(完整版)激光原理期末知识点总复习材料,推荐文档
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
激光原理复习(总13页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--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 V c V c g 322824νπννλπ∆=⨯⨯∆= 单色模密度：328c n πνν= 计算例：封闭腔在5000 Å处单色模密度。
Hz c14108106105000103⨯=⨯⨯==-λυ 353821432s 1035.310310614.388-⋅⨯=⨯⨯⨯⨯==m c n ）（）（πυυ3. 光谱宽度的计算c l c t //1=∆≈δν 其中，c l 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δ表示：νλνδ∆∆Ω∆==∆ΩS h P g 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：∆Ω∆∆=ννS P B 。
光子简并度δ与单色亮度νB 之间的关系为：hv B v 22λδ=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：1)exp(-=KT h h E νν8. 光的自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射：处于2E 的原子在无外来光子情况下自发地向1E 能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。
激光复习总结要点
激光复习总结要点(总21页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--复习提纲2011年10月第一章 激光产生的基本原理一. 相干性的光子描述（概念、概念~~~）1. 光波的模式和光子态的概念、统一性：模式的概念、光子态的概念、基本推导过程。
（注意看pps 文件。
）2. 光子的相干性如何描述（相干时间、相干长度、相干体积、时间相干性、空间相干性、光子的简并度）。
3. 一种光波模式和一种光子态在相空间中均占据一个相格3h 。
二者是等价的4. 光子简并度越大，则相干光强越大。
二. 光的受激辐射基本概念 1. 热辐射、黑体辐射、近似黑体的定义；黑体辐射的Plank 公式；2. 光与物质相互作用的三种主要的过程是什么各自的特点是什么几个系数之间的关系是什么？3. 掌握每一种数学表示方法！!!!!三. 光的受激辐射放大与振荡（重点复习）1. 如何理解小信号系统、大信号系统、增益饱和、光强放大的过程、增益系数、增益曲线、粒子数反转和阈值条件的推导？理解光在工作物质中的增益系数的定义和表达式。
2.3.处于粒子数反转状态的物质——激活介质、激光介质或增益介质； 增益系数：表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数；0ln 1I I L G 当(n 2-n 1)不随着z 的变化而变化，而且I 0很小，G 0可以认为是常数，这种情况称为小信号增益。
（增益曲线）当(n 2-n 1)随着z 的变化而变化，称为大信号增益，用G 00表示；增益饱和现象激光上能级粒子数n 2减小到小信号时的1/2时候对应的光强 I 就是饱和光强I S ；SI I G I G +=1)(0如果在增益介质中光强始终满足条件I<<I S ， 则增益系数0)(G I G =为常数且不随Z 而变化，这就是小信号的情况；如果在增益介质中光强不能满足条件I<<I S ，则增益)(I G 随着z 的增加而减小，这就是大信号的情况；在光放大同时，总存在着光的损耗，损耗系数定义为：)(1)(z I dz z dI ⋅-=α 阈值条件为：210ln 21)(r r L z G total -=≥αα4. 激光的产生具备的两个条件是什么？粒子数反转；增益大于损耗当能量为h 21=E 2-E 1的光子通过增益介质时，引起的受激辐射将超过受激吸收，使得输出的光能量大于入射的光能量，增益介质对光进行了放大，这就是激光放大器的基本原理，这样的增益介质即为——光放大器5. 理解粒子数反转过程、光放大过程、增益饱和过程、激光振荡过程（激光器）和微波激射器的区别；当激光放大器的长度足够大时，它可能成为一个自激振荡器6. 完整叙述叙述从粒子数反转到阈值条件到最后形成激光振荡的整个过程。
激光原理复习总结要点
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。
激光原理复习总结
激光原理复习总结一、填空1、处于同一光子态的光子数叫做光子简并度，它具有以下四种含义为：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。
2、光和物质共振相互作用的三个过程是自发辐射跃迁、受激吸收跃迁、受激辐射跃迁。
其中，跃迁几率只与原子系统性质相关的是自发辐射跃迁，既与原子系统性质相关又与周围辐射场相关的是受激吸收跃迁和受激辐射跃迁。
