激光复习资料

1．激光器的基本结构包括三部分，即工作物质、激励能源、光学谐振腔

2．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。

3.影响腔内电磁场能量分布的因素有激活介质的光放大作用、腔镜反射不完全介质吸收、衍射损耗

4目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器5He-Ne激光器是典型的四能级系统，有三条主要激光谱线，其激光谱线及波长分别为3S→2P0.6328μ2S→2P 1.15μ3S→3P 3.39μ1连续激光器稳定工作时的增益系数是否会随泵浦功率的提高而增加？为什么？

不会因为连续激光器稳定时增益系数为G=号增益系数，I为腔内光强，I s为饱和光强。

G0

1+2I I s

=G阈，G0为小信

因此，当满足阈值条件以后，当外界的泵浦功率增加时，腔内光强增加，引起增益饱和作用，则增益下降。在稳态工作时，激光器的增益系数保持与阈值相等，不会随泵浦功率的提高而增加。

2简要叙述激光器稳定出光的过程。

答：激光增益介质在激励源的激励下造成一定数目的粒子数反转分布，高能级上的粒子不稳定会产生自发辐射光，增益介质对这些最初始的自发辐射光有一定的增益系数，此时的增益要大于谐振腔的总损耗，光在谐振腔中往返传播一周增加的量大于损耗的量，因此光在谐振腔中逐步得到放大；当光被继续放大到一定强度可与激光器的饱和光强可比拟时，光强使介质的增益系数产生饱和效应，当增益系数逐步下降到等于谐振腔的总损耗系数时，光在腔中往返一次被增加的量等于损耗的量，此时激光器即发出稳定的光强。

3为什么一般来说均匀增宽的稳定态激光器的输出通常是单纵模的，而非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模？

答：（1）对于均匀增宽型介质激光器来说，每个发光粒子对形成整个谱线都有贡献。当强度很大的光通过时，它会造成整个增益曲线按同一比例下降，通过增益的饱和效应模式之间会造成谱线竞争，最终只剩下与中心频率靠得最近的那个模式，所以是单纵模的；

（2）对于非均匀增宽型介质激光器来说，某一种纵模的光强增强时，增益的饱和效应并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处烧一个孔，所以如果有多个纵模的小信号增益都大于阈值的话，这些纵模都可以建立起自己的振荡，所以非均匀增宽的稳定态激光器输出通常是多个纵模。

( ( (

4

如图所示， E 1 和 E 0 （基态）

分别为激光上下能级， n 0 和 n 1 分别为上下能级的粒子数密度，谐 振腔中传播的单色光能密度为 ρ （假设其线宽毕介质的线型函数

的线宽窄得多）。图中过程①为泵浦速率为 R 0 的抽运过程，②为

自发辐射过程，③ 和④分别为受激辐射和受激吸收过程，自发辐

射系数、受激辐射系数、和受激吸收系数分别为 A 10 、 B 10 、 B 01 .试 写出 E 1 能级在单位时间内粒子数密度的增加量，并说明表达式中

每一项的物理意义。

答： dn 1 dt

= R 0 - n 1 A 10 - (n 1 B 10 - n 0 B 01 )ρf ν ) 其中： n 1 A 10 为单位时间通过自发辐射从 E 1 能级跃迁到 E 0 能级的粒

子数密度，即 E 1 能级上的粒子数密度由于自发辐射减少的量。 n 1B 10 ρf ν )为单位时间通过受激辐射从 E 1 能级跃迁到 E 0 能级的粒子

数密度，即 E 1 能级上的粒子数密度由于受激辐射减少的量； n 0 B 01ρf ν )为单位时间通过受激吸收从 E 0 能级跃迁到 E 1 能级的粒子

数密度，即 E 1 能级上的粒子数密度由于受激吸收增加的量。

5 什么是黑体辐射？写出 Planck 公式,并说明它的物理意义

1 + 答：黑体辐射：当黑体处于某一温度 T 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。

Planck 公式： ρν = 8πh ν 3 c 3 e 1 h ν kT - 1

物理意义：在单位体积内，频率处于ν 附近的单位频率间隔中黑体

的电磁辐射能量。

6.如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信号增益？增益饱和？

答：激光增益定义：设在光传播方向上 z 处的光强为 I (z ) ，则增 益系数定义为 g = dI (z ) 1 ()

，表示光通过单位长度激活物质后光 强增长的百分数。

小信号增益：当光强很弱时，粒子数差值 (n 2 - n 1 )不随 z 变化，增益

系数为一常数 ，称为线性增益或小信号增益。

大信号增益：在放大器中入射光强 I 与 I s （ I s 为饱和光强)相比拟 时， g (I )= g 0 I I s ，为大信号增益。 增益饱和：当光强足够强时，增益系数 g 也随着光强的增加而减小，

这一现象称为增益饱和效应。

7.求解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数和本征值各代

表什么?

答：本征函数：描述腔的一个自再现模式或横模。其模描述镜面上场的振幅分布，幅角描述镜面上场的相位分布。

本征值：表示自再现模在渡越一次时的幅值衰减和相位滞后。其模值量度自再现模在腔内往返一次的功率损耗，幅角量度自再现模的单程相移，从而也决定模的谐振频率。

计算题二章3题、8题三章1题、9题四章8题、9题