激光原理試題

1、激光原理復(fù)習(xí)題(頁碼是按第五版書標(biāo)注的，黃色底級的頁碼是按第六版書標(biāo)注的)填空 6 x 4 = 24 簡答 6x 4 = 36,計算 12 +15 = 27, 論述 1x 13 = 13,1.什么是光波模式和光子態(tài)？什么是相格？ Page5答：光波模式(page5):在一個有邊界條件限制的空間站內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具 有特定波矢k的平面單包駐波。這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波(以某一波矢上為標(biāo)志) 稱為光波模式。光子態(tài)(page6):光子在由坐標(biāo)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(yīng)于一個相格一相格印2。6):在三維運(yùn)動情況下，測不準(zhǔn)關(guān)系為軟3炒守“3,故在六位相空間中，

2、一個光子態(tài)對應(yīng)(或占有)的相空間體積兀為A&APA空間中，一個光子態(tài)對應(yīng)(或占有)的相空間體積兀為A&APAP AP 3，上述相 _ xyz空間體積元稱為相格。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(diǎn)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乙所需的時間，稱為相干麗。 相干長度：相干光能產(chǎn)生干涉效應(yīng)的最大光程差等于光源發(fā)出的光波的波列國干面積:氣何謂光子簡并度，有幾種相同的含義？激光源的光子簡并度與它的相干性什么聯(lián) 系？ Page9相干體積(page7):如

3、果在空間體積內(nèi)各點(diǎn)的光波場都具有明顯的相干性，則 氣何謂光子簡并度，有幾種相同的含義？激光源的光子簡并度與它的相干性什么聯(lián) 系？ Page9c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。I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看激光的相干性，光子簡并度越高，激光源的 相干任越好。4.什么是黑體輻射？寫出Pig公式,并說明它的物理意義。Page10|答：黑體輻射(page10):當(dāng)黑體處于某一溫度的熱平衡情況下，龍所吸收的輻射 能量應(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，即黑體

4、與輻射場之間應(yīng)處于能量(熱)平衡狀態(tài)，這 種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場，這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻Planck 公式(page10): Planck 公式(page10): p = 8兀加31ekjj -1頻率處于v附近的單位頻率間隔中黑體的物理意義頻率處于v附近的單位頻率間隔中黑體的輻射能量。5頂述能級的光學(xué)躍遷的三大過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。Page10 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e躍遷，并發(fā)射一個能 量為h的光子，這種過程稱為自發(fā)躍也由原子自發(fā)躍遷發(fā)出枷光波稱為自發(fā)輻射。所發(fā)的光將向空間各個方向傳播，即大量原子的自發(fā)

5、輻射過程是雜亂無章的隨機(jī)過即自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù):1A21T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p無關(guān)的自發(fā)過 程，無需外來光。b)每個發(fā)生福射的原子都可看作是一個獨(dú)立的發(fā)時單元，原子之 間是無聯(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V，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(jī)過即自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù):1A21T試證明，由于自發(fā)輻射，原子在E能級的平均壽命為c =_!試證明，由于自發(fā)輻射，原子在E能級的平均壽命為c =_!2s A2Page13證明：根

6、據(jù)自發(fā)躍遷概率定義成)表示在dt時間內(nèi)由于自發(fā)躍遷弓I起的由E向E1躍遷的原子數(shù)。I在單位時間內(nèi)能級E減少的粒子數(shù)為虬=虬將(1)式帶入得2dt I dt J dn A t = - A n由此式可得n (t) = n f( n為t = 0時刻高能級具有的粒子數(shù))|22020 所以自發(fā)輻射的平均壽命一 言(t) dt LnFt s n 0 2 n 0 20A8一質(zhì)地均勻的材料對光的吸收系數(shù)20.01 g ,光通過10 cm長對該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾？ Page23 (8)I (z)，則 I (I (z)，則 I (z ) =I e-azL = eq = e-0.01x100 =

7、e-u 0.368。 所以出射光強(qiáng)占入射 I0光強(qiáng)的36.8%。激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？答：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(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。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笞：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