3、激光的四性包括高的单色性、高的方向性、高的相干性、高的亮度；总结起来，即激光具有高的光子简并度。
4、光学开腔的损耗大致可分为以下四类：几何偏折损耗、衍射损耗、腔镜反射不完全引起的损耗、材料非激活吸收、散射、腔内插入物引起的损耗。
其中，与光模式相关的损耗包括几何偏折损耗、衍射损耗，称为选择性损耗，而与光模式关系不大的损耗有腔镜反射不完全引起的损耗、材料非激活吸收、散射、腔内插入物引起的损耗，称为非选择性损耗。
5、三能级系统所需的阈值能量比四能级所需的要大，损耗对小。
三能级系统的影响要比对四能级的影响。
6、激光调Q的目的是获得脉宽窄、峰值功率高的激光脉冲。
7、典型的稳频方法有兰姆凹陷稳频、可饱和吸收稳频(或反兰姆凹陷稳频 )、塞曼效应稳频、无源腔稳频(F-P标准具稳频)8、激光的频率稳定特性包含频率稳定性和频率复现性。
9、常用的激光调Q方法有机械转镜调Q、电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q(被动调Q)、脉冲透射式调Q(腔倒空)。
10、为了实现单横模输出，常用的模式选择方法主要有光阑法选横模、谐振腔参数g、N选择法选横模、非稳腔选横模、微调谐振腔法选横模。
11、常用的单纵模选择法有短腔法、行波腔法、F-P标准具法(选择性损耗法)。
12、2N+1个纵模锁定后的峰值功率变为未锁模时得(2N+1)2倍，相邻锁模脉冲极大值的间隔为无源腔纵模间隔的倒数，每个锁模脉冲的宽度为无源腔纵模间隔的(2N+1)倍的倒数。
二、判断（错）3、激光的四大特性并非相互独立的。
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激光原理期末知识点总复习材料2.激光特性：单色性、方向性、相干性、高亮度3.光和物质的三种相互作用：自发辐射，受激吸收，受激辐射4.处于能级u 的原子在光的激发下以几率 向能级1跃迁，并发射1个与入射光子全同的光子，Bul 为受激辐射系数。
5.自发辐射是非相干的。
受激辐射与入射场具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同方向传播，因而具有良好的相干性。
6.爱因斯坦辐射系数是一些只取决于原子性质而与辐射场无关的量，且三者之间存在一定联系。
7.产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态8.产生激光的充分条件：在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强Is9.谱线加宽特性通常用I 中频率处于ν～ν+d ν的部分为I(ν)d ν,则线型函数定义为线型函数满足归一化条件：10.的简化形式。
11.四能级比三能级好的原因：更容易形成粒子数反转 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组()()()() Rll l l l N N n f f n dt dN nn n n n A n W n s n dtdn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dtdn τυννσυννσ-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==++++-=++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul ul B W =1)(=⎰∞∞-ννd g 121212)(-+=S A τ12E 2112.13.14.15.程的本征函数和本征值。
研究方法：①几何光学分析方法②矩阵光学分析方法③波动光学分析方法。
处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔。
16.腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。
17.腔长和折射率越小，纵模间隔越大。
对于给定的光腔，纵模间隔为常数，腔的纵模在频率尺上是等距排列的不同的横模用横模序数m,n 描述。
激光原理复习知识点培训资料
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）。
激光原理与技术期末复习
激光原理与技术期末复习激光原理与技术期末复习第一章、辐射理论概要与激光产生的条件1、光量子能量E与波长成反比: E ? 1/λ; 波长越长;光量子能量E 越小;(频率越低) ;波长越短; 光量子能量E越大; (频率越高)。
2、原子处于最低的能级状态称为(基态)。
能量高于基态的其它能级状态称为激发态。
3、能级有两个或两个以上的不同运动状态称为简并能级。
同一能级所对应的不同电子运动状态的数目称为(简并度)。
4、在热平衡条件下，原子数按能级分布服从(波尔兹曼定律)。
5、原子能级间跃迁发射或吸收光子的现象称为辐射跃迁。
原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量的现象称为(非辐射跃迁)。
6、辐射场中单位体积内，(单位频率间隔)中的辐射能量称为单色辐射能量密度。
