激光課程復(fù)習(xí)（學(xué)生用）

1、第一部分 知識點 1.自發(fā)輻射受激輻射受激吸收的概念及相互關(guān)系 2.激光器的主要組成部分有哪些？各個部分的基本作用。激光器有哪些類型？如何對激光器進(jìn)行分類。 3.什么是光波模式和光子狀態(tài)？光波模式、光子狀態(tài)和光子的相格空間是同一概念嗎？何謂光子的簡并度？ 4.如何理解光的相干性？何謂相干時間，相干長度？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)？ 5.EINSTEIN系數(shù)和EINSTEIN關(guān)系的物理意義是什么？如何推導(dǎo)出EINSTEIN關(guān)系？ .產(chǎn)生激光的必要條件是什么？熱平衡時粒子數(shù)的分布規(guī)律是什么？ .什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？ .如何定

2、義激光增益，什么是小信號增益？什么是增益飽和？ .什么是自激振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的基本條件是什么？ 10.如何理解激光橫模、縱模？ 11.描述激光諧振腔和激光鏡片的類型？什么是諧振腔的諧振條件？ 12.如何計算縱模的頻率、縱模間隔？ 13.如何理解無源諧振腔的損耗和Q值？在激光諧振腔中有哪些損耗因素？什么是腔的菲涅耳數(shù)，它與腔的損耗有什么關(guān)系？ 14.寫出（1）光束在自由空間的傳播；（2）薄透鏡變換；（3）凹面鏡反射 15.什么是激光諧振腔的穩(wěn)定性條件？ 16.什么是自再現(xiàn)模，自再現(xiàn)模是如何形成的？ 17.基模高斯光束的主要參量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，鏡面上光斑的大??？任意位置激光光斑

3、的大??？等相位面曲率半徑，光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角，模體積 18.如何理解一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價性？如何計算一般穩(wěn)定球面腔中高斯光束的特征 19.高斯光束的特征參數(shù)？q參數(shù)的定義？ 20.非穩(wěn)定腔與穩(wěn)定腔的區(qū)別是什么？判斷哪些是非穩(wěn)定腔。 21.什么是譜線加寬？有哪些加寬的類型，它們的特點是什么？如何定義線寬和線型函數(shù)？什么是均勻加寬和非均勻加寬？它們各自的線型函數(shù)是什么？ 23.自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬的線寬與哪些因素有關(guān)？ 24.光學(xué)躍遷的速率方程，并考慮連續(xù)譜和單色譜光場與物質(zhì)的作用和工作物質(zhì)的線型函數(shù)。 25.畫出激光三能級和四能級系統(tǒng)圖，描述相關(guān)能級粒子的激發(fā)和去激發(fā)過程。建立相

4、應(yīng)能級系統(tǒng)的速率方程。 26.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。 27.描述非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的“燒孔效應(yīng)”，并說明它們的原理。 28.連續(xù)和脈沖激光器工作的閾值條件，輸出功率或能量，輸出光波的波形（討論馳豫脈沖形成的過程），分析激光器內(nèi)的模式競爭過程。 29.解釋模式競爭效應(yīng)和橫模及縱模的空間燒孔效應(yīng)。 30.說明蘭姆凹陷的形成過程。 31.激光譜線的線寬極限 32.激光器的頻率牽引效應(yīng)33.如何對激光的特性進(jìn)行控制和改善，常見的有那些方法？34.如何選擇橫?；蚩v模，分別有哪些方法35.說明穩(wěn)頻的原理及常見的穩(wěn)頻方法36.分析調(diào)Q的原理、方法及目的37.注入鎖定的目

5、的如何，怎樣實現(xiàn)的38.鎖模的目的和方法39.常見激光放大器的種類及工作特點.（請大家化一點時間自學(xué)第五章的內(nèi)容）40.He-Ne、Nd-YAG、紅寶石、鈦寶石、N2激光器等的發(fā)光物質(zhì)，激光波長及激勵方法和特點。第二部分 復(fù)習(xí)題一單項選擇1自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)與激發(fā)態(tài)E2平均壽命的關(guān)系為 （ ） A. B. C. D. /e2愛因斯坦系數(shù)A21和B21之間的關(guān)系為 （ ） A. B. C. D. 3自然增寬譜線為 （ ）（A）高斯線型（B）拋物線型（C）洛侖茲線型（D）雙曲線型 4.某譜線的均勻加寬為10MHz，中心頻率所對應(yīng)的譜線函數(shù)的極大值為（） （A）0.1s (B)10-7Hz (C)

