(完整版)激光原理简答题整理
激光原理与技术复习——简答题精编版
激光原理复习题----填空简答论述1.什么是光波模式？答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。
这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。
2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？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。
3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。
光子简并度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。
联系：激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。
4.什么是黑体辐射？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。
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。
.5.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。
Page10答：(1)自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
特征：a) 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。
b) 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。
激光原理复习自整理详解
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：kT E i i i eg -∞n 推论：假设gi=gj1.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 8hv 33v -=kT e c v πρ 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 π= 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：v B t hvn t ρ212)()(q =激光功率密度比：v v hv ρπλρπh88c q 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ν0时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。
激光简答题
从网上整理的仅供参考。
SER 英文名称的含义是什么？激光是何时发明的？Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。
2.激光的基本特性是什么？答：激光四性：单色性、相干性、方向性和高亮度。
这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。
3.激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？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。
4. 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。
答：(1)自发辐射过程描述(page10)：处于高能级2E 的一个原子自发的向1E 跃迁，并发射一个能量为h ν的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
特征：a) 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场νρ无关的自发过程,无需外来光。
b) 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为ν，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。
自发跃迁爱因斯坦系数：211s A τ=(2)受激吸收过程描述(page12)处于低能态1E 的一个原子，在频率为ν的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为h ν的光子并向2E 能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。
激光原理复习知识点[整理]
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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 复习课(4)
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（
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。
激光原理复习题答案（参考版）
激光原理复习题答案（参考版）激光原理复习题第一章电磁波1. 麦克斯韦方程中0000./.0t tμμερε??=-=+?=?=?B E E B J E B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：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两个分别表示电场和磁场的散度；(2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的;(3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 tE=?00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。
这种交替的不断变换会导致电磁波的产生。
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：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。
基于的基本原理：原子可视为一个偶极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。
