激光原理考试重点
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第一章激光的基本原理
1.光子的波动属性包括什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包括什么？质量与频率的关系？
答：光子的波动性包括频率，波矢，偏振等。粒子性包括能量，动量，质量等。
动量与波矢：
质量与频率：
2.概念：相格、光子简并度。
答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为，上述相空间体积元称为相格。
处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它具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
3.光的自发辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系
答：自发跃迁爱因斯坦系数：•受激吸收跃迁爱因斯坦系数：）。
受激辐射跃迁爱因斯坦系数：。
关系：；；
为能级的统计权重（简并度）
当时有
4.形成稳定激光输出的两个充分条件是起振和稳定振荡。形成激光的两个必要条件是粒子数反转分布和减少振荡模式数
5.激光器由哪几部分组成？简要说明各部分的功能。
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。6.自激振荡的条件？
答：条件：其中为小信号增益系数：为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数C
7.简述激光的特点？
答：单色性，相干性，方向性和高亮度。
8.激光器分类：固体液体气体半导体染料
第二章开放式光腔与高斯光束
1.开放式谐振腔按照光束几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔。
2.驻波条件，纵模频率间隔
答：驻波条件：应满足等式：式中，为均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后；为光在真空中的波长；为腔的光学长度；为正整数。
相长干涉时与的关系为：一或用频率
来表示：一.
纵模频率间隔：不同的q值相应于不同的纵模。腔的相邻两个纵模的频率之差
3.光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式什么？球面镜的对旁轴光线的变换矩阵？
答：光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式
球面镜的对旁轴光线的变换矩阵：而-为焦
距。
4.稳定腔的稳定性条件？非稳腔的条件？会计算。典型的临界腔有哪些？
答：共轴球面腔的稳定性条件：
当即或时为非稳定腔。或时为临界腔。
典型的临界腔有：平行平面腔、共心腔。
5.纵模与横模的物理意义.
横模：开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。
纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q
决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称为纵模。
6.共焦腔模式特征（基模镜面上的光斑尺寸，束腰的大小、等相位面的曲率半径、谐振频率、远场发散角）。高斯球面波在其传输轴线附近可近似看作是一种非均匀球面波。
答：基模高斯光束的束腰半径：
基模镜面上光斑半径
高斯光束的等相位面的曲率半径：
7.任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价，任一稳定腔唯一等价于某一个共焦腔，这里的等价是指行波场相同。
8.高斯光束的q参数在自由空间中的传输规律? q 参数通过薄透镜的变换公式为
9.高斯光束束腰的变换公式
10.为了使高斯光束获得良好聚焦，通常采用的方法是什么？准直的方法？
聚焦：①用短焦距透镜②使高斯光束腰斑远离透镜焦点，从而满足条件，；③取
仁0,并设法满足条件
准直：①用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，再用一个长焦距的透镜改善其方向性，就可以获得很好的准直效果②利用望远镜准直
第三章电磁场和物质的共振相互作用
1.均匀加宽的机制包括什么？非均匀加宽的机制包括什么？
均匀：自然加宽碰撞加宽晶格振动加宽
非：多普勒加宽晶格缺陷加宽
2.说明均匀加宽与非均匀加宽的区别。
①•均匀加宽谱线介质中各个发光粒子之间是不可区分的，即每个粒子的自发辐射都具有相同的线型函数、线宽和中心频率。而对于非均匀加宽谱线介质则可以将发光粒子分类，即粒子是可区分的；②.对均匀加宽谱线，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，即每个发光粒子都以整个线型发射。非均匀加宽谱线则不然，某类粒子的谱线加宽线型及线宽并不等于大量粒子集合。③.均匀加宽谱线介质中的每个发光粒子对介质整体谱线内的任一频率都有贡献，而且对于某一给定的频率，各个粒子的贡献都相同，因此，不能把介质线型函数上的某一特定频率与介质中的某类粒子建立联系和对应关系。对非均匀加宽谱线介质，介质中的某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献，对其他频率则无贡献。因此，可以将谱线线型函数上的某一特定频率与介质中的某类粒子建立对应关系。④.当某一频率的准单色光与介质相互作用时，对均匀加宽介质，入射光场与介质中的所有粒子发生完全相同的共振相互作用，从而介质中的每个工作粒子都具有完全相同的受激跃迁几率和极化强度。对非均匀加宽介质，入射场仅与表观中心频率与其频率相应的某类粒子发生共振相互作用并引起这类粒子的受激跃迁，介质中各粒子在外场作用下所发生的极化情况也不相同。
3.对于气体工作物质，主要的加宽类型是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒加宽。其线型函数是什么？两种加宽类型如何过渡？
碰撞加宽：
多普勒线性加宽：
综合加宽：当时上述积分仅在附近很小范围内有非0值，在此范围内有：
就是说，这时综合加宽近似于多普勒非均匀加宽。当时
就是说，这时综合加宽近似于均匀加宽。
4.能画出三能级系统的结构示意图，说明每个能级的意义。能列出四能级系统的速率方程组。激光下能级：E i
激光上能级：E2
抽运高能级：E3
粒子在这些能级之间跃迁过程：
泵浦过程；W13
转移过程；S32、A31和S31
粒子数反转形成移过程；Ai、S21 和
W2i、W
三能级系统的速率方程组：
（四能级系统的速率方程组：
）
5.均匀加宽中，入射光频率偏离中心频率越远，增益系数的饱和作用越弱。当入射光频率等于中心频率时，增益系数的饱和作用最强。
6.非均加宽增益饱和现象与均加宽增益饱和现象的主要区别？
①非均匀加宽工作物质增益饱和效应
比较弱。②在非均匀加宽情况中，增益饱和效应的强弱与线型中频率位置无关。在均匀加宽情况中，增益饱和效应的强弱与线型中频率位置有关，偏离线型函数中心频率越远，饱和效应越弱。③非均匀加宽跃迁中具有烧孔效应。
第四章激光振荡特性
1.阈值粒子数反转密度
2.腔内光强能否无限增加下去？
答：不行。实践证明，当激发速率一定时，激光器的输出功率恒定；仅当外界激发作用加强时，输出功率才上升，但会在一个新的水平上保持恒定•
3.概念：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的“尖峰”序列，把这种现象称作弛豫振荡效应。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小
4.在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做频率牵引。
5.对于有源腔，输出功率越大，减少损耗和增加腔长可使线宽变窄.
