激光原理考点总结

对了课本两遍，基本覆盖所有考点，部分小四字体重在辅助理解。有填空、名词解释、计算、简答。计算题四个中出三个。↖(^ω^)↗

第一章

1、光的基本性质：波粒二象性；波动性（电磁波），粒子性（光子流）。

2、光与物质的相互作用有：自发辐射、受激辐射、受激吸收。普通光源中（自发辐射）占主要；激光器中（受激辐射）占主要。

3、简答：自发辐射、受激辐射、受激吸收之间关系：

A21n2dt+B21n2ρv dt=B12n1ρv dt

在光和大量原子系统的相互作用中，三者是同时发生的。在单位体积中，在dt时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数，应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。

4、光谱的（线型）和（宽度）与光的（时间相干性）直接相关。自然增宽的线型函数：f N(v)=A/(4π2(v-v0)2+(1/2τ)2)

f N(v)表示在频率v附近单位频率间隔的相对光强随频率的分布。A为比例常数。所得谱线的自然增宽是因为作为电偶极子看待的原子做衰减振动而造成的谱线增宽。

5、（名词解释）光的多普勒效应：随着光源和接收器的相对运动而发生光源的频率发生改变（频移）称为多普勒效应。运动对向接受体频率增高，背向接受体频率降低。

6、（名词解释）均匀增宽与非均匀增宽：

均匀增宽：自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，而且这个贡献对每个原子都是等同的，这种增宽为均匀增宽。

非均匀增宽：不同粒子对谱线不同频率部分的贡献不同, 即可分辨谱线线型哪一频带是由哪些特定粒子发射的(∵热运动速度矢量相同的粒子引起的频移相同)

7、（简答）实现光的放大的条件：

1）需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽送到高能级上去；

2）需要合适的发光介质（激光工作物质），它能在激励能源的作用下形成n2/g2>n1/g1的粒子数密度反成分布状态。

8、（简答）产生激光的条件：

1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；

2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；

3）有光学谐振腔，增长激光介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。

9、计算：已知氢原子第一激发态E2与基态E1之间能量差为1.64*10-18J,火焰(T=2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g1=g2，求：（1）能级E2上的原子数n2为多少；（2）设火源中每秒发射的光子数为108n2，求光的功率为多少瓦。

答：（1）19

23

18

1

2

2

1

1

210

11

.3

]

2700

10

38

.1

10

64

.1

exp[

4-

-

-

-

⨯

=

⨯

⨯

⨯

-

⨯

=

⇒

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⋅

⋅

n

n

e

g

n

g

n

kT

hν

且20

2

1

10

=

+n

n

可求出31

2

≈

n

（2）功率＝W

9

18

810

084

.5

10

64

.1

31

10-

-⨯

=

⨯

⨯

⨯

第二章

1、（名词解释）稳定腔，不稳定腔：在光学谐振腔中，任一束傍轴光线在两反射镜之间来回不断反射，光在腔内来回反射过程中始终不离开谐振腔，使激光器能稳定的发射激光。满足这一要求的腔称为稳定腔。反之为不稳定腔。

2、（大题）三能级系统与四能级系统（工作原理、示意图与优缺点）：1）实现上下能级之间粒子数反转产生激光的物理过程：三能级系统和四能级系统

2）三能级系统：如图(2-4a)，下能级E1是基态能级，上能级E2是亚稳态能级，E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量。

会画图(2-4) 三能级系统和四能级系统示意图

3）四能级系统：如图(2-4b)，下能级E 1不是基态能级，而是一个激发态能级，在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级系统容易得多。

辅助理解：（获得激光需要激光上下能级形成粒子数反转，也就是上能级粒子数大于下能级粒子数。泵浦粒子数到上能级是需要消耗能量的。三能级系统的下能级是基级，必须将一半以上的粒子数泵浦到高能级上。而四能级系统的下能级不是基态，可以很快排空，更容易形成粒子数反转。）

3、激光器的损耗（镜面损耗），（内部损耗）。

内部损耗：增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量的损耗。

镜面损耗：当强度为I 的光波射到镜面上，其中r 1I(或r 2I)反射回腔内继续放大，其它的部分均为损耗，包括t 1I(或t 2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，用a 1I(或a 2I)表示。

4、（计算）稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R1=40cm,R2=100cm ，求腔长L 的取值范围。 答：

cm L cm L L L R L R L 1401004001)100

1)(401(01)1)(1(021≤≤≤≤⇒≤--≤⇒≤--≤或第三章

1、自再现模：当两个镜面完全相同时（对称开腔），这种稳态场分布应在腔内经单程渡（传播）后，即可实现再现，这个稳定的横向场分布，就是激光谐振腔的自再现模。

辅助理解：

镜1上的场分布，到达镜2时，由于衍射，要经历一次能量的损耗和场分布的变化，