激光原理考試重點(diǎn)

1、激光原理考試重點(diǎn)第一章激光的基本原理1. 光子的波動(dòng)屬性包括什么？動(dòng)量與波矢的關(guān) 系？光子的粒子屬性包括什么？質(zhì)量與頻率的 關(guān)系？答：光子的波動(dòng)性包括頻率，波矢，偏振等。 粒子性包括能量，動(dòng)量，質(zhì)量等。動(dòng)量與波矢：質(zhì)量與頻率：2. 概念：相格、光子簡(jiǎn)并度。答：在六維相空間中，一個(gè)光子態(tài)對(duì)應(yīng)的相空 間體積元為，上述相空間體積元稱為相格。處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡(jiǎn)并度，它 具有以下幾種相同含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模 式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)、處 于同一相格內(nèi)的光子數(shù)3. 光的自發(fā)輻射、受激輻射愛因斯坦系數(shù)的關(guān) 系答：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)：受激吸收躍遷 愛因斯坦系數(shù)：）。受激輻射躍遷

2、愛因斯坦系數(shù)：。關(guān)系：；為能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重（簡(jiǎn)并度）當(dāng)時(shí)有4. 形成穩(wěn)定激光輸出的兩個(gè)充分條件是起振和 穩(wěn)定振蕩。形成激光的兩個(gè)必要條件是粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式數(shù)5. 激光器由哪幾部分組成？簡(jiǎn)要說明各部分的 功能。答：激光工作物質(zhì)：用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn) 生光的受激發(fā)射作用的物質(zhì)體系。接收來自泵 浦源的能量，對(duì)外發(fā)射光波并能夠強(qiáng)烈發(fā)光的 活躍狀態(tài)，也稱為激活物質(zhì)。泵浦源：提供能量，實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)。光學(xué)諧振腔：a）提供軸向光波模的正反饋；b） 模式選擇，保證激光器單模振蕩，從而提高激 光器的相干性。6. 自激振蕩的條件？答：條件：其中為小信號(hào)增益系數(shù)：為包括放 大器損耗和諧振腔

3、損耗在內(nèi)的平均損耗系數(shù)C7. 簡(jiǎn)述激光的特點(diǎn)？答：?jiǎn)紊?，相干性，方向性和高亮度?. 激光器分類：固體液體氣體半導(dǎo)體染料第二章開放式光腔與高斯光束1. 開放式諧振腔按照光束幾何偏折損耗的高低， 可以分為穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔、臨界腔。2. 駐波條件，縱模頻率間隔答：駐波條件：應(yīng)滿足等式：式中，為均勻平 面波在腔內(nèi)往返一周時(shí)的相位滯后；為光在真 空中的波長(zhǎng)；為腔的光學(xué)長(zhǎng)度；為正整數(shù)。相長(zhǎng)干涉時(shí)與的關(guān)系為：一或用頻率來表示：一.縱模頻率間隔：不同的q值相應(yīng)于不同的縱模。 腔的相鄰兩個(gè)縱模的頻率之差3. 光線在自由空間中行進(jìn)距離L時(shí)所引起的坐 標(biāo)變換矩陣式什么？球面鏡的對(duì)旁軸光線的 變換矩陣？答：光線在自

4、由空間中行進(jìn)距離 L時(shí)所引起的 坐標(biāo)變換矩陣式球面鏡的對(duì)旁軸光線的變換矩陣：而 -為焦距。4. 穩(wěn)定腔的穩(wěn)定性條件？非穩(wěn)腔的條件？會(huì)計(jì)算。典型的臨界腔有哪些？答：共軸球面腔的穩(wěn)定性條件：當(dāng)即或時(shí)為非穩(wěn)定腔?；驎r(shí)為臨界腔。典型的臨界腔有：平行平面腔、共心腔。5. 縱模與橫模的物理意義.橫模：開腔鏡面上的經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)態(tài) 場(chǎng)分布稱為開腔的自再現(xiàn)模或橫模。縱模：在腔的橫截面內(nèi)場(chǎng)分布是均勻的，而沿 腔的軸線方向即縱向形成駐波，駐波的波節(jié)數(shù) 由q決定將這種由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向場(chǎng) 分布稱為縱模。6. 共焦腔模式特征（基模鏡面上的光斑尺寸， 束腰的大小、等相位面的曲率半徑、諧振頻率、 遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角）

