《激光原理》复习
激光原理复习知识点
激光原理复习知识点激光原理是激光技术的核心知识之一，它是指光子在受激辐射作用下的放大过程。
下面将详细介绍激光原理的相关知识点。
1.基本概念激光是一种特殊的光，其特点是具有高度的单色性、方向性和相干性。
与常规的自然光不同，激光是一种具有相同频率和相位的光波。
2.受激辐射受激辐射是激光形成的基本原理，它是指当原子或分子受到外界能量激发后，处于激发态的原子或分子会通过辐射的方式从高能级跃迁到低能级，此时会放出光子能量，并与入射光子保持相位一致。
3.激光产生的条件为了产生激光，需要满足以下条件：-有大量的原子或分子处于激发态。
-具有一个能够增加原子或分子跃迁概率的辐射源。
-有一种方法可以让过多的激发态原子或分子跃迁到基态。
4.激光器的结构激光器通常由三个基本部分组成：激活介质、泵浦系统和光学腔。
-激活介质是产生激励能量的介质，如气体、液体或固体。
-泵浦系统是用来提供能量，并将大量原子或分子激发到激发态的装置。
-光学腔是由两个或多个高反射镜组成的光学结构，用来反射和放大光。
5.激光的放大激光的放大是通过在光学腔中来回传播，不断受到受激辐射的作用而增强光波的幅度。
通常，在光学腔中的一个镜子上镀膜，具有高反射率，而另一个镜子具有部分透射和部分反射的特性，用来逐渐放大光。
6.激光的增益介质增益介质是指能够提供光放大的介质，如气体（如CO2、氦氖）、固体（如Nd:YAG）或半导体（如激光二极管）等。
这些介质中的原子或分子通过与激励能量的相互作用，从而达到受激辐射的能量放大。
7.激光的产生方式激光可以通过多种方式产生，其中包括：-激光器：使用激光介质和泵浦系统来产生激光。
-激光二极管：使用半导体材料制成的二极管来产生激光。
-激光腔：使用自激振荡的原理来产生激光。
8.激光的应用激光具有广泛的应用领域，包括但不限于：-激光切割和焊接：激光切割和焊接用于金属加工、制造业等领域。
-激光打印：激光打印用于打印机和复印机等办公设备中。
激光原理复习自整理资料
第一章激光的特性： 1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好波尔兹曼定律：根据统计规律，大量粒子组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：kTE i i ieg n 推论：假设gi=gj 1.当E2-E1很小，且12-E E E << kT 时，112n n ，2.当E2>E1时，n2<n1. 说明高能粒子数密度总是较小3.当E1为基态，E2距离很远时，即E2>E1,012n n ,说明绝大多数粒子为基态普朗克公式：11h 8hv33vkTecv爱因斯坦关系：自发辐射，受激辐射，受激吸收之间的关系332121hv 8cB A 212121g B g B 光子简并度g ：处于同一光子态的光子数。
含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数自发辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子自发的向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子特点：1各粒子自发，独立的发射光子；2非相干光源光功率密度：212)()t (q A t hvn 自受及辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子在频率为ｖ的辐射场作用下，向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子特点：1只有外来光频率满足12hv E E ；2 受激辐射所发射的光子与外来光特征完全相同，相干光源【频率，相位，偏振方向，传播方向】，光场中相同光子数量增加，光强增加，入射光被放大，即光放大过程光功率密度：vB t hvn t 212)()(q 激光功率密度比：vvhv h88cq q 333自激增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。
谱线宽度：线型函数在时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。
谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内。
激光原理复习资料
1，全息照相是利用激光的相干性好特性的照相方法。
2，能够完善解释黑体辐射实验曲线的是普朗克公式,3，什么是黑体辐射？写出公式,并说明它的物理意义。
答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
公式：物理意义：在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。
4，爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是自发辐射、受激发射、受激吸收。