8、曼分布/粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：使高能級粒子數(shù)密度大1于在能級粒子數(shù)密度。如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(page15):外界向物質(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(shè)在光傳播方向上z處的光強(qiáng)為I(z)，則增益系數(shù)定義為hihihig =妲上，表示光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)。dz I (z)小信號增益(P16):當(dāng)光強(qiáng)很弱時，集居數(shù)差值yn)不隨Z變化，增益系數(shù)為一常數(shù)go,稱為線性

9、增益或小信號增益。I-g（I）= %，為大信號增益。1 +廠 s大信號增益（P17）I-g（I）= %，為大信號增益。1 +廠 s12.什么是自激振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的條件是什么？ Page17答：自激振蕩（P18）：不管初始光強(qiáng)I0多么微弱，只要放大4號足夠長，就總是形成確增益飽和（P16）：當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時，增益系數(shù)g也隨看光強(qiáng)的增加而減小，這一 現(xiàn)象稱為增益飽和效應(yīng)。I，這就是自激振蕩的概念。產(chǎn)生條件（P18） : go凌，go為小信號增益系數(shù)，a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)。激光的基本特性是什么？ Page19答：激光四性：單也性、相于性、方向性和高亮度。這四性可歸結(jié)為激

10、光具有很高 的光子簡并度。_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(qiáng)？ 23|答：（1）激光的方向性越好它的空間相干性程度越高。（P19）（2）激光的相干時間T和單包性Av存在著簡單關(guān)系匚=上，即單包越好，相干時 cc Av同越長。（P21）一（3）激光具有很高的亮度，激光的單包亮度 *孔，由于激光具有極好的方向 v 人2性和單包性，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？性和單包性，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？28答：（1）諧振條件（P27）:諧振腔內(nèi)的光要滿足相長干涉條件

11、（也稱為駐波條件）。波 從某一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來位置時，應(yīng)與初始出發(fā)波同相（即相差 為2兀的整數(shù)倍）。如果以A表示均勻平面波在腔內(nèi)任返一周時的相位滯后，則可以表示為A4尹2L = q . 2丸。氣為光在真空中的波長，為腔的光學(xué)長度q為正整數(shù)。 （2）如何計算或模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目（P27-28）:縱模的頻率:縱模的頻率:v =q . ；縱模間隔:M_ cq 2LAAvoscAvq+1，Av為osc+1，Av為oscq小信號增益曲線中大于閾值增益系數(shù)g的那部分曲線所對應(yīng)的頻率范圍（振蕩帶16.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)？ 33答：損耗因素(P28

12、)幾何偏折損耗: 衍射損耗:-與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關(guān)。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n.17.哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？ 31 答：(1)描述參數(shù)(P28-P39)可平均單程損耗因子：8 T/ ( 10幾何偏折損耗: 衍射損耗:-與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關(guān)。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

13、工工藝有n.17.哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？ 31 答：(1)描述參數(shù)(P28-P39)可平均單程損耗因子：8 T/ ( 10為初始光強(qiáng)，I往返一周后光強(qiáng)) 1LT =R 8 cLHb)腔內(nèi)光子的平均壽命：C)品質(zhì)因數(shù):(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。Q = 2kvt = 2兀vQ R 8 c18.什么是腔的菲涅爾數(shù)？它與腔的損耗有什么關(guān)系？ Page33|答：菲涅爾數(shù)(P32): 菖稱為腔的菲涅爾數(shù)(a為孔半徑，l腔長)。即從一個鏡L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

14、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|1-為兩球面鏡M , M的距離，0 g1 g 2 1L 2 L， g =1 - , g =1 -1 R 2 R12R取正值，當(dāng)凸面鏡向著腔內(nèi)時，R取負(fù)值。R, R分別為M , M的曲率半徑，當(dāng)凹面鏡向著腔內(nèi)時，20.激光器的諧振腔由一面曲率半徑為1 m的凸面鏡和曲率半徑為2山的四面鏡組 成，工作物質(zhì)長05 m，其折射率152,求腔長L在什么范圍內(nèi)是穩(wěn)定腔？ Page98解：設(shè)兩腔鏡m和M的曲率半徑分別為R和R , R=1m,R=2m,121212工作物質(zhì)長l = 0.5m，折射率門

