激光原理 复习课(4)
激光原理与技术复习
激光原理与技术复习激光（Laser）是一种产生具有高度相干性、单色性和直线传播特性的电磁辐射的装置或系统。
激光原理与技术是激光的产生、放大、调谐、传输及应用的基本原理和方法。
下面将从激光原理、激光器的结构与工作原理、激光放大原理，激光调谐原理和激光应用等方面进行复习。
激光原理：激光的基本原理是利用物质的电子、原子或分子之间的能级跃迁和光的受激辐射相互作用产生的。
激光的产生需要具备以下几个条件：工作物质具有能级跃迁，在激发态和基态之间存在一个稳定的维持装置；能比较容易地将激发态的粒子数目大于基态的粒子数目；能量输入到工作物质中来维持激光产生。
激光器的结构与工作原理：激光器的基本结构由光学腔、泵浦源和工作物质组成。
激光的产生主要经历电子和能级跃迁两个过程：激发过程和放射过程。
其中激发过程是将静态基态的电子通过吸收光共振激发到激发态；放射过程主要有自发辐射和受激辐射两种形式。
当工作物质中的激发态电子由自发辐射退激到基态时，会产生光子并放出能量。
而当一光子经过一个被激激发的原子时，能够促使该原子发射一个与之方向、频率、相位完全一致的光子，这就是受激辐射原理。
激光放大原理：激光放大的原理是利用激光受激辐射的特性，将出射光子传递到另一个有重复态的原子，使其放出同样频率、振幅和相位的光子，实现放大。
激光放大主要经过两个过程：吸收过程和放射过程。
吸收过程中，光子与工作物质中的原子相互作用，光子的能量被传递到原子中，激发原子中的电子到激发态。
放射过程中，激发态的原子由于自发辐射或受外界光的作用而跃迁到基态，释放出能量并放出同样频率、振幅和相位的光子。
激光调谐原理：激光调谐的原理是通过改变激光器的谐振光路，使激光器输出的光波长可调。
常见的调谐方法有机械调谐法、电光调谐法、热调谐法和电流调谐法。
机械调谐法通过改变激光器腔体的长度或曲率，改变光的传播路径来实现光波长的调谐。
电光调谐法通过在激光介质中施加电场调节介质的折射率来实现光波长的调谐。
激光原理复习课
I0:初光强，l:传播 距离, I:末光强
1 I G ln l I0
例： 激光束通过长0.5m的激光介质后，光强 增至初始光强的e倍，求此介质的增益系数.(不考 虑增益饱和) 解
eI0 1 I 1 G ln ln 2m1 z I 0 0.5 I 0
六、光腔按几何损耗(几何反射逸出)的分类:
c
0 υ υ ( ) 2、单色平波面——具有单一频率的平面波
简谐波波矢——空间角频率 光波模——以某一波矢
2 k n0
各种介质μ中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同
为标记的驻波
自由空间中的电磁波:任意波矢k的平面波均可以存在! 受边界条件限制空间的电磁波：只能存在一系列独立的 具有特定波矢k的平面单色驻波。
3、 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。
均匀增宽介质的增益饱和 (1) 和 谱线中心频率 0 是
G 0 ( )
G ( )
的对称轴, 在 0 处它们 有最大值; 0 越大, G ( ) 和
2
原因: v 偏离v0 越大, G ( )
饱和效应越弱,曲线下降越缓慢.
非均匀增宽介质的增益饱和
对均匀增宽工作物质, 入射光所引起的饱和效应使增 益曲线整体下降; 但在 0 处, 增益饱和最显著; 偏 离中心频率越远, 饱和越弱, 增益下降越小。 增益均匀饱和而不形成烧孔
2、决定腔模的形成：
v
v1
频率v1的准单色入射光入射时:
①当入射光频率为v1时,对表观中心频率为 va v1的粒子将与光有最大的相 A1 点 互作用,饱和作用最强,在光强为I的光波作用下,n(v1 ) 从A点下降到 . ②当入射光频率为v1时,对表观中心频率为 vb v1 dv 的粒子,由于入射光频 率v1偏离中心频率vb,所以引起的饱和效应较小，它仅下降到 B B1 点.