7、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程:(自发辐射);受激吸收;受激辐射。
8、自发辐射:高能级的原子自发地从(高能级E2)向低能级E1跃迁，同时放出能量为E=hv 的光子的现象称为自发辐射。
9、自发辐射系数(A21):表示单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。
即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。
自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身。
各个原子自发辐射的光向空间各个方向传播，是(非相干光)。
10、原子数密度由起始值降至它的1/e的时间为自发辐射的(平均寿命)。
A21就是原子在能级E2的平均寿命的倒数。
11、当受到外来能量为hv=E2-E1 的光照射时，高能级E2上的原子向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子的现象称为受激辐射。
受激辐射的光子与外来光子的特性一样。
频率、位相、偏振和传播方向相同称之为(全同光子)。
12、受激辐射的跃迁几率(W21)为单位时间内，在外来单色能量密度的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的(百分比)。
激光原理复习提纲
《激光原理》复习大纲第1，2章：激光的基本原理1．自发辐射、受激辐射、受激吸收三个过程；三个爱因斯坦系数、跃迁几率的含义。
2．集居数反转。
3．激光产生的条件。
4．自激振荡条件以及损耗系数的计算。
5．激光器基本组成。
6．光学谐振腔的作用7．激光的特性。
时间相干性、空间相干性及其表示方法。
第3，4章：开放式光腔与高斯光束1.横模与纵模的概念。
2.识别横模图样及表示方法。
3.纵模频率间隔的计算。
4.无源谐振腔的Q值的定义。
5.腔镜反射不完全引起的损耗如何计算。
6.腔的菲涅耳数的概念，它与腔的衍射损耗的关系。
7．共轴球面腔的稳定性条件。
8.一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价关系。
能够画出一般稳定球面腔及其等价共焦腔的位置。
9.稳定球面腔基模高斯光束主要参量的含义及计算:束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小，任意位置激光光斑的大小，等相位面曲率半径，光束的远场发散角，共焦参量。
10.了解基模高斯光束振幅的分布规律，等相面在空间的分布规律。
11．模体积的基本概念。
12.高斯光束q参数的含义及表达式，q参数与光斑半径和等相面曲率半径的关系。
13.高斯光束q参数的变换所遵循的规律，利用ABCD法则分析高斯光束的传输和变换问题。
（仅要求在自由空间的变换和经过透镜的变换）14．会计算高斯光束经过透镜变换前后的束腰大小和位置；以及任意位置光斑的大小。
15．理解高斯光束的聚焦和准直的含义，理解单透镜焦距以及束腰到透镜距离对高斯光束的聚焦与准直效果的影响。
16. 如何选择高斯光束腰斑的大小和位置能使它成为该谐振腔的自再现光束？第5章：谱线加宽和线型函数1．什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们各有什么特点？2．线宽和线型函数的概念。
3．了解均匀加宽和非均匀加宽的概念。
掌握洛仑兹线型公式。
4．理解自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的形成机理。
掌握它们各自的线宽的计算。
5．会计算多普勒加宽的表观中心频率和表观中心波长。
激光原理考试重点
激光原理考试重点激光原理考试重点第一章激光的基本原理1.光子的波动属性包括什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包括什么？质量与频率的关系？答：光子的波动性包括频率，波矢，偏振等。
粒子性包括能量，动量，质量等。
动量与波矢：质量与频率：2.概念：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，它具有以下几种相同含义：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3.光的自发辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系答：自发跃迁爱因斯坦系数：.受激吸收跃迁爱因斯坦系数：)。
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.形成稳定激光输出的两个充分条件是起振和稳定振荡。
形成激光的两个必要条件是粒子数反转分布和减少振荡模式数5.激光器由哪几部分组成？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体系。
接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。
泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。
