激光原理試題_知識點考必背

1、激光原理復習題（頁碼是按第五版書標注的，黃色底紋的頁碼是按第六版書標注的填空6乂4' = 2牢簡答6V=36"計算12' + 15" = 27"論述1"3丄131什么是光波模式和光子態(tài)？什么是相格？ Page$答：光波模式（page5）:在一個有邊界條件限制的空間 v內(nèi)，只能存在一系列獨立的具 有特定波矢k的平面單色駐波。這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波（以某一波矢k為標志）稱為光波模式。光子態(tài)（page6）:光子在由坐標與動量所支撐的相空間中所處的狀態(tài),在相空間中，光子的狀態(tài)對應于一個相格。相格（page6）：在二維運動情況下，測不準關(guān)系為Ax

2、Ay也zAPx也PQP八h3，故在六位相空間中， 個光子態(tài)對應（或占有）的相空間體積兀為giyAzAPxPQPz “3，上述相空間體積兀稱為相格。2如何理解光的相干性？何謂相干時間、相干長度、相干面積和相干體積？Page7答：光的相干性（page7）:在不同的空間點上、在不同的時刻的光波場的某些特性的相關(guān)性。相干時間（page7）:光沿傳播方向通過相干長度 lc所需的時間，稱為相干時間。相干長度：相干光能產(chǎn)生干涉效應的最大光程差，等于光源發(fā)出的光波的波列長度。?相干面積：相干體積（page7）:如果在空間體積VC內(nèi)各點的光波場都具有明顯的相干性，貝Vvc稱為相干體積。3何謂光子簡并度，有幾種相

3、冋的含義？激光源的光子簡并度與它的相干性什么聯(lián)系？ Page!答：光子簡并度（page9）:處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡并度。光子簡并度有以下幾種相同含義 （page9）: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)。聯(lián)系：激光源的光子簡并度決定著激光的相干性，光子簡并度越高，激光源的相干性越好。4什么Z是黑體輻射？寫出Planek公式，并說明它的物理意義。Page1（)答：黑體輻射（page10）:當黑體處于某一溫度T的熱平衡情況下，它所吸收的輻射能量應等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場之間應處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這 :種平衡必然導致空腔內(nèi)存在完全確定

4、的輻射場，這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。Planek 公式（pagelO）：1 二 8-hr1一cekbT-18 二 h、.物理意義（pagelO）：在單位體積內(nèi)，頻率處于附近的單位頻率間隔中黑體的 電磁輻射能量。Page105描述能級的光學躍遷的三大過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。答：（1）自發(fā)輻射過程描述（page10）:處于高能級E?的一個原子自發(fā)的向 巳躍遷，并發(fā)射一個能 量為z的光子，這種過程稱為自發(fā)躍遷，由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱為自發(fā)輻射。特征：a）自發(fā)輻射是一種只與原子本身性質(zhì)有關(guān)而與輻射場無關(guān)的自發(fā)過 程,無需外來光。b）每個發(fā)生輻射的原子都可看作是一個獨立的發(fā)射單元，

5、原子之 間毫無聯(lián)系而且各個原子開始發(fā)光的時間參差不一，所以各列光波頻率雖然相同， 均為；，各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，各有不同的偏振方向，而且各個原子 所發(fā)的光將向空間各個方向傳播， 即大量原子的自發(fā)輻射過程是雜亂無章的隨機過 程，所以自發(fā)輻射的光是非相干光。自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)：a21 = 1（2）受激吸收|過程描述（page12）處于低能態(tài)巳的一個原子，在頻率為v的輻射場作用（激勵） 下，吸收一個能量為 2的光子并向E2能態(tài)躍遷，這種過程稱為受激吸收躍遷。特征：a）只有外來光子能量 z = E2-巳時，才能引起受激輻射。b）躍遷概率不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場的P*有關(guān)。受激吸收躍遷

6、概率（page12）： wb/v（ B12為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，p“為輻射場）（3）受激輻身寸過程描述（page12）：處于上能級E?的原子在頻率為屮的輻射場作用下，躍遷至低能態(tài)E,并輻射一個能量為hv的光子。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。h 2 -日時，才能引起受激輻射；b）受激輻射所特征：a）只有外來光子能量7.試證明，由于自發(fā)輻射，原子在 E2能級的平均壽命為|=丄。A21Page13證明：根據(jù)自發(fā)躍遷概率定義A21-dn211 111111（1）V dt 丿sp n2（dn21 Jsp表示在dt時間內(nèi)由于自發(fā)躍遷引起的由E2向巳躍遷的原子數(shù)。在單位時間內(nèi)能級巳減少的粒子數(shù)為