5、。高斯球面波在其傳輸軸線附近 可近似看作是一種非均勻球面波。答：基模高斯光束的束腰半徑：基模鏡面上光斑半徑高斯光束的等相位面的曲率半徑：7. 任意一個(gè)共焦球面腔與無窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔 等價(jià)，任一穩(wěn)定腔唯一等價(jià)于某一個(gè)共焦腔， 這里的等價(jià)是指行波場(chǎng)相同。8. 高斯光束的q參數(shù)在自由空間中的傳輸規(guī)律? q參數(shù)通過薄透鏡的變換公式為9. 高斯光束束腰的變換公式10. 為了使高斯光束獲得良好聚焦，通常采用 的方法是什么？準(zhǔn)直的方法？聚焦：用短焦距透鏡使高斯光束腰斑遠(yuǎn)離 透鏡焦點(diǎn)，從而滿足條件，；取仁0,并設(shè)法滿足條件準(zhǔn)直：用一個(gè)短焦距的透鏡將高斯光束聚焦， 再用一個(gè)長(zhǎng)焦距的透鏡改善其方向性，就可以 獲得

6、很好的準(zhǔn)直效果利用望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直第三章電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用1. 均勻加寬的機(jī)制包括什么？非均勻加寬的機(jī) 制包括什么？均勻：自然加寬碰撞加寬晶格振動(dòng)加寬非：多普勒加寬晶格缺陷加寬2. 說明均勻加寬與非均勻加寬的區(qū)別。均勻加寬譜線介質(zhì)中各個(gè)發(fā)光粒子之間是 不可區(qū)分的，即每個(gè)粒子的自發(fā)輻射都具有相 同的線型函數(shù)、線寬和中心頻率。而對(duì)于非均 勻加寬譜線介質(zhì)則可以將發(fā)光粒子分類，即粒 子是可區(qū)分的；.對(duì)均勻加寬譜線，整個(gè)介 質(zhì)的線型和線寬與單個(gè)粒子相同，即每個(gè)發(fā)光 粒子都以整個(gè)線型發(fā)射。非均勻加寬譜線則不 然，某類粒子的譜線加寬線型及線寬并不等于 大量粒子集合。.均勻加寬譜線介質(zhì)中的每 個(gè)發(fā)光粒子對(duì)介

7、質(zhì)整體譜線內(nèi)的任一頻率都有 貢獻(xiàn)，而且對(duì)于某一給定的頻率，各個(gè)粒子的 貢獻(xiàn)都相同，因此，不能把介質(zhì)線型函數(shù)上的 某一特定頻率與介質(zhì)中的某類粒子建立聯(lián)系和 對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)非均勻加寬譜線介質(zhì)，介質(zhì)中的 某類發(fā)光粒子僅對(duì)光譜線范圍內(nèi)某一特定頻率 有貢獻(xiàn)，對(duì)其他頻率則無貢獻(xiàn)。因此，可以將 譜線線型函數(shù)上的某一特定頻率與介質(zhì)中的某 類粒子建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。.當(dāng)某一頻率的準(zhǔn)單 色光與介質(zhì)相互作用時(shí)，對(duì)均勻加寬介質(zhì)，入 射光場(chǎng)與介質(zhì)中的所有粒子發(fā)生完全相同的共 振相互作用，從而介質(zhì)中的每個(gè)工作粒子都具 有完全相同的受激躍遷幾率和極化強(qiáng)度。對(duì)非 均勻加寬介質(zhì)，入射場(chǎng)僅與表觀中心頻率與其 頻率相應(yīng)的某類粒子發(fā)生共振相