简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。
3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。
对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。
那么由此原理产生的光的特点是什么？答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。
4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。
请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。
其中受激辐射与激光的产生有关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。
5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。
被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。
激光物理简答题
第一章激光器的基本原理1、问：产生激光的条件是什么？(戴大鹏)答： 1.受激辐射是激光产生的必要条件； 2.要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级，这是产生激光的第二个条件； 3.选择适当的物质，使其在亚稳态能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子束反转，这是形成激光的第三个条件；4.激光中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向是杂乱无章的。
要使得频率单纯，方向集中，就必须有一个谐振腔，这是形成激光的第四个条件；5. 只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子要多得多，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。
2、问：什么是粒子数反转？(钟双金)粒子数反转 (population inversion )是激光产生的前提。
两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。
在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律，这种情况得不到激光。
为了得到激光，就必须使高能级 E2 上的原子数目大于低能级 E1 上的原子数目，因为 E2 上的原子多，发生受激辐射，使光增强(也叫做光放大) 。
为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态 E2，处于高能级 E2 的原子数就可以大大超过处于低能级 E1 的原子数。
这样就在能级 E2 和 E1 之间实现了粒子数的反转。
实现粒子数反转的条件：通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。
3、什么叫纵模、横模？由谱线宽度和腔长来估算可能振荡的纵模数目答案：光场在腔内的纵向和横向分布分别叫做纵模和横模。
横模数目 n=谱线宽度/c纵模数目 n=谱线宽度/ (c/2*腔长 L)第二章激光器的速率方程理论答案：第三章 密度矩阵1：考虑衰减过程、原子的泵浦或激发过程，写出在初始光场为零时的光学布洛 赫方程并说明各项含义。
激光原理简答题(西南科技大学)
光学谐振腔的作用1、提供正反馈（放大）作用（1）腔镜的反射率（吸收、透射少，反射率大；反之亦然）；（2）腔镜的形状及组合方式。
2、控制振荡光束，表现在三个方面（1）控制纵模的数目—光的模式少，光子的简并度高（2）控制高阶横模—基模光强大、光斑小、发散角小（3）控制各种损耗—在增益一定的条件下，通过控制损耗来控制激光的输出。
横模的形成a 、谐振腔中稳定的激光等效于任何波面的光通过一系相同列光栏后形成的自再现光场b 、光栏有衍射，因此在光束的不同位置光将形成干涉叠加，这种稳定的叠加就形成了横模c 、不同位置稳定场形成的条件不同，故而有不同频率。
不同频率的横模的光场有不同的横向分布，它们是重叠在激光腔的同一空间内。
1、损耗的种类（1）几何损耗：非平行轴的光线，折、反出腔外的损耗。
① 光腔结构和尺寸影响的损耗；② 横模阶次的高低不同损耗不同。
一般，高阶模的损耗大。
（2）衍射损耗：反射镜尺寸有限、腔中有插件，必有衍射。
① 损耗与菲涅尔数N=a2/Lλ有关，该常数越小，损耗越大。
② 与腔的几何结构有关，参数g=1-L/R 越小损耗越大。
③ 与横模的阶次有关，阶次越高损耗越大。
（3）腔镜反射不完全引起的损耗① 反射镜吸收、散射引起的损耗；②反射镜的部分出射引起的损耗（对固体激光器可达50%）（4）非激活吸收、散射引起的损耗① 腔内加插件引起的损耗a 、产生偏振光的布儒斯特窗口b 、提高激光瞬间强输出功率的调Q 元件c 、各种用途的加载调制元件② 非激活介质的吸收、散射两个相同腔面共振漠视的积分方程 意义腔内可能存在着得稳定的共振光波场，他们由一个腔面传播到另一个腔面的过程中虽然经受了衍射效应，但这些光波场在两个腔面处得相应振幅分布和相位分布保持不变，亦即共振光波场在腔内多次往返过程中始终保持自洽或自再现的条件。
方形镜共焦腔： 长椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成厄米多项式与高斯函数乘积的形式。
圆形镜共焦腔： 超椭球函数，在N 很大的情况，可以表示成拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。
(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。
激光原理练习题及答案
激光原理练习题及答案一、选择题1. 激光的产生是基于以下哪种物理现象？A. 光电效应B. 康普顿散射C. 受激辐射D. 黑体辐射答案：C2. 激光器中的“泵浦”是指什么？A. 激光器的启动过程B. 激光器的冷却过程C. 激光器的增益介质D. 激光器的输出过程答案：A3. 以下哪种激光器不是按照工作物质分类的？A. 固体激光器B. 气体激光器C. 半导体激光器D. 脉冲激光器答案：D二、填空题4. 激光的三个主要特性是________、________和________。
答案：单色性、相干性和方向性5. 激光器中的增益介质可以是________、________或________等。
答案：固体、气体或半导体三、简答题6. 简述激光与普通光源的区别。