7、2（晉i將（1）式帶入得dn2-A21 n2dt由此式可得壓（n20為t = 0時刻高能級具有的粒子數(shù)）所以自發(fā)輻射的平均壽命is= 1廣n2（t）dt= 1廣n2°e21tdt = 1門20 0門20 0A218.質(zhì)地均勻的材料對光的吸收系數(shù)0.01mm,光通過10 cm長的該材料后，出射光強為入射光強的百分之幾?Page23 （8）解：設進入材料前的光強為I。，經(jīng)過距離z后的光強為l（z），則l（z）=l0e曲 所以出射光強與入射光強之比也=護=e.01>100=ef 0.368。所以出射光強占入射1 0光強的36.8%。9激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么?答：

8、激光工作物質(zhì)：用來實現(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，對外發(fā)射光波并能夠強烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱為激活物質(zhì)。泵浦源：提供能量，實現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光學諧振腔：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。10.什么是熱平衡時能級粒子數(shù)的分布？什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？ Page15答：熱平衡時能級粒子數(shù)的分布 （page15）：在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時，各能級上的原子數(shù)（或集居數(shù)）服從玻爾茲曼分布 = e。nif1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：使高能級粒子數(shù)密度大于低能級粒子數(shù)密度。如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（page15）:外

9、界向物質(zhì)供給能量（稱為激勵或泵浦過程），從而使物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)。11.如何定義激光增益？什么是小信號增益？大信號增益？增益飽和？Page16答：激光增益定義（p15）:設在光傳播方向上 z處的光強為I（z），則增益系數(shù)定義為 g=dl（z）1，表示光通過單位長度激活物質(zhì)后光強增長的百分數(shù)。¥乙丨小信號增益（p16）:當光強很弱時，集居數(shù)差值 （壓-no不隨z變化，增益系數(shù)為一常數(shù)g0，稱為線性增益或小信號增益。大信號增益（p17）:在放大器中入射光強1與is（ is為飽和光強）相比擬時，g(i) =，為大信號增益。Is增益飽和（p16）:當光強足夠強時，增益系數(shù)g也隨著光強的增加而

10、減小， 這現(xiàn)象稱為增益飽和效應。12.什么是自激振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的條件是什么？Pagel?答：自激振蕩（p18）:不管初始光強io多么微弱，只要放大器足夠長，就總是形成確定大小的光強Im，這就是自激振蕩的概念。產(chǎn)生條件（P18）: g0羽,g0為小信號增益系數(shù)，g為包括放大器損耗和諧振腔損耗在內(nèi)的平均損耗系數(shù)。13.激光的基本特性是什么？Page9答：激光四性：單色性、相干性、方向性和高亮度。這四性可歸結(jié)為激光具有很高的光子簡并度。14. 如何理解激光的空間相干性與方向性？如何理解激光的時間相干性？如何理解激光的相干光強？Page19-23答：（1）激光的方向性越好，它的空間相干性程度越高。

11、（p19）|（2）激光的相干時間j和單色性也”存在著簡單關(guān)系 阮，即單色越好，相干時I3間越長。（p21） |（3）激光具有很高的亮度，激光的單色亮度Bv=爭n，由于激光具有極好的方向 性和單色性，因而具有極高的光子簡并度和單色亮度。 （p22）|15. 什么是諧振腔的諧振條件？如何計算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目?Page27-28答：（1）諧振條件（p27）:諧振腔內(nèi)的光要滿足相長干涉條件（也稱為駐波條件） 。波 從某一點出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來位置時，應與初始出發(fā)波同相（即相差為2兀的整數(shù)倍）。如果以表示均勻平面波在腔內(nèi)往返一周時的相位滯后， 則可以 表示為=-2 = q 2。

12、入q為光在真空中的波長，為腔的光學長度，q為正整數(shù)。G 如|何計算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目（P27-28）:縱模的頻率：匕=q，亠；縱模間隔："q =弋 q 2Lq 2L |?縱模的數(shù)目：對于滿足諧振條件頻率為Vq的波，其縱模數(shù)目"=牛+ 13叫為 嚴小信號增益曲線中大于閾值增益系數(shù)Gt的那部分曲線所對應的頻率范圍（振蕩帶J7lL ） o16. 在激光諧振腔中一般有哪些損耗因素，分別與哪些因素有關(guān)？Page31-33答：損耗因素（p28） |幾何偏折損耗：與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關(guān)。衍射損耗：與腔的菲涅爾數(shù)、腔的幾何參數(shù)、橫模階次有關(guān)。腔鏡反射不完全引起的損