8、互作用并引起 這類粒子的受激躍遷，介質(zhì)中各粒子在外場(chǎng)作 用下所發(fā)生的極化情況也不相同。3. 對(duì)于氣體工作物質(zhì)，主要的加寬類型是由碰 撞引起的均勻加寬和多普勒加寬。 其線型函 數(shù)是什么？?jī)煞N加寬類型如何過渡？碰撞加寬：多普勒線性加寬：綜合加寬：當(dāng)時(shí)上述積分僅在附近很小范圍內(nèi) 有非0值，在此范圍內(nèi)有：就是說，這時(shí)綜合加寬近似于多普勒非均勻加 寬。當(dāng)時(shí)就是說，這時(shí)綜合加寬近似于均勻加寬。4. 能畫出三能級(jí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，說明每個(gè) 能級(jí)的意義。能列出四能級(jí)系統(tǒng)的速率方程組。 激光下能級(jí)：Ei激光上能級(jí)：E2抽運(yùn)高能級(jí)：E3粒子在這些能級(jí)之間躍遷過程：泵浦過程；W13轉(zhuǎn)移過程；S32、A31和S31粒

9、子數(shù)反轉(zhuǎn)形成移過程；Ai、S21 和W2i、W三能級(jí)系統(tǒng)的速率方程組：（四能級(jí)系統(tǒng)的速率方程組：）5. 均勻加寬中，入射光頻率偏離中心頻率越遠(yuǎn)， 增益系數(shù)的飽和作用越弱。當(dāng)入射光頻率等于 中心頻率時(shí)，增益系數(shù)的飽和作用最強(qiáng)。6. 非均加寬增益飽和現(xiàn)象與均加寬增益飽和現(xiàn) 象的主要區(qū)別？非均勻加寬工作物質(zhì)增益飽和效應(yīng)比較弱。在非均勻加寬情況中，增益飽和效 應(yīng)的強(qiáng)弱與線型中頻率位置無關(guān)。在均勻加寬 情況中，增益飽和效應(yīng)的強(qiáng)弱與線型中頻率位 置有關(guān)，偏離線型函數(shù)中心頻率越遠(yuǎn)，飽和效 應(yīng)越弱。非均勻加寬躍遷中具有燒孔效應(yīng)。第四章激光振蕩特性1. 閾值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度2. 腔內(nèi)光強(qiáng)能否無限增加下去？答：不行

10、。實(shí)踐證明，當(dāng)激發(fā)速率一定時(shí)，激光 器的輸出功率恒定；僅當(dāng)外界激發(fā)作用加強(qiáng)時(shí)， 輸出功率才上升，但會(huì)在一個(gè)新的水平上保持 恒定3. 概念：一般固體脈沖激光器所輸出的并不是 一個(gè)平滑的脈沖，而是一群寬度只有微秒量級(jí) 的“尖峰”序列，把這種現(xiàn)象稱作弛豫振蕩效 應(yīng)。激勵(lì)越強(qiáng)，則短脈沖之間的時(shí)間間隔越小4. 在有源腔中，由于增益物質(zhì)的色散，使縱模 頻率比無源腔縱模頻率更靠近中心頻率，這種 現(xiàn)象叫做頻率牽引。5. 對(duì)于有源腔，輸出功率越大，減少損耗和增 加腔長(zhǎng)可使線寬變窄.名詞解釋1. 光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)內(nèi)的光子數(shù)，與之 等效的含義還有：同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相 干體積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格

11、內(nèi)的光子數(shù)。2. 相格：測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表明：微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量 不能同時(shí)確定，在三維運(yùn)動(dòng)情況下，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 為，故在六維相空間中，一個(gè)光子態(tài)占有的相空 間體積為，上述相空間體積元稱為相格。3. 線型函數(shù)：引入譜線的線型函數(shù)，線型函數(shù)的單 位是S,括號(hào)中的表示線型函數(shù)的中心頻率，且 有，并在加減時(shí)下降至最大值的一半。按上式定 義的稱為譜線寬度。4. 多普勒加寬：多普勒加寬是由于做熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原 子所發(fā)出的輻射的多普勒頻移所引起的加寬。5. 縱模競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)：在均勻加寬激光器中，幾個(gè)滿足 閾值條件的縱模在震蕩過程中互相競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果總 是靠近中心頻率的一個(gè)縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩， 其他縱模都被抑制而熄滅的現(xiàn)