6、0.1s (D)107Hz5、多普勒加寬發(fā)生在介質(zhì)中。 （ ）（A）固體 (B)液體 (C)氣體(D)等離子體6.多普勒加寬譜線中心的光譜線取值為 （ ）（A）(B)(C)(D)7.腔長為0.5米,=1.5,縱模間隔為 ( ) （A）8105.1HZ （B）8102HZ （C）8103H Z （D）8104HZ8.某譜線的均勻加寬為10MHz，中心頻率所對應(yīng)的譜線函數(shù)的極大值為。 （ ）（A）0.1s (B) 10-7Hz (C) 0.1s (D) 107Hz 9對稱共焦腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為 （ ）（A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1）10半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)

7、為 （ ）（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. 該腔為。（A）穩(wěn)定腔 （B）非穩(wěn)定腔 （C）臨界腔 （D）不能確定12一平凹腔,其凹面鏡的半徑R等于腔長L,它是 ( ) （A）穩(wěn)定腔（B）臨界腔（C）非穩(wěn)腔13.一腔長為60cm的對稱穩(wěn)定腔，反射鏡的取值范圍 （ ）A、cm B、C、cm D、cm13如選取透鏡的兩個焦平面作為入射面和出射面，透鏡焦距為f，該光學(xué)系統(tǒng)的傳輸矩陣為（）（A）（B）（C）（D）14.激光器一般工作在狀態(tài)（）(A)閾值附近(B)小信號 (C)大信號 (D)任何狀態(tài)15閾值條件

8、是形成激光的 （ ）（A）充分條件（B）必要條件（C）充分必要條件（D）不確定16.對同一種介質(zhì)，小信號增益系數(shù)隨而變。（）(A)譜線寬度 (B)激發(fā)功率 (C)粒子數(shù)密度(D)自發(fā)輻射幾率17.三能級系統(tǒng)激光器，至少要把總粒子數(shù)的 抽運(yùn)到激光上能級，才能實現(xiàn)激光振蕩。 (A)1/2 (B)1/3 (C)1/4 (D)1/1018諧振腔的縱模間隔為 （B ） A. B. C. D. 19對稱共焦腔基模的遠(yuǎn)場發(fā)散角為 （ ） A. B. C. D. 20.共焦腔基模光腰為 （ ）（A） (B) (C) (D)21諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q衡量腔的 （ ）（A）質(zhì)量優(yōu)劣（B）穩(wěn)定性（C）儲存信號的能力（D

9、）抗干擾性22鎖模激光器通?？色@得（ ）量級短脈沖 A. Ps B. C. ns D. fs23YAG激光器是典型的（ ）系統(tǒng)（A）二能級 （B）三能級 （C）四能級 （D）多能級24.在某個實驗中，光功率計測得光信號的功率為-30dBm，等于W。（A）110-6(B)110-3(C)30(D)-3025.在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下，微觀粒子滿足 (A)費(fèi)米分布 ( B)高斯分布 (C)波爾茲曼分布 (D)負(fù)溫度分布26.激光器的諧振腔具有選模功能，與縱模選擇有關(guān)的量是 （ ）A、工作物質(zhì)的折射率 B、改變腔長C、腔鏡的衍射損耗 D、諧振腔內(nèi)的氣壓27.下列說法中錯誤的是 （ ）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勻的，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間方向輸出光束28.下列說法中正確的是 （ ）A、高斯光束中腰斑的光斑最小，光斑大小為零B、高斯光束基模光斑半徑隨按雙曲線變化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對于均勻增寬介質(zhì)，中心頻率處小信號增益系數(shù)為G0()，當(dāng)I=時，飽和顯著，非小信號中心頻率增益系數(shù)為：（ ）（A）G0() （B） （C） （D）二識圖(a) (b)圖.如圖為激光器輸出的橫模圖，用微波中標(biāo)志模式的符號標(biāo)記。 圖.如圖是增益飽和曲線圖，能說出分別表示什么介質(zhì)，圖中曲線所表示的物

11、理意義.圖，是一個四能級圖，能說出各箭頭所表示的物理意義，并寫出速率方程。4.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軸兩方向偏振光的位相差為p/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。三填空題1.光子具有自旋，并且其自旋量子數(shù)為整數(shù)，大量光子的集合，服從統(tǒng)計分布。2.一束光通過長度為1m的均勻激勵的工作物質(zhì)。如果出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，則該物

12、質(zhì)的增益系數(shù)為。3.設(shè)某固體激光器諧振腔長50cm，固體激光介質(zhì)棒長30cm，其折射率為1.6，其本征縱模的頻率間隔為。4.設(shè)某激光器諧振腔長50cm，反射鏡面半徑為2cm，光波波長為400nm，則此腔的菲涅耳數(shù)為。5.激光器中諧振腔的作用是 。.小信號情況下，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)及增益系數(shù)與 無關(guān)，與泵浦幾率成正比。增益系數(shù)與入射光的頻率有關(guān)。7.任何一個共焦腔與 等價,而任何一個滿足穩(wěn)定條件的球面腔 地等價于一個共焦腔。8.光子簡并度指光子處于 、 、 、 。9激光器的基本結(jié)構(gòu)包括三部分，即 、 和 。10影響腔內(nèi)電磁場能量分布的因素有 、 、 。11有一個諧振腔，腔長L=1m，在1500MH的范圍