名词解释
1. 光子简并度：处于同一光子态内的光子数，与之等效的
含义还有：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。
2. 相格：测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同
时确定，在三维运动情况下，测不准关系为，故在六维相空间中，一个光子态占有的相空间体积为，上述相空间体积元称为相格。
3. 线型函数：引入谱线的线型函数，线型函数的单位是
S,括号中的表示线型函数的中心频率，且有，并在加减时下降至最大值的一半。按上式定义的称为谱线宽度。
4. 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。
5. 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。
6. 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。为储存在腔内的总能量，p为单位时间内损
耗的总能量。为腔内电磁场的振荡频率。
7. 兰姆凹陷：单模输出功率P与单模频率的关系曲线，在
单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
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. 谱线加宽：实际中的谱线加宽由于各种情况的影响，自
发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内。这就叫谱线加宽。
10. 频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模
频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫频率牵引。
11. 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
12. 受激辐射：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
13. 激光器的组成部分：谐振器，工作物质，泵浦源
14. 腔的模式：将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态
称为’’。
15. 光子简并度：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
16. 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
17. 粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使
得n2>n1
18. 集居数反转
19. 若时，满足：；时，满足：，此时称为满足集
居数反转状态，是实现光放大的条件。
增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数
20. 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。
21. Q值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标一一
品质因数。
22. 纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔
的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q
决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称
为纵模
23. 横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模
24. 菲涅尔数：N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划
分的菲涅尔半波带的数目。表征损耗的大小。衍射损耗
与N成反比。
25. 自在现模：把开腔镜面上经一次往返能再现的稳态场分
布称为自在现模或横模。
26. 损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分数
27. 自激振荡：不管初始光强多微弱，只要放大器足
够长，就总能形成确定大小的光强Im,满足振荡
条件。
28. 多普勒效应：设一发光原子（光源）的中心频率为
-■■°，当原子相对于接收器以速度v z运动时，接收
器
测得的光波频率变为（略）；
29. 多普勒加宽：由于作热运动的发光原子（分子）所
发出的辐射的多普勒频移引起的加宽
3°.谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内。
31. 谱线宽度：线型函数在-..°时有最大值，下降至最大
值的一半，对应得宽度。
32. 线性函数：归归一化的自发辐射光功率，描述单色辐射
功率随频率变化的规律，定义为分布在某一频率附近单
位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发
辐射总功率之比。用于表示谱线的形状。
33. 均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是
等同的，包括自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽每个
发光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，每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。
34. 非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的表
现中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的
某一频率范围是由哪一部分原子发射的，包括气体工作
物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽。
不断获得受激放大形成振荡所需要的门限条件，可用反
转粒子数密度，阈值增益系数，阈值泵浦功率来表示。
36. ASE :不满足阈值条件，但处于集居数反转的工作物质
对自发辐射光具有放大作用。
37. 增益的空间烧孔效应：在驻波腔激光器中，腔内
形成一个驻波场，波腹处增益最小，而波节处增益最大，沿光腔方向增益系数的这种非均匀分布称
为空间烧孔效应
38. 自选模：设三个纵模v1 , v2 , v3同时起振，随着振荡
的持续光强I1 , I2 , I3逐渐增大，当光强足够大，（可
与Is比拟时）由于增益饱和，导致增益曲线在各频率处
整体下降，结果各纵模由于增益系数小于阈值增益系数，先后熄灭，最后仅剩下最接近中心频率vo的一个纵模
维持自激振荡，这—现象称。
39. 模式的空间竞争：由于空间烧孔效应的存在，不同的纵
模可利用空间内不同的粒子反转数获得增益，从而实现
多纵模振荡。称为。
40. 单模激光器的线宽极限：输出激光是一个略有衰减的有
限长波列，具有一定的谱线宽度。由自发
辐射产生的无法排除谱线宽度称为极限线宽。实际激光
器中由于各种不稳定因素，纵模频率本身的漂移远远大
于极限线宽
41. 总量子效率：发射荧光的光子数/工作物质从光
泵吸收的光子数。物理意义：抽运到E3的例子，一部
分无辐射跃迁到E2,另一部分通过其他途径