答案：激光与普通光源的主要区别在于激光具有高度的单色性、相干性和方向性。
普通光源发出的光波长范围较宽，相位随机，方向分散，而激光则具有单一的波长，相位一致，且能沿特定方向高度集中。
7. 解释什么是激光的模式竞争，并说明其对激光性能的影响。
答案：激光的模式竞争是指在激光腔中，不同模式（横模和纵模）之间争夺增益介质提供的增益资源。
模式竞争可能导致激光输出不稳定，影响激光的质量和效率。
通过优化腔体设计和使用模式选择器可以减少模式竞争，提高激光性能。
四、计算题8. 假设一个激光器的增益介质长度为10cm，泵浦效率为80%，增益系数为0.01cm^-1。
计算在不考虑任何损耗的情况下，激光器的增益。
答案：增益 = 增益系数× 增益介质长度× 泵浦效率 = 0.01× 10× 0.8 = 0.89. 如果上述激光器的输出镜的反射率为90%，计算腔内光强每通过一次腔体增加的百分比。
答案：增益百分比 = (1 - 反射率) × 增益 = (1 - 0.9) × 0.8 = 0.08 或 8%五、论述题10. 论述激光在医学领域的应用及其原理。
激光原理简答1
答：共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。
由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,既两块镜的曲率半径和腔长相等，R1=R2=L。
反射镜度有高反射膜。
两块镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变得电压陶瓷环上。
改变腔长L或改变腔内折射率n，就可以使不同波长的光以最大的透射率透射，实现光谱扫描。
从而使各个激光模式依次通过干涉仪，由光电接收器转换成电信号，并连接到示波器观察。
从而荧光屏上即显示出透过干涉仪的激光模式。
2.简述电光调Q技术的原理，框图及调节Q开关注意问题。
答：调Q原理：通过某种方法使谐振损耗按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。
然后在适当的时刻，使腔的损耗突然降低，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。
在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。
电光调Q：利用晶体的普克尔效应来实现损耗突变。
注意问题：激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。
避免用手接触激光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用镜头纸包好，放在干燥器里。
3.简述非均匀加宽工作物质增益饱和的“烧孔效应”及特性。
答：入射光强与饱和光强可比拟时，入射光强增加，增益系数减少。
这就是非均匀加宽情况下的增益饱和现象。
增益曲线的烧孔效应：在非均匀增宽型介质中，频率为、强度为I 的光波只在附近宽度约为的范围内有增益饱和作用。
增益系数在处下降的现象称为增益系数的“烧孔”效应。
空间烧孔效应：当频率为v的纵模在谐振腔内产生稳定振荡时，腔内就会形成驻波场，波腹处的光强最大，波节处的光强最小。
频率为v的模在腔内的平均增益系数为g，但轴向上各点的反转集居数密度和增益系数不同，波腹处增益系数最小，波节处增益系数最大，这一现象为增益的空间烧孔效应。
(完整word版)《激光原理》课后题答案
《激光原理》习题解答第一章习题解答1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM ，它的单色性0λλ∆应为多少？解答：设相干时间为τ，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即c L c ⋅=τ根据相干时间和谱线宽度的关系 cL c ==∆τν1又因为γνλλ∆=∆，0λνc=，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=ννλλ∆=∆=cL 0λ=101210328.61018.632-⨯=⨯nmnm 解答完毕。
2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm 和Z MH 3000=γ输出1瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。
解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt 时间内输出的能量为dE ，则功率=dE/dt激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即d νnh E =，其中n 为dt 时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt 时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。
由以上分析可以得到如下的形式：ννh dth dE n ⨯==功率 每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：()()()13410626.61--⨯⋅⨯====s s J h dt n N s J νν功率每秒钟发射的光子数 根据题中给出的数据可知：z H mms c13618111031010103⨯=⨯⨯==--λν z H mms c1591822105.110500103⨯=⨯⨯==--λν z H 63103000⨯=ν把三个数据带入，得到如下结果：19110031.5⨯=N ，182105.2⨯=N ，23310031.5⨯=N3 设一对激光能级为E1和E2（f1=f2），相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求(a)当ν=3000兆赫兹，T=300K 的时候，n2/n1=? (b)当λ=1μm ，T=300K 的时候，n2/n1=? (c)当λ=1μm ，n2/n1=0.1时，温度T=？解答:在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：TK E E T k h f f n n b b )(ex p ex p 121212--=-=ν （统计权重21f f =） 其中1231038062.1--⨯=JK k b为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。