5，按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是（）A，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。
B，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光相干。
C，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。
D，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光相干。
6，Einstein系数有哪些？它们之间的关系是什么？答：系数：自发跃迁爱因斯坦系数A21，受激吸收跃迁爱因斯坦系数B12，受激辐射跃迁爱因斯坦系数B21关系：，，f1, f2为E1, E2能级的统计权重(简并度)。
7，自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（）A, B, C, D,8，如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？答：光的相干性:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。
相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。
相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。
相干体积：如果在空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性，则称为相干体积。
9，光腔的损耗主要有几何偏折损耗、衍射损耗、透射损耗和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。
激光原理背诵版(整理)
32.激光器三要素：工作物质、泵浦源、光学谐振腔
33.工作物质：提供受激辐射的能级结构
34.泵浦源：将低能级粒子抽运到高能级，实现粒子数反转
激光原理重点汇整
第1章 电磁场和物质的共振相互作用
1.电磁场和物质的共振相互作用：自发辐射、受激辐射、受激吸收。在热平衡条件下，自发辐射为主，使受激辐射占优的前提是实现粒子数的反转分布。
2.自发辐射和受激辐射的区别：自发辐射是随机的，各光子之间无关联性，受激辐射是相干光（频率、相位、波失、偏振均相同）；自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光；
30.共焦腔与稳定球面镜腔的等价性：任何一个共焦腔可以与无穷多个稳定球面腔等价，任何一个稳定球面镜腔只能有一个等价共焦腔。
31.已知球面镜腔的的R1、R2、L，求z1、z2、和f，z1=负的L(L-R2)除以[(L-R1)+(L-R2)]，z1=L(L-R1)除以[(L-R1)+(L-R2)]，f平方=负的L（L-R1）（L-R2）（L-R1-R2）除以[(L-R1)+(L-R2)]平方
11.气体激光物质：碰撞加宽+多普勒加宽，气压低时以多普勒加宽为主（非均匀加宽），气压高时以碰撞为主（均匀加宽）。
12.固体激光物质：晶格振动加宽+晶格陷阱加宽，参杂及缺陷少时以晶格振动加宽为主(均匀加宽)，低温下为非均匀加宽。
13.液体激光物质：碰撞加宽
14.常见均匀加宽激光工作物质：红宝石、YAG、二氧化碳（＞1330帕）、砷化镓
32.非稳腔：高功率即大能量输出的激光器常为非稳腔，非稳腔内存在一对共轭像点，从共轭像点发出的球面波是腔内的自再现模。
激光原理复习知识点
一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
激光原理复习题(含参考答案)
激光原理复习题（含参考答案)1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为(B）2. 爱因斯坦系数A2１和B2１之间的关系为( C)3. 自然增宽谱线为（C)（A) 高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型(Ｄ)双曲线型４. 对称共焦腔在稳定图上的坐标为( Ｂ）（A)(-1,-1）（B）(0，０)(C)（1,1）(D）(0，１）5．阈值条件是形成激光的(C)（A)充分条件(B)必要条件（Ｃ)充分必要条件（D)不确定6．谐振腔的纵模间隔为( B ）７. 对称共焦腔基模的远场发散角为（C)8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的( C ）（A)质量优劣（B)稳定性(C）储存信号的能力(D）抗干扰性９．锁模激光器通常可获得( Ａ）量级短脉冲１0. ＹAG激光器是典型的（C)系统（Ａ）二能级（B）三能级（C) 四能级（D）多能级11. 任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价,而任何一个满足稳定条件的球面腔唯一地等价于一个共焦腔。
12. 激光器的基本结构包括三部分，即工作物质、激励物质光学谐振腔。