13、耗:與腔鏡的透射率、反射率有關(guān)。材料中的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物所引起的損耗：與介質(zhì)材料的加工工藝有 關(guān)。17哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？Page29-31答：描述參數(shù)（p28-p39）a）平均單程損耗因子：6 =丄|n上（1。為初始光強，h為往返一周后光強）2 11b）腔內(nèi)光子的平均壽命：tr=一6cc）品質(zhì)因數(shù)：Q =2兀vt R =2問丄6c（2）關(guān)系：腔的損耗越小，平均單程損耗因子越小，腔內(nèi)光子的平均壽命越長，品質(zhì)因數(shù)越大。18.什么是腔的菲涅爾數(shù)？它與腔的損耗有什么關(guān)系?Page332答：菲涅爾數(shù)（p32）:稱為腔的菲涅爾數(shù)（a為孔半徑，L腔長）。即從一個鏡L丸

14、面中心看到另一個鏡面上可以劃分的菲涅爾半周期帶的數(shù)目（對平面波陣面而言）與腔的損耗關(guān)系（p32）:衍射損耗隨腔的菲涅爾數(shù)的減小而增大。19.什么是共軸球面腔的穩(wěn)定性條件？（p35） Page36'0£砲：1Jd Ld L，L為兩球面鏡MM2的距離，分別為MM2的曲率半徑，當凹面鏡向著腔內(nèi)時，R取正值，當凸面鏡向著腔內(nèi)時，R取負值。20激光器的諧振腔由一面曲率半徑為1m的凸面鏡和曲率半徑為2m的凹面鏡組成，工作物質(zhì)長 0.5m，其折射率 1.52，求腔長L在什么范圍內(nèi)是穩(wěn)定腔？Page98（5）丨解：設兩腔鏡M1和M2的曲率半徑分別為R和RR， R = -1m,R2 = 2m工

15、作物質(zhì)長 I二0.5m，折射率 口 =1.52根據(jù)穩(wěn)定條件判據(jù):0 v（1 -亙）（1 - J C1即0 （1-丄）（1-亙）*11川I其中R,R2T 2丿12LR22L(1-上)R2L=(L _|)+'川111(2)1由(1)式解得 1md2m，由(2)式得 L =+ 0.5咒(1 一) = 1 + 0.171.52結(jié)合(1)(2)式得1.17m cL c2.17m21.試利用往返矩陣證明共焦腔為穩(wěn)定腔，即任意傍軸光線在其中可以往返無限多次，而且兩次往返即自行閉合。Page98 (3)證明：設光線在球面鏡腔內(nèi)的往返情況如下圖所示其往返矩陣為：10(1BL(1 L1 0= 2R22_2

16、L2L2L2L-才 + 才(1一=)】一=(1 =)(1 =)R-iR2R|R|RR2/2R1R2的球面腔唯一地等價于某一個共焦腔。即如果某一個球面腔滿足穩(wěn)定性條件， 則必 定可以找到而且也只能找到一個共焦腔， 其行波場的某兩個等相位面與給定球面腔的兩個反射鏡面相重合。25.今有 球面腔，R =1.5m, R = 1m,L =80cm。試證明該腔為穩(wěn)疋腔；求出它的等價共焦腔的參數(shù)；在圖中畫出等價共焦腔的具體位置。Page98 (10)解：（1）該球面腔的g參數(shù),L,87L0.8gi=1=1=§2111.8R15 15R2-1由此g© =0.85滿足諧振腔的穩(wěn)疋性條件 0 c

17、 gg?小，因此該腔為穩(wěn)疋腔。兩反射鏡距離等效共焦腔中心 0點的距離和等價共焦腔的焦距分別為LR-L)-L(R-L)十z<i = 1.31 mz2= 0.51 m(LRJ+(L-R2)(L R)+(LR2)，円jL)(R-L)(R1f.50mY (l-r)+(l-R2)2?（3）等價共焦腔的具體位置如下圖等價共焦腔R1R2zzO廠2J1Iii11 /J/fLf26.如何計算基模高斯光束的主要參量，腰斑的位置、鏡面上光斑的大小、任意位置處激光光斑的大小、等相位面曲率半徑、光束的遠場發(fā)射角、模體積。Page58-61答：設穩(wěn)定腔腔長為 L,兩腔鏡M1和M2的曲率半徑分別為R1和R2則：（1）

18、腰斑位置距M1的距離為（打霊.，距M2的距離為-L(-L) (L-FQ+(L-&)(2)M1鏡面上光斑的大小：ws可：L(R2-L) 1471(R-L)(R + R L)M1鏡面上光斑的大?。簑s二|民|； L(RL) T l(R2 L)(R+R2 L)(3)任意位置處激光激光光斑大?。簑(z) = W。卄百(宀*代嗎4)，Wo=Q)2(R1 R2 -2L)(4)等相位面曲率半徑:R(z)=z1 (；)22-(5)光束的遠場發(fā)散角：弘=兀w01*VS|(6)模體積：V00=2L"( 227.某二氧化碳激光器采用平凹腔，凹面鏡的R=2m，腔長L=1m。試給出它所產(chǎn)生的高斯光束的

