论与实践相结合，引导学生关注激光技术在现代科技领域的应用，提高学生的科技创新能力和实践能力。

注重培养学生的团队合作精神和动手能力，为我国激光产业的发展培养高素质的人才。

第六章：激光的物理性质与应用6.1 激光的单色性6.2 激光的方向性6.3 激光的高亮度6.4 激光的应用实例第七章：激光设备与系统7.1 激光发生器7.2 激光束整形与传输设备7.3 激光检测与控制系统7.4 激光安全与防护第八章：激光在材料加工中的应用8.1 激光切割8.2 激光焊接8.3 激光打标8.4 激光雕刻第九章：激光在生物医学中的应用9.1 激光手术9.2 激光治疗9.3 激光诊断9.4 激光生物传感第十章：激光技术的发展趋势与展望10.1 光纤激光技术10.2 量子激光技术10.3 激光芯片与半导体激光技术10.4 激光技术的未来发展趋势本教案通过前五章的学习，使学生对激光的基本原理和应用有了初步的了解。

第六章至第十章进一步深入探讨了激光的物理性质、应用设备、材料加工、生物医学应用以及激光技术的发展趋势。

通过这些章节的学习，学生可以全面掌握激光技术的基本知识和应用能力。

《激光原理》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介本课程是“光电器件加工”课程模块中的专业核心课程，以培养应用能力突出、能适应工作变化和具有创新素质的学生为目标，在教学内容上，将理论教学与案例教学有机地结合进行知识点讲解，注重培养学生运用基础物理知识分析解决激光相关问题的能力；在教学模式上，采用研讨式的教学模式，注重引导学生对激光技术相关领域的核心问题已有的解决方案进行分析比较，培养学生的问题分析能力。

在培养学生熟练掌握激光器结构、工作原理、调Q技术与锁模技术的基础上，提升学生的综合能力和解决复杂问题的能力，为学生成为新一代技术应用型人才奠定基础。

三、课程目标及对毕业要求（及其指标点）的支撑四、教学内容及进度安排五、课程考核六、教材及参考资料(一)课程教材1.《激光原理及应用》（第3版），陈鹤鸣等编著，电子工业出版社，2017(二)参考教材及网站1.《激光原理》（第7版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2014。

2.《激光原理及应用》（第3版），陈家璧等编著，电子工业出版社，2013。

3.《激光原理及技术》，电子科技大学，刘志军等主讲，中国大学慕课。

编写人：审核人：审批人：审批日期：附件：各类考核与评价标准表（1）考试方式及占比：采用闭卷笔试，考试成绩100分，占课程考核成绩的60%。

（2）评定依据：考试成绩的评定根据试卷参考答案和评分标准进行。

（3）考试题型：可以包含单项选择题、填空题、简答题、计算题和设计题。

（4）考试内容：对学生综合运用激光物理的基本概念、基本原理进行问题分析能力的考核，不仅包括对各章节知识点的独立考核，还需要包括综合考虑多种激光器性能与控制的改善方案，实现技术分析和解决复杂工程问题能力的考核。

序1960年发明激光到现在已经有近50年了。

这期间年来激光的理论与应用研究有了极大的发展，而且对人类社会产生了深刻的影响。

作为光的受激辐射，激光是一种极好的光源，它首先在测量领域得到了广泛的应用。

物理学中最基本的量值——米，改为激光在真空中的波长来定义，使有效数字提高到九位。

激光用来测长、测距、测速、测角、测量各种可以转换为光的物理量，发展出一个专门的学科——激光测量学，还使光学测量方法走出实验室成为工程测量的常规手段。

激光用于加工，始于激光打孔，很快就推广到切割、焊接、热处理、表面改性与强化，乃至激光快速成型、激光清洗和激光微加工，已经成为高科技产业不可缺少的加工方法。

激光医学近三十年来的发展和推广，给广大人民群众带来了福祉。

而激光在信息产业中的大量应用更是信息时代到来的主要原动力之一。

可以毫不夸张的说，现代社会的方方面面已经与激光的应用密不可分。

鉴于激光在现代科学技术中的如此重要作用，激光原理和它的各种应用技术已成为各行各业的技术人员都必须掌握的一门高新技术。

我国的重点高等院校从二十世纪七十年代就开设激光的理论与应用的课程，并开办了若干以激光器制造和应用为培养目标的理工科专业。

改革开放以来，推广到一般院校，目前国内高等院校不开设激光原理与应用课程的已很难找到。

各重点高校编写的涉及激光原理、技术和应用的有关教材，林林总总不下数十种。

但是其中多数激光原理的教材涉及到过多的物理原理，超越了大学普通物理的内容，教材只针对重点高校的要求，并不适于培养工程应用型人材的一般院校。

相对适用的流传较广的清华大学丁俊华先生的《激光原理和应用》是二十世纪八十年代初的讲稿，因为激光技术的快速发展，需要补充修订。

本书编者在多年为普通高校本科生讲授这门课程的基础上，重新编写《激光原理和应用》就是为了一般高等院校学生掌握应用激光技术的教学需要。

该书的特点在于着重阐明受激辐射的物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系，以掌握激光器的选择和使用为主要目的。

介质在小信号时的粒子数反转分布值激光原理及应用一、教学目标1. 让学生了解介质在小信号时的粒子数反转分布的概念。

2. 使学生掌握激光原理及其应用。

3. 培养学生的实验操作能力和科学思维。

二、教学内容1. 介质在小信号时的粒子数反转分布值的概念及其意义。

2. 激光原理：激光的产生、特性及应用领域。

3. 激光器的基本结构和工作原理。

4. 激光在现代科技、医疗、通信等领域的应用。

三、教学重点与难点1. 重点：介质在小信号时的粒子数反转分布值的概念，激光原理及其应用。

2. 难点：激光器的工作原理，激光的应用技术。

四、教学方法1. 采用讲授法，讲解介质在小信号时的粒子数反转分布值的概念、激光原理及其应用。

2. 采用案例分析法，分析激光在各个领域的应用实例。

3. 利用实验演示法，让学生直观地了解激光的产生和特性。

4. 开展小组讨论，让学生探讨激光技术的未来发展。

五、教学安排1. 第一课时：介绍介质在小信号时的粒子数反转分布值的概念及其意义。

2. 第二课时：讲解激光的产生、特性及应用领域。

3. 第三课时：介绍激光器的基本结构和工作原理。

4. 第四课时：分析激光在现代科技、医疗、通信等领域的应用。

5. 第五课时：开展小组讨论，探讨激光技术的未来发展。

六、教学内容1. 激光的物理本质：光的相干性、亮度和单色性。

2. 激光的产生方式：气体激光器、固体激光器、半导体激光器。

3. 激光的传输和操控技术：光纤激光传输、激光束整形、激光调制。

七、教学重点与难点1. 重点：激光的物理本质，激光的产生方式，激光的传输和操控技术。

2. 难点：激光器的设计原理，激光传输过程中的光学效应，高精度激光操控技术。

八、教学方法1. 采用对比分析法，讲解不同类型激光器的原理和特点。

2. 利用模拟实验，展示激光的传输和操控过程。

3. 采用问题驱动法，引导学生思考激光技术在实际应用中的挑战和解决方案。

九、教学安排1. 第六课时：讲解激光的物理本质，光的相干性、亮度和单色性。