返回基态。到达E2的粒子，一部分自发辐射跃迁至
E1发射荧光，一部分无辐射跃迁至E1。
42. 弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。②纵向
弛豫时间T1 :反转粒子数的增长与衰减所需时间。
③横向弛豫时间T2:宏观感应电极化的产生和消亡不是
瞬时的。极化强度P（z, t）较E（z, t）落后
的时间T2即是横向弛豫时间。
43. 驰豫振荡：固体脉冲激光器所输出的并不是平滑的光脉
冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓
‘尖峰”序列。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越
小。称作。
反兰姆凹陷：在饱和吸收稳频中，把吸收管放在谐振腔内，并且腔内有一频率为\ 1的模式振荡，若M
F0,购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的
形成两个烧孔。若―“，刚正反向传播
的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔。若作出光强
一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线，则曲线出现凹陷，激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰。
35. 激光器振荡阈值：工作物质自发辐射在光腔内因
燕山大学激光原理 重点
1.物理性质：方向性好，亮度高，单色性好，相关性好。 2.自发辐射：处于高能及E2的原子是不稳定的，即使没有外界作用，也将自发跃迁到低能级E1，发射一个频率为v 能量为h =E2-E1的光子，大量处于高能及的原子，他们各自发射一例频率相同的光波。单个光波之间没有固定的相位关系，偏振方向，传播方向。 3.受激辐射；处于高能及的原子E2，在他发生辐射之前，若受能量为h =E2-E1的外来光子的作用而跃迁到低能级E1，将发射一个与外来光子的频率，相位，偏振方向，传播方向都相同的光子。 4.受激吸收：处于低能级E1的原子收到能量为H=E2-E1的光子作用时，将吸收这一光子而跃迁到高能级E2。 5.时间相干性：指在同一空间想干点上，由同一光源分割出来的两光波之间位相差与时间无关的性质，即光波的时间延续性。 5.空间相干性：指由空间不同点发出的光波的相干性。 6.相干时间：同一光源发出的两例光波经过不同的路径，在在相干时间Tc后在空间某点会和，尚能发生干涉。Tc称为相干时间。 7.光谱线的加宽按其特点可分为三种：自然加宽碰撞加宽多普勒加宽。 8.谐振腔产生激光的判据：谐振腔对光的模式有选择作用。只有满足驻波条件，即半波长的整数倍等于谐振腔长的光波才能得到放大，不满足驻波条件的光波将很快衰减掉。谐振腔对光的频率，相位，偏振及传播方向有严格的选择，所以激光才有单色性，相干性，及方向性好的特点。9.谐振腔的稳定性及条件：（1）如果光线在光轴球的谐振腔内往返N次，而不溢出枪外，就稳定。（2）条件：?为实数，且不等于0或π时，为稳定；?有虚部时，为不稳定的腔；?=0或π时，临界腔。10.激光器的构成分为三部分：工作物质，激励源，光学谐振腔。 11.形成激光的必要条件：在外界条件作用下实现粒子反转，满足阈值条件12.弗朗和费单缝衍射的特点：（1）当狭缝宽度变窄时，衍射条纹将对称于中心亮点向两边扩展，条纹间距变大。（2）衍射图像的暗点等距分布在中心亮点之两侧，而个亮点可以近似的认为等距分布。（3）随着衍射级次的增加，亮条纹的光强迅速减低。 13.自发发射的系数的数学表达式;A21=dN21/n2dt 物理意义：A21是指处于高能级E2上的粒子在单位时间内由于自发发射为跃迁到低能级e1上的粒子占高能级粒子数的比例；或者处于高能级的粒子在单位时间内自发发射到低能级E1的几率。14.激光干涉仪将一束分为两束及其以上的方法：分波振面法，分振幅法，分偏振法。15.原子能级：分离的具有确定能量值的不同运动状态。基态：能量最低，只能吸收辐射。16.双频激光干涉仪工作原理：在氦氖激光器上，家还是那个一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应，激光器产生两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4拨片后称为两个互相垂直的线偏振光，再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后称为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又成为两路：一路成为仅含有f1的光束，另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时，含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2的光束。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后回合成测量光束。该光束和参考光束经过各自的转换元件输出成为仅含有f的脉冲信号。经可逆计算器计数后，由电子计算机进行换算即可得出可动反射镜的位移量。17.互补法：设有一衍射屏，其形成的衍射图样为E1，现由另一个衍射屏，它刚好与原始屏互补，即原始屏上透光部分在互补屏上恰恰相反为不透光部分，而原始屏上不透光部分在互补屏上却是透光部分，依对互补屏的透光部分进行积分，求的互补屏的衍射图样为E2。设无任何障碍物时光波场的图样或自由波场的振幅分布为E0，显然原始屏和互补屏形成的衍射场的复振
激光原理考试复习
一、选择题 1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E 2平均寿命τ的关系为（ B ） )D ( )C ( 1 )B ( )A (212212121e A N A A A τ ττ τ= == = 2．在一定温度下，自发辐射几率是受激辐射几率的（ B ）倍 8 )D ( 8 )C ( 8 )B ( 8 )A (3 2 3 3 3 33 c v c hv c hv c v ππππ 3．爱因斯坦系数A 21和B 21之间的关系为（ C ） 8 )D ( 8 )C ( 8 ) B ( )A (2 2 21 213 3 21 213 3 21 212 121 21c hv B A c hv B A Δv c v B A e g g B A kT hv πππ====- 4．自然增宽谱线为（ C ） 碰撞增宽谱线为（ C ） （A ） 高斯线型 （B ）抛物线型 （C ） 洛仑兹线型 （D ）双曲线型 5. 对称共焦腔在稳定图上的坐标为（ B ）平行平面腔在稳定图上的坐标为（ C ） 半共心腔在稳定图上的坐标为（ D ）对称共心腔在稳定图上的坐标为（ A ） （A ）（-1，-1） （B ） （0，0） （C ）（1，1） （D ）（0，1） 6．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 7．谐振腔的纵模间隔为（ B ） c L q v c L v L c v L c q v μμμμ2 )D ( 2 )C ( 2 )B ( 2 )A (=?= ?= ?=? 8．谐振腔的纵模共振频率为（ A ） c L q v c L v L c v L c q v q q q q μμμμ2 )D ( 2 )C ( 2 )B ( 2 )A (== = = 9．对称共焦腔基模光腰为（ A ） L L L L πλ ωλ πωλπ ωπ λω2 )D ( 2 )C ( 2 )B ( 2 )A (0000= = = = 10．