13.有一个谐振腔,腔长Ｌ=１ｍ,在150０MH z的范围内所包含的纵模个数为１0个（设μ=1)。
14.激光的特点是相干性强、单色性佳、方向性好高亮度。
１５ 调Q 技术产生激光脉冲主要有 、 两种方法,调Q激光器通常可获得ｎs 量级短脉冲，锁模有 和 两种锁模方式。
锁模 、 调Q 主动锁模 被动锁模 16.受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即 , , ,。
传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同１7写出光与物质相互作用的爱因斯坦关系式,说明其物理含义。
答:（１)自发辐射跃迁几率2121211sp s dn A dt n τ⎛⎫== ⎪⎝⎭,表示了单位时间内从高能级向低能级跃迁的原子数与高能级原有粒子数的比例。
(2)受激吸收跃迁几率121211st dn W dt n ⎛⎫= ⎪⎝⎭，表示单位时间内由于受激跃迁引起的由低能级向高能级跃迁的原子数和低能级原子数的比例。
激光原理考试重点
激光原理考试要点第一章激光的基来源理1.光子的颠簸属性包含什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包含什么？质量与频次的关系？答：光子的颠簸性包含频次，波矢，偏振等。
粒子性包含能量，动量，质量等。
动量与波矢：质量与频次：2.观点：相格、光子简并度。
答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为，上述相空间体积元称为相格。
处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它拥有以下几种同样含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相关体积内的光子数、处于同一相格内的光子数3.光的自觉辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系答：自觉跃迁爱因斯坦系数：. 受激汲取跃迁爱因斯坦系数： ) 。
受激辐射跃迁爱因斯坦系数：。
关系： ;;为能级的统计权重 ( 简并度 )当时有4.形成稳固激光输出的两个充足条件是起振和稳固振荡。
形成激光的两个必需条件是粒子数反转散布和减少振荡模式数5.激光器由哪几部分构成？简要说明各部分的功能。
答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质系统。
接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够激烈发光的活跃状态，也称为激活物质。
泵浦源：供给能量，实现工作物质的粒子数反转。
光学谐振腔： a) 供给轴向光波模的正反应； b) 模式选择，保证激光器单模振荡，进而提升激光器的相关性。
6.自激振荡的条件？答：条件：此中为小信号增益系数：为包含放大器消耗和睦振腔消耗在内的平均消耗系数。
7.简述激光的特色？答：单色性，相关性，方向性和高亮度。
8.激光器分类：固体液体气体半导体染料第二章开放式光腔与高斯光束1.开放式谐振腔依据光束几何偏折消耗的高低，能够分为稳固腔、非稳腔、临界腔。
2.驻波条件，纵模频次间隔答：驻波条件：应知足等式：式中，为平均平面波在腔内来回一周时的相位滞后；为光在真空中的波长；为腔的光学长度；为正整数。
相长干预时与的关系为：或用频次来表示：.纵模频次间隔：不一样的 q 值相应于不一样的纵模。
激光原理复习资料
激光原理复习资料一、选择题1. 在光和原子体系的相互作用中，自发辐射和受激吸收总是（D ）存在的。
A.. 都不B. 不同时C. 一种或两种D.同时2. 在共轴球面谐振腔，如果腔体是稳定的，则腔需要满足的是（A ）A. 1021<<g gB. 121>g gC. 0g 12121==g g g 或D. 121<g g3. 对称共焦腔的1D A 21-=+）（，就稳定性而言，此对称共焦腔是（A ） A.稳定腔 B.非稳定腔 C.混合腔 D.任意腔4. 半导体发光二极管发出的光是（C ）A.自然光B. 激光C. 荧光D.任意光5. 以下那个不是激光武器所具有的优点（B ）A.无需进行弹行计算B.有小的后座力C.操作简便，移动灵活，使用范围广D.污染，消费比高6.以下哪个过程能实现激光的光放大（C ）A.受激吸收B.自发辐射C.受激辐射D.自发辐射和受激辐射7.四价的本征导体Si ，Ge 等，掺入少量三价的杂志元素（如B ，Ga ，Ze 等）形成空穴为（D ）A.绝缘体B.导体C. n 型导体D.P 型半导体8.以下不是激光器的基本组成部分的是（B ）A.工作物质B.谐振腔C.泵浦原D.发光二极管二、填空题1.激光器的基本组成包括工作物质、谐振腔、泵浦原.2.激光器按工作物质可以分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器。
3.在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，钕玻璃激光器是四能级系统。
4.产生激光的必要条件是实现粒子反转。