光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。
6.自激振荡的条件？答：条件：其中为小信号增益系数：为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
7.简述激光的特点？答：单色性，相干性，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.开放式谐振腔按照光束几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔。
2.驻波条件，纵模频率间隔答：驻波条件：应满足等式：式中，为均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后；为光在真空中的波长；为腔的光学长度；为正整数。
相长干涉时与的关系为：或用频率来表示：.纵模频率间隔：不同的q值相应于不同的纵模。
腔的相邻两个纵模的频率之差3.光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式什么？球面镜的对旁轴光线的变换矩阵？答：光线在自由空间中行进距离L时所引起的坐标变换矩阵式球面镜的对旁轴光线的变换矩阵：而为焦距。
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。
激光总复习资料
1、激光与普通光源相比较的三个主要特点 、 2、一个光子的能量ε=hv 、一个光子的能量ε 3、光速、频率和波长三者之间的关系 、光速、 4、原子的能级和简并度 、 和自旋磁量子数m （1）四个量子数：主量子数 、辅量子数 、磁量子数 和自旋磁量子数 s。 ）四个量子数：主量子数n、辅量子数l、磁量子数m和自旋磁量子数 四个量子数之间的关系。 四个量子数之间的关系。 （2）电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态不同。 ）电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态不同。 （3）电子能级：电子在原子系统中运动时，可以处在一系列不同的壳层状态或不 ）电子能级：电子在原子系统中运动时， 同的轨道状态，电子在一系列确定的分立状态运动时， 同的轨道状态，电子在一系列确定的分立状态运动时，相应地有一系列分立 的不连续的能量值，这些能量通常叫做电子的能级，依次用 ， 的不连续的能量值，这些能量通常叫做电子的能级，依次用E1，E2,…..En 基态：原子处于最低的能级状态称为基态。 基态：原子处于最低的能级状态称为基态。 激发态：能量高于基态的其他能级状态称为激发态。 激发态：能量高于基态的其他能级状态称为激发态。 （4）简并能级：两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这 ）简并能级：两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级， 样的能级叫做简并能级。 样的能级叫做简并能级。 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫做简并度， 表示 表示。 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫做简并度，g表示。 简并度的计算，例如：氢原子的 态的简并度 简并度的计算，例如：氢原子的2p态的简并度
2δ Φ = 2 q π
（2）激光纵模：谐振腔形成的每列驻波称为一个纵模，q为纵模序数 ）激光纵模：谐振腔形成的每列驻波称为一个纵模， 为纵模序数 （3）谐振频率 ） qc v mnq = 2 µL 8、纵模频率间隔： 、纵模频率间隔： c ∆vq = 2 µL 单模激光器： 单模激光器：只能出现一种频率的激光 多模激光器： 多模激光器：可能出现三种或三种以上频率的激光
激光原理与技术期末复习
激光原理与技术期末复习第一章、辐射理论概要与激光产生的条件1、光量子能量E与波长成反比: E ? 1/λ; 波长越长;光量子能量E越小;(频率越低) ;波长越短; 光量子能量E越大; (频率越高)。
2、原子处于最低的能级状态称为(基态)。
能量高于基态的其它能级状态称为激发态。
3、能级有两个或两个以上的不同运动状态称为简并能级。
同一能级所对应的不同电子运动状态的数目称为(简并度)。
4、在热平衡条件下，原子数按能级分布服从(波尔兹曼定律)。
5、原子能级间跃迁发射或吸收光子的现象称为辐射跃迁。
原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量的现象称为(非辐射跃迁)。
6、辐射场中单位体积内，(单位频率间隔)中的辐射能量称为单色辐射能量密度。
7、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程:(自发辐射);受激吸收;受激辐射。
8、自发辐射:高能级的原子自发地从(高能级E2)向低能级E1跃迁，同时放出能量为E=hv 的光子的现象称为自发辐射。