对称共焦腔基模的远场发散角为（ C ） L L L L πλθπλ θλπ θπ λθ22 2 )D ( 22 2 )C ( 42 )B ( 2 )A (≈≈≈ ≈ 11．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 12．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲 调Q 激光器通常可获得（C ）量级短脉冲 fs )D ( ns )C ( μs )B ( ps )A ( 13.YAG 激光器是典型的（ C ）系统 红宝石激光器是典型的（ B ）系统 氦-氖激光器属于典型的（ C ）系统 （A ）二能级 （B ）三能级 （C ） 四能级 （D ）多能级 14．粒子数反转分布状态微观粒子满足（D ） （A ） 费米分布 （B ）高斯分布 （C ） 玻尔兹曼分布 （D ）负温度分布 15．CO 2谱线的多普勒增宽为53MHz ，中心频率所对应的谱线函数极大值为（ A ） Hz 101.7 )D ( 10Hz 1.7 )C ( Hz 101.7 )B ( s 101.7 )A (8 -8 -8 ???? 16．对同一种介质，小信号增益系数随（ B ）变化
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激光原理考试重点 第一章激光的基本原理 1.光子的波动属性包括什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包括什么？质量与频率的关系？ 答：光子的波动性包括频率，波矢，偏振等。粒子性包括能量，动量，质量等。 动量与波矢： 质量与频率： 2.概念：相格、光子简并度。 答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为，上述相空间体积元称为相格。 处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它具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 3.光的自发辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系 答：自发跃迁爱因斯坦系数：•受激吸收跃迁爱因斯坦系数：）。 受激辐射跃迁爱因斯坦系数：。 关系：；； 为能级的统计权重（简并度） 当时有 4.形成稳定激光输出的两个充分条件是起振和稳定振荡。形成激光的两个必要条件是粒子数反转分布和减少振荡模式数 5.激光器由哪几部分组成？简要说明各部分的功能。 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。6.自激振荡的条件？ 答：条件：其中为小信号增益系数：为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数C 7.简述激光的特点？ 答：单色性，相干性，方向性和高亮度。 8.激光器分类：固体液体气体半导体染料 第二章开放式光腔与高斯光束 1.开放式谐振腔按照光束几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔。 2.驻波条件，纵模频率间隔 答：驻波条件：应满足等式：式中，为均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后；为光在真空中的波长；为腔的光学长度；为正整数。 相长干涉时与的关系为：一或用频率 来表示：一. 纵模频率间隔：不同的q值相应于不同的纵模。腔的相邻两个纵模的频率之差 3.光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式什么？球面镜的对旁轴光线的变换矩阵？ 答：光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式 球面镜的对旁轴光线的变换矩阵：而-为焦 距。 4.稳定腔的稳定性条件？非稳腔的条件？会计算。典型的临界腔有哪些？ 答：共轴球面腔的稳定性条件： 当即或时为非稳定腔。或时为临界腔。 典型的临界腔有：平行平面腔、共心腔。 5.纵模与横模的物理意义. 横模：开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。 纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q
激光原理及应用名词解释大题知识点总结考试专用
第一章1、自发辐射：在没有外界影响时，它们会自发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为hu的光子，这种与外界影响无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。 2、受激辐射：如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hu=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用而跃迁到较低的能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。 3、自发辐射和受激辐射的区别：①自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光。②自发辐射跃迁几率就是自发辐射本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色辐射能量密度的乘积。③当受激辐射系数B21一定时，外来光的单色辐射能量密度越大，受激辐射几率越高。 4、受激吸收：处于低能级E1的原子受到一个外来光子的激励作用，完全吸收该光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，叫作受激吸收。 5、自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系：在光和大量原子系统的相互作用中，三者之间三种过程是同时发生的。A21n2dt+B21n2ρvdt=B12n1ρvdt（自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数） 6、自然增宽:在不受外界影响时，处于激发态的粒子会自发的向低能态跃迁。也就是说，在自发辐射发光过程中，能量不断衰减，电偶极子的正负中心不再做简谐振动，从而导致光谱线有一定的宽度，叫做自然增宽。(洛伦兹线型函数) 7、均匀增宽介质和非均匀增宽介质的区别:均匀增宽：(1)自然加宽（普遍存在，但在固体工作物质中可忽略）—源于不确定性原理(2)碰撞加宽（存在于气体工作物质中）—源于气体分子碰撞导致的上能级粒子寿命变化(3)晶格振动加宽（存在于固体工作物质中）—源于固体中激光工作粒子在晶格附近的热振动。非均匀增宽：(1)多普勒加宽（存在于气体工作物质中）——源于工作物质不断地运动而产生的多普勒频移(2)晶格缺陷加宽（存在于固体工作物质中）——源于固体加工时内部产生的晶格缺陷导致工作粒子所处状态不完全相同8、光谱线宽度:通常定义Δv=v2-v1,即相对光强为最大值的1/2处的频率间隔叫做光谱线的半(值)宽度，简称光谱线宽度。 9、碰撞增宽:是由于发光原子间的相互作用造成的，对于气体激光器而言，由于大量气体做无规则的热运动，他们之间会频繁地发生碰撞，结果是原来处于激发状态的原子有可能无辐射跃迁到其他能级，这也就相当于缩短了原子激发状态的寿命，使原子发光中断或光波相位发生突变，这种由于原子碰撞引起的增宽称为碰撞增宽。