19、束腰腰斑半徑的大小和位置，該高斯光束的焦參數(shù)和基膜發(fā)散角。(一io.6um)Page99 (15) 解：平面鏡的曲率半徑R'渋束腰腰斑半徑wo ff J0."10-1.81O3m腰斑半徑距平面鏡的距離d =-L(R-L)=0(L R)+(L R)其共焦參數(shù)f(R-L)(R7(R：R7 =時莎科1m(R R-2L)2所以腰斑處于平面鏡上'發(fā)散角峽益=黑0需 曲皿28.高斯光束的表征方法有哪些？什么是q參數(shù)？高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律是什么？ Page58-61 Page74-77答：(1)表征方法(P71-72) : a)用束腰半徑W0 (或共焦參數(shù)f)及束腰位置表征高斯

20、光束； b)用光斑半徑w(z)及等相位面曲率半徑R(z)表征高斯光束；C)用q參數(shù)表征高斯光束。q參數(shù)(p72)：其定義為qRr就(3)高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律：當高斯光束在自由空間或通過光學系統(tǒng)時，q參數(shù)滿足qAOB，稱其為高斯光束q的ABCD定律，其中A,B,C,D為光學系統(tǒng)的光線 Cqr + D變換矩陣|A B I的4個矩陣元。C D_|?非均勻加寬增益飽和機理非均勻加寬增益表達式：gg,i J =呼Z）37飽和光強的含義？怎樣定義的？Page14$答：（p151）飽和光強is®）的物理意義是：當入射光強度I,可以和is"）比擬時，受激 輻射造成的上能級集居數(shù)衰減率才

21、可以與其它弛豫過程（自發(fā)輻射及無輻射躍遷） 相比擬。因此當lvi«ls（vj時，也n與光強無關(guān)，而當Ivi可以和IsWi）相比擬時，An隨著Ivi的增加而減少，餉減少到小信號情況下的 匸倍 1+ WIsWi）定義:ho海； 21 1 2 ) - 238. 在強光入射下，均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中，弱光的增益系數(shù)如何變化？Page151 Page155答：（1）均勻加寬物質(zhì)中（p154）頻率為M的強光入射不僅使自身的增益系數(shù)下降，也使其它頻率的弱光的增益系數(shù)也以同等程度下降，結(jié)果是增益在整個譜線上均勻的下降。|（2 ）非均勻加寬工作物質(zhì)中（p157）|頻率為的強光入射時，會形成以V

22、1為中心，寬度為也*卩孑的燒孔，若入射 頻率為y的弱光處在燒孔造成的燒孔范圍之內(nèi)，則弱光增益系數(shù)將小于小信號增益 系數(shù)，若V處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強光的影響仍等于小信號增益 系數(shù)。39. 描述非均勻加寬工作物質(zhì)中的增益飽和的“燒孔效應”并說明原理。Page153-15司答：（1）描述（p157）:對于非均勻加寬工作物質(zhì)中，在其增益曲線曲線上，在頻率匕處產(chǎn)生一個凹陷，凹陷寬度約為 “H ，頻率V1處的凹陷最低點下降到小I 1信號增益系數(shù)的（1+）三倍，以上現(xiàn)象稱為增益曲線的燒孔效應。（2）原理：在非均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率匕的強光只在 匕附近寬度約為也旳的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)的飽和

23、，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集居數(shù)沒有影響。若有一頻率為算的弱光同時入射，如果頻率 ”處在強光造成的燒孔范圍之內(nèi)，則由于反轉(zhuǎn)集居數(shù)的減少，弱光增益系數(shù)將小于小信號增益系數(shù)。如果頻率v處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強光的影響而仍等于小信號增益系數(shù)，所以在增益曲線g©, IvjT曲線上，在頻率V!處產(chǎn)生一個凹陷，凹陷寬度約為 40激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件？Pagei64答：（1）振蕩條件：滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一；頻率落在工作物質(zhì)的譜線范圍內(nèi)，即對應增益系數(shù)大于等于閾值增益系數(shù)。|?（2）穩(wěn)定工作條件：增益系數(shù)等于于閾值增益系數(shù)41為什么三能級系統(tǒng)比

24、四能級系統(tǒng)需要更強的激勵？Page160答（p168）:這是因為四能級系統(tǒng)系統(tǒng)的激光下能級為激發(fā)態(tài)，n嚴0，所以只需把 的個粒子激勵到E2能級就可以使增益克服腔的損耗而產(chǎn)生激光。而在三能級系統(tǒng)中， 激光下能級是基態(tài)，至少要將 n丄丄個粒子激勵到E2能級上去，才能形成集居數(shù)1 + f2 / f1反轉(zhuǎn)，所以三能級系統(tǒng)的閾值能量或閾值功率要比四能級系統(tǒng)大得多。丁42在均勻加寬和非均勻加寬激光器中模式競爭有什么不同？Page168-169答：（p170-171）均勻加寬激光器中只要有幾個滿足閾值條件的縱模，就會在振蕩過 程中相互競爭，結(jié)果總是靠近中心頻率V。的一個縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其它縱模都被抑