激光原理复习知识点讲课教案
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）。
激光原理复习自整理详解
激光原理复习自整理详解激光（Laser）是指将电能、化学能、光能等不同形式的能量转化为相干单色光束的一种装置。
激光器可精密控制光的时间、空间强度分布，因此被广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造等领域。
激光的产生是基于光放大原理和光产生原理。
光放大原理即光在经过光学放大介质时，通过受激辐射过程放大而得到激光。
光产生原理则是指在光学放大介质中，通过受激辐射过程得到的初级激光，再经过多次光放大过程最终得到激光。
下面就详细介绍激光的产生原理。
1.激光器的组成激光器主要由光学谐振腔、激光介质和泵浦源三部分组成。
-光学谐振腔：用于延长光在激光器中的传播距离，增强激光的反射和放大效应。
-激光介质：负责将入射光转化为激光的介质，常见的激光介质有气体、固体和液体等。
-泵浦源：为激光介质提供能量，使其处于各能级的适当分布。
2.可逆过程和受激辐射受激辐射是产生激光的基本原理之一、当激光介质从低能级跃迁到高能级时，如果有一束与该过程产生的光子完全匹配的入射光通过，该过程将被增强。
这是一种受激辐射过程，其与自发辐射（即自发跃迁）形成了对称关系。
3.反射和放大过程激光器中的光线会在光学谐振腔内被多次反射，导致光线的衰减和放大。
谐振腔中有两个镜子，其中一个镜子是半透明的，称为输出镜，另一个镜子是全反射的，称为输入镜。
-当光线经过输出镜时，一部分光经过透射，成为激光器的输出光。
经过透射的光具有激光的特性，即单色、相干和定向等。
-另一部分光线经过反射，回到激光介质中，形成了反射光。
反射光在激光介质中被吸收、放大，然后再次被反射。
这个过程中，入射光不断放大，最终形成激光。
激光产生的过程可以概括为：泵浦源提供能量给激光介质，使其处于激发态；谐振腔内的光经过多次的反射和放大，形成激光。
总之，激光产生的原理是基于光放大和受激辐射过程，通过泵浦源提供能量给激光介质，经过光学谐振腔的多次反射和放大，最终形成相干单色激光。
激光具有独特的光学特性，广泛应用于各个领域。
激光原理复习
激光原理第一章1. 激光器的组成部分及作用（1）工作物质（激活物质）：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的 物质体系。
（2）泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。
（3）谐振腔：①提供轴向光波模的正反馈②模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。
2. 模式数的计算单色模密度：计算例：封闭腔在5000 Å处单色模密度。
3. 光谱宽度的计算其中，为波列长度。
4. 本征状态的定义给定空间内任一点处光的运动情况，在初始条件和边界条件确定后，原则上就可求解麦克斯韦方程组，一般可得到很多解，而且这些解的任何一种线性组合都可满足麦克斯韦方程，每一个特解，代表一种光的分布，即代表光的一种本振振动状态。
5. 光子简并度的定义光子简并度对应于线度光源λ，在单位时间单位立体角内发出单位频宽的光子数(处于同一个相格中的光子数，处于一个模式中的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一量子态内的光子数，都有相同的含义，均定义为光子简并度)。
并用表示：V c V c g 322824νπννλπ∆=⨯⨯∆=328c n πνν=Hz c14108106105000103⨯=⨯⨯==-λυ353821432s 1035.310310614.388-⋅⨯=⨯⨯⨯⨯==m c n ）（）（πυυc l c t //1=∆≈δνc l δνλνδ∆∆Ω∆==∆ΩS h Pg n )/2(26. 光子简并度与单色亮度之间的关系光源的光子简并度，从微观上反映出光源的单色亮度。
单色亮度：。
光子简并度与单色亮度之间的关系为：7. 光子平均能量的表达同一种光子运动状态（或同一种光波模式）的光子平均能量：8. 光的自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射：处于的原子在无外来光子情况下自发地向能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。
特点：自发辐射是仅与原子自身性质有关的随机过程，自发辐射的光在方向、偏振、相位方面都没有确定的关系，因此是不相干的。
激光原理第四讲
2 ye L
x2 y 2 L
2 2 Cmn H m w x Hn w y e 0s 0s
x2 y 2
2 w0 s
w0 s
L
对称共焦腔基模 镜面上光斑半径
2
2、高阶横模的场振幅分布
mnq 2
mnq 3
m1nq2 mn1q2
m1nq1 m1nq m1nq1 m1n q2 mn1q mn1q mn1q1 mn1q2
共焦腔的振荡频谱
同一频率可以有多种模式可以存在：
L 2 f2 R0 z0 1 2 z z0 z 0 0
在镜面上的场能用厄米-高斯函数描述的情况下，共焦腔场 可以表示为：