(洛伦兹线型函数) 10、多普勒增宽:在大量同类原子发光时，气体原子的热运动是无规则的，原子的运动速度各不相同，不同速度的原子所发出的光被接收时的频率也不同，因而引起谱线频率增宽。（高斯线型函数） 11、均匀增宽:光源中每个发光粒子由于某种物理因素的影响，使光谱线在原来的自然线宽基础上又加宽了，而中心频率保持不变，每一发光粒子对谱线加宽完全一样，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定粒子联系起来。 12、非均匀增宽:由于某些物理因素的影响，使得光源中某些发光粒子的中心频率发生变化，不同发光粒子因所处物理环境不同，造成中心频率的变化也不同，这样就会使各个发光粒子光谱线叠加而成的光源光谱线会加宽,光谱线的线型函数不再与单个粒子的光谱线线型函数相同，取决于各个发光粒子中心频率的分布，这种谱线加宽称为非均匀加宽。 13、非均匀加宽的特点:原子体系中不同发光粒子只对谱线内与其表现中心频率相应的部分有贡献。 14、非均匀加宽最典型的代表就是气体激光器中的多普勒增宽。 15、激光产生必须具备的三个条件:①有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子(原子、分子、离子)有适合于产生受激辐射的能级结构②有外界激励源，将下能级的
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1?激光原理（概念，产生）：激光的意想、是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放人”，它包含了激光产生的由来。刺激、激发，散发、发射，辐射 2?激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好： 3?激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。丄作在红外和町见光波段的雷达称为激光雷达。 4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硕目标。软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硕FI标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。 软目标的回波机制： （1）Mie散射是一种散射粒了的氏径与入射激光波长相当或比之更人的一种散射机制。M ie 散射的散射光波长与入射光波氏相当，散射时光与物质Z间没冇能量交换发生。因此是一种弹性散射。 （2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而散射粒了远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。 （3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，英最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或煎波方向的移动。而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。 （4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级Z间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。 （5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原了分了的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。 硬冃标的冋波机制：激光与由宏观实体构成的硕冃标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一?部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。硕冃标对激光能量的反射机制最为重耍。 硬目标冋波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射 1?机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空I'可姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用丁?确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所冇部分Z间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分纽成。另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等 2?机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地而点三维处标的数学本质是：对一空间向虽，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向虽起点的空间坐标，则该向量的另一端点的坐标可唯一确定 3?机载激光雷达测量作业生产流程：主要包括航摄准备、航摄数据采集、数据预处理、数据后处理等环节。 4.机载LiDAR技术相关术语： 点云:LiDAR获取的是离散的三维坐标数据，数虽多在空间分布毫无规律，人们形象称Z为点云。瞬时视场角：机载LiDAR系统通过发射和接收激光脉冲的信号实现测距，每朿激光脉冲与发射器法线方向都不一致，因而视场角大小不同；瞬时视场角指的是每次激光脉冲的视场角。多次冋波：同一激光脉冲可以有多次反射信号。 脉冲频率：激光脉冲的频率（每秒出现的次数） 扫描频率：以线扫描系统为例，指扫描镜从一端旋转到另一端所用吋间的倒数。 激光脚点：单个激光脉冲在地面的反射区域。 滤波分类（Classification）：对点云数据屮不同类型的点的属性按一定的规则进行划分，形成
激光原理与技术各章重点(基本补全)
激光原理与技术期末总复习 第1章 1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布) 2.激光产生的充分条件(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) 3.饱和光强 定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强 4.谱线加宽的分类: 均匀加宽和非均匀加宽 两种加宽的本质区别？ 5激光器泵谱技术的分类: 直接泵谱 缺点：首先从基态E1到激光上能级E3往往缺乏有效途径，即B13（对光泵浦）或σ13（对粒子泵浦）太小，难以产生足够的增益；其次即使存在E1 E3的有效途径，但同一过程可能存在由E1到激光下能级E2的有效途径，结果是W12/W13太大难以形成粒子反转分布。这些缺点是直接泵浦方式对很多激光器来说是不适用的。 间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式) 间接泵谱的优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而，Ei 上很容易积累大量的粒子；其次，在有些情况下，将粒子从基态激发到Ei 的几率要比激发到Eu 的几率大得多，这就降低了对泵浦的要求；最后，依据选择定则，可以使Ei 向Eu 的弛豫过程比Ei 向激光下能级Ei 的弛豫过程快得多 6..