25、制而熄滅。因此理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應是單縱模的， 單縱模的頻率總是在譜線中心頻率附近。I非均勻加寬激光器中也存在模式競爭，當縱模形成的燒孔重疊時會發(fā)生競爭，競爭模的輸出功率無規(guī)則起伏。I43論述均勻加寬激光器中增益的空間燒孔效應引起的多縱模振蕩以及消除縱?？臻g燒孔的方法。Page168-169|答：（1）描述（p170）:當頻率為vq的縱模在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩時，腔內(nèi)形成一個駐波場，波腹處光強最大，波節(jié)處光強最小。因此雖然Vq的模在腔內(nèi)的平均增益系數(shù)小于gt，但實際上軸向各點的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度和增益系數(shù)是不相同的，波腹處增益系 數(shù)最?。ǚ崔D(zhuǎn)集居數(shù)密度）最小，波節(jié)處增益系數(shù)（反轉(zhuǎn)集居

26、數(shù)密度）最大，這一現(xiàn)象稱作增益的空間燒孔效應。I?（2）消除縱?？臻g燒孔的方法 （p171）|高氣壓氣體激光器；使用含光隔離器的環(huán)形行波腔|44什么是蘭姆凹陷？定性解釋其成因。Page172-173答：（1）（p174）激光器的單模輸出功率 p和單模頻率Vq的關(guān)系曲線中，在vq=v°處，曲 線有一凹陷，稱為蘭姆凹陷。成因（p175）當 Vq = Vi 時，g i (M ) = gt ;當Yq =十2時，激光振蕩將在增益曲線的 V2及V2 =勿。V2處造成兩個凹陷；當VV3時，由于燒孔面積增大，所以功率 P3比P2大；當頻率Vq接近坯，且図_訕背計1+時，兩個燒孔部分重疊，燒孔面積的

27、和可能小于Vq "3時兩個燒孔面積的和，因此P£P3。當V q"0時，兩個燒孔完全重合， 此時只有冬=0附近的原子對激光有貢獻，雖然它對應著最大的小信號增益，但由于 對激光作貢獻的反轉(zhuǎn)集居數(shù)減少了，即燒孔面積減少了，所以輸出功率P下降到某一極小值，從而出現(xiàn)蘭姆凹陷。|45什么是激光器的弛豫振蕩現(xiàn)象?Page175-177答：(p176) 般固體脈沖激光器所輸出的并不是一個平滑的光脈沖，而是一群寬度 只有微秒量級的短脈沖序列，即所謂“尖峰”序列，激勵越強，則短脈沖之間的時 間間隔越小，把上述現(xiàn)象稱為弛豫振蕩效應或尖峰振蕩效應。46為什么存在線寬極限？它取決于什么？P

28、age177-iT9答：(p180-181)由于存在著自發(fā)輻射，穩(wěn)定振蕩時的單程增益略小于單程損耗， 有源腔的凈損耗Q不等于零，雖然該模式的光子數(shù)密度N保持恒定，但自發(fā)輻射具有隨機的相位，所以輸出激光是一個具有衰減的有限長波列，因此具有一定的譜線寬度也叫，這種線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的，因而是無法排出的，因此稱 為線寬極限。(2)取決于輸出功率、損耗及腔長。|輸出功率越大，線寬就越窄；減小損耗和增加腔長也可以使線寬變窄。47.什么是頻率牽引？ Page181 -182小孔光闌選模、諧振腔參數(shù)g,N法，非穩(wěn)腔選模，微調(diào)諧振腔(2)縱模選擇原理(p212): 般諧振腔中有著相同的損耗，但由于

29、頻率的差異而具有不同的小信號增益系數(shù)。因此，擴大和充分利用相鄰縱模間的增益差，或人為引入損耗差是 進行縱模選擇的有效途徑縱模選擇方法短腔法、行波腔法、選擇性損耗法|50激光器主要的穩(wěn)頻技術(shù)有哪些？Page214-219|答：(p214-219)蘭姆凹陷穩(wěn)頻、塞曼穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻、無源腔穩(wěn)頻。 |51.Q調(diào)制激光器的工作原理，目前常用的幾種調(diào)Q方法。Page220 Page221-223答：(1)工作原理(p220)通過某種方法使諧振腔的損耗因子6 (或Q)值按照規(guī)定的程序變化，在泵浦源剛開始時，先使光腔具有高損耗因子 J，激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到較高