5.激光的四个特性分别是方向性、单色性、高亮度、相干性。
6.激光的调制技术按调制的物理效应可以分为电光调制、声光调制、磁光调制。
7.激光武器的杀伤机理是烧灼效应、激波效应、辐射效应。
8.调Q技术产生激光脉冲主要有锁模、调Q两种方法，调Q激光器通常可以获得ns量级，锁模有主动锁模和被动锁模两种锁模方式。
9.固体激光器主要的泵浦源有氪灯泵浦、高效脉冲氙灯泵浦等。
精简版---激光原理知识点+复习90题
T
A C
1 2L
B D
2 R1
R2
2 R2
1
2L R1
2 L1
L R2
2L R1
1
2L R1
1
2L R2
把条件 R1 R2 R L 带入到转换矩阵 T，得到：
T
A C
B D
1 0
0 1
共轴球面腔的稳定判别式子 1 1 A D 1
2
如果 1 A D 1 或者 1 A D 1 ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，
(1)判断腔的稳定性; (2)求输出端光斑大小； (3)若输出端刚好位于焦距 f=0.1m 的薄透镜焦平面上，求经透镜聚焦后的光腰大小和位置。
解: (1)如图所示，等效腔长
L
'
a
b
0.44
m
0.1 m 1.7
0.5m
由等效腔长可得
：
g1 g 2
1
L' R1
1
L' R2
1
0.5 1
1
0.5
2
1
1.52 1
1.52
要达到稳定腔的条件，必须是 1 1 A D 1，按照这个条件，得到腔的几何长度为：
2
1.17 L1 2.17 ，单位是米。（作图）
11
4.4（夏珉习题 2.19 数据有改变）如图 2.8 所示，波长 1.06m的钕玻璃激光器,全反射镜的曲率半径
R=1m，距离全反射镜 0.44m 处放置长为 b=0.1m 的钕玻璃棒，其折射率为 n=1.7。棒的右端直接 镀上半反射膜作为腔的输出端。
第三章
光学谐振腔
激光原理复习资料整理总结
第一章1.1900年，普朗克(M.Planck)提出辐射能量量子化假说，精确的解释了黑体辐射规律。
获得1918年诺贝尔物理学奖。
能量子概念:物质吸收和发射电磁能量是一份一份的进行的。
2.1905年，爱因斯坦(A. Einstein)为解释光电效应定律提出光量子假说。
获得1921年诺贝尔物理学奖。
光量子:简称光子或者photon，即光场本身的能量就是一份一份的。
3.光量子的概念（爱因斯坦）：光量子简称光子或者photon，即光场本身的能量就是一份一份的。
爱因斯坦假设：光、原子、电子一样具有粒子性，光是一种以光速c运动的光子流，光量子假说成功地解释了光电效应。
光子（电磁场量子)和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量等。
粒子属性:能量、动量、质量；波动属性:频率、波矢、偏振4.光子既是粒子又是波，具有波粒二象性!5.属性：①光子的能量：ε=hv，普朗克常数： h=6.626x10−36J.s②光子的运动质量m：m=εc2=ℎvc2③光子的动量P⃑：P⃑=mcn0⃑⃑⃑⃑ =ℎvc n0⃑⃑⃑⃑ =ℎ2π2πλn0⃑⃑⃑⃑④光子的偏振态：光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。
⑤光子的自旋：光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，处于同一状态的光子数目是没有限制的。
6.光子相干性的重要结论：①相格空间体积以及一个光波模式或光子状态占有的空间体积都等于相干体积②属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。
7.光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。
具有以下几种相同的含义:同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。
好的相干光源:高的相干光强，足够大的相干面积，足够长的相干时间(或相干长度)。
8.1913年，玻尔(Niels Bohr)建立氢原子结构模型，成功解释并预测了氢原子的光谱。
获得1922年诺贝尔物理学奖9.1946年，布洛赫(Felix Bloch)提出粒子数反转概念。
激光原理复习知识点
激光原理复习知识点
激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高直线度等特点，广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
激光的产生是基于激光原理，本文将围绕激光原理展开复习，帮助读者更好地理解激光的工作原理及常见应用。
1. 光的特性：
光是电磁波的一种，具有波粒二象性。
在光学中，我们常常将光看作是一束光线，使得光的传播更易于理解。
光的主要特性包括波长、频率、振幅和相位等。
2. 激射过程：
激光的产生是通过光子在外部受激辐射的作用下，从处于激发态的原子或分子中重新退激而产生。
这个过程需要一种激光介质，如气体、固体或液体，以及与之匹配的能量源，如泵浦光源或电子束。
3. 受激辐射：