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
（完整版）激光原理简答题整理
（完整版）激光原理简答题整理1?什么是光波模式？答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。
这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。
2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？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。
3?何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。
光子简并度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。
联系: 激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。
4?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。
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。
5. 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。
答：（1）自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
特征：a）自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程，无需外来光。
b）每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为v,各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。
激光原理考点总结
对了课本两遍，基本覆盖所有考点，部分小四字体重在辅助理解。
有填空、名词解释、计算、简答。
计算题四个中出三个。
↖(^ω^)↗第一章1、光的基本性质：波粒二象性；波动性（电磁波），粒子性（光子流）。
2、光与物质的相互作用有：自发辐射、受激辐射、受激吸收。
普通光源中（自发辐射）占主要；激光器中（受激辐射）占主要。
3、简答：自发辐射、受激辐射、受激吸收之间关系：A21n2dt+B21n2ρv dt=B12n1ρv dt在光和大量原子系统的相互作用中，三者是同时发生的。
在单位体积中，在dt时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数，应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。
4、光谱的（线型）和（宽度）与光的（时间相干性）直接相关。
自然增宽的线型函数：f N(v)=A/(4π2(v-v0)2+(1/2τ)2)f N(v)表示在频率v附近单位频率间隔的相对光强随频率的分布。
A为比例常数。
所得谱线的自然增宽是因为作为电偶极子看待的原子做衰减振动而造成的谱线增宽。
5、（名词解释）光的多普勒效应：随着光源和接收器的相对运动而发生光源的频率发生改变（频移）称为多普勒效应。
运动对向接受体频率增高，背向接受体频率降低。
6、（名词解释）均匀增宽与非均匀增宽：均匀增宽：自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，而且这个贡献对每个原子都是等同的，这种增宽为均匀增宽。
非均匀增宽：不同粒子对谱线不同频率部分的贡献不同, 即可分辨谱线线型哪一频带是由哪些特定粒子发射的(∵热运动速度矢量相同的粒子引起的频移相同)7、（简答）实现光的放大的条件：1）需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽送到高能级上去；2）需要合适的发光介质（激光工作物质），它能在激励能源的作用下形成n2/g2>n1/g1的粒子数密度反成分布状态。
8、（简答）产生激光的条件：1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3）有光学谐振腔，增长激光介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。
哈工大《激光原理》研究生入学考试简答题
的变换规律遵循 q2
Aq1 B 公式。 Cq1 D
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
31．简述描述高斯光束的（f，z）参数、 （ω，R）参数、q 参数之间的关系。 答：
32．简述衍射场自洽积分方程本征值γ的物理意义。 答： （1）
1 e
h / kT
1
，
激光： n
p c ，其中 T 为绝对温度，p 为激光器向单模发射的功率，τc 为相干时间。 h
20．三能级系统和四能级系统最本质区别是什么？为什么三能级系统实现粒子数反转 比四能级系统困难（或者说对泵浦源的要求更高）？ 答：三能级系统的激光下能级为基态，而四能级系统的激光下能级为激发态。由 于热平衡情况下绝大部分粒子处于基态，所以三能级系统要实现粒子数反转需要至少 把一半的基态粒子泵浦到激光上能级。而四能级系统的激光下能级为激发态，热平衡 情况下其基本处于排空状态， 将很少的粒子泵浦到激光上能级就可以实现粒子数反转。 因此三能级系统实现粒子数反转比四能级系统困难（三能级系统比四能级系统对泵浦 源的泵浦能力要求更高） 。 21．什么是增益饱和？均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益饱和的基本特征分别是 什么？ 答：当激光器内光强达到一定值时，反转粒子数密度（增益）随光强的增大而减 小的现象为增益饱和。 均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线整体下降，增益曲线最大值变小，宽度 变宽；非均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线局部下降，产生烧孔效应。 22．均匀加宽激光器中的模竞争的概念。 答：在均匀加宽激光器中，通过饱和效应靠近中心频率的模总是把别的模抑制下
第二部分