2 2 w0 Emn x , y , z Amn E0 Hm x H n y e wz wz wz
w2 z i x , y ,z r2
区 别
w0 s
L
基模在镜面上分布为高斯型
x2 y 2 L
00 x, y C00 e
1/e
C00 e
2 00
2 r 2 w0 s
I 00 x, y 00
x
2
x, y C
e
x2 y 2 2 L
C e
2 2 2 r 2 w0 s 00
I 00 w '0 s C 00 e
2
2 2 w '0 s 2 w0 s
1 2 C 00 2
2 w0 s ln 2 ln 2 w '0 s w0 s 0.5889w0 s 2 2
中考物理激光原理及应用复习知识梳理
中考物理激光原理及应用复习知识梳理激光（laser）是指由同种物质组成的光波在特定条件下产生的一种特殊光。
它具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点，被广泛应用于工业、医疗、通信、科学研究等领域。
在中考物理中，对激光的原理及应用有一定的考查，下面将对激光的原理和应用进行复习知识梳理。
一、激光的原理1. 激光的产生原理激光的产生是在激光器中，通过受激辐射产生的一个光子引起其他光子的受激辐射而形成的。
其主要过程包括：吸收能量、受激辐射、光子的逐渐增多、光子的任一激发态上处于较长时间等。
2. 激光的主要特性激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点。
其中，单色性是指激光的频率非常纯净，波长非常稳定；相干性是指所有的光波充分地想关联在一起，可以形成干涉图样；方向性是指激光辐射的光束非常集中，可以很容易地成为平行光束；高亮度是指激光所携带的能量集中在很小的空间内。
3. 激光器的基本组成激光器由激光介质、泵浦源、镜子、光学腔等组成。
其中，激光介质是激发光子的来源，泵浦源是为激光介质提供能量的源泵，镜子是构成激光光腔的光学元件，光学腔是放置激光介质和镜子的部分。
二、激光的应用1. 激光在医学中的应用激光在医学中有广泛的应用，包括激光治疗、激光手术和激光成像等。
其中，激光治疗主要用于癌症、眼科疾病和皮肤疾病等的治疗；激光手术主要用于激光近视手术、激光角膜塑形术等；激光成像主要用于超声激光成像、人体内部结构的观测等。
2. 激光在通信中的应用激光在光纤通信中起到了重要的作用。
激光通过纤维传输数据，使得信息传播速度更快、传输距离更远。
激光还可以用于激光雷达、激光测距等领域。
3. 激光在工业中的应用激光在工业中有广泛的应用，包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光光刻等。
这些应用可以提高加工精度、提高加工效率、降低环境污染等。
4. 激光在科学研究中的应用激光在科学研究中的应用非常广泛，例如激光光谱分析、激光漫反射光谱等。
激光原理 期末复习 廖为兵
一．激光成分: 光子（光子不会停留）光子的基本性质: (P4)（4）光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向（5）光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。
激光的四个性质：(P19)（1）单色性（2）高亮度（3）方向性（4）相干性：（空间相干性、时间相干性、相干光强）自再现模：（P50）产生位置：在谐振腔的镜面上产生。
产生原因：衍射损耗。
注：1. 由于衍射主要发生在镜的边缘上，因而恰恰将对场的空间分布发生重要影响，而且，只要镜的横向尺寸是有限的这一影响将永远存在。
2. 由于每一次渡越时，波都将因衍射而损失一部分能量，而且衍射还将引起能量分布的变化。
3. 在经过足够多次渡越后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布。
这种稳态经一次往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。
4. 我们把开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。
自再现模一次往返所经受的能量损耗称为模的往返损耗。
在理想开腔中，等于前面所指出的衍射损耗。
自再现模经一次往返所发生的相移称为往返相移，该相移等于2的整数倍，这就是模的谐振条件。
横模：在激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模，即横截面上光强的分布。
（注：减少横模的主要途径有：1、改善谐振腔反射镜与工作物质端面所形成的光路的等效平面性，如果产生了凸透镜效应则要想办法补偿；2、减小谐振腔和工作物质直径。
）纵模：纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，简单而近似的说，纵模即频率。
模的概念()P26开腔中的振荡模式以TEM mnq表征，TEM表示纵向电场为零的横电磁波，m、n、q为正整数，其中q为纵模指数，m、n为横模指数。
模的纵向电磁场分布由纵模指数（通常是一个很大的正整数）表征，在驻波型谐振腔中，q代表场在纵向的波节数。
横向电磁场分布与横模指数有关。
激光原理复习课