15、=1.52根據(jù)穩(wěn)定條件判據(jù)：0一91即0(1字-捉1(1)其中由(1)式解得 1m L 2m，由(2 )式得 l = L，+ 0.5 x (1-上)=L，+ 0.171.52o Page98 (3 ) I結(jié)合(1)(2)式得1.17m L 2.17mlo Page98 (3 ) I次，而且兩次任返 證明：設(shè)光線在球面鏡腔內(nèi)的任返情況如下圖所示I其任返矩陣為:T =(1- R、其任返矩陣為:T =(1- R、1(10、-R 1k R2J2 L(1-R)2一 2L 一,2 L1 -R-玲+河-泡-亨-(1-2L )(1-苧)k R R RRR R J121112由于是共焦腔，有Rq = L往返矩陣

16、變?yōu)門(-1 0)0 -1k u ，若光線在腔內(nèi)往返兩次，可以看出，光線在腔內(nèi)任返兩次的變換矩陣為單位陣，所以光線兩次往返L 行閉合，即共焦腔為穩(wěn)定腔。如何理解激光諧振腔衍射理論的自冉現(xiàn)模？ 43答：(P38)開腔鏡面上，經(jīng)過足夠多次往返后，能形成這樣一種穩(wěn)恒場，其分布不再 受衍射的影響，在股內(nèi)任返一次能夠冉現(xiàn)出發(fā)時的場分布。這種穩(wěn)恒場經(jīng)一次任返 后，唯一可能的變化是，鏡面上各點(diǎn)的場分布按同樣的比例衰減，各點(diǎn)的相位發(fā)生 同樣大小的滯后。把這種開腔鏡面上的經(jīng)一次任返能再現(xiàn)的穩(wěn)恒場分布稱為開腔的 自再現(xiàn)模。來解菲涅爾-基爾崔夫衍射機(jī)分方程得到的本征函數(shù)和本征值各代表什么Page51答：本征函數(shù)(P

17、42):描述腔的一個自再現(xiàn)模式或橫模。其模描述鏡面上場的振幅分 布，幅角描述鏡面上場的相位分布。本征值值(P43):表示自冉現(xiàn)模在渡越一次時的幅值衰減和相位滯后。其模值量| 度自再現(xiàn)模在腔內(nèi)任返一次的功率損耗，幅角量度自再現(xiàn)模的單程相移，從而也決 定模的諧振頻率。什么是一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價性？ 66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.今有一球面腔，R =1.5：, R =1m, L - 80cm o試證明該腔為穩(wěn)定腔；求出它的等價共 焦腔的參數(shù)；

18、在圖中1畫出等板共焦腔的具體位置。Page98（10）|1 L 1871 L 1 L 1871 L 10.81。g1= R = 1? = 1?g 2 = R = 一 二=.12由此g g -0.85滿足諧振腔的穩(wěn)定性條件0 gg 透鏡焦眄。什么是高斯光束的目冉現(xiàn)變換？利用薄透鏡對高斯光束實現(xiàn)自再現(xiàn)變換的條件如何？ Page84答：自再現(xiàn)變化(P84):如果一個高斯光束通過透鏡后其結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，即腰斑半 徑巧或共焦參數(shù)f不變，則稱這種變化為自再現(xiàn)變化。條件伽4):透鏡的焦距等于高斯光來入射在透鏡表面上的波面曲率半徑的一半 時，即 R(l) = 2F。非穩(wěn)腔和穩(wěn)定腔的區(qū)別是什么？舉例說明哪些是非

19、穩(wěn)腔？ Page37|答：(1)區(qū)別(P35-36):穩(wěn)定腔中傍軸光線能在腔內(nèi)往返任意多次而不致橫向溢出腔 外；而非穩(wěn)腔中傍軸光線在腔內(nèi)經(jīng)過有限次任返后必然從側(cè)面溢出腔外。(2)非穩(wěn)腔類型(P89)所有雙凸腔；所有平-四腔；凹面鏡曲率半徑小于腔長的平-日腔;雙凹非穩(wěn)腔一鏡曲率半徑小于腔長一鏡曲率半徑大于腔長的雙凹腔幺1句1)什么是譜線加寬？有哪些加寬類型？加寬機(jī)制是什么？ 140答：(1)譜線加寬(P130):由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單包的，而是分布在中心頻率V = E附近一個很小的頻率范圍內(nèi)，這就叫譜線加寬。 0 E(2)加寬類型及機(jī)制(P131-140)a)均勻加寬自然加寬機(jī)制：