30、的水平，然后在適當?shù)臅r刻，使腔的損耗因子突然降到6,閾值也隨之突然降低，此時反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值，受激輻射極為 迅速地增強。于是在極短時間內(nèi)，上能級存儲的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰浚? 形成一個很強的激光巨脈沖輸出。調(diào)Q方法（p221-223）電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、被動調(diào)Q?52.什么是激光器的注入鎖定？其頭際意義是什么？Page228 Page233答：（1）（p228）分為兩類：連續(xù)激光器的注入鎖定，脈沖激光器的注入鎖定a)激光器 入鎖定： 連續(xù)激連續(xù) 的注 在 一 光振題號-一一二二二-三四五六七總分復核人得分3070100蕩器中注入一弱的單色信號，若注入光信號頻率V1足夠接近激光器

31、的自由振蕩頻率'.,則激光振湯可以完全為注入信號控制，激光器振湯模式的頻率躍變?yōu)?#39;-1，相位與注入信號同步b）脈沖激光器的注入鎖定：在調(diào)Q或增益開關(guān)激光器啟動過程中注入一弱信號， 可使頻率與注入信號頻率最接近的模式優(yōu)先起振，其它模式被抑制，實際上激光振蕩并未被注入信號真正鎖定，激光頻率仍為激光器自由振蕩的頻率。?（2）注入鎖定的實際意義（p233） |a）利用注入鎖定，可以由一個功率較小、但窄線寬、單模運轉(zhuǎn)、頻率穩(wěn)定的激光器來控制一個高功率或動態(tài)調(diào)制激光器的光束質(zhì)量;b）使用激光器模式相位鎖定陣列可產(chǎn)生空間相干性好、發(fā)散角小的高功率光 束;石測量系統(tǒng)或應用系統(tǒng)中的光學元件的向后

32、散射對激光器而言是一注入信號， 會導致激光器頻率不穩(wěn)定，需要在某些場合采取插入光隔離器等措施減小后向散射;53激光器的鎖模原理以及利用振幅調(diào)制鎖模和位相調(diào)制鎖模的方法。Page234、Page237 Page238答：（1）鎖模原理（p234）:使激光器中各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有一定的超短脈沖，這種激光器稱為鎖模激光器。振幅調(diào)制鎖模的方法（p237）:調(diào)制激光工作物質(zhì)的增益或腔內(nèi)損耗，均可使激光 振幅得到調(diào)制，如果調(diào)制頻率 f=£，可實現(xiàn)鎖模。 2L（3）位相調(diào)制鎖模鎖模（238）:在激光器諧振腔內(nèi)插入一電光晶體，利用晶體折射隨外加電壓的變化，產(chǎn)生相位調(diào)制。激光原理課程考

33、試題評卷人題：（30高O一、填空分）1.通常三能級激光器 的泵浦閾值比四能級激光器泵浦閾值3. 紅寶石激光器屬于能級激光器。He-Ne激光器屬于丄能級激光器。4. 激光具有四大特性 ，即單色性好、亮度高、方向性好和相干性好。5. 激光器穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時，腔內(nèi)增益系數(shù)為閾值 增益系數(shù)，此時腔內(nèi)損耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等。6. 激光器的基本組成部分 激活物質(zhì)、 激光諧振腔、泵浦源 。激光產(chǎn)生條件：1.有提供放大作用的增益介質(zhì)為激光工作物質(zhì)，其激活粒子有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；2體育外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；3有光學諧振腔，增長激活介質(zhì)

34、的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射的能級結(jié)構(gòu)。 其中光學諧振腔的作用為 :提高光的方向性、加長光在增益介質(zhì)中行進的路徑以提高光能密度、形成共振產(chǎn)生的模提高相干性（或者填模式選擇、提高軸向光波模的反饋）。7. 調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生激光脈沖主要有鎖模、調(diào)Q 兩種方法，調(diào) Q激光器通常可獲得 ns量級短脈沖，鎖模有主動鎖模和被動鎖模兩種鎖模方式。8. 固體激光器主要的 泵浦源有（氪燈泵浦）、（高效脈沖氙燈泵浦）等。9. 具有 合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性（或者填亞穩(wěn)態(tài)） 的原子結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。10. 產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)包括（激活離子）和（基質(zhì)）。11引起譜線增寬 的原因主要有三種，

35、即自然展寬、碰撞展寬、多普勒展寬；它們可分 為兩大類，分別是均勻展寬、非均勻展寬。12. 受激輻射激勵發(fā)射出的光子 與外來光完全相同，即傳播方向相同，相位相同，偏振態(tài)相同，頻率相同。13. 愛因斯坦提出的輻射場與物質(zhì)原子相互作用主要有三個過程，分別是：自發(fā)輻 受激吸收、受激輻射。14. CO2激光器中，含有氮氣和氦氣，氮氣的作用 是提高激光上能級的激光效率，氦氣的作用 的是有助于激光下能級的抽空。15. 有源腔中，由于增益介質(zhì)的色散，使縱模頻率與無源腔頻率縱模頻率更接近中心頻率，這種現(xiàn)象叫做頻率牽引。16. 激光的線寬極限是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的，因而無法消除。17. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微

