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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）。
《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。
激光束的原理激光束是一种高度聚焦且高度定向的光束，由于其独特的性质和各种应用而备受关注。
激光被定义为一种特殊的光波，其具有极高的光强度和长时间的相干性。
在此解释激光束的原理。
1. 激光的产生激光产生的原理是通过激活某些原子或分子，在激活后，这些原子或分子会从高能状态回到低能状态，由此释放出光子。
这种产生光子的过程称为激发发射，是激光的能源来源。
主要有三种方法产生激发发射：(1)自发辐射：当原子或分子处于激发态时，它们会自发地向低能级跃迁并释放出光子。
(2)受激辐射：当光子与处于激发态的原子或分子相遇时，这些粒子会被激活并释放出相同的光子，形成同相位同频率的光束。
(3)电子跃迁：在激发态的原子或分子中，电子跃迁到低能态时会产生光子。
2. 激光输出之前的准备工作在输出激光之前，需要对产生的激光进行一系列的处理。
其中的两个关键步骤是增益介质和反射。
(1) 增益介质：激光产生时会有大量的光子形成，但并非所有的光子都能决定激光的输出。
只有一小部分光子会被增益介质吸收，并将它们的能量传递给其他未被激活晶体的电子。
随着输运和传输，这些电子之间形成的能量导致更多的光子释放。
(2) 反射：如果激光束一直保持在增益介质中，那么它可能会漂移或分散，导致输出激光变得不准确。
需要一种方法来减少这种漂移和分散，并将大部分光子集中在一起。
反射是减少漂移和分散的方式之一。
通过在增益介质两端放置高反射镜和部分反射镜，可以使大部分光子在镜子之间多次反射，并以高度定向的形式输出激光束。
3. 激光束的特性(1) 高单色性：激光束只产生单一频率的光子，从而使其成为各种精确测量和检测工具的理想选择。
(2) 高相干性：激光束的相位一致，使其在干涉仪和其他光学设备中的使用效果更好。
(3) 高定向性：激光束以高度定向的形式输出，也就是说，大部分的光子都沿着主轴线方向传播。
(4) 高功率密度：激光束中的光子非常聚焦，使得其功率密度远高于常规光波，从而使其成为加工和切割设备中的理想选择。
激光相关知识激光在20世纪60年代开始出现，并以极快的速度发展，它作为一门新的学科与一种新的技术，使光学技术起了巨大的变革。
激光束是电磁波在光波段的一种新的传播方式，与普通光源不同，既不是均匀平面光波也不是均匀球面光波，而是一种具有亮度高，方向性、相干性、单色性好的高斯光束，正是因为激光具有的这些特殊的性能，它在生产、科研、医学、军事及SSHQ等许多领域都获得了广泛的应用。
以下简单的介绍一些激光的形成原理及半导体二极管激光器的一些相关知识。
第一章激光原理一、光子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。
作为对相干性的粗略描述，常使用相干体积的概念。
相干体积：Vc=AcLcVc：相干体积Ac：光传播方向的截面上的相干体积Lc：沿传播方向上的相干长度或：Vc=AcτcCτc：相干时间C：光速普通光源发光，是大量独立振子（例如发光原子）的自发辐射，每个振子发出的光波是由持续一段时间△t或在空间占有长度c△t的波列组成。
不同振子发出的光波的相位是随机变化的，对于原子谱线来说，△t即为原子的激发态寿命（≈10-8 秒），对波列进行频谱分析，就得到它的频带宽度△v≈1/△t，如下图1：V0△v≈1/△t图1△v是光源单色性的量度。
由物理光学，光波的相干长度就是光波的波列长度，即L C=c△t=c/△v于是，相干时间τc与光源频带的关系为：τc=△t =1/△v上式表明，光源单色性越好，则相干时间越长。
二、光子简并度相干光强：具有相干性的光波场的强度；从相干性的光子描述出发，相干光强决定与具有相干性的光子的数目或同态光子的数目。
这种处于同一光子态的光子数称为光子简并度n ，光子简并度具有以下几种相同的含义：1、 同态光子数；2、 同一模式内的光子数；3、 处于相干体积内的光子数；4、 处于同一相格内的光子数。
三、光的受激辐射与自发辐射1、 自发辐射为简化问题，只考虑两个能级E2和E1，并有E2-E1=hv ；单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示。
激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换
普通球面波在通过薄透镜的传播规律一、普通球面波在通过薄透镜的传播规律1. 透镜的成像公式：
f
1
11=+4-15图4-15 球面波通过薄透镜的变换
s s ′2. 从光波的角度看，当傍轴波（）
二、高斯光束通过薄透镜的变换
当通过薄透镜时, 高斯光束经过薄透镜变换后仍为高斯光束。
若以M
1
表示高斯光束入射在透镜表面上的波面, 由于高斯光束的等相位面为球面经透镜后被转换成另球由于高斯光束的等相位面为球面,经透镜后被转换成另一球
面波面M
2而出射, M
1
与M
2
的曲率半径R
l
及R
2
之间的关
系满足4-16式。
同时,由于透镜很“薄”,所以在紧挨足（6）。
,镜,紧
透镜的两方的波面M
1及M
2
上的光斑大小及光强分布都应该
完全一样。
以w表示入射在透镜表面上的高斯束光斑半径,
w ，表示出射高斯束光斑半径。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
高福斌/19
2
f
′R R
w =+z ⎥
=+(345)(344)020()1w z w π⎜⎟
⎝⎠
01R z λ⎢⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦
(3-45)
(3-44)
4-16图416 高斯光束通过薄透镜的变换
4.3.2高斯光束的聚焦4.3.2 高斯光束的聚焦
实际应用中，为了提高激光的光功率密度，需要对高斯光束进行聚焦，即
00
'w w <图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
核心问题：
这与几何光学中的平行光
通过透镜聚焦在焦点上的。
情况类似。
图4-17 短焦距透镜的聚焦
z高斯光束聚焦的方法：
1.采用短焦距透镜，使
2.加大入射光在透镜面处的光斑半径
2.
(1)通过加大
(1)
半径w
从而加大w:
用凹透镜直接加大发散角用两个凸透镜聚焦
22λθ=
(3-40)
w π核心改善光束的方向性缩光束的发散角一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
①用单透镜22λθ=
高斯光束发散角:
(3-40)w π(4-42)
2λ
②用望远镜
首先利用一个短焦距透镜将高斯光束聚焦，获得极图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角
小的腰斑；然后再利用一个长焦距透镜改善光束的方向性达到准直的目的性，达到准直的目的。
(340)2λ=
2(3-40)
2w θπ1"
020
22f w f w λ
λθππ′′⇒==(4-46)
定义高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比为。