20、原子的自發(fā)輻射引起的。碰撞加寬機(jī)制：大量原子(分子、離子)之間的無規(guī)則碰撞。自然加寬機(jī)制：原子的自發(fā)輻射引起的。碰撞加寬機(jī)制：大量原子(分子、離子)之間的無規(guī)則碰撞。晶格振動加寬:機(jī)制：晶格振動使激活離子處于隨周期變化的晶格場，激活 離子的能級所對應(yīng)的能量在某一范圍內(nèi)變化。多普勒加寬 勒頻移弓1多普勒加寬 勒頻移弓1起機(jī)制：由于作熱運(yùn)動的發(fā)光原子(分子所發(fā)出)輻射的多晉晶格缺陷加寬機(jī)制：晶格缺陷部位的晶格場將和無缺陷部位的理想晶格場不同，而處于缺陷部位的激活離子的能級將發(fā)生位移，導(dǎo)致處于鏡體不同部位的不同，激活離子的發(fā)光中心頻率不同。c)綜合加寬氣體工作物質(zhì)的綜合加寬機(jī)制：由碰撞引起的均勻加寬

21、和多普勒非均勻加體激光工作物質(zhì)綜合加寬機(jī)制：由晶格熱振動弓I起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬。液體工作物質(zhì)的綜合加寬機(jī)制：溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰撞而I導(dǎo)致自發(fā)輻射的碰撞加寬。如何理解均勻加寬和非均勻加寬？ 137答：均勻加寬(P131):引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，對于均勻加寬 每個發(fā)光原子都以整個線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原I 子聯(lián)系起來，或者說，每一個原子對光譜內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非均勻加如P135)：原子體系中每個原子只對譜線內(nèi)與它的中心頻率相應(yīng)的部分有質(zhì)獻(xiàn),而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。分有質(zhì)獻(xiàn),如何求自然加寬、碰

22、撞加寬和多普勒加寬的線寬？ 131、134答：自然加寬線寬(p133)：Av = 1 (T .為原子在能級氣的自發(fā)輻射壽命)S 碰撞加寬(P135)：|av疽六(下能級為基態(tài))i 一 _ 一Av = ( + )(下能級為激發(fā)態(tài))H 2兀 I T21多普勒加寬印138) : Av = 2v (竺ln2)_ = 7.16 x 10 一 7v (T)_ (M 為原子量)D 0 mc 20 M分析三能級和四能級系統(tǒng)中粒子在各能級之間的躍遷過程，網(wǎng)出示意圖，并寫出對應(yīng)的單模振蕩速率方程。答：p145-p149 1464.4.3三能級示意圖中可改為36.說明均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的機(jī)理，并

23、寫出激光增益的 表達(dá)式。152 答：均勻加寬增益飽和機(jī)理(P154) 一在均勻加寬情況下，每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻(xiàn)，也就是說是 勻加寬的激光工作物質(zhì)對各種頻率人射光的放大作用全都使用相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)此強(qiáng)光會導(dǎo)致反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降，而反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降又將導(dǎo)致弱光增益系數(shù)的下降，結(jié)果是增益在整個譜線上均勻地下降。13益系數(shù)的下降，結(jié)果是增益在整個譜線上均勻地下降。13均勻加寬增益表達(dá)式：g (v,I)= *L”H vI1 +iI (v1)1 + 7 s 137.飽和光強(qiáng)的含義？怎樣定義的？ Page149?非均勻加寬增益飽和機(jī)理 非均勻加寬博益表達(dá)式：g叩）=1 + 7 s 1

24、37.飽和光強(qiáng)的含義？怎樣定義的？ Page149答：（P151）飽和光強(qiáng)（V）的物理意義是：當(dāng)人射光強(qiáng)度I可以和I（v）比擬時，受激 輻射造成的上能級集居1 數(shù)衰減率才可以與其它弛豫過程”1自發(fā)輻射R無輻射躍遷）相比擬。因此當(dāng)I I（匕）時，與光強(qiáng)無關(guān)，而當(dāng)相比擬。因此當(dāng)I I（匕）時，與光強(qiáng)無關(guān)，而當(dāng)I可以和/（叩相比擬時，商v1sv1著I的增加而減少，M減少到小信號情況下的倍。v11 + 4I （v定義：I=渣確渣斥211222112238在強(qiáng)光人射下，均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中頂光的增益系數(shù)如何變化?IIIPage151 Page155答：（1）均勻加寬物質(zhì)中（P154）果頻率二處