12、象。6. 諧振腔的Q值:無論是LC振蕩回路，還是光頻諧振腔，都采用品質(zhì)因數(shù)Q值來標(biāo)識(shí)腔的特性。定義。為儲(chǔ)存在腔內(nèi)的總能量，p為單位時(shí)間內(nèi)損耗的總能量。為腔內(nèi)電磁場(chǎng)的振蕩頻率。7. 蘭姆凹陷：?jiǎn)文］敵龉β?P與單模頻率的關(guān)系曲 線，在單模頻率等于 0的時(shí)候有一凹陷，稱作蘭 姆凹陷。8. 光波模：在自由空間具有任意波矢K的單色平面波都可以存在，但在一個(gè)有邊界條件限制的空間V內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢k的平面單色駐波；這種能夠存在腔內(nèi)的駐波成為光波 模。9. 譜線加寬：實(shí)際中的譜線加寬由于各種情況的影 響，自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻 率附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。這就叫譜線加寬。

13、10. 頻率牽引：在有源腔中，由于增益物質(zhì)的色散， 使縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近中心頻率， 這種現(xiàn)象叫頻率牽引。11. 自發(fā)輻射：處于高能級(jí)E2的一個(gè)原子自發(fā)的向E1躍遷，并產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子12. 受激輻射：處于高能級(jí)E2的一個(gè)原子在頻率為 v的輻射場(chǎng)作用下，向E1躍遷，并產(chǎn)生一個(gè)能 量為hv的光子13. 激光器的組成部分：諧振器，工作物質(zhì)，泵浦源14. 腔的模式：將光學(xué)諧振腔內(nèi)肯能存在的電磁場(chǎng)的 本征態(tài)稱為。15. 光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。含義： 同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體 積內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)16. 激光的特性：1.方向性好，最小發(fā)散

14、角約等于衍 射極限角2.單色性好3.亮度高4.相干性好17. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：在外界激勵(lì)下，物質(zhì)處于非平衡狀 態(tài)，使得n2>n118. 集居數(shù)反轉(zhuǎn)19. 若時(shí)，滿足：；時(shí)，滿足 ：，此時(shí)稱為滿足集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)光放大的條件。增益系數(shù)：光通過單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng) 的百分?jǐn)?shù)20. 增益飽和：在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光 的光強(qiáng)很弱時(shí)，增益系數(shù)是一個(gè)常數(shù)；當(dāng)入射光 的光強(qiáng)增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增 大而減小。21. Q值：是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指 標(biāo)一一品質(zhì)因數(shù)。22. 縱模：在腔的橫截面內(nèi)場(chǎng)分布是均勻的，而沿腔的軸線方向即縱向形成駐波，駐波的波節(jié)數(shù)由q決定將

15、這種由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向場(chǎng)分布稱為縱模23. 橫模：腔內(nèi)垂直于光軸的橫截面內(nèi)的場(chǎng)分布稱為 橫模24. 菲涅爾數(shù)：N,即從一個(gè)鏡面中心看到另一個(gè)鏡面 上可劃分的菲涅爾半波帶的數(shù)目。表征損耗的大 小。衍射損耗與 N成反比。25. 自在現(xiàn)模：把開腔鏡面上經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn) 態(tài)場(chǎng)分布稱為自在現(xiàn)?；驒M模。26. 損耗系數(shù)：光通過單位距離后光強(qiáng)衰減的百分?jǐn)?shù)27. 自激振蕩：不管初始光強(qiáng)多微弱，只要放大器足夠長(zhǎng)，就總能形成確定大小的光強(qiáng)Im,滿足振蕩條件。28. 多普勒效應(yīng)：設(shè)一發(fā)光原子（光源）的中心頻率為-°，當(dāng)原子相對(duì)于接收器以速度vz運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器測(cè)得的光波頻率變?yōu)椋裕?9. 多普