频率牵引 有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率 7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？ 8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？ 9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度) 10. 证明光谱线型函数满足归一化条件 证明: ⎰⎰⎰+∞∞-+∞∞-+∞∞-====1)()()(ννννννd g I d Ig d I I 则 11.激光器的输出特性。（43页） ？？？ 第2章 1.光学谐振腔的分类和作用 分类：能否忽略侧面边界，可将其分为开腔，闭腔以及气体波导腔 按照腔镜的形状和结构，可分为球面腔和非球面腔 是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面，可以分为简单腔和符合腔 u u u u S h A c h I τσντνπν1122 8==)211(2121111τττπν++++=∆∑ ∑u j j i ui H A A N D M T Mc kT 072/12 0)1016.7(])2(ln 2[2ννν-⨯==∆⎰ +∞∞ -=1)(ννd g
激光原理与技术期末总复习
激光原理与技术期末总复习 激光原理与技术期末总复习 考试题型 一. 填空题（20分） 二.选择题（30分） 三.作图和简答题（30分） 四.计算题（20分） 第一章辐射理论概要与激光产生的条件 1、激光与普通光源相比较的三个主要特点：方向性好，相干性好和亮度高 2、光速、频率和波长三者之间的关系： 线偏振光：如果光矢量始终只沿一个固定方向振动。 3、波面——相位相同的空间各点构成的面 4、平波面——波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。 5、单色平波面——具有单一频率的平面波。 6、ε= h v v —光的频率 h —普朗克常数 7、原子的能级和简并度 （1）四个量子数：主量子数n、辅量子数l、磁量子数m和自旋磁量子数ms。 （2）电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态不同。 （3）电子能级：电子在原子系统中运动时，可以处在一系列不同的壳层状态活不同的轨道状态，电子在一系列确定的分立状态运动时，相 应地有一系列分立的不连续的能量值，这些能量通常叫做电子的能 级，依次用E1，E2,…..En表示。 基态：原子处于最低的能级状态成为基态。 激发态：能量高于基态的其他能级状态成为激发态。
（4）简并能级：两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫做简并能级。 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫做简并 度，用g表示。 8、热平衡状态下，原子数按能级分布服从波耳兹曼定律 （1）处在基态的原子数最多，处于越高的激发能级的原子数越少； （2）能级越高原子数越少，能级越低原子数越多； （3）能级之间的能量间隔很小，粒子数基本相同。 9、跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程 （1.）辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象 ①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2－E1而由高能级跃迁至低能级; ②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁至高能级. （2）非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量 10、光和物质相互作用的三种基本过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收 （要求会画图，会说原理过程） （1）普通光源中自发辐射起主要作用 （2）激光器工作中受激辐射起主要作用 （3）自发辐射、受激辐射和受激吸收的定义 （4）三者之间的关系： 自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数11、光谱线增宽 （1）光谱线的半宽度即光谱线宽度：相对光为最大值的1/2处的频率间隔（2）三种谱线增宽：自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽自然增宽：粒子的衰减
《激光原理》期末复习试题2套含答案(大学期末复习资料)
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< 第一章 1 、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2 、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个根本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或者接近可见光的围，波长为0.3~30μm,其相应频率为 10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< d、ΔS=0，即跃迁时 S 不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11 、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的普通规律。 12、因发射或者吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13 、光与物质的相互作用有三种不同的根本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15 、与外界无关的、自发发展的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16 、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、惟独外来光子的能量 hv=E2-E1 时，才干引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性彻底一样〔频率一样，相位一样，偏振方向一样，传播方向一样〕。 18、受激辐射光子与入射〔鼓励〕光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有一样的频率、相位、波矢〔传播方向〕和偏振，是相干的。 19、自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几 激光原理考研真题及答案解析 近些年来，激光技术在各个领域的应用越来越广泛，因此对激光原理的理解和掌握成为很多学术考试的重点。本文将对激光原理考研真题进行分析，并对答案进行解析，希望能够帮助考生更好地理解和掌握激光原理。 【第一题】激光的产生过程中，以下描述正确的是？ A. 激光的产生是因为物质在受激辐射的作用下产生的 B. 激光是一种单色、相干、聚束的光 C. 激光的产生需要外界的能量输入 D. 激光的产生是由于物体表面的反射造成的 【解析】正确答案是B。激光的产生是因为物质在受激辐射的作用下产生的，这是错误的。