激光原理复习重点题型：选择题，填空题，证明及计算题，简述题等第一章 激光的原理及技术基础1.1激光的特点高方向性和空间相干性、单色性和时间相干性、高亮度和光子简并度 1.2激光的产生掌握三四能级系统简图，粒子数反转条件1.3激光器的基本组成激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔1.4光线在谐振腔内的行为和腔的稳定条件稳定条件，了解谐振腔稳定图1.5激光振荡模式纵模（谐振条件，纵模频率，纵模频率间隔，纵模数）、横模（根据横模指数确定光斑图像）1.6光腔损耗和激光振荡的阈值条件谐振腔内光子寿命的定义，掌握谐振腔的品质因子与光谱线宽度关系。
第二章激光工作物质及基本原理2.1黑体辐射与普朗克公式掌握黑体辐射的普朗克公式2.2光和物质的三种相互作用及爱因斯坦关系式掌握光与物质的三种相互作用：自发辐射、受激吸收和受激跃迁。
重点掌握三个爱因斯坦关系式之间的关系及证明。
2.3谱线加宽及谱线宽度均匀加宽（自然加宽，碰撞加宽以及晶格振动加宽）：定义，洛伦兹线型函数，掌握自然加宽的谱线宽度与自发辐射能级寿命之间的关系。
非均匀加宽（多普勒加宽，晶格缺陷加宽）：定义，高斯函数考虑各种谱线加宽机制后，对自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的表达式做修正。
掌握原子与连续辐射场的相互作用，原子和准单色光辐射场的相互作用，重点掌握原子和准单色光辐射场相互作用中，原子和准单色光辐射场相互作用中，受激辐射截面积和受激辐射截面积和受激吸收截面积公式（并推导证明之）。
2.4激光器的速率方程重点掌握：根据速率方程理论，画出三能级系统和四能级系统的能级简图，证明该能及系统的的单模速率方程组。
简图，证明该能及系统的的单模速率方程组。
2.5增益系数与增益饱和（） 均匀加宽谱线的增益饱和和非均匀加宽谱线的增益饱和特性 非均匀加宽谱线（“烧孔”效应）以及增益特性第三章光学谐振腔3.1共焦腔中的光束特性掌握沿z 轴传播的高斯光束的电矢量表达式（3.3）、（3.4）（3.5）（3.6），共焦参数。
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：。
激光原理期末复习2012
激光原理期末复习（2012-12）第一章：概述1. 激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高；方向性、高单色、相干性、亮度的定义；为什么具有这些特性？第二章：激光产生的基本原理1. 自发辐射、受激吸收、受激辐射概念；三种跃迁几率的定义式及计算；自发辐射和受激辐射的区别；三个爱因斯坦系数之间的关系。
2. 激光产生的两个基本（必要）条件：粒子数反转，光学谐振腔（减少模式数量）；激光产生的两个充分条件：阈值条件，增益饱和。
为什么要具备这些条件？3. 以红宝石和Nd:Y AG为例，分析三能级系统和四能级系统的构成、特点；如何实现粒子数反转分布？4. 增益系数的定义和受激辐射光放大的概念。
5. 激光器的基本组成：工作物质、谐振腔、泵浦源；各部分所起的作用。
第三章：光学谐振腔与激光模式1. 光学谐振腔的构成：由全反射镜和部分反射镜放置在工作物质两端；特点：侧面开放。
2. 共轴球面腔的稳定性条件；稳定腔、非稳腔、临界腔的含义。
3. 激光纵模的概念，纵模间隔。
4. 激光横模的概念，横模形成的原因，几个低阶横模的光强分布图样。
5. 光学谐振腔的损耗种类：几何损耗，衍射损耗，透射损耗，非激活吸收损耗和散射损耗；衍射损耗和透射损耗的计算。
6. 与损耗有关的几个特征量：单程损耗、腔的时间常数，光子的平均寿命、Q值；它们之间的相互关系。
7. 自再现模的概念；自再现模积分方程；积分方程解的物理意义：本征函数代表光场分布，本征值与损耗和相位滞后相联系。
8. 方形镜对称共焦腔和圆形镜对称共焦腔的模式特征：（1）基模的光腰半径、镜面上的光束半径、横截面上的光场分布、波面曲率半径、发散角、谐振频率；（2）高阶横模的光束半径和发散角、高阶横模的谐振频率。
9. 一般稳定球面腔的模式特征：等价共焦腔概念、共焦参数、基模光腰半径、光腰位置、发散角、谐振频率的计算。
第四章：高斯光束1. 基模高斯光束的表示形式和基本性质。
2. 高斯光束的特征参量：光腰半径和光腰位置，某一位置的光束半径和波面曲率半径，q参数表示法。
高三物理激光3(PPT)4-4
优点，已被广泛应用于各种领域，是很有前途的动力电池。用锂电池发电来开动汽车，行车费只有普通汽油发动机车的/。由锂制取氚，用来发动原子电池组， 中间不需要充电，可连续工作年。要解决汽车的用油危机和排气污染，重要途径之一就是发展向锂电池这样的新型电池。 锂化合物早先的重要用途之一是用
于陶瓷制品中，特别是用于；微信红包群 微信红包群 ； 搪瓷制品中，锂化合物的主要作用是作助熔剂。 氟化锂对紫外线有极高的 透明度，用它制造的玻璃可以洞察隐蔽在银河系最深处的奥秘。锂玻璃可用来制造电视机显像管。 二战期间，美国飞行员备有轻便应急的氢气源—氢化锂丸。 当飞机失事坠落在水面时，只要一碰到水，氢化锂就立即溶解释放出大量的氢气，使救生设备充气膨胀. 锂的焰色 锂的焰色 用氘化锂和氚化锂来代替氘和氚 装在氢弹里充当，达到氢弹爆炸的目的。中国于 7年月7日成功爆炸的第一颗氢弹里就是利用氘化锂。 硼氢化锂和氢化铝锂，在有机化学反应中被广泛用做 还原剂，硼氢化锂能还原醛类、酮类和酯类等。氢化铝锂，是制备物、香料和精细有机化学品等中重要的还原剂。氢化铝锂，也可用作喷气燃料。氢化铝锂 是对复杂分子的特殊键合的强还原剂，这种试剂已成为许多有机合成的重要试剂。 有机锂化合物与有机酸反应，得到能水解成酮的加成产物，这种反应被用
