激光课程复习（学生用）

1、第一部分 知识点 1.自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系 2.激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。 3.什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？ 4.如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？如何理解激光的空间相干性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？ 5.EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN关系？ .产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？ .什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？ .如何定

2、义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？ .什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？ 10.如何理解激光横模、纵模？ 11.描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？ 12.如何计算纵模的频率、纵模间隔？ 13.如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？ 14.写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射 15.什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 16.什么是自再现模，自再现模是如何形成的？ 17.基模高斯光束的主要参量：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

3、的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积 18.如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征 19.高斯光束的特征参数？q参数的定义？ 20.非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。 21.什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？ 23.自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？ 24.光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。 25.画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。建立相

4、应能级系统的速率方程。 26.说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。 27.描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明它们的原理。 28.连续和脉冲激光器工作的阈值条件，输出功率或能量，输出光波的波形（讨论驰豫脉冲形成的过程），分析激光器内的模式竞争过程。 29.解释模式竞争效应和横模及纵模的空间烧孔效应。 30.说明兰姆凹陷的形成过程。 31.激光谱线的线宽极限 32.激光器的频率牵引效应33.如何对激光的特性进行控制和改善，常见的有那些方法？34.如何选择横模或纵模，分别有哪些方法35.说明稳频的原理及常见的稳频方法36.分析调Q的原理、方法及目的37.注入锁定的目

5、的如何，怎样实现的38.锁模的目的和方法39.常见激光放大器的种类及工作特点.（请大家化一点时间自学第五章的内容）40.He-Ne、Nd-YAG、红宝石、钛宝石、N2激光器等的发光物质，激光波长及激励方法和特点。第二部分 复习题一单项选择1自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命的关系为 （ ） A. B. C. D. /e2爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为 （ ） A. B. C. D. 3自然增宽谱线为 （ ）（A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4.某谱线的均匀加宽为10MHz，中心频率所对应的谱线函数的极大值为（） （A）0.1s (B)10-7Hz (C)

6、0.1s (D)107Hz5、多普勒加宽发生在介质中。 （ ）（A）固体 (B)液体 (C)气体(D)等离子体6.多普勒加宽谱线中心的光谱线取值为 （ ）（A）(B)(C)(D)7.腔长为0.5米,=1.5,纵模间隔为 ( ) （A）8105.1HZ （B）8102HZ （C）8103H Z （D）8104HZ8.某谱线的均匀加宽为10MHz，中心频率所对应的谱线函数的极大值为。 （ ）（A）0.1s (B) 10-7Hz (C) 0.1s (D) 107Hz 9对称共焦腔在稳定图上的坐标为 （ ）（A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1）10半共心腔在稳定图上的坐标

7、为 （ ）（A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1）11今有一球面腔R1=2m, R2= -1m, L=0.8m. 该腔为。（A）稳定腔 （B）非稳定腔 （C）临界腔 （D）不能确定12一平凹腔,其凹面镜的半径R等于腔长L,它是 ( ) （A）稳定腔（B）临界腔（C）非稳腔13.一腔长为60cm的对称稳定腔，反射镜的取值范围 （ ）A、cm B、C、cm D、cm13如选取透镜的两个焦平面作为入射面和出射面，透镜焦距为f，该光学系统的传输矩阵为（）（A）（B）（C）（D）14.激光器一般工作在状态（）(A)阈值附近(B)小信号 (C)大信号 (D)任何状态15阈值条件

8、是形成激光的 （ ）（A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定16.对同一种介质，小信号增益系数随而变。（）(A)谱线宽度 (B)激发功率 (C)粒子数密度(D)自发辐射几率17.三能级系统激光器，至少要把总粒子数的 抽运到激光上能级，才能实现激光振荡。 (A)1/2 (B)1/3 (C)1/4 (D)1/1018谐振腔的纵模间隔为 （B ） A. B. C. D. 19对称共焦腔基模的远场发散角为 （ ） A. B. C. D. 20.共焦腔基模光腰为 （ ）（A） (B) (C) (D)21谐振腔的品质因数Q衡量腔的 （ ）（A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D

9、）抗干扰性22锁模激光器通常可获得（ ）量级短脉冲 A. Ps B. C. ns D. fs23YAG激光器是典型的（ ）系统（A）二能级 （B）三能级 （C）四能级 （D）多能级24.在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm，等于W。（A）110-6(B)110-3(C)30(D)-3025.在粒子数反转分布状态下，微观粒子满足 (A)费米分布 ( B)高斯分布 (C)波尔兹曼分布 (D)负温度分布26.激光器的谐振腔具有选模功能，与纵模选择有关的量是 （ ）A、工作物质的折射率 B、改变腔长C、腔镜的衍射损耗 D、谐振腔内的气压27.下列说法中错误的是 （ ）A、高斯光束是球面

10、光波B、高斯光束波面振幅分布是不均匀的，振幅具有高斯分布C、高斯光束的波面具有不同的曲率中心D、高斯光束只限于微小的空间方向输出光束28.下列说法中正确的是 （ ）A、高斯光束中腰斑的光斑最小，光斑大小为零B、高斯光束基模光斑半径随按双曲线变化C、高斯光束的等相位面是同心球面D、高斯光束的相位面是平面29对于均匀增宽介质，中心频率处小信号增益系数为G0()，当I=时，饱和显著，非小信号中心频率增益系数为：（ ）（A）G0() （B） （C） （D）二识图(a) (b)图.如图为激光器输出的横模图，用微波中标志模式的符号标记。 图.如图是增益饱和曲线图，能说出分别表示什么介质，图中曲线所表示的物