13、內(nèi)所包含的縱模個數(shù)為 個。12目前世界上激光器有數(shù)百種之多，如果按其工作物質(zhì)的不同來劃分，則可分為四大類，它們分別是 、 、 和 。13.CO2激光器中，含有氮氣和氦氣，氮氣的作用 ，氦氣的作用的是 。14.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微觀粒子滿足 。15. 碰撞增寬譜線為 。自然加寬是 引起的。多普勒展寬發(fā)生在氣體介質(zhì)中。15. He-Ne激光器和CO2激光器上能級的壽命分別是108s和10-4s，求兩激光器的自然線寬。兩激光器在中心頻率處的線型函數(shù)。16. 平行平面腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（ , ）。對稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（ , ）。半共焦腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（ ， ）（ ， ）。17. 諧振腔的

14、品質(zhì)因數(shù)Q是用來衡量 能力。閾值條件是形成激光的 條件。18. 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)偏振一樣的光子數(shù)、處于同一相格中的偏振一樣的光子數(shù)。19. 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。20. HeNe激光器是一個四能級系統(tǒng)，由于 ，因此所需的激勵能量比三能級系統(tǒng)小得多，所以產(chǎn)生激光比三能級系統(tǒng)容易得多。四簡答題1. 激光譜線加寬分為均勻加寬和非均勻加寬，簡述這兩種加寬的產(chǎn)生機(jī)理、譜線的基本線型。答：如果引起加寬的物理因數(shù)對每一個原子都是等同的，則這種加寬稱為均勻加寬。自然加寬、碰撞加寬及晶格振動加寬均屬均勻加寬類型。非均勻加

15、寬是原子體系中每一個原子只對譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)。多普勒加寬和固體晶格缺陷屬于非均勻加寬。2.物質(zhì)的粒子躍遷分輻射躍遷和非輻射躍遷，簡述這兩種躍遷的區(qū)別。答：粒子能級之間的躍遷為輻射躍遷，輻射躍遷必須滿足躍遷定則；非輻射躍遷表示在不同的能級之間躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射或吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給他的能量。3.激光器的基本組成部分 、 、 。（1）. 合適的激光工作物質(zhì)，其激活粒子有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級。(2).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).光學(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，以提高光能密度；控制光

16、束的傳播方向，提高光的方向性；選擇被放大的受激輻射的模式，形成共振產(chǎn)生的模提高相干性。（或者填選擇、提高軸向光波模的反饋）5什么是對稱共焦腔,計算對稱共焦腔g參數(shù)答:對成共焦腔:R1=R2=L對成共焦腔g參數(shù)6.為什么一般來說均勻增寬的穩(wěn)態(tài)激光器的輸出通常是單縱模的，而非均勻增寬的穩(wěn)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)

17、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。五計算題：.某激光工作物質(zhì)的自發(fā)輻射譜線形狀呈三角形，如圖所示。光子能量1.476eV。高能級自發(fā)輻射壽命5ns,小信號中心頻率增益系數(shù)10cm-1求：（）中心頻率線型函數(shù)值（）達(dá)到上述小信號中心頻率增益系數(shù)所需要的小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度？2某激光器(l=9.0m)采用平凹腔，腔長L1m， 凹面鏡曲率半徑R2m。求：（1）它產(chǎn)生的基模高斯光束的腰斑半徑及腰斑位置。 （2）它產(chǎn)生的基

18、模高斯光束的焦參數(shù)。 （3）它產(chǎn)生的基模高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角。 3.諧振腔長L=1m,兩反射鏡的反射率分別為和，其他損耗不計，分別求:光在腔內(nèi)往返m=2m周后的光強(qiáng)； 時的光強(qiáng)是初始光強(qiáng)的倍數(shù)；諧振腔的壽命。4.99,第題。5由兩個凹面鏡組成的球面腔，凹面鏡的曲率半徑分別為2m、3m，腔長為1m。激光波長600nm。（1）求出等價共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置，用圖表示。（2）求出距左側(cè)凹面鏡向右3.333米處的束腰大小w及波面曲率半徑R；6氦氖激光器中Ne20能級2S2-2P4的譜線為1.1523m。這條譜線的自發(fā)輻射幾率A為6.54106s-1秒, 放電管氣壓P260帕; 碰撞系數(shù)700KHz/帕; 激光溫度T = 400K; M =112; 試求: (1