25、于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響而仍等于小信號增益 系數(shù)，所以在增益曲線矣（v,/）v曲線上，在頻率v1處產(chǎn)生一個凹陷，凹陷寬度約為AvH1 +1AvH40.激光器的振蕩條件是什么？穩(wěn)定工作條件？ Page164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(yīng)增益系數(shù)大于等于閾值增益系數(shù)。n產(chǎn)0，所以只需把An?（2）穩(wěn)定工作條怕增益系數(shù)等于于閾值增益系數(shù)| 41.為什么三能級系統(tǒng)比四能級系統(tǒng)需要更強(qiáng)的激勵？ Page166 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)， 個粒子激勵到E能級就可以使增益克服腔的損耗而產(chǎn)生

26、激光。而在三能級系統(tǒng)中， 激光下能級是套態(tài)，至少要將n產(chǎn)0，所以只需把An反轉(zhuǎn)，所以三能級系統(tǒng)的胃值能量或閾值功率要比四能級系統(tǒng)大得多。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？ 169|1 + 反轉(zhuǎn)，所以三能級系統(tǒng)的胃值能量或閾值功率要比四能級系統(tǒng)大得多。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？ 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的一個縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其它縱 模都被抑制而熄滅。因此理想情況下，由勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應(yīng)是單縱模虬 單縱模的頻率總是在譜線中心頻率附近

27、。非均勻加寬激光器中也存在模式競爭，當(dāng)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。43.論述均勻加寬激光器中增益的空間燒孔效應(yīng)弓I起的多縱模振蕩以及消除縱?？臻g燒孔的方法。169數(shù)最小（反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度）最小，波節(jié)處增益系數(shù)（反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度）最大，這一 現(xiàn)象稱作增益的空間燒孔效應(yīng)。I答：（1）描述（P170）:當(dāng)頻率為的縱模在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩時，腔內(nèi)形成一個駐波 場，波腹處光強(qiáng)最大，波節(jié)處光強(qiáng)最小。因此雖然v的模在腔內(nèi)的平均增益系數(shù)小 q 于g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)集居數(shù)密度）最大，這一 現(xiàn)象稱作增益的空間燒孔效應(yīng)。I?（2）消除縱模空間燒孔的方法（

28、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。173答：（1）（p174）激光器的單模輸出功率p和單模頻率的關(guān)系曲線中，在v =v處，曲線有一凹陷，稱為蘭姆(2)成因(p175)當(dāng) V =V 時，g0(v ) = g ；_ q 1i 1Z_當(dāng)= V當(dāng)2=Vq 3當(dāng)頻率v接近v，且q0-當(dāng) V =V 時，g0(v ) = g ；_ q 1i 1Z_當(dāng)= V當(dāng)2=Vq 3當(dāng)頻率v接近v，且q0-V q 01 Av ) HI 2 )時，兩個燒孔部分重疊，燒孔面積的和可能小于v =v時兩個燒孔面積的和，因此此時只有v =0附3近的原子對激光有貢獻(xiàn)，雖然它

29、對應(yīng)著最大的小信號增益,但由于 對激光作貢獻(xiàn)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 0P P3。 當(dāng)L=v0時，兩個燒孔完全重合，一極小值，從而出現(xiàn)蘭姆日陷。45.什么是激光器的弛豫振蕩現(xiàn)象？ 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(qiáng)，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(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。46.為什么存在線寬極限？它取決于什么？ 179答：（1）（p180-181）由于存在看自發(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8不等于零，雖然該模式的

30、光子數(shù)密度n保持恒定，但自發(fā)輻射具有隨機(jī)的相位，所以輸出激光是一個具有衰減的有限長波列，寬度Av，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 s此具有一定的譜線此稱為線寬極限。（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？ 182答：（P183）在有源腔中，由于增益物質(zhì)的包散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠|近中心頻率，這種現(xiàn)象叫做頻率牽弓I。48.長度為 10cm 的紅寶石棒置于長度為 20cm 的光諧振腔中，紅寶石 694.3m 譜線的自發(fā) 輻射壽命，X10-3S ,均勻加寬線寬為中心頻率處閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密