激光是一种单色、相干、聚束的光，这是激光的基本特性。激光的产生并不需要外界的能量输入，因此C也是错误的。D选项是错误的，激光的产生并不是由于物体表面的反射造成的。 【第二题】激光的特点不包括以下哪一项？ A. 激光具有单色性 B. 激光具有高亮度 C. 激光具有高时空相干性 D. 激光具有高频率 【解析】正确答案是D。激光的特点中，并不包括高频率。激光 具有单色性，即具有很窄的频谱宽度，因此可以产生非常纯净的颜色。激光具有高亮度，这是因为激光具有非常高的能量密度。激光具有高 时空相干性，即在时间和空间上的波动性非常强。 【第三题】以下关于激光的应用描述正确的是？ A. 激光器可以用来进行医疗手术 B. 激光可以用于切割和焊接材料 C. 激光可以用来进行物体的三维扫描 D. 激光可以用来进行图像的显示 【解析】正确答案是A、B、C。激光器可以用来进行医疗手术， 这是因为激光具有高聚焦性和高能量密度，可以实现对细胞和组织的 精确操作。激光可以用于切割和焊接材料，这是因为激光具有高亮度 和高时空相干性，可以实现对材料的精确处理。激光可以用来进行物 体的三维扫描，这是因为激光可以通过测量物体与激光的反射时间来 获取物体的形状和表面特征。激光并不适用于图像的显示，这是因为 激光是单色的，无法产生丰富多彩的图像。 【第四题】以下关于激光的安全性描述正确的是？ A. 激光对人体的损伤主要是由光热效应引起的 1.激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。刺激、激发，散发、发射，辐射 2.激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好： 3.激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。 4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硬目标。软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硬目标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。 软目标的回波机制： （1）Mie散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。因此是一种弹性散射。 （2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。 （3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。 （4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。 （5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。 硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。硬目标对激光能量的反射机制最为重要。 硬目标回波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射 1.机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等 2.机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地面点三维坐标的数学本质是：对一空间向量，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向量起点 激光原理及应用[陈家璧主编] 一、填空题（20分，每空1分） 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。 2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误!未找到引用源。），其值越大，则衍射损耗（愈小）。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误!未找到引用源。）。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。 7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。 8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。 9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误!未找到引用源。）S，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。 二、简答题（四题共20分，每题5分） 1、什么是自再现？什么是自再现模？ 开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？ 4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。 三、推导、证明题（四题共40分，每题10分） 《激光原理》考试大纲 一、基本要求 掌握激光器基本结构，掌握激光原理中的基本概念、原理、计算，了解相关激光技术和几种典型激光器特点。 二、考试范围 〉激光的基本原理 1．光波模式的概念。 2．理解自发辐射、受激辐射、受激吸收三个过程；三个爱因斯坦系数、跃迁几率的含义。 3．理解集居数反转。 4．激光器三个必要条件。 5．激光的特性。 〉开放式光腔与高斯光束 .横模与纵模的概念。 .识别横模图样及表示方法。 .纵模频率间隔的计算。 .无源谐振腔的值的定义。 .腔镜反射不完全引起的损耗如何计算。 .腔的菲涅耳数的概念，它与腔的衍射损耗的关系。 ．共轴球面腔的稳定性条件。 .一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价关系。 .稳定球面腔基模高斯光束主要参量的含义及计算:束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小，任意位置激光光斑的大小，等相位面曲率半径，光束的远场发散角，共焦参量。 .了解基模高斯光束振幅的分布规律，等相面在空间的分布规律。 ．模体积的基本概念。 .高斯光束参数的含义及表达式，参数与光斑半径和等相面曲率半径的关系。 .高斯光束参数的变换所遵循的规律，利用法则分析高斯光束的传输和变换问题。（仅要求在自由空间的变换和经过透镜的变换） ．会计算高斯光束经过透镜变换前后的束腰大小及位置及任意位置光斑的大小。．理解高斯光束的聚焦和准直的含义，理解单透镜焦距以及束腰到透镜距离对高斯光束的聚焦与准直效果的影响。 ．了解构成非稳定腔的条件及其特点。 （注：计算题仅限于双反射镜开腔，对环形腔不做要求） 〉谱线加宽和线型函数 1．什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们各有什么特点？ 2．线宽和线型函数的概念。 3．了解均匀加宽和非均匀加宽的概念。掌握洛仑兹线型公式。 4．理解自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的形成机理。掌握它们各自的线宽的计算。 5．会计算多普勒加宽的表观中心频率和表观中心波长。 6．了解吸收截面、发射截面的概念。 7．理解单模振荡速率方程组中各项的含义。根据激光三能级和四能级系统图，应能写出相应的速率方程组。 8．了解无辐射跃迁的量子效率、荧光效率和总量子效率的含义。 9．