四、激光的应用
1、天文领域：激光望远镜测天体距离。
2、工业材料的加工：激光雕刻、切割、焊接。
3、医学领域：激光手术。
4、信息技术领域： a、信息传输（激光光纤）； b、信息存储（激光刻录CD、DVD、软件）。
5、军事领域： a、激光制导炸弹； b、激加成到醛和酮上，得到水解时能产生醇的加成产物。 由锂和氨反应制得的氨基锂被用来引入氨基，也被用作脱卤试剂和 催化剂。 [] 生理 当狼吃下含有锂化合物的肉食后，能引起消化不良，食欲大减，从而改变狼食肉的习性，这种习性还具有遗传性。 人类对金属锂的应用已 有了良好的开端，但由于锂的生产工艺比较复杂，成本很高。如果人们一旦解决了这些问题，锂的优良性能将得到进一步的发挥，从而扩大它的应用范围。
激光 原理课后习题答案
激光原理复习题第一章电磁波1、麦克斯韦方程中麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。
在方程组中是如何表示这一结果？答：每个方程的意义：1）第一个方程为法拉第电磁感应定律，揭示了变化的磁场能产生电场。
2）第二个方程则为Maxwell的位移电流假设。
这组方程描述了电荷和电流激发电磁场、以及变化的电场与变化的磁场互相激发转化的普遍规律。
第二个方程是全电流安培环路定理，描述了变化的电场激发磁场的规律，表示传导电流和位移电流（即变化的电场）都可以产生磁场。
第二个方程意味着磁场只能是由一对磁偶极子激发，不能存在单独的磁荷（至少目前没有发现单极磁荷）3）第三个方程静电场的高斯定理：描述了电荷可以产生电场的性质。
在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。
4）第四个方程是稳恒磁场的高斯定理，也称为磁通连续原理。
2、产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？答：赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理设计的电磁波发生器实验。
（赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。
当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。
瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。
有麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。
他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。
因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。
所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。
赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重叠应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。
赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。
第4章激光原理复习总结
E3 泵浦上能级
E2
w03 A30
S3
0
A21
S21
w21
w12
激光上能 级(亚稳态)
E1 激光下能级 S10 泵浦下能级 E0(基态)
E1 E0 KT
热平衡状态下E1上几乎无粒子！ 抽空几率S10要大！
9/19
S30 , A30 S32 ; S21 A21
E2 和 E1 之间更易实现粒子数反转！
11/19
•多模振荡速率方程组(只考虑四能级系统 ) 1、多模振荡速率方程组
设共有m个模振荡，其中第 l 个模的频率、光子数 密度、光子寿命分别为 、N l 、 R l ，对每个光 模都应建立各自的光子数速率方程，则有：
dn2 f2 n2 n1 21 l ,0 v Nl n2 A21 S 21 n3 S32 dt f1 l dN f N n n , v N n0 n1 n2 n3 n dt f
n n
0
I s 1
16/19
公式讨论： 0 I n n nW03 2 (1) 当 I I 时， 0 则： 1 s
1
Is —小信号反转集居数密度 (2) 当 I 1 足够强，可与 I 相比拟时，则： s 0 n n —反转集居数饱和 I 1 n
•大信号下反转集居数饱和(四能级系统、单模)
当
I 1 足够强时，将有 n n0
I 1 越强，反转集居数减少得越多，这种现象称