31、度y ； 2）當(dāng)光泵激勵產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度y = 1.2An_/_r時，有多少個縱?？梢哉袷?？（紅寶石折射率為1.76） Page182 （2）C：7-72 X105 MHz， 光腔單程損耗因子8=0.2。求：（1）解：（1）閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為An = 8 = 4兀 2Av/2T 8 = 4兀 2 x 2X1011 x 1.762 x 4X10-3 x 0.2 = 4 06X1017cm 3 r b iTk2.按照l題意10 X (694.3 X 10-7)2=1.2g，若振蕩帶寬為Av，則應(yīng)該有 r1.2gt(A1.2gt(A)2I 2 )fAv)2 (Av 一 +由上式可得 Av = 0

32、&v = 8.94 X1010Hz相鄰縱模頻率間隔為H人 cc3 x1010Av = 5.43 x 108 Hzq 2l 2(/ xl.76 + (L -1)2(10 x1.76 +10)所以 A所以 Av8.94X1010=164.6Av5.43 x108 . q_ _ _K_ a所以有164165個縱模可以起振。49.簡述橫模和縱模選擇的原理及具體方法。212答：（1）橫模選擇（P210）原理：在各個橫模增益大體相同的條件下，不同橫模間笛射損耗有差別，在穩(wěn) 定腔中，基膜的衍射損耗最低，隨看橫模階次的增高，衍射損耗將迅速增加。如果 降低基膜的衍射損耗，使之滿足閾值條件（基膜的單程增益至少能補(bǔ)

33、償它在腔內(nèi)的 單程損耗），則其它模因損耗高而不能起振被抑制。一橫模選擇方法（P211）g,N法，非穩(wěn)腔選模，微調(diào)諧振腔g,N法，非穩(wěn)腔選模，微調(diào)諧振腔原理（p212）:一般諧振腔中有看相同的損耗，但由于頻率的差異而具有不同的小 信號增益系數(shù)。因此，擴(kuò)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(jìn)行縱模選擇的有效途徑?？v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？ 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、223答：（1）工作原理（P220）通過某種方

34、法使諧振腔的損耗因子8 （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8 ,激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于 H 是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到較高的水平，然后在適當(dāng)?shù)臅r刻，使腔的損耗因子 突然降到8，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(qiáng)。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? 形成一個很強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。(2)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？其實際意義是什么？ Page228、Page233；n答：(1)(p228)分為兩類：連續(xù)激光器的注入鎖

35、定，脈沖激光器的注入鎖定；na)入鎖定連續(xù)激題號一二a)入鎖定連續(xù)激題號一二三四五六七總分復(fù)核人得分3070100激光器連的在振蕩器中注入一弱的單色信號，若注入光信號頻率足夠接近激光器的自由振蕩頻率v，則激光振蕩可以完全為注入信號控制，激光器振蕩模式的頻率躍變?yōu)閂，相位 與注入信號同步。| 1|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。i：n?(2)i：n忡利用注人鎖定，可以由一個功率較小、但窄線寬、單模運(yùn)轉(zhuǎn)、頻率穩(wěn)定的激 光器來

36、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)散角小的高功率光量系統(tǒng)或應(yīng)用系統(tǒng)中的光學(xué)元件的向后散射對激光器而言是一注入信號,束；量系統(tǒng)或應(yīng)用系統(tǒng)中的光學(xué)元件的向后散射對激光器而言是一注入信號,會導(dǎo)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。；n.的超短脈沖，這種激光器稱為鎖模激光器。；n.(2

37、)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。2 L(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，利用晶體折射門隨 外加電壓的變化，產(chǎn)生相位調(diào)制。激光原理課程考試題一、填空評卷人題：（30分）通常三能級激光器的泵浦閾值比四能級激光器泵浦閾值高 。紅寶石激光器屬于土能級激光器。He-Ne激光器屬于L能級激光器。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。激光器穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時，腔內(nèi)增益系數(shù)為_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。激光器的基本組成部分激活物質(zhì)、激

38、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(yùn)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(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)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(xué)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(jìn)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）。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?？色@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。固體激光器主要的泵浦

