激光原理复习体第六版

1、Laser ：light amplification by stimulated emission of radiation2、激光的基本特性：方向性好、单色性好、能量集中、相干性好。

本质原因是光子的简并度很高。

3、激光器的主要组成部分：谐振腔：光波的模式选择，提供轴向光波模的反馈泵浦源：给工作物质能量，即将原子有低能级激发到高能级的外界能量。

增益介质：能实现能级跃迁的物质4、黑体：某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射。

黑体辐射：黑体处于某一温度T 的热平衡情况下黑体所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，这种平衡必然导致空腔存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射5、光波模式和光子态：光波的模式和光子的状态是等效的概念。

能够存在腔的驻波（以波矢K 为标志）称为腔的电磁波的模式或光波模。

不同的模式以不同的K 区分。

驻波条件光程差2λmx =∆，m 为正整数。

6、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。

相干长度：光波的相干长度相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需要的时间。

相干时间t 与光源频带宽度v ∆的关系vt ∆=1 相干性的结论相格空间体积以及一个光波模或光子态占有的空间体积都等于相干体积 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：同态光子数，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8、激光的基本物理基础是什么9、描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率自发辐射：处于高能级2E 的一个原子自发地向1E 跃迁并发射一个能量为hv 的光子。

有原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射 特征表达式221211n dt dn A sp ⎪⎭⎫⎝⎛=：单位时间自发辐射光子数占2E 能级光子数的比例。

自发跃迁几率用21A 描述 2211s A τ=2s τ表示2E 能级寿命。

21A 只与原子本身性质有关。

受激吸收：处于低能态1E 的原子，在频率为v 的辐射场作用下，吸收一个能量为hv 的光子并向2E 能态跃迁受激吸收跃迁概率用12w 描述。

12W 与原子性质有关，还与辐射场的v ρ有关1212β=w v ρ其中12β称为受激吸收跃迁爱因斯坦系数他与原子的性质有关，v ρ泵浦源的能量密度特征112121n dt dn W st ⎪⎭⎫⎝⎛= 受激辐射：处于2E 的原子在频率v 的辐射场作用下跃迁至低能态1E 并发射一个能量为hv 的光子121211n dt dn W st ⎪⎭⎫⎝⎛= 受激辐射概率用21W 表示，21W =21βv ρ受激辐射产生的场应于外加辐射场具有相同的频率，相位，传播方向 10、爱因斯坦系数：21A 、12β、21β只与原子的性质有关12β1f =21β2f 21A =21βhv n v 当权重1f =2f 时12β=21β即21W =12W11.什么是热平衡时能级粒子数的分布玻尔兹曼分布：TK E E b e f f n n 121212--=12、产生激光的必要条件：谐振腔，泵浦源，增益介质 13、粒子数反转：高能级集居数大于低能级集居数的状态。

热平衡状态集居数分布满足玻尔兹曼分布只有当外界向物质供给能量从而使物质处于非平衡状态才能实现集居数反转。

14、激光增益：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数15、什么是自激震荡？假设以微弱光进入一无限长放大器。

起初，光强慢慢增加，但随着光强的怎家增益系数慢慢减小最后当增益系数等于损耗系数是可求得腔最大光强m I ，这种不管初始光强0I 多么微弱，只要放大器足够长，就总可形成确定的最大光强m I振荡条件：单程小信号增益系数大于单程损耗系数。

1、谐振腔的谐振条件：波从某一出发点经腔往返一周再回到原来位置时，与初始出发波同相（及相差为2π的整数倍）即2'λq L =，'L 为腔光学长度2、纵模的频率nl c qV q 2=，纵模间隔nlcV q 2=∆，纵模的数目q=λnl 23、谐振腔的损耗：几何偏折损耗，衍射损耗，腔镜反射不完全引起的损耗，材料中的非激活吸收散射损耗。

其中前两项为选择损耗，后两项称为非选择损耗 4、单程损耗因子δ。

在无源腔初始光强0I 往返一次光强衰减为1I 则δ=10ln 21I I 光腔的光子平均寿命cnlR δτ=经过R τ时间后腔光强衰减为初始值的1/e 看出δ越大，R τ越小腔的损耗越大腔光强衰减的越快。

无源谐振腔的Q值Q=cnlvδπ2 v为腔的谐振频率，l表示光腔长度。

Q值越大表明损耗越小5、熟悉射线矩阵光学，会进行推导。

傍轴光线在腔完成一次往返总的变化矩阵为当凹面镜向着腔时，R取正值；当凸面镜向着腔时，R取负值6、激光谐振腔的稳定性条件11121<⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-<RLRL，其中当凹面镜向着腔时，R取正值，当凸面镜向着腔时，R取负值7、自在现模当通过的孔阑数足够多的时候，镜面上唱的相对振幅和相位分布将不再发生变化。