11、理意义.图，是一个四能级图，能说出各箭头所表示的物理意义，并写出速率方程。4.画出电光调Q激光器原理图，说明电光调Q基本原理？答.电光晶体两端加一定电压，使沿x方向的偏振光通过电光晶体后，沿x轴两方向偏振光的位相差为p/2，电光晶体相当于1/4波片，光束两次通过电光晶体时，偏振方向旋转90，偏振方向与偏振片检偏方向垂直，光束无法通过检偏片，腔内损耗高，激光无法振荡;突然撤除电压后，损耗迅速下降，上能级反转粒子数迅速转化为激光脉冲输出。三填空题1.光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从统计分布。2.一束光通过长度为1m的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物

12、质的增益系数为。3.设某固体激光器谐振腔长50cm，固体激光介质棒长30cm，其折射率为1.6，其本征纵模的频率间隔为。4.设某激光器谐振腔长50cm，反射镜面半径为2cm，光波波长为400nm，则此腔的菲涅耳数为。5.激光器中谐振腔的作用是 。.小信号情况下，反转粒子数及增益系数与 无关，与泵浦几率成正比。增益系数与入射光的频率有关。7.任何一个共焦腔与 等价,而任何一个满足稳定条件的球面腔 地等价于一个共焦腔。8.光子简并度指光子处于 、 、 、 。9激光器的基本结构包括三部分，即 、 和 。10影响腔内电磁场能量分布的因素有 、 、 。11有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MH的范围

13、内所包含的纵模个数为 个。12目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是 、 、 和 。13.CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用 ，氦气的作用的是 。14.粒子数反转分布状态微观粒子满足 。15. 碰撞增宽谱线为 。自然加宽是 引起的。多普勒展宽发生在气体介质中。15. He-Ne激光器和CO2激光器上能级的寿命分别是108s和10-4s，求两激光器的自然线宽。两激光器在中心频率处的线型函数。16. 平行平面腔在稳定图上的坐标为（ , ）。对称共心腔在稳定图上的坐标为（ , ）。半共焦腔在稳定图上的坐标为（ ， ）（ ， ）。17. 谐振腔的

14、品质因数Q是用来衡量 能力。阈值条件是形成激光的 条件。18. 光子简并度指光子处于一个光子态的平均光子数、处于同一模式的光子数、相干体积内偏振一样的光子数、处于同一相格中的偏振一样的光子数。19. 腔模经一次往返再现后保持原来的稳态场分布称为自再现模。20. HeNe激光器是一个四能级系统，由于 ，因此所需的激励能量比三能级系统小得多，所以产生激光比三能级系统容易得多。四简答题1. 激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线型。答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。非均匀加

15、宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。3.激光器的基本组成部分 、 、 。（1）. 合适的激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级。(2).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).光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，以提高光能密度；控制光

16、束的传播方向，提高光的方向性；选择被放大的受激辐射的模式，形成共振产生的模提高相干性。（或者填选择、提高轴向光波模的反馈）5什么是对称共焦腔,计算对称共焦腔g参数答:对成共焦腔:R1=R2=L对成共焦腔g参数6.为什么一般来说均匀增宽的稳态激光器的输出通常是单纵模的，而非均匀增宽的稳态激光器输出通常是多个纵模？ 答：（1）对于均匀增宽型介质激光器来说，每个发光粒子对形成整个谱线都有贡献。当强度很大的光通过时，它会造成整个增益曲线按同一比例下降，通过增益的饱和效应模式之间会造成谱线竞争，最终只剩下与中心频率靠的很近的那个模式，所以是单纵模的。（2）对于非均匀增宽型介质激光器来说，某一个纵模的光强

17、增强时，增益的饱和效应并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处烧一个孔，所以如果有多个纵模的小信号增益都大于阈值都大于阈值的话，这些纵模都可以建立起自己的振荡，所以非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模。五计算题：.某激光工作物质的自发辐射谱线形状呈三角形，如图所示。光子能量1.476eV。高能级自发辐射寿命5ns,小信号中心频率增益系数10cm-1求：（）中心频率线型函数值（）达到上述小信号中心频率增益系数所需要的小信号反转粒子数密度？2某激光器(l=9.0m)采用平凹腔，腔长L1m， 凹面镜曲率半径R2m。求：（1）它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰斑位置。 （2）它产生的基

18、模高斯光束的焦参数。 （3）它产生的基模高斯光束的远场发散角。 3.谐振腔长L=1m,两反射镜的反射率分别为和，其他损耗不计，分别求:光在腔内往返m=2m周后的光强； 时的光强是初始光强的倍数；谐振腔的寿命。4.99,第题。5由两个凹面镜组成的球面腔，凹面镜的曲率半径分别为2m、3m，腔长为1m。激光波长600nm。（1）求出等价共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置，用图表示。（2）求出距左侧凹面镜向右3.333米处的束腰大小w及波面曲率半径R；6氦氖激光器中Ne20能级2S2-2P4的谱线为1.1523m。这条谱线的自发辐射几率A为6.54106s-1秒, 放电管气压P260帕; 碰撞系数700KHz/帕; 激光温度T = 400K; M =112; 试求: (1