在激光介质中，经过泵浦作用，一部分原子或分子被激发到激发态。
当这些处于激发态的粒子受到外界能量刺激时，会从高能级跃迁到较低能级，释放出额外的光子，这就是受激辐射。
这些受激辐射的光子可以与其他激发态粒子进行相互作用，进一步增强受激辐射的效果。
4. 波导结构：
为了通过受激辐射实现激光的放大和反射，激光器通常采用波导结构。
波导结构允许激光光束在其中传播，而不会发生较大的损耗。
波导结构可以是导光纤、半导体器件或光学腔等形式。
5. 消谐：
在激光器中，为了保持单一频率的输出，需要进行消谐。
消谐可以通过调整激光介质的性质或使用消谐元件来实现。
消谐的目的是确保激光器输出的光具有较窄的频谱宽度，以便于在通信和光谱分析等应用中的有效使用。
6. 光的放大：。
激光原理-概念复习
1、光子的概念及特点。
2、概述光和物质相互作用的三个过程。
画出其作用示意图，并且对比自发辐射和受激辐射的特点。
（30. 光与物质的相互作用有哪几种基本过程？分别解释它们的具体表现。
）3、由跃迁概率导出爱因斯坦系数关系。
4、光放大的概念、实现光放大的条件（集居粒子数反转）。
5、增益饱和现象及其物理机制（当外界光场强度增加，介质增益系数下降；大量消耗反转粒子数导致增益系数下降直至损耗系数）6、简述自激振荡形成的过程。
激光器振荡的条件（P18）。
7、增益系数的定义式及意义。
8、激光器的特点。
（激光与普通光源的区别是什么？激光具有什么特性？试列举激光的某一个特性在工业或其他领域中的应用。
答：激光的相干性。
由于激光是一种受激辐射光。
因此具有单色性、方向性、相干性和高强度这四个特性。
如氦氖激光器具有很好的方向性，可以在工业中用于准直；二氧化碳激光器具有很好的强度，可以用于金属材料的切割、焊接、打孔等。
）CH21、激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分的作用。
激光工作物质，激励能源（泵浦）和光学谐振腔。
2、试列举三种激光振荡腔模式的分析方法，讨论这些分析方法的特点和应用范围。
答：激光振荡腔模式分析方法有几何光学理论、波动光学理论和费聂耳-基尔霍夫衍射积分方程等三种理论。
透镜波导可以认为是几何光学理论中的一种；波动方程理论主要是从麦克斯韦方程出发，结合光学谐振腔的具体特性。
采取适当的近似，从而达到对腔模的振幅分布、相位分布、谢振频率和衍射损耗等。
但是只有对称共焦腔才能求解出衍射积分方程的近似解析解。
但是，通过建立一般稳定球面腔与对称共焦腔之间的等价性。
可以将对称共焦腔模式解析理论结果推广到一般的稳定球面腔。
3、开腔的概念、模式的基本特征、开腔的谐振条件。
光腔的损耗。
27.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性。
4、自再现模的起因及特点CH41. 根据引起谱线增宽的原因不同以及谱线增宽的特点不同，分别描述谱线增宽的类型及物理机制、2、讨论均匀加宽和非均匀加宽的区别。
激光原理复习知识点
一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件: 0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v ∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V 内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
激光原理复习要点
激光原理复习要点激光原理复习要点第⼀章激光的基本原理⼀、激光的基本性质：1.光⼦的能量与光波频率对应νεh =；2.光⼦具有运动质量22ch cm νε==；3.光⼦的动量与单⾊波的波失对应k n mc p==0；4.光⼦具有两种可能的偏振态，对应光波场的两个独⽴偏振⽅向；5.光⼦具有⾃旋，且⾃旋量⼦数为整数。
⼆、光⼦的相⼲性：1.相⼲性：在不同的空间点上，在不同的时刻的光波场的某些特性（例如光波场的相位）的相关性。
2.相⼲体积：在空间体积为c V 内的各点光波场都具有明显的相⼲性。
3.相⼲长度：光波波列的长度。
4.光源的单⾊性越好，则相⼲时间越长。
5.关于相⼲性的两个结论：（1）相格空间体积以及⼀个光波模式或光⼦偏振态占有的空间都等于相⼲体积。
（2）属于同⼀状态的光⼦或同⼀个模式的光波是相⼲的，不同状态的光⼦、不同模式的光波是不相⼲的。
三、光⼦简并度：同⼀状态的光⼦数、同⼀模式的光⼦数、处于相⼲体积的光⼦数、处于同⼀相格的光⼦数。
四、⾃发辐射：处于⾼能级的⼀个原⼦⾃发地向低能级跃迁，并发射出⼀个能量为νh 的光⼦，这种过程叫⾃发跃迁，由原⼦⾃发跃迁发出的光成为⾃发辐射。
五、受激辐射：处于上能级的原⼦在频率为ν辐射场作⽤下，跃迁⾄低能级，并辐射出⼀个能量为νh 的光⼦，受激辐射跃迁发出的光成为受激辐射。
六、受激吸收：处于低能级的⼀个原⼦，在频率为ν的辐射场作⽤下，吸收⼀个能量为νh 的光⼦并向⾼能级跃迁。
七、辐射跃迁：⾃发辐射跃迁、受激辐射跃迁，⾮辐射跃迁：受激吸收⼋、增益系数：⽤来表⽰光通过单位长度激活物质后光强增长的百分⽐。