为反转集居数的饱和 饱和光强 I s 1 的物理意义：当入射光强度可以与 之相比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率 就可以与其他弛豫过程(自发辐射及无辐射跃迁)造 成的衰减率相比拟。饱和光强是激光工作物质的一 个重要参量，不仅是饱和与否的判据，而且决定腔 内光强以至激光输出功率的大小。
激光原理考试复习资料
1.激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，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。
工作在红外和可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，即软目标与硬目标。
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，而硬目标则是指陆地、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散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。
Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。
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，而且散射粒子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，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。
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之间的能量差相等时，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子分子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。
硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、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。
硬目标对激光能量的反射机制最为重要。
硬目标回波机制包括：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间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于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）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。
激光原理与应用讲第四章优秀课件
5.其他方法还包括：
凹凸透镜选模、腔内加临界角反射器选模、利用调Q选模等。
小结：
Ø 激光单纵模选取的基本方法 —— 短腔法。 Ø 激光单横模选取的基本方法 —— 光阑法。
基本概念
稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 S ν ν
复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 R ν ν
基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。
4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模
(1)聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时 尽量经历较大的空间，以提高输出功率。
图4-6 聚焦光阑法
(2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。
图4-6 聚焦光阑法
图4-7 腔内望远镜法
(1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数 相应下降，但光谱的线型并不改变。
(2) 多纵模的情况下，如图4-1所示， 设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条 件。随着腔内光强逐步增强，q-1和 q+1模都被抑制掉，只有q 模的光强继 续增长， 最后变为曲线3的情形。
图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争
从波动光学的角度讲，薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。
4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换
3. 将透镜的变换应用到高斯光束上。如图4-16所示，有以下关系：
111111 R R f R R f
实际问题中，通常 0 和 s 是已知的，此 时 z0 s ，则入射光束在镜面处的波阵面
半径和有效截面半径分别为：
'a I()2d 2 I01 2exp 2 a 1 2 2 ()
