激光原理-概念复习

CH1

1、光子的概念及特点。

2、概述光和物质相互作用的三个过程。画出其作用示意图，并且对比自发辐射和受激辐射的特点。（30. 光与物质的相互作用有哪几种基本过程？分别解释它们的具体表现。）

3、由跃迁概率导出爱因斯坦系数关系。

4、光放大的概念、实现光放大的条件（集居粒子数反转）。 5、增益饱和现象及其物理机制

（当外界光场强度增加，介质增益系数下降；大量消耗反转粒子数导致增益系数下降直至损耗系数）

6、简述自激振荡形成的过程。激光器振荡的条件（P18）。 7、增益系数的定义式及意义。 8、激光器的特点。（激光与普通光源的区别是什么？激光具有什么特性？试列举激光的某一个特性在工业或其他领域中的应用。

答：激光的相干性。由于激光是一种受激辐射光。因此具有单色性、方向性、相干性和高强度这四个特性。如氦氖激光器具有很好的方向性，可以在工业中用于准直；二氧化碳激光器具有很好的强度，可以用于金属材料的切割、焊接、打孔等。） CH2

1、激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分的作用。 激光工作物质，激励能源（泵浦）和光学谐振腔。

2、试列举三种激光振荡腔模式的分析方法，讨论这些分析方法的特点和应用范围。

答：激光振荡腔模式分析方法有几何光学理论、波动光学理论和费聂耳-基尔霍夫衍射积分方程等三种理论。

透镜波导可以认为是几何光学理论中的一种；波动方程理论主要是从麦克斯韦方程出发，结合光学谐振腔的具体特性。采取适当的近似，从而达到对腔模的振幅分布、相位分布、谢振频率和衍射损耗等。但是只有对称共焦腔才能求解出衍射积分方程的近似解析解。但是，通过建立一般稳定球面腔与对称共焦腔之间的等价性。可以将对称共焦腔模式解析理论结果推广到一般的稳定球面腔。 3、开腔的概念、模式的基本特征、开腔的谐振条件。 光腔的损耗。

27.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性。 4、自再现模的起因及特点 CH4

1. 根据引起谱线增宽的原因不同以及谱线增宽的特点不同，分别描述谱线增宽的类型及物理机制、

2、讨论均匀加宽和非均匀加宽的区别。加宽激活介质的增益饱和效应。 3、描述线型函数的定义及其归一化条件。谱线宽度的概念。

4、画出（红宝石、YAG）三、四能级系统的能级图并标出主要的跃迁过程；并且写出速率方程组。 5、什么是烧孔效应？

CH5

1、简述在均匀加宽激光器中的自选模过程和非均匀加宽激光器的多纵模振荡。 2、简要说明三能级和四能级系统在实现粒子数反转过程中的特点。 为什么二能级不能产生激光 3、什么是兰姆凹陷？ CH7

1. 简述稳频的方法、调Q原理、锁模技术的原理，

2. 简述激光产生的条件、激光器的组成（三个部分）及各组成部分的作用

3激光器的激励方式有哪些？固体、气体、染料激光器。。。为什么采取各自不同的激励方式？激活介质、特征谱线。

4. 什么是谱线竞争？He-Ne、CO2、Ar+激光器中的主要竞争谱线有哪些？怎样保证单谱线工作？

5. 比较YAG、红宝石两种工作物质的特性。说明为什么YAG可以连续工作，而在室温下，红宝石激光器只能工作于脉冲状态？

6 为什么连续激光器能够连续稳定地输出激光？ 答：当连续激光器的小信号增益系数G0大于损耗时，腔内的光强能够不断增加，并不断的消耗反转粒子数，此时增益系数G将随着光强的增加下降，由于增益饱和，最终增益系数G将与损耗相等，此时光强不再增加，并维持在此最大值，连续稳定的输出。

7试述增益饱和的物理机制，并说明其在连续稳定产生的激光器中的作用。

8.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。

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者吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或者吸收别的原子传给它的能量。

9.试采用两个全反镜，构成PTM电光调Q激光器，说明其调Q过程。Q脉冲的偏振方向和脉冲宽度的近似值。

答：上图所示的是一种带有起偏器P1和检偏器P2的PTM式调Q激光器。而且P1//P2，M1，M2为全反射镜。而且M2置于P2偏振棱镜界面反射偏振光的光路上，当电光晶体上不加电压时，激光工作物质在光泵的激励下，上能级反转粒子数密度逐渐增加，工作物质的开始的自发辐射光可顺利通过P1，P2，但输出端无反射镜，腔的Q值很低，故不能形成激光振荡，当工作物质储能达到最大值时，在电光晶体上加上半波电压，此时通过P1的线偏振光通过晶体后偏振面将要旋转90度，因此，不能通过偏振棱镜P2，但可通过棱镜的界面反射到全反射镜M2上，这样，由两个全反射镜构成的谐振腔损耗很低，Q值突增，激光振荡迅速形成，当腔内激光振荡的光子密度达到最大值时，迅速撤去晶体上的电压，

光路又恢复到加电压之前的状态，于是腔内存储的最大光能量瞬间透过棱镜P2而耦合输出，这就是PTM或Q开关的工作过程。 Q脉冲的偏振方向是平行于纸平面的。

脉冲宽度的近似值是2L/C，L为谐振腔的光学长度，C为光速。

16. 半导体激光器实现光放大及粒子数反转的条件是什么？

1. 光的基本属性是 ，光粒子性的典型现象有（）。 ，光波动性的典型现象有（）。

2. He-Ne激光器的工作气体是 ，辅助气体是 。（Ne原子，He原子；）.

4. 要形成稳定的激光输出还必须满足的充分条件为 ？和 ？ 。

5. 在激光器中，光学谐振腔的作用是：（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 6. 激光器的损耗分为 内部损耗和 镜面 损耗 两类。 7. 光和物质相互作用的三个过程分别为自发辐射，受激辐射，受激吸收。 9产生激光的必要条件是 和 。