39、源有（氪燈泵浦）、（高效脈沖氙燈泵浦）等。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)。產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)包括（激活離子）和（基質(zhì)）。引起譜線增寬的原因主要有三種，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。氏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)輻射、 受激吸收、受激輻射。CO2激光器中，含有氮?dú)夂秃?，氮?dú)獾淖饔檬翘岣呒す馍夏芗壍募す庑?，氨?的作用的是有助于激光下能級的抽空。有源腔中，由于增益介質(zhì)的色散，

40、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。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。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微觀粒子滿足負(fù)溫度分布。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)生在氣體介第一臺激光器是紅寶石激光器。平行平面腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（1,1）。對稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（-1,-1）。 半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（0,1），（1,0）。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分必要條件。一光子簡并度指光子處于一個光子態(tài)的平均光子數(shù)、處于同一模式的光子數(shù)、相干體 積內(nèi)偏振一樣的光子

41、數(shù)、處于同一相格中的偏振一樣的光子數(shù)。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。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）據(jù)4-28）由光調(diào)V裝置2.畫出電光調(diào)Q激光器原理圖，說明電光調(diào)Q基本原理?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：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：據(jù)4-28）由光調(diào)V裝置2.畫出電光調(diào)Q激光器原理圖，說明電光調(diào)Q基本原理?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

42、的位相差為兀/2，電光晶體 相當(dāng)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:R=R2=l對成共焦腔g參數(shù).：方=1 - = 0Rig = g g 2 = 0說明均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別？說明為什么均勻增寬介質(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(xiàn)，所有原子對發(fā)射譜線上每一頻率的光波都有 相同貢獻(xiàn)，所有原子的作用相同；非均勻增

43、寬介質(zhì)發(fā)射的不同的光譜頻率對應(yīng)于不同的原子，不同的原子對中譜線中 的不同頻率有貢獻(xiàn)，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(xiàn)，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(dāng)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，其它頻率的縱模增益都小于閾值，無法振蕩。畫出電光強(qiáng)度調(diào)制原理圖，說明電光強(qiáng)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(yīng)而制成的器件

44、。常用的有兩種方式：一種 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(yīng)（也稱為縱向運(yùn)用）另一種是通光方向與所加電場方向相 垂直，稱橫向電光效應(yīng)（也稱為橫向運(yùn)用）?？v向調(diào)制與橫向調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)縱向電光調(diào)制優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，無自然雙折射的影響，不需進(jìn)行補(bǔ)償。其缺點(diǎn)是半波電壓太高，功率 損耗較大。一般橫向調(diào)制器橫向運(yùn)用時其半波電壓要低于縱向運(yùn)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 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(jìn)行補(bǔ)償。試畫圖并文字?jǐn)⑹瞿Ｊ礁偁庍^程。G（叫答：假設(shè)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(qiáng)都在增強(qiáng)，/1

45、整個增益曲線由小信號增益曲線G（v）開始下降。當(dāng)降到曲線1時，對q+1模來說，增益已經(jīng)變得比-石傳G閾低。這樣當(dāng)下降到曲線2, q-1模也被抑制掉，只有q模的光強(qiáng)繼菸才續(xù)增強(qiáng)，最后變成曲線3的情形。這種通過增益飽和效應(yīng)，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。I I -| 1 J 80 V *7 5VU-1）均勻增寬型諾線皈模竟?fàn)帪槭裁匆话銇碚f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(xiàn)。當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過時，它會造 成整個增益曲線按同

46、一比例下降，通過增益的飽和效應(yīng)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(qiáng)增強(qiáng)時，增益的飽和效應(yīng)并 不引起整個增益曲線下降，而是在該縱模對應(yīng)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。腔長為0.5m的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率*0=5.85xl014Hz，熒光線寬Av =6xl08 Hz，問它可能存在幾個縱模?相應(yīng)的q值為多少？(設(shè)=1) (9分)c3 x 108一 解：縱模間隔為:Avq = -2-L = 2 x 1 x 0 5 = 3 x 108Hz ,Av6 x 108n = = 2，則可能存在的縱模數(shù)有三個，它們對應(yīng)的q值分別為：Av3 x 108qqc2L5.85 x 1014v=n q =xv = 1.95 x 106 , q+1=1950001, q1 = 19499992L c 3 x 108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3m,腔長為15m。發(fā)光波 長 600nm。判斷此腔的穩(wěn)定性；大小w0及束腰位置；束腰大小w及波面曲率半大小w