1. 调 Q 技术的基本原理。 答：采用某种办法使光腔在泵浦开始时处于高损耗（低 Q 值）状态，这时激光的 振荡阈值很高，反转粒子数即使积累到很高水平也不会产生激光；当积累的反转粒子 数达到很大值时，突然使光腔的损耗降低（高 Q 值） ，这时发转粒子数远大于阈值，存 储到上能级的粒子迅速跃迁到下能级，输出一个峰值功率高、宽度窄的激光脉冲。 2. 什么是主动调 Q？什么是被动调 Q？ 答：主动调 Q：谐振腔 Q 值的变化由外部驱动源控制，与腔内激光光强无关。被 动调 Q：谐振腔 Q 值取决于腔内激光光强。 3．声光调 Q 工作原理。 答：通过电声转换形成超声波，使调制介质折射率发生周期性变化，对入射光起 衍射栅作用，使之发生衍射损耗，Q 值下降，激光振荡不能形成。在光泵激励下上能 级反转粒子数不断积累并达到饱和值，这时突然撤除超声场，衍射效应立即消失，腔 内 Q 值猛增，激光振荡迅速建立，其能量已巨脉冲形式输出。 4. 简述可饱和吸收染料调 Q 基本原理。
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是什么？ 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。
18.什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？ 答：(1)任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球 面腔等价;(2)任一满足稳定条件的球面腔唯一 地等价于某一个共焦腔。即如果某一个球面腔 满足稳定性条件，则必定可以找到而且也只能 找到一个共焦腔，其行波场的某两个等相位面 与给定球面腔的两个反射镜面相重合。 19.高斯光束的表征方法有哪些？ 答：(1)表征方法 a)用束腰半径(或共焦参数)及 束腰位置表征高斯光束；b)用光斑半径及等相 位面曲率半径表征高斯光束。 20.为了使高斯光束获得良好聚焦，常采用的方 法有哪些？ 答：a)用短焦距透镜；b)使高斯光束腰斑远离 透镜焦点；c)将高斯光束腰斑半径放在透镜表 面处. 21.非稳腔和稳定腔的区别是什么？举例说明哪 些是非稳腔？ 答：(1)区别：稳定腔中傍轴光线能在腔内往返 任意多次而不致横向溢出腔外；而非稳腔中傍 轴光线在腔内经过有限次往返后必然从侧面溢 出腔外。 (2)非稳腔类型：所有双凸腔；所有平-凸腔； 凹面镜曲率半径小于腔长的平-凹腔；一镜曲率
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1.什么是光波模式？ 答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内， 只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单 色驻波。这种能够存在于腔内的驻波（以某一 波矢为标志）称为光波模式。 2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干 长度？ 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。 3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光 源的光子简并度与它的相干性什么联系？ 答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称 为光子简并度。光子简并度有以下几种相同含 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。联系：激光源的光子简并度决定着激光的 相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越 好。 4.什么是黑体辐射？写出公式，并说明它的物 理意义。
半径小于腔长一镜曲率半径大于腔长的双凹腔双凹非稳腔；两镜曲率半径之和小于腔长的双 凹腔；凹面镜曲率半径小于腔长的凹凸非稳腔凹凸非稳腔；两镜曲率半径之和大于腔长的凹 凸非稳腔. 22.什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机 制是什么？ 答：(1)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，这就叫谱线加宽。 (2)加宽类型及机制： a)均匀加宽 自然加宽机制：原子的自发辐射引起的。碰撞 加宽机制：大量原子（分子、离子）之间的无 规则碰撞。晶格振动加宽机制：晶格振动使激 活离子处于随周期变化的晶格场，激活离子的 能级所对应的能量在某一范围内变化。 b)非均匀加宽 多普勒加宽机制：由于作热运动的发光原子 （分子所发出）辐射的多普勒频移引起的。 晶格缺陷加宽机制：晶格缺陷部位的晶格场将 和无缺陷部位的理想晶格场不同，因而处于缺 陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处 于镜体不同部位的激活离子的发光中心频率不
光子简并度和单色亮度。 13.什么是谐振腔的谐振条件？如何计算纵模的 频率、纵模间隔和纵模的数目？ 答：(1)谐振条件：谐振腔内的光要满足相长干 涉条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发， 经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始 出发波同相（即相差为的整数倍）。如果以表 示均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后， 则可以表示为。λ 为光在真空中的波长，L 为 腔的光学长度，q 为正整数。 (2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数 目、纵模的频率、纵模间隔: 纵模的数目:对于满足谐振条件频率为的波，其 纵模数目,为小信号增益曲线中大于阈值增益系 数的那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽)。 14.在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别 与哪些因素有关？ 答：损耗因素：a、几何偏折损耗：与腔的类型、 腔的几何尺寸、模式有关。b、衍射损耗：与腔 的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。 c、腔镜反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射 率、反射率有关。d、材料中的非激活吸收、散 射、腔内插入物所引起的损耗：与介质材料的 加工工艺有关。