()()z I dz z dI g 1=。
九、饱和增益：增益系数g 随着z 的增加⽽减⼩，这⼀现象称为饱和增益。
⼗、引起饱和增益的原因：1.光强I 的增加是以⾼低能级粒⼦数差的减⼩为代价的。
2.光强越⼤，⾼低能级的粒⼦数差减⼩的就越多，所以g 也随z 的增⼤⽽减⼩。
⼗⼀、光谐振腔的作⽤：1.模式选择，保证激光器单模振荡，从⽽提⾼相⼲性。
激光原理考试复习资料.doc
1•激光原理（概念，产生）：激光的意想、是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放人”，它包含了激光产生的由来。
刺激、激发，散发、发射，辐射2•激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好：3•激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。
丄作在红外和町见光波段的雷达称为激光雷达。
4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硕目标。
软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硕FI标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。
软目标的回波机制：（1）Mie散射是一种散射粒了的氏径与入射激光波长相当或比之更人的一种散射机制。
M ie 散射的散射光波长与入射光波氏相当，散射时光与物质Z间没冇能量交换发生。
因此是一种弹性散射。
（2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而散射粒了远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。
（3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，英最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或煎波方向的移动。
而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。
（4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级Z间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。
（5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原了分了的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。
硬冃标的冋波机制：激光与由宏观实体构成的硕冃标作用机制反射、吸收和透射。
当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一•部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。
硕冃标对激光能量的反射机制最为重耍。
硬目标冋波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射1•机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空I'可姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用丁•确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所冇部分Z间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分纽成。
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一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分)1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。
A. q kL π22=B. q LC q 2=ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。
（δφ为往返相移） A. l r r G q )ln(,2210-≥-=απδφ B. 0,2≥∆-=n q πδφ C. 0,20≥∆-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。
A. 凹凸腔B. 平凹腔C. 对称共焦腔D. 共心腔4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。
A. 单程损耗因子B. 腔内光子平均寿命C. Q 值与无源线宽D. 小信号增益系数5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。