9、自发辐射系数(A21):表示单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。
即每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。
自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身。
各个原子自发辐射的光向空间各个方向传播，是(非相干光)。
10、原子数密度由起始值降至它的1/e的时间为自发辐射的(平均寿命)。
A21就是原子在能级E2的平均寿命的倒数。
11、当受到外来能量为hv=E2-E1 的光照射时，高能级E2上的原子向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子的现象称为受激辐射。
受激辐射的光子与外来光子的特性一样。
频率、位相、偏振和传播方向相同称之为(全同光子)。
12、受激辐射的跃迁几率(W21)为单位时间内，在外来单色能量密度的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的(百分比)。
激光原理与技术期末知识点总结
三能级系统和四能级系统的受激发光过程
1. 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。
q激 (t )
c3
=
ν =
3
q自(t ) 8hν
1
e
恒等式！
hν
kT
−1
仅热平衡时成立！
光谱线增宽
➢自发辐射
−dn2 =A21n2 dt
− dn2 (ν)=A21n2 f (ν) dν
➢受激辐射
➢受激吸收
−dn2 =B21n2 ν dt
− dn2 (ν)=B21n2 ν f (ν) dν
0
0
0
总的受激辐射原子数密度 = -dn2 (ν)= B21n2 ν f (ν) dν = B21n2 ν ' f (ν0 ') dν '
=B21n2 f (ν0 ') ν ' dν ' =B21n2 f (ν0 ')
0
考虑到原子发光的线型函数后，受激辐射（或
吸收）几率不再是W21=B21ρ，还应乘上外来光中心
0
光与物质相互作用的三种基本过程 ：
➢自发辐射
−dn2 =A21n2 dt
➢受激辐射
−dn2 =B21n2 ν dt
➢受激吸收
dn1 =B12 n1 ν dt
ρν：外来光的光场单色能量密度。
爱因斯坦系数间的基本关系（普遍规律）
A21 8hν3
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。
激光原理与技术各章重点(基本补全)
激光原理与技术期末总复习第1章1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布)2.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强)3.饱和光强定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强4.谱线加宽的分类:均匀加宽和非均匀加宽两种加宽的本质区别？5激光器泵谱技术的分类:直接泵谱缺点：首先从基态E1到激光上能级E3往往缺乏有效途径，即B13（对光泵浦）或σ13（对粒子泵浦）太小，难以产生足够的增益；其次即使存在E1 E3的有效途径，但同一过程可能存在由E1到激光下能级E2的有效途径，结果是W12/W13太大难以形成粒子反转分布。
这些缺点是直接泵浦方式对很多激光器来说是不适用的。
间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式)间接泵谱的优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而，Ei 上很容易积累大量的粒子；其次，在有些情况下，将粒子从基态激发到Ei 的几率要比激发到Eu 的几率大得多，这就降低了对泵浦的要求；最后，依据选择定则，可以使Ei 向Eu 的弛豫过程比Ei 向激光下能级Ei 的弛豫过程快得多6..频率牵引有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度)10. 证明光谱线型函数满足归一化条件证明: ⎰⎰⎰+∞∞-+∞∞-+∞∞-====1)()()(ννννννd g I d Ig d I I则 11.激光器的输出特性。
（43页）？？？第2章1.光学谐振腔的分类和作用分类：能否忽略侧面边界，可将其分为开腔，闭腔以及气体波导腔按照腔镜的形状和结构，可分为球面腔和非球面腔是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面，可以分为简单腔和符合腔 u u u u S h A c h I τσντνπν11228==)211(2121111τττπν++++=∆∑∑u jj i ui H A A N D M T Mc kT 072/120)1016.7(])2(ln 2[2ννν-⨯==∆⎰+∞∞-=1)(ννd g根据腔中辐射场的特点，可分为驻波腔和行波腔从反馈机理的不同，可分端面反馈腔和分布反馈腔根据构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔作用：①提供轴向光波模的光学反馈；②控制振荡模式的特性2.光学谐振腔的损耗分类:几何损耗、衍射损耗、输出腔镜的透射损耗和非激活吸收、散射等其他损耗计算:单程损耗：12m βδ==D 为平平腔镜面的横向尺寸（反射镜的直接）β两镜面直接的小角度L 两镜面直接的距离（腔长）)单程衍射p59开始带图3.推导平平腔的两个相邻纵模的频率间隔证明：4.以平-平腔为例理解光学谐振腔横模的形成过程5. 用g 参数表示的谐振腔稳定性条件6..高斯光束高斯光束既不是平面波、也不是一般的球面波，在其传播轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。