了解增益系数的定义。了解大信号增益与小信号增益的关系。 ．了解增益曲线的带宽的定义。 ．了解均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理和现象。 ．在均匀加宽和非均匀加宽情况下，只有一束光入射时增益饱和现象是怎样的？ 一束强光和一束弱光同时入射时，弱光的增益饱和现象是怎样的？ ．理解非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”的原理。烧孔位置如何计算？光在谐振腔内往返传播时烧孔的位置如何计算。 〉激光振荡特性 ．会计算均匀加宽激光器单横模情况下的起振纵模数。 ．掌握阈值增益系数、阈值反转集居数密度的定义及表达式。 ．了解阈值泵浦功率（能量）的概念（计算不要求）；三能级系统所需阈值能量与四能级系统所需阈值能量有什么不同？为什么？ ．了解模式竞争和空间烧孔的概念；理解模式竞争与空间烧孔对激光器输出模式的影响。 ．稳态时激光器的大信号增益系数有何特点？ ．了解兰姆凹陷及其形成的原因。 〉激光器特性的控制与改善 对了课本两遍，基本覆盖所有考点，部分小四字体重在辅助理解。有填空、名词解释、计算、简答。计算题四个中出三个。↖(^ω^)↗ 第一章 1、光的基本性质：波粒二象性；波动性（电磁波），粒子性（光子流）。 2、光与物质的相互作用有：自发辐射、受激辐射、受激吸收。普通光源中（自发辐射）占主要；激光器中（受激辐射）占主要。 3、简答：自发辐射、受激辐射、受激吸收之间关系： A21n2dt+B21n2ρv dt=B12n1ρv dt 在光和大量原子系统的相互作用中，三者是同时发生的。在单位体积中，在dt时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数，应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。 4、光谱的（线型）和（宽度）与光的（时间相干性）直接相关。自然增宽的线型函数：f N(v)=A/(4π2(v-v0)2+(1/2τ)2) f N(v)表示在频率v附近单位频率间隔的相对光强随频率的分布。A为比例常数。所得谱线的自然增宽是因为作为电偶极子看待的原子做衰减振动而造成的谱线增宽。 5、（名词解释）光的多普勒效应：随着光源和接收器的相对运动而发生光源的频率发生改变（频移）称为多普勒效应。运动对向接受体频率增高，背向接受体频率降低。 6、（名词解释）均匀增宽与非均匀增宽： 均匀增宽：自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，而且这个贡献对每个原子都是等同的，这种增宽为均匀增宽。 非均匀增宽：不同粒子对谱线不同频率部分的贡献不同, 即可分辨谱线线型哪一频带是由哪些特定粒子发射的(∵热运动速度矢量相同的粒子引起的频移相同) 7、（简答）实现光的放大的条件： 1）需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽送到高能级上去； 2）需要合适的发光介质（激光工作物质），它能在激励能源的作用下形成n2/g2>n1/g1的粒子数密度反成分布状态。 8、（简答）产生激光的条件： 1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； 2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转； 3）有光学谐振腔，增长激光介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 9、计算：已知氢原子第一激发态E2与基态E1之间能量差为1.64*10-18J,火焰(T=2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g1=g2，求：（1）能级E2上的原子数n2为多少；（2）设火源中每秒发射的光子数为108n2，求光的功率为多少瓦。 激光原理课程考试题 题号一二三四五六七总分复核人得分30 70 100 评卷人 一、填空题：（30分） 1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值高。 3. 红宝石激光器属于 3 能级激光器。He-Ne激光器属于4 能级激光器。 4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和相干性好。 5. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为阈值增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等。 6. 激光器的基本组成部分激活物质、激光谐振腔、泵浦源。激光产生条件：1.有提供放大作用的增益介质为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构；2.体育外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3.有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射的能级结构。其中光学谐振腔的作用为：提高光的方向性、加长光在增益介质中行进的路径以提高光能密度、形成共振产生的模提高相干性（或者填模式选择、提高轴向光波模的反馈）。 7. 调Q技术产生激光脉冲主要有锁模、调Q 两种方法，调Q激光器通常可获得ns 量级短脉冲，锁模有主动锁模和被动锁模两种锁模方式。 8.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。 9.具有合适的能级结构和跃迁特性（或者填亚稳态）的原子结构，才能实现粒子数反转。 10.产生激光的工作物质包括（激活离子）和（基质）。 11.引起谱线增宽的原因主要有三种，即自然展宽、碰撞展宽、多普勒展宽；它们可分为两大类，分别是均匀展宽、非均匀展宽。 12.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。 13.爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是：自发辐射、受激 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A2 １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2121211 sp 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 121211 st 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。(3)受激辐射跃迁几率21212 1 st dn W dt n ⎛⎫= ⎪⎝⎭,表示在 辐射场作用下，单位时间从高能级跃迁至低能级的原子数与高能级原子数的比例。 18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。 19请描述空间烧孔效应的物理过程。 答：当频率一定的纵模在腔内形成稳定振荡事产生一个驻波场。波腹处光强最大,波节处光强最小,消耗反转粒子数后,波腹处光强最小而波节处光强最大,则形成了空间烧孔。可见空间烧孔的形成过程由驻波腔和粒子空间转移慢引起的。 20光学谐振腔中会有横模和纵模,通常表示为mnp TEM 。请问它的角标中m n p ，，激光原理考试基本概念
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