A.相同横模B.相同纵模C.相同损耗D. 相同谐振频率6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。
A ．F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.FL L 11121=+ 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的 C 。
A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零；B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关；C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比；D. 自发辐射光相干性好。
8.入射光作用下， CA. 均匀加宽只有部份原子受激辐射或受激吸收；B. 非均匀加宽全部原子受激辐射或受激吸收；C. 均匀加宽原子全部以相同几率受激辐射或受激吸收 ；D. 非均匀加宽全部原子以相同几率受激辐射或受激吸收。
9. 饱和光强 CA ．与入射光强有光 B. 与泵浦有关； C. 由原子的最大跃迁截面和能级寿命决定；D. 与反转集居数密度有关。
10. 下列条件哪一个是激光器稳定振荡条件 AA.t v G I v G =),(；B. t G v v G =),(00；C.t G v v G ≥),(00；D.t v G I v G ≥),(二. 填空题（共20分，共20空，每空1分)1. 电光效应是指在外加电场的作用下，晶体的 折射率椭球 发生变形，使沿特定方向传播的线偏振光 折射率 发生相应变化。
2. KDP 晶体沿纵向加电压，折射率椭球感应主轴旋转了 45度，如果所加的电压为“半波电压”，则线偏振光偏振方向将旋转90度。
3. 横向电光调制中，存在自然双折射影响。
4. 拉曼-纳斯声光衍射产生多级衍射光，布拉格衍射只产生一级衍射光。
5. 布拉格衍射可用于声光移频和光束扫描；当进行光束扫描时，通过改变超声波的 频率 来实现偏转。
声光调制通过改变超声波的 功率 来实现。
6. 调Q 就是调制激光器 损耗，当反转集居数密度较低时，Q 值很低，激光器不能振荡；当反转集居数密度 最大 时，突然增加Q 值，激光器迅速振荡，形成最大功率的巨脉冲。
7.电光调Q 脉冲能量比较高，但重复频率 低；声光调Q 脉冲能量比较低，但重复频率比较 高。
8. 锁模激光器输出周期为CL 2的脉冲串，脉冲峰值功率正比于模式数目的平方。
9.有效光学倍频、光学参量振荡等二阶非线性必须满足相位匹配条件。
10.倍频和光学参量振荡基于二阶非线性极化，光学相位共轭基于三阶非线性极化。
三、简答题（共10分）1.给出一至二个光子概念实验例子（3分）黑体辐射、光电效应、康普顿散射。
2.带偏振器的电光调Q 激光器中在电光晶体上加4/λ电压，为什么不是2/λ电压（3分）往返通过。
3. 倍频对晶体对称性有怎样的要求（4分）对称性差。
四. 简述题 (共30分)1. 简述受激辐射和自发辐射的区别与联系（6分）受激辐射是原子在外界入射光扰动下原子从高能级向低能级跃迁产生的辐射，自发辐射是原子不受外界入射光扰动下从高能级向低能级跃迁所产生的辐射。
（2分）受激辐射的光频率、传播方向、偏振方向与入射光完全相同，自发辐射光传播方向、偏振方向是随机的，光频率谱线加宽范围内均匀分布。
（2分）分配在一个模式中自发辐射跃迁速率等于相同模式内一个光子扰动所产生的受激辐射速率。
2. 简述非均匀加宽工作物质“烧孔”现象（6分）频率为1ν的光入射到非均匀加宽工作物质，只有表观中心频率1'0v =ν附近的原子与光有有效相互作用；表观中心频率远离光频率1v 的原子没有有效相互作用。
（3分）因此在表观中心频率1'0v =ν附近，由于饱和效应反转集居数密度下降；在表观中心频率远离光频1v ，反转集居数密度不变。
所以在1'0v =ν附近，增益系数下降，其它频率处增益系数仍为小信号增益，形成一凹陷，称为“烧孔”。
（3分）3. 简述兰姆凹陷成因（6分）气体多普勒加宽激光器，腔内相反方向传播的两束激光，当激光频率不等于原子中心频率时，两束激光与不同表观中心频率原子相互作用，有两部分原子对激光增益有贡献；当激光频率等于原子中心频率时，两束激光与都与中心频率原子相互作用，只有一部分原子对激光的增益有贡献。
（3分）所以当激光频率不等于原子中心频率，但离中心频率不远时，两部分原子对激光的贡献比一部分原子贡献大，因此在激光频率等于原子中心频率出，激光器输出功率比激光频率在中心频率附近低。
这个现象称为兰姆凹陷。
（3分）4. 画出电光强度调制器原理图（4分）5．简述电光调制原理（8分）电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器1P 的偏振方向平行于电光晶体的x 轴，检偏器2P 的偏振方向平行于y 轴，当沿晶体z 轴方向加电场后，它们将旋转045变为感应主轴'x ，'y 。
因此，沿z 轴入射的光束经起偏器变为平行于x 轴的线偏振光，进入晶体后(0=z )被分解为沿'x 和'y 方向的两个分量。