激光原理与技术各章重点(基本补全)
激光原理与技术期末总复习第1章1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布)2.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强)3.饱和光强定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强4.谱线加宽的分类:均匀加宽和非均匀加宽两种加宽的本质区别？5激光器泵谱技术的分类:直接泵谱缺点：首先从基态E1到激光上能级E3往往缺乏有效途径，即B13（对光泵浦）或σ13（对粒子泵浦）太小，难以产生足够的增益；其次即使存在E1 E3的有效途径，但同一过程可能存在由E1到激光下能级E2的有效途径，结果是W12/W13太大难以形成粒子反转分布。
这些缺点是直接泵浦方式对很多激光器来说是不适用的。
间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式)间接泵谱的优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而，Ei 上很容易积累大量的粒子；其次，在有些情况下，将粒子从基态激发到Ei 的几率要比激发到Eu 的几率大得多，这就降低了对泵浦的要求；最后，依据选择定则，可以使Ei 向Eu 的弛豫过程比Ei 向激光下能级Ei 的弛豫过程快得多6..频率牵引有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度)10. 证明光谱线型函数满足归一化条件证明: ⎰⎰⎰+∞∞-+∞∞-+∞∞-====1)()()(ννννννd g I d Ig d I I则 11.激光器的输出特性。
（43页）第2章1.光学谐振腔的分类和作用分类：能否忽略侧面边界，可将其分为开腔，闭腔以及气体波导腔按照腔镜的形状和结构，可分为球面腔和非球面腔是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面，可以分为简单腔和符合腔 u u u u S h A c h I τσντνπν11228==)211(2121111τττπν++++=∆∑∑u jj i ui H A A N D M T Mc kT 072/120)1016.7(])2(ln 2[2ννν-⨯==∆⎰+∞∞-=1)(ννd g根据腔中辐射场的特点，可分为驻波腔和行波腔从反馈机理的不同，可分端面反馈腔和分布反馈腔根据构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔作用：①提供轴向光波模的光学反馈；②控制振荡模式的特性2.光学谐振腔的损耗分类:几何损耗、衍射损耗、输出腔镜的透射损耗和非激活吸收、散射等其他损耗 计算: 单程损耗：122L m D ββδ==( D 为平平腔镜面的横向尺寸（反射镜的直接）β两镜面直接的小角度L 两镜面直接的距离（腔长）)单程衍射p59开始带图3.推导平平腔的两个相邻纵模的频率间隔证明：4.以平-平腔为例理解光学谐振腔横模的形成过程5. 用g 参数表示的谐振腔稳定性条件6..高斯光束高斯光束既不是平面波、也不是一般的球面波，在其传播轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。
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激光原理期末知识点总复习材料
2.激光特性：单色性、方向性、相干性、高亮度
3.光和物质的三种相互作用：自发辐射，受激吸收，受激辐射
4.处于能级u 的原子在光的激发下以几率 向能级
1跃迁，并发射1个与入射光子全同的光子，Bul 为受激辐射系数。
5.自发辐射是非相干的。
受激辐射与入射场具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同方向传播，因而具有良好的相干性。
6.爱因斯坦辐射系数是一些只取决于原子性质而与辐射场无关的量，且三者之间存在一定联系。
7.产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态
8.产生激光的充分条件：在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强Is
9.谱线加宽特性通常用I 中频率处于ν～ν+d ν的部分为I(ν)d ν,则线型函数定义为线型函数满足归一化条件：
10.的简化形式。
11.