16、勒加寬：由于作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原子（分子）所發(fā)出的輻射的多普勒頻移引起的加寬3°.譜線加寬：由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不 是單色的，而是分布在中心頻率附近一個(gè)很小的 頻率范圍內(nèi)。31. 譜線寬度：線型函數(shù)在-.°時(shí)有最大值，下降至最 大值的一半，對(duì)應(yīng)得寬度。32. 線性函數(shù)：歸歸一化的自發(fā)輻射光功率，描述單 色輻射功率隨頻率變化的規(guī)律，定義為分布在某 一頻率附近單位頻率間隔內(nèi)的自發(fā)輻射功率與整 個(gè)頻率范圍內(nèi)的自發(fā)輻射總功率之比。用于表示 譜線的形狀。33. 均勻加寬：引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的，包括自然加寬、碰撞加寬及晶格振動(dòng)加 寬每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型發(fā)射，

17、不能把線型 函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，每一發(fā)光原子對(duì)光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。34. 非均勻加寬：原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與 它的表現(xiàn)中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以 區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā) 射的，包括氣體工作物質(zhì)中的多普勒加寬和固體 工作物質(zhì)中的晶格缺陷加寬。不斷獲得受激放大形成振蕩所需要的門限條件， 可用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，閾值增益系數(shù)，閾值泵浦 功率來表示。36. ASE :不滿足閾值條件，但處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)的 工作物質(zhì)對(duì)自發(fā)輻射光具有放大作用。37. 增益的空間燒孔效應(yīng)：在駐波腔激光器中，腔內(nèi)形成一個(gè)駐波場(chǎng)，波腹處增益最小，而波節(jié)處增益 最大，沿光

18、腔方向增益系數(shù)的這種非均勻分布稱為空間燒孔效應(yīng)38. 自選模：設(shè)三個(gè)縱模v1 , v2 , v3同時(shí)起振，隨著 振蕩的持續(xù)光強(qiáng)I1 , I2 , I3逐漸增大，當(dāng)光強(qiáng)足 夠大，（可與Is比擬時(shí)）由于增益飽和，導(dǎo)致增 益曲線在各頻率處整體下降，結(jié)果各縱模由于增 益系數(shù)小于閾值增益系數(shù)，先后熄滅，最后僅剩下 最接近中心頻率vo的一個(gè)縱模維持自激振蕩，這 現(xiàn)象稱。39. 模式的空間競(jìng)爭(zhēng)：由于空間燒孔效應(yīng)的存在，不 同的縱?？衫每臻g內(nèi)不同的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)獲得增 益，從而實(shí)現(xiàn)多縱模振蕩。稱為。40. 單模激光器的線寬極限：輸出激光是一個(gè)略有衰 減的有限長(zhǎng)波列，具有一定的譜線寬度。由自發(fā)輻射產(chǎn)生的無法排除譜線寬度稱為極限線寬。實(shí) 際激光器中由于各種不穩(wěn)定因素，縱模頻率本身 的漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限線寬41. 總量子效率：發(fā)射熒光的光子數(shù) /工作物質(zhì)從光泵吸收的光子數(shù)。物理意義：抽運(yùn)到 E3的例子， 一部分無輻射躍遷到E2,另一部分通過其他途徑返回基態(tài)。到達(dá) E2的粒子，一部分自發(fā)輻射躍遷 至E1發(fā)射熒光，一部分無輻射躍遷至E1。42. 弛豫時(shí)間：某種狀態(tài)的建立或消亡過程?？v向弛豫時(shí)間T1 :反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長(zhǎng)與衰減所需時(shí)間。橫向弛豫時(shí)間 T2:宏觀感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消 亡不是瞬時(shí)的。極化強(qiáng)度P（z,