10. 所谓高斯光束的准直，目的是：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。 11. 固体激光器的泵浦光源应当满足两个基本条件：①有很高的发光效率；②辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配。

12. 激光器的稳频可分为 稳频和 稳频两类。(主动，被动) 13. 红宝石激光器的中心波长分别为 (0.6943μm，0.6929μm；)

14. 全息图的拍摄基于光波的 ，全息图的再现基于光波的 。(干涉原理，衍射原理。)

16. 按照引起谱线增宽的原因不同，谱线增宽的类型可分为自然增宽，碰撞增宽，多普勒增宽；

17、激光谐振腔长为L=18cm,小信号增益系数为G＝10δ=0.02，则光往返1周以后，光强变为初始光强[]倍

18.激光器按其泵浦方式可分为连续激光器和脉冲激光器两大类。

19. 按照激励强弱程度的不同，工作物质可处于三种状态：弱激发状态，反转激发状态、超阈值激发状态。

20.一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽主要是晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。

21. 符号TEMmnq标记激光的模式，其中q为______________序数,m、n为__________序数。

0

－3

1/mm,单程损耗率为

22. 方形球面镜对称共焦腔所有谐振模式的等相位面曲率半径随其截轴Z0而变化，当Z0??L2时，R(Z0)= ，当Z0=0时，R(Z0)= 。

23. 均匀加宽激活介质稳态增益，小信号增益曲线增益饱和时，整个增益曲线____________________

，

但

___________________

和

______________________不变。

24. 谐振腔衍射理论实际上是建立在 积分基础上的。

25.气体激光器使用气体作为工作物质，激活粒子可以是原子、分子或离子等，如氦氖激光器的激活粒子为 ，二氧化碳激光器的激活粒子为 。开腔模的特征：

26.现有一二能级系统，由于自发辐射，在dt时间内由上能级E2向下能级E1跃迁了dn21个粒子，如果各量之间的关系记为dn21?A21n2dt，则式中A21称为 ，其物理意义为 。

27. 气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。由于气体激光器是利用气体原子、分子或离子的分离能级进行工作的，

28. 离子激光器是以气态离子的不同激发态之间的激发跃迁进行工作的气体激光器。Ar＋激光器的激活粒子是Ar＋，

29.工作在可见光和近红外区的气体激光器的频率稳定性主要取决于（谐振腔振荡频率）的稳定性。对共焦腔的TEM00q模来说，谐振频率的公式为（??q到抑制）

31.激光器单色性能Δλ/λ=10-8，波长6000A，则它的相干时间为（）。相干长度为（）。

32.CO2激光器发出的光子质量为（），动量为（）。（h=6.63×10-34J·S）（ 33.激光器腔长45cm，激光介质长度为30cm，折射率1.5，二反射镜的反射率分别为r1=1,r2=0.98,其它往返损耗率为0.02，则此腔的平均单程损耗率为（），无源腔寿命为（）。

34.如果某洛仑兹线性函数为g(?,?0)?该线性函数的线宽Δν=（）MHz。

35、8.用焦距为2cm，0.4m的二个透镜组成倒望远镜系统，对焦参数f=1m的高斯光束进行扩束准直。现将入射高斯光束的腰置於离透镜3m处，则扩束倍数为[] 36、已知对称双凹腔二镜面曲率半径R1=R2=34L，L为腔长, 则镜面光斑半径是腰

K(???0)?9?10212c2?L）。

30 .基横模选择的实质是（使TEM00模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡受

（s），则常数K=（）s-1，

斑半径的[]倍。

37. 在腔长L=1m的对称共焦腔中，所有等相位面曲率半径大小为1.25m的点坐标有[]

38.某激活介质的峰值发射截面为10

－14

m，谐振腔长L＝10cm，单程损耗率δ=

2

0.01。则阈值反转粒子数密度为[]。

39.静止中心频率为ν0的发光粒子,以0.2c的速度沿Z方向运动,为使同样沿Z方向传播的光波能与它发生共振作用,则此光波的频率应为[]。

40. 获得单纵模的三种主要方法有：1.短腔长法，缩短谐振腔长使纵模间隔大于增益曲线。2.色散腔法，在谐振腔内加入棱镜或光栅构成色散腔，使只有某一特定频率的纵模能够振荡。3.标准具法，在谐振腔内插入一参数合适的标准具，使只有单一纵模能通过标准具振荡。 41 共轴球面腔的稳定性条件是0???1?0??42. 小信号增益系数G是指_______________________________________,增益饱和效应是指___________________________________。

43. 纵模是 稳定分布，横模是 （ ）稳定分布。

44．圆形球面镜共焦腔自再现模积分方程精确解析解中的本征函数为 ，近似解中的本征函数为 。

45.光波长λ＝3.14μm的高斯光束在某点处q参数为q=1+2i(m),则此处的等相位面曲率半径R及光斑半径w分别为[]。 46.

47. 二氧化碳(CO2)激光器是以CO2气体分子作为工作物质的气体激光器。 21. 普通CO2激光器在工作时，影响输出功率的主要因素是它的放电特性和温度效应。

48. 方形球面镜共焦腔自再现模积分方程解的模表征腔镜面上光波场的 ，幅角表征腔镜面上光波场的

写出爱因斯坦系数

A21、B21、B12

间的关系

式 、 。

L??L????1???1 ??R1?R2???

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