四能级比三能级好的原因：更容易形成粒子数反转 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组
()()()() Rl
l l l l N N n f f n dt dN n
n n n n A n W n s n dt
dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt
dn τυννσυννσ-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==++++-=++-⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul
ul B W =1
)(=⎰∞
∞-ννd g 1
21212)(-+=S A τ
12
E 2
1
12.13.14.15.程的本征函数和本征值。
研究方法：①几何光学分析方法②矩阵光学分析方法③波动光学分析方法。
处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔。
16.腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。
17.
腔长和折射率越小，纵模间隔越大。
对于给定的光腔，纵模间隔为常数，腔的纵模在频率尺上是等距排列的
不同的横模用横模序数m,n 描述。
对于方形镜谐振腔这种轴对称系统来说，m,n 分别表示沿腔镜面直角坐标系的水平和垂直坐标轴的光场节线数。
对于圆形镜谐振腔这种旋转对称系统来说，m,n 分别表示沿腔镜面极坐标系的角向和径向的光场节线数。
18.
腔内光子的平均寿命就等于腔的时间常数。
19. δ：平均单程损耗因子，τR ：腔的时间常数，Q ：品质因数，三个量都与腔的损耗有
20.
21.共轴球面腔的稳定性条件：
当g 1g 2=0或1时是临界腔，当g 1g 2>1或<0时是非稳定腔。
22.所谓自再现模就是这样一种稳定场分布，其在腔内渡越一次后，除振幅衰减和相位滞后外，场的相对分布保持不变。
23.在腔的菲涅尔数足够大时，方形球面镜共焦腔（解析为长椭球函数）近似表示为厄米多项式与高斯函数乘积的形式；圆形球面镜共焦腔（解析为超椭球函数）可近似表示为拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。
24. 可见，共焦腔反射镜面是曲率最大的等相位面。
25.任意一个稳定球面腔唯一地等价于某一个共焦腔，反过来是对应多个。
26.使用稳定腔的激光器所输出的激光将以高斯光束的形式在空间传播
Z R 为高斯光束的瑞利长度，实际应用中常称2Z R 为高斯光束的准直距离。
27.基模高斯光束的性质：高斯光束既不是平面波，也不是一般的球面波，在其传输轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。
在传播过程中其曲率中心与曲率半径不断改变，其振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性，强度集中在轴线附近，且等相面始终保持为球面。
28.当工作物质的增益较高时，采用非稳腔也可形成稳定的激光振荡，且与稳定腔相比，非稳腔具有大的模体积和好的横模鉴别力，从而可实现高功率单模运转，获得良好的激光输出特性。
因此，高功率激光器多采用非稳腔。
29.弛豫振荡形成的主要原因：随着光泵的作用，激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度上升，输出激光。
随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激发发射停止。
此时由于光泵的继续抽运，反转粒子数密度重又上升，到高于阈值时，产生第二个激光脉冲。
如此往复，直至光泵停止上述过程才结束。
由于每个尖峰脉冲均产生于阈值附近，故脉冲的峰值功率水平不高，且增大泵浦能量也无助于提高其峰值功率，只能是增加尖峰脉冲的个数。
在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变是产生弛豫振荡最根本的原因。
30.光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度n 。
光子简并度还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。
31.横模选择的原理：谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。
32.典型激光器工作物质，能级结构，输出波长：
①红宝石：三能级，694.3nm
②He-Ne 激光：四能级，632.8nm （其中He 为辅助气体，Ne 为工作物质）
33.结合激光四个特性，说出激光应用：①激光测距：方向性，相干性，测量变得更加精确和方便；②激光打孔：单色性，高亮度，实现了对细小物体的精密加工；③激光显微镜：高亮度，不需要做切片标本就能以很高的分辨力观察生物体；④激光信息处理：相干性，单色性，实现光盘中大量数据信息的写入和读取；])/(1[)(2000z f z z R +=∴。