36、觀粒子滿足負溫度分布。18. 碰撞增寬譜線 為洛倫茲線型。自然加寬是由于激發(fā)態(tài)有一定的壽命引起的。多普勒 展寬發(fā)生在氣體介質(zhì)中。19. 第一臺激光器是紅寶石激光器。20. 平行平面腔在 穩(wěn)定圖上的坐標為（1,1）。對稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標為（-1,-1）。 半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標為（0,1），（1,0）。21. 諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q是用來衡量腔的儲存信號的能力。閾值條件是形成激光的充亠必要條件。22. 光子簡并度指光子處干一個光子態(tài)的平均光子數(shù)、處干同一模式的光子數(shù)、相干體積內(nèi)偏振一樣的光子數(shù)、處于同一相格中的偏振一樣的光子數(shù)。23. 腔模經(jīng)一次往返再現(xiàn)后保持原來的穩(wěn)態(tài)場分布稱為自再現(xiàn)模。2

37、4. 全息照相 是利用激光的相干特性的。全息照片是三維成像，記錄的是物體的相位。二、問答題：（70分）1.畫出聲光調(diào)Q激光器原理圖，說明聲光調(diào) Q基本原理？ （ 10分）Q開關(guān)迅速答：首先Q開關(guān)關(guān)閉，腔內(nèi)聲光晶體衍射產(chǎn)生的損耗高，腔內(nèi)Q值低,激光振蕩閾值高，激光不振蕩，上能級聚集大量反轉(zhuǎn)粒子:開啟，腔內(nèi)損耗迅速下降，Q值急劇升高，閾值迅速下降，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)遠大于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，上能級聚集大量反轉(zhuǎn)粒子變?yōu)榉逯倒β屎芨叩募?光脈沖。5.畫出電光強度調(diào)制原理圖，說明電光強度調(diào)制基本原理？（10分）1.畫出聲光調(diào)Q激光器原理圖，說明聲光調(diào) Q基本原理？ （ 10分）5.畫出電光強度調(diào)制原理圖，說明電光強

38、度調(diào)制基本原理？（10分）1.畫出聲光調(diào)Q激光器原理圖，說明聲光調(diào) Q基本原理？ （ 10分）答.電光晶體兩端加一定電壓，使沿x方向的偏振光通過電光晶體后，沿x軸兩方向偏振光的位相差為二/2，電光晶體相當于1/4波片，光束兩次通過電光晶體時，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°偏振方向與偏振片檢偏方向垂直，光束無法通過檢偏片，腔內(nèi)損耗高，激光無法振蕩；突然撤除電壓后，損耗迅速下降，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)迅速轉(zhuǎn)化為激光脈沖輸出。3.什么是對成共焦腔，計算對成共焦腔g參數(shù).:答：對成共焦腔：Ri=R2=L對成共焦腔g參數(shù).：gi =1lg2 = 1 一 = 0R24.說明均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別？說明為什么均

39、勻增寬介質(zhì)內(nèi)存在模式競爭？（10分）答：均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個原子對譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻，所有原子對發(fā)射譜線上每一頻率的光波都有相同貢獻，所有原子的作用相同；非均勻增寬介質(zhì)發(fā)射的不同的光譜頻率對應于不同的原子，不同的原子對中譜線中的不同頻率有貢獻，不同原子的作用不同的（5分）。均勻增寬激光介質(zhì)發(fā)射譜線為洛侖茲線型，中心頻率處譜線增益最大，該頻率處附近縱模優(yōu)先起振，由于均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個原子對譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻，中心頻 率處縱模振蕩發(fā)射激光將引起激光上能級原子數(shù)下降，激光增益曲線形狀不變，但整體下降，當中心頻率處縱模增益 降低為激光振蕩閾值時，該處縱模穩(wěn)定輸出，其它頻率

40、的縱模增益都小于閾值，無法振蕩。5.畫出電光強度調(diào)制原理圖，說明電光強度調(diào)制基本原理？（10分）答：電光調(diào)制器是利用某些晶體材料在外加電場的作用下所產(chǎn)生的電光效應而制成的器件。常用的有兩種方式：一種;另一種是通光方向與所加電場方向相是加在晶體上的電場方向與通光方向平行，稱縱向電光效應（也稱為縱向運用） 垂直，稱橫向電光效應（也稱為橫向運用） ?？v向調(diào)制與橫向調(diào)制優(yōu)缺點縱向電光調(diào)制優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，無自然雙折射的影響，不需進行補償。其缺點是半波電壓太高，功率 損耗較大。般橫向調(diào)制器橫向運用時其半波電壓要低于縱向運用，但由于存在著自然雙折射引起的相位延遲，且隨溫度的漂8.腔長為0.5m的氬