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同。 c)综合加宽 气体工作物质的综合加宽机制：由碰撞引起的 均匀加宽和多普勒非均匀加宽。 固体激光工作物质综合加宽机制：由晶格热振 动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加 宽。液体工作物质的综合加宽机制：溶于液体 中的发光分子与其它分子碰撞而导致自发辐射 的碰撞加宽。 23.如何理解均匀加宽和非均匀加宽？ 答：均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原 子都是等同的，对于均匀加宽，每个发光原子 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，或者说， 每一个原子对光谱内任一频率都有贡献。非均 匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它 的中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分 谱线上的某一频率是由哪一部分原子发射的。 24.分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之 间的跃迁过程，画出示意图，为什么三能级系 统比四能级系统需要更强的激励？ 答：这是因为四能级系统系统的激光下能级为 激发态，所以只需把△nt 个粒子激励到能级就 可以使增益克服腔的损耗而产生激光。而在三
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15.哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关 系如何？（p29-31） 答：(1)描述参数：a)平均单程损耗因子：（为 初始光强，为往返一周后光强）b)腔内光子的 平均寿命：c)品质因数：(2)关系：腔的损耗越 小，平均单程损耗因子越小，腔内光子的平均 寿命越长，品质因数越大。 16.如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？ 答：开腔镜面上，经过足够多次往返后，能形 成这样一种稳恒场，其分布不再受衍射的影响， 在腔内往返一次能够再现出发时的场分布。这 种稳恒场经一次往返后，唯一可能的变化是， 镜面上各点的场分布按同样的比例衰减，各点 的相位发生同样大小的滞后。把这种开腔镜面 上的经一次往返能再现的稳恒场分布称为开腔 的自再现模。17.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。
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。 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。 5.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。 答：(1)自发辐射：处于高能级的一个原子自发 的向跃迁，并发射一个能量为 hv 的光子，这种 过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光 波称为自发辐射。 特征：a)自发辐射是一种只与原子本身性质有 关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。b) 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发 射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始 发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然 相同，均为 v，各列光波之间没有固定的相位关 系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发 的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自 发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发 辐射的光是非相干光。自发跃迁爱因斯坦系数：
号增益：在放大器中入射光强与(为饱和光强) 相比拟时，，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。 10.什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什 么？ 答：自激振荡：不管初始光强多么微弱，只要 放大器足够长，就总是形成确定大小的光强， 这就是自激振荡的概念。 产生条件：满足腔的谐振条件，成为腔的梳状 模之一；频率落在工作物质的谱线范围内，即 对应增益系数大于等于阈值增益系数。 11.激光的基本特性是什么？ 答：激光四性：单色性、相干性、方向性和高 亮度。这四性可归结为激光具有很高的光子简 并度。 12．如何理解激光的空间相干性与方向性？如 何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相 干光强? 答：(1)激光的方向性越好，它的空间相干性程 度越高。(2)激光的相干时间和单色性存在着简 单关系，即单色越好，相干时间越长。(3)激光 具有很高的亮度，激光的单色亮度，由于激光 具有极好的方向性和单色性，因而具有极高的
能级系统中，激光下能级是基态，至少要将 （n+△nt）/2 个粒子激励到能级上去，其中 n 远远大于△nt 才能形成集居数反转，所以三能 级系统的阈值能量或阈值功率要比四能级系统 大得多。 25.说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益 饱和的机理。 答：均匀加宽增益饱和机理：在均匀加宽情况 下，每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡 献，也就是说均匀加宽的激光工作物质对各种 频率入射光的放大作用全都使用相同的反转粒 子数，因此强光会导致反转集居数密度的下降， 而反转集居数密度的下降又将导致弱光增益系 数的下降，结果是增益在整个谱线上均匀地下 降。 非均匀加宽增益饱和机理：对非均匀加宽工作 物质，频率为 ν 1 的强光只引起表观中心频 率在 ν 1 附近的反转集居数饱和，因而在增 益曲线上形成一个烧孔。 26.饱和光强的含义？怎样定义的？(p151) 答：饱和光强的物理意义是：当入射光强度可 以和比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰 减率才可以与其它弛豫过程（自发辐射及无辐 射跃迁）相比拟。因此当时，与光强无关，而