在孔阑传输线中形成的这种稳态场分布就是自在现模。

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8、本征函数())(,yVxVnm为复数函数，它的模|()yxVmn,|描述镜面上场的振幅分布，二期辐角arg()yxVmn,描述镜面上场的相位分布本征值：nmmnγγγ=模描述自在现摸的单程损耗，它的辐角描述了自在现模的单程相移方形镜花斑图样圆形镜横模的花斑图样11、腰斑的大小oW=πλ2L、腰斑位置在共焦腔的焦平面处，镜面上的光斑大小πλLWs==2oW，腔光斑尺寸大小222)(1)1(2)(fzWfzLzw+=+=πλ。

等相位面分布的公式光束的远场发散角：LRLRTTTTLRLRDCBAT21211112111121=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=基模体积12、高阶的高斯光束 13、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。

而任何一个稳定球面腔唯一地等价与一个共焦腔。

他们具有相同的行波场。

14、计算一般稳定球面腔的主要参数：腰斑的光斑尺寸πλf W =0这里的f 是等效后的焦距。

一般稳定腔镜面上的光斑尺寸利用等价共焦腔的腔场分布去求带入后结果41211211]))(()([||L R R L R L R L R W s -+--=πλ 41212122]))(()([||L R R L R L R L R W s -+--=πλ基模模体积22100)2(21s s w w L V +=π。

在一般稳定腔中15、腔的菲涅尔数：定义稳定球面腔的有效菲涅耳数对一般稳定球面腔，每一个反射镜对应着一个有效菲涅耳数，然后按共焦腔的单程衍射损耗曲线查得一般稳定球面腔的损耗值。

16、高斯光束的表征方法有哪些？什么是q 参数？参数w (z )和R (z )表征高斯光束高斯光束的q 参数: 参数q 将w (z )和R (z )统一在一个表达式中，知道了高斯光束在某位置处的q 参数值，可由下式求出该位置处w (z )和R (z )的数值17、高斯光束q 参数的变换规律是什么？镜面上场分布 腔中任一点的场分布 基横模 方形镜共焦腔 厄米特—高斯函数 厄米特—高斯函数 高斯函数 圆形镜共焦腔 拉盖尔—高斯函数 拉盖尔—高斯函数 高斯函数 2212121221122121)]()[())()(()()()()()()(R L R L L R R L R L R L f R L R L L R L z R L R L L R L z -+--+--=-+---=-+--=)(22si efi i a N πω=2/1220]))()((1)[(-+=z R z w z w w λπ122]))()((1)[(-+=z w z R z R z πλ)()(1)(12z i z R z q πωλ-=DCq B Aq q ++=112q 参数的变换规律可统一表示为: q 参数也称为高斯束复曲率半径。

结论：高斯光束经任何光学系统变换时服从ABCD 公式，由光学系统对傍轴光线的变换矩阵所决定。

18、什么是高斯光束的自在现变换如果一个高斯光束通过透镜后器结构不发生变化，即参数0W 或f 不变则这种变换为自再现变化19、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔有什么关系？20、非稳腔与稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？稳定腔（无几何偏折损耗）非稳腔（具有较高的几何损耗）21高斯光束的聚焦和准直第四章1,激光器的理论有哪些？ 经典理论：用麦克斯韦方程组描述电磁场将原子中运动的电子视为服从经典力学的贞子成功解释了物质对光的吸收和色散现象定性的说明了原子的自发辐射及谱线宽度 半经典理论：采用麦克斯韦方程组描述光频电磁场用量子力学描述原子它能较好的揭示激光器部分物理现象（反转粒子数，烧孔效应，振荡光强的兰姆凹陷） 量子理论：对光频电磁场和物质原子都做量子化处理并将二者作为一个统一的物理体系加以描述只有严格确定激光相干性和噪声以及线宽极限的性才是必要的 1、 什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有一个频率围，称为谱线加宽。

加宽类型有均匀加宽，非均匀加宽，综合加宽。

如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽。

非均匀加宽的特点：原子体系中不同原子向谱线的不同频率发射。

一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽主要是晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽，对于气体工作物质，主要的加宽类型就是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。

3、如何定义线型函数和谱线宽度？P (n)是描述自发辐射功率按频率分布的函数。

在总功率P 中，分布在n~n+dn 围的光功率为P (n)dn ，数学表示为 引入谱线的线型函数 线型函数在n=n0时有最大值，并在时下降到最大值 的一半，即 按上式定义的nD 称为谱线宽()1,1)(21-∈+D A 1021<<g g 1)(21-<+D A 021<g g 1)(21>+D A 121>g g ⎰+∞∞-=ννd P P )(),(~0ννg P P g )(),(~0ννν=20ννν∆±=2),(~),2(~),2(~000000ννννννννg g g =∆-=∆+4、如何理解均匀加宽和非均匀加宽？如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽。

每个原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，即每一发光原子对光谱线任一频率都有贡献。