（3分） 当光通过长度为L 的晶体后，由于电光效应，'x E 和'y E 二分量间就产生了一个相位差。
成为椭圆偏振光，再经过检偏正器P2时，只有平行于y 轴的光能通过。
（3分） 1/4波片的作用是将工作点置于斜率最大处。
五.计算证明题 (每题10分，共20分)1．证明：采用传输矩阵证明任意高斯光束在对称共焦腔中均可自再现。
（5分）对称共焦腔往返传播矩阵 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=1001T （2分） 自再现变换111112)1(001q q q D Cq B Aq q =-+⨯+⨯-=++= 2、稳定谐振器的两块反射镜，其曲率半径cm R 401=，cm R 1002=，激光波长为nm 500.（15分）（1）求腔长L 取值范围；（2）选择腔长为cm 120，求稳定腔等价共焦腔焦距f ； （3）高斯光束束腰位置及束腰半径0ω；1）求腔长L 取值范围；（2）选择腔长为cm 120，求稳定腔等价共焦腔焦距f ； （3）高斯光束束腰位置及束腰半径0ω；解：（1）激光稳定性条件1)1)(1(021≤--≤R L R L 得1)1001)(401(0≤--≤L L ，…………………(5分) 进一步得cm L 400≤≤或cm L 140100≤≤（2）[]22121212)()())()((R L R L L R R L R L R L f -+--+--=代入后得cm f 59.19=…………………………………….… (5分)（3）[]cm R L R L L R L z 24)()()(2121-=-+--= mm f w 177.010*******.19092=⨯⨯⨯==--ππλ………….……(5分)激光原理试题：一. 填空: （每孔1分，共17分）1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值 高 。
2. Nd:YAG 激光器可发射以下三条激光谱线 946 nm 、 1319 nm 、 1064 nm 。
其中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm 、 1064 nm 。
3. 红宝石激光器属于 3 几能级激光器。
He-Ne 激光器属于 4 能级激光器。
4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和 相干性好5. 激光器的基本组成部分 激活物质、 激光谐振腔 、 泵浦源 。
6. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为 阈值 增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率 相等.7. 调Q 技术产生激光脉冲主要有 锁模 、 调Q 两种方法。
二、解释概念：1. 基模高斯光束光斑半径： 激光光强下降为中心光强21e 点所对应的光斑半径.2. 光束衍射倍率因子光束衍射倍率因子=角基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角实际光束束腰半径⨯⨯ 3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系：一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。
4. 基模高斯光束远场发散角；与束腰半径的关系：答： 气体激光器中多普勒加宽烧孔效应：由于腔镜的作用，腔内模Φ1频率1ν可看成两束沿相反方向传输的行波+Φ1、-Φ1的迭加。
如果1Φ足够强，则分速度为z υ±（001νννυ--=c z ）的反转粒子数都会出现饱和效应，()νν~n ∆曲线在对称于νo 两侧的1ν和102νν-处出现两个烧孔。
这是同一模式与z υ±运动粒子相互作用的结果，因此二个烧孔是关联的，即同时出现。
三、问答题：（共32分，每小题8分）1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组2. 一两块球面镜组成的直腔，腔长为L ，球面镜的曲率半径分别为R 1和R 2，写出其往返矩阵的表达式。
答:往返矩阵为:3．什么是对成共焦腔,计算对成共焦腔g 参数.:答: 对成共焦腔:R 1=R 2=L对成共焦腔g 参数.:4. 画出声光调Q 激光器原理图，说明声光调Q 基本原理答：电光晶体两端加一定电压，使沿x 方向的偏振光通过电光晶体后，沿 轴两方向偏振光的位相差为 ，电光晶体相当于1/4波片，光束两次通过电光晶体时，偏振方向旋转90°，偏振方向与偏振片检偏方向垂直，光束无法通过检偏片，腔内损耗高，激光无法振荡;突然撤除电压后，损耗迅速下降，上能级反转粒子数迅速转化为激光脉冲输出.5.说明激光的基本特性说明描述激光的时间相干性的两个物理量以及两者之间相互关系（7分） 答： 激光具有单色性好、方向性好、良好的相干特性以及亮度高的特性。
（3分）描述激光时间相干性的物理参量为相干时间τ和相干长度L ，两者之间的相互关系为τ⋅=c L ，上式中c 为光速。