D
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三、简答题（一） 简答题（
1、简述受激辐射与自发辐射的相同点和不同点。 2、在He-Ne气体激光器中，激光工作物质是Ne原子，请说明为何加入He原子？ 3、简述在CO2激光器中加入N2和He的作用。 4、均匀增宽型介质激光器谐振腔内能同时振荡的纵模数主要由谐振腔长以 及激光工作物质的荧光谱线决定，简述其理由。 5、简述非均匀型介质激光器增益曲线上出现“烧孔”效应的原理。 6、激光器输出激光的频率一般会出现漂移，简述引起激光器漂移的主要因 素。
五、论述题（二） 论述题（
2、气体激光器是常用的激光器，请从以下几个方面分别论述制造一台单模、 高功率、稳频激光器的设计原理和方案：（1）为何气体激光器一般是 多纵模输出？（2）如何实现高功率输出？（3）实现单纵模输出的原理 和具体方案；（4）实现稳频激光输出的原理和具体方案。 气体激光器是非均匀增宽型介质； 选择四能级系统； 采用法布里-珀罗标准具法或者复腔法选择单纵模； 采用兰姆凹陷法或饱和吸收发稳频。
1、稳定谐振腔的两个反射镜曲率半径分别为R1=40cm，R2=100cm，求腔长 L的取值范围。
0 ≤ (1 −
L L L L )(1 − ) ≤ 1 ⇒ 0 ≤ (1 − )(1 − ) ≤ 1 ⇒ 0 ≤ L ≤ 40cm或100 ≤ L ≤ 140cm R1 R2 40 100
四、计算题（二） 计算题（
三、简答题（二） 简答题（
7、为何均匀增宽型介质中存在模式竞争，而非均匀增宽型介质中却没有模 式竞争？ 8、兰姆凹陷法稳频与饱和吸收法稳频是常用的两种激光器稳频方法，二者 原理有何不同？ 9、简述高斯激光束经过透镜变换后的特性变化。 10、简述激光锁模技术的原理。 11、简述声光调Q的原理。 12、简述激光纵模述题（三） 论述题（
3、谐振腔是激光器的重要部件，对激光的产生以及产生的激光性质具有重要的作用。 请从如下几个方面详细分析激光谐振腔的作用及其作用的原理。1）延长工作物 质的长度；2）决定激光的方向性；3）决定激光的单色性；4）决定激光的相干 性；5）对激光输出频率的稳定作用。 5 激光在谐振腔之间来回传播反复经过激光工作物质，相当于延长了工作物质的长度； 由于只有在谐振腔轴附件而且方向偏离很小的光才有可能在谐振腔之间多次振荡而不 损耗，那些偏离方向大的光线被损耗了，所以谐振腔限制了激光的方向性； 根据驻波条件，只有那些在谐振腔之间满足驻波条件的纵模才能够形成激光，所以激 光的输出光频率是分离的而不是连续的；采用纵模频率间隔公式解释。 由于谐振腔的选模作用，激光具有很好的单色性，同时又限制了激光的方向性，所以 就决定了激光的相干性； 谐振腔的调整可以实现激光的稳频。举例兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频原理。
采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡 的阈值很高，粒子数反转即使累积到很高水平也不会产生振荡；当粒子 数密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的 增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡，从而获得能量巨大的短脉冲 激光输出。
四、计算题（一） 计算题（
在非均匀增宽型介质中，频率为v1 、强度为I 的光波
1+
只在附近宽度约为 ，如图下图所示。
I ∆ν Is
的范围内有增益饱和作用
根据激光纵模频率与谐振腔长的关系，温度变化引起的热胀冷缩从而引起激光谐振 腔长的变换，从而引起激光器输出频率的漂移；另外一个重要因素是温度以及 湿度的变化会引起激光工作物质折射率的变化，从而引起激光器谐振腔的光学 长度的改变，并引起激光频率的漂移。
一、选择题（三） 选择题（ 选择题
10、激光器输出的纵模频率主要决定因素是：（ C ） A）激光介质的荧光谱线；B）激光器腔长；C）A和B 11、激光器工作物质缺陷造成的展宽机制主要是：（ B ） A）均匀展宽；B）非均匀展宽；C）碰撞展宽； 12、激光器产生稳定激光输出的条件之一是：（ B ） A）实现粒子数反转；B）激光物质的增益系数大于激光器的总体损耗阈 值；C）有小激光输入； 13、短焦距凸透镜对高斯激光束的作用为：（ A ） A）会聚作用；B）发散作用；C）准直作用； 14、激光共心腔是：（ B ） A）稳定腔；B）临界腔；C）非稳腔；
兰姆凹陷法稳频是利用激光增益饱和现象在激光增益曲线中心频率附近形成 的兰姆凹陷作为参考，若输出激光强调偏大则立即反馈信号给调整激光 腔长的压电调节器调整激光腔长从调整激光输出频率。而饱和吸收稳频 法是在激光谐振腔中加入一个吸收峰靠近激光输出频率的德饱和吸收盒， 这种吸收盒的吸收系数是激光谐振腔度的函数，谐振模越强对应的吸收 越小，所以当输出激光频率偏移是会导致激光强度下降，由此反馈激光 器一个调整谐振腔长度的信号。相对于兰姆凹陷，由于饱和吸收凹陷的 深度深，宽度窄，所以其稳频效果更好。
一、选择题(一) 选择题( 选择题