41、離子激光器，發(fā)射中心頻率 5 = 5.85 1014Hz，熒光線寬入=6 108 Hz，問它可能存在幾個縱模8.腔長為0.5m的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率 5 = 5.85 1014Hz，熒光線寬入=6 108 Hz，問它可能存在幾個縱模移而改變，往往使已調(diào)波發(fā)生畸變，常采用組合調(diào)制器”來進行補償。8.腔長為0.5m的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率 5 = 5.85 1014Hz，熒光線寬入=6 108 Hz，問它可能存在幾個縱模6.試畫圖并文字敘述模式競爭過程。答：假設只有q-1, q, q+1三個縱模滿足振蕩 條件，這三個縱模的光均有增益，光強都在增強， 整個增益曲線由小信號增益曲線G （v）

42、開始下降。當降到曲線1時，對q+1模來說，增益已經(jīng)變得比 G閾低。這樣當下降到曲線 2, q-1模也被抑制掉，只有 q模的光強繼 續(xù)增強，最后變成曲線 3的情形。這種通過增益飽和效應，靠近譜線 中心頻率的縱模逐漸把其它縱模抑制掉的過程就是模式競爭。障 十門 均勻贈盤削謐線縱模卷爭7.為什么一般來說均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器的輸出通常是單縱模的,而非均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器輸出通常是多個縱模?答：（1）對于均勻增寬型介質(zhì)激光器來說，每個發(fā)光粒子對形成整個譜線都有貢獻。當強度很大的光通過時，它會造 成整個增益曲線按同一比例下降，通過增益的飽和效應模式之間會造成譜線競爭，最終只剩下與中心頻率靠的很近的那個

43、模式，所以是單縱模的。（2）對于非均勻增寬型介質(zhì)激光器來說，某一個縱模的光強增強時，增益的飽和效應并不引起整個增益曲線下降，而是在該縱模對應的頻率處燒一個孔，所以如果有多個縱模的小信號增益都大于閾值都大于閾值的話，這些縱模都可以建立起自己的振蕩，所以非均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器輸出通常是多個縱模。8.腔長為0.5m的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率 5 = 5.85 1014Hz，熒光線寬入=6 108 Hz，問它可能存在幾個縱模相應的q值為多少？解：縱模間隔為q(設"=1)(9 分)c23 1082 1 0.5=3 108 Hz,Av丄'-q6 1083 108=2，則可能存在的縱模

44、數(shù)有三個，它們對應的q值分別為:二 q=2L =5.85"0 =1 95匯106 , q + 1=1950001 , q 1 = 1949999 2兒C3 1089.由凸面鏡和凹面鏡組成的球面腔，如圖。凸面鏡的曲率半徑為2m,凹面鏡的曲率半徑為長 600nm。3m，腔長為1.5m。發(fā)光波(1) 判斷此腔的穩(wěn)定性；(2) 求出等價共焦腔的焦距f;束腰(3) 求出距凸面鏡右側(cè)5.125米處的 徑R;解:(1)激光腔穩(wěn)定條件大小wo及束腰位置；束腰大小w及波面曲率半(1LR2=(1此腔為穩(wěn)定腔。 f 2 = L(R-LXR2-LXR+R2-L) = 1.5"-2-1.5)氷(3-

45、1.52+3-1.5) = ° 嘶(LR )+(LR2)2(e+G+e5-3)2得，f = 0. 9922 1mL R2-LL-R L-R25 3“5"125m1.5 21.5-310.已知 W0,L,F。求通過透鏡后，Wc , Rc。即束腰位置距R1右側(cè)1.125m= 0.4370 10” m_叵_叵/仆600心0 w° r. 2二: - . 3.1415926(3)距凸透鏡右側(cè)5.125米處，經(jīng)計算為距束腰4米處。10.已知 W0,L,F。求通過透鏡后，Wc , Rc。10.已知 W0,L,F。求通過透鏡后，Wc , Rc。= 0.4370 10“= 1.8 10mzff+ z=1 4 -14417m = 4.25m10.已知 W0,L,F。求通過透鏡后，Wc , Rc。斑尺寸為（舍去一個與 L近似相等的解）斑尺寸為（舍去一個與 L近似相等的解）答：由先求wo - qc,Wc(q的定義)C 處qc 二 qb 1cABCD 公式，q© Reqb ±Tl ,' lmqb 于TW0斑尺寸為（舍去一個與 L近似相等的解）11.He Ne激光器的中心頻率o = 4.74 >T014Hz，熒光線寬“ =1.5 l09Hz。今腔長L = Im，問可能輸出的縱模數(shù)為若