1、氩离子激光器是多谱线激光器，常用的几个光谱线是： （ C ） A）458nm、488nm和543nm；B）488nm、514nm和543nm；C）458nm、 488nm和514nm； 2、气体激光器工作物质的线型展宽机制主要是： （ B ） A）均匀展宽；B）非均匀展宽；C）碰撞展宽； 3、激光器谐振腔的损耗主要包括： （ B ） A）内部损耗和工作物质的吸收；B）内部损耗和镜面损耗；C）工作物质的 吸收和镜面损耗； 4、均匀增宽型介质激光器稳定工作后一般是单纵模输出，其机理是：（ C ） A）均匀增宽型介质的展宽函数带宽很窄；B）纵模频率间隔很大；C）增益 饱和效应引起的纵模竞争； 5、高斯激光束经过凸透镜变换后变为： （ A ） A）高斯光束；B）非高斯光束；C）不确定；
一、选择题（二） 选择题（ 选择题
6、掺钕钇铝石榴石（Nd3+: YAG）激光器常用输出激光波长是： （ A ） A）1060nm；B）550nm；C）10600nm； 7、与普通光源比较，激光具有如下特点： （ B ） A）方向性、单色性和相干性；B）方向性、相干性和高亮度；C）单色 性、相干性和高亮度； 8、固体激光器工作物质的线型展宽机制主要是： （ A ） A）均匀展宽；B）非均匀展宽；C）碰撞展宽； 9、下列机制属于均匀增宽型物质机制是（ A ） A）自然展宽和碰撞展宽；B）自然展宽和缺陷展宽；C）自然展宽盒多 普勒展宽；
N2：提高激发转换效率；He：有效传热；
纵模频率间隔为 △vq=c/(2μL) , 谐振腔内可以同时振荡的 纵模数由△vF/△vq决定。 如图所示：
图(3-4) 腔中允许的纵模数
在频率为v1、强度为I 的光波作用下，可以计算出介质的增益系数:
0 GD (ν1 ) GD (ν1 ) = I (1 + )1 2 Is
高斯光束经过透镜变换后仍然是高斯光束，只是其束腰半径大小以及束腰半径距离 透镜的距离会发生变换。如果入射高斯光束束腰距离透镜的距离远大于透镜的 焦距，那么高斯光束经过透镜的变换规律与几何光学成像规律一致；反之，成 像规律却与几何光学成像规律完全相反。
将所有纵模的相位锁定在一起，假设2N+1个纵模的振幅相同，则锁模脉冲的 光强I(t)正比于(2N+1)2E02, 可见锁模脉冲的光强度与2N+1个纵模简单的 叠加的强度扩大了(2N+1)倍，纵模数越多，锁模脉冲的宽度越窄，峰值 功率就越大。
二、填空题（一） 填空题（
1、激光器主要由 工作物质 、 谐振腔 、 激励能源 三个部份组成。 2、光与物质相互作用的三个主要过程是 自发辐射 、 吸收 和 受激发射 。 3、光波在谐振腔内的主要损耗包括 衍射损耗 、 散射损耗 和 杂质吸收损 耗。 4、激光器驻波腔内光场沿轴向的分布叫 纵模 ，其指数 q 决定了驻波 的波腹数，通过它可以算出激光的 频率 ，驻波腔内光场沿轴向横切 面的分布叫 横模 ，其指数 m, n 决定了沿轴向横切面驻波的波节数， 通过它们可以算出激光的传播方向。 5、激光器振荡的阈值条件是 增益大于损耗 。 6、实验上只要由测定了工作谱线的 中心波长 和 线宽 ，其线型函数就被 唯一确定。对于工作物质来说，均匀加宽的特点是原子群内每一个原子 所发出的光对谱线内所有的频率都有贡献，所有原子的线型函数都是相同的 ， 而非均匀内加宽的特点是不同的原子群有不同的线型函数，而总的线型函数 是它们的包络曲线 。
在均匀增宽介质中，任何频率的纵模激光受激辐射消耗的反转粒子数对所有 纵模都是一样的，随着谐振腔能激光振荡的加强，由于增益饱和效应， 激光增益曲线会整体下降，所以只有增益最大的纵模可以继续振荡，而 其它低增益的纵模由于其增益系数小于损耗而消失。 非均介质的增益曲线很宽，而且不同纵模激光消耗的反转粒子数知识与其对 应的那部分反转粒子数，而不会消耗其它纵模对应的反转粒子数，所以 每一个纵模都只会在其频率附近形成烧空效应。
相同点：跃迁时都以光的形式释放能量； 不同点：自发辐射式随机的，发射的光子没有确定的方向性，各光子之间没 有相同的偏振性，也没有固定的相位关系，而受激辐射发射的光子与激 发光子具有相同的传播和偏振方向，并且具有固定的相位关系。
He原子容易被高速电子激发到高能级，而处于高能级的He原子很容易与Ne原 子发生共振能量转移从而将能量耦合给Ne原子，有助激光产生
2、稳定谐振腔的一个反射镜的曲率半径R1=4L，求另外一个反射镜曲率半 径的取值范围。
0 ≤ (1 −
L L 3 L )(1 − ) ≤ 1 ⇒ 0 ≤ ⋅ (1 − ) ≤ 1 ⇒ R2 ≥ L或R2 ≤ −3L R1 R2 4 R2
五、论述题（一） 论述题（
1、通常一台固体激光器包含五大组成部分，请论述这五大部分的功能以及在设计激 光器时按照什么原则设计这五大部分。 激光工作物质：提供实现粒子束反转的物质基础，设计时主要从激光器的输 出的频率波段考虑； 泵浦系统：将工作物质的粒子从基态激发到激发高能态，从而实现工作物质 的粒子数反转。设计时主要从激光器输出功率大小，以及工作物质的吸收谱方面 考虑。 激光谐振腔：（1）延长了激光工作物质的工作长度，从而增加激光器的增 益；（2）约束激光器振荡光的方向，从而保证激光器输出光的方向性。设计时 主要从激光器的功率大小，输出频率波段的要求等方面考虑。 冷却系统：将激光器内的热能带走，确保激光器的温度不要过高，从而影响 激光器的寿命和正常工作。设计时主要从激光器的输出功率的大小以转换效率方 面考虑。