激光原理概念

2.什么是光子简并度？为什么激光是一种强相干光？

光子简并度：一个光子态（或光波模式）内的光子数

原因：一个光子态内的光子数处于相干体积内，激光的光子简并度高，即在相干体积内的分子数多，有尽可能高的相干光强，因此激光是一种强相干光。

3.光与物质相互作用有几种基本形式？受激辐射产生的光子有什么特点？

基本形式：自发辐射，受激辐射三种。

特点：受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向、偏振、即入射光子与产生的光子处于同一光子态（或两者是相干的）

5.产生激光的先决条件和决定性条件分别是什么？你为什么这么认为？

先决条件：粒子数反转 决定性条件：阈值条件 g0 >= a (g0为阈值条件)

原因：若能产生激光，必须要有光放大与自激振荡

实现光放大必须打破平衡态，即使粒子数反转，因为热平衡态下的物质只能吸收光子，不能辐射光子

激光器能产生自激振荡的条件：g0 >= a（即增益大于等于损耗）其实现了任意小的出示光强Io均能形成确定大小的腔内光强Im

6、激光器一般包括哪几个基本组成部分？

基本组成部分由：工作物质 泵浦源 光学谐振腔

7与普通光相比，激光主要有那几个方面的特性？

激光四大特性：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

8光学谐振腔的作用是什么？如何判断强的稳定性？

光腔作用：1提供光反馈，维持自激振荡 2.选择控制激光振荡模式3.引导激光输出

9什么是纵模？什么是横模？

纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称为纵模

横模：在腔的轴线方向即纵模方向的场分布是觉晕的，而腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模

12什么是高斯光束？请写出其经薄透镜的变换公式，并说明如何对它聚焦和准直？

高斯光束：激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数的光束

聚焦：用短焦距透镜，使高斯光束腰斑远离透镜焦点，从而满足l》f，l》F；取l=0并设法满足f》F

准直：短透镜焦距为F1,当满足F1《L时它将物高斯光束聚焦于前焦面上，得一个极小光斑Wo，若Wo恰好落在长焦距透镜的后焦面上，则腰斑为Wo的高斯光束则长焦距透镜很好的准直

13光与物质相互作用的理论可分为哪几个层次？

经典理论半经典理论 量子理论 速度方程理论

14谱线均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个都是等同的加宽

非均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子时

不相同的加宽

区别：均匀加宽不能将特定频率的光与特定的原子对应起来，自发光原子对光谱内任一频率都有贡献，而非均匀加宽则能够区别出谱线上某一频率的光是由哪一部分原子（或分子）发出的，自发光原子只对特定频率的光有贡献

产生原因：1激光上下能级上的原子寿命有限2.原子与原子间以及原子与容器间的碰撞 气体压强3.激活粒子受周围晶格场周期性变化的影响， 出此之外也受温度影响

非均匀加宽：多普勒效应 2. 晶格缺陷使此处的激活粒子的能级发生位移

线型函数略

16.请分别写出均匀加宽的和非均匀加宽物质的增益系数表达式，什么是增益饱和，均匀加宽和非均匀加宽物质的增益饱和有何不同特点？

增益饱和：当Iv可与Is相比拟时，随着Iv的增加，其增益系数g随之减少的现象

不同特点：均匀加宽：频率为v的强光入射不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光的的增益系数也以同等程度下降，即当一个模振荡后，增益在整个谱线上均匀地下降，阻止其他模的振荡。

非均匀加宽：在非均匀加宽工作物质中频率为v的强光只在v附近宽度的烧孔宽度范围内引起反转集居数的饱和，对表现中心频率处在烧孔范围外的集居数没有影响，若有频率为v的弱光同时入射，如果频率v处在烧孔范围内，则弱光增益系数小于小信号增益系数，如果频率v处于烧孔范围之外，则弱光增益系数不受光影响仍等于小信号增益系数，因此在增益曲线上在频率v处产生一凹陷。

17.纵模起振，形成稳定振荡的条件分别是什么？如何确定起振纵模的数目？

纵模起振条件：g》a 形成稳定振荡的条件g=a

确定起振纵模数目的方法：N=[Vosc/Vq]取整+1 （最多数目）

18.什么是自选模？什么是空间烧孔效应？为何均匀加宽激光器会出现多纵模振荡？

自选模：设三个纵模v1，v2，v3同时起振，随着振荡的持续光强I1，I2，I3逐渐增大，当光强足够大，（可与Is比拟时）由于增益饱和，导致增益曲线在各频率处整体下降，结果各纵模由于增益系数小于阈值增益系数,先后熄灭，最后仅剩下最接近中心频率vo的一个纵模维持自激振荡，这一现象称为自选模。

空间烧孔效应:在驻波腔激光器中，腔内形成一个驻波场,波腹处增益最小，而波节处增益最大，沿光腔方向增益系数的这种非均匀分布称为空间烧孔效应

原因：由于空间烧孔效应的存在，不同的纵模可利用空间内不同的粒子反转数获得增益，从而实现多纵模振荡。

19.为什么低气压气体振荡器容易出现多纵模振荡？

低气压气体为多普勒加宽即非均匀加宽

当外界激发增强时，小信号增

益系数增加，满足振荡条件的纵模个数增多，激光器的振荡模式数目增加，即出现多纵模振荡

21常用的选纵模（横模）的方法有哪些？

选纵模的方法：1短腔法 2.行波腔法 3选择性损耗法

选横模的方法：1小孔光阑 2.非稳腔法 3 腔参数法 4 微调腔法

纵模选择原理：1不同纵模具有不同的频率，因此具有不同的小信号增益。2引入频率选择性光学元件（如棱镜，光栅，f-p干涉仪等）增大不同纵模的损耗差异

选横模原理：不同的横模具有不同的衍射损耗，1尽量增大高阶横模与基横模的衍射损耗差异2.使衍射损耗在总的损耗中占较大比例

22.常用的稳频方法有哪几种？兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频的原理是什么？

稳频方法：1兰姆凹陷稳频 2.塞曼稳频 3饱和吸收稳频 4无源腔稳频

兰姆凹陷稳频原理：对于非均匀单频激光器，可利用兰姆凹陷作为稳频参考，使激光工作在处于v0附近

饱和吸收稳频:当入射光强足够大，吸收体的吸收系数将随光强增大而减小

23激光器调Q技术原理是什么？常用的调Q方法有哪几种？

调Q原理：采用某种方法使谐振腔内的损耗按照规定的程序变化：1在泵浦初阶段，使光腔具有高损耗，高阈值，使激光不能起振，于是激光上能级积累大量的粒子，2.在适当的时刻（即上能级积累的粒子数足够多），突然降低光腔损耗，阈值减小，在极短的时间内，激光上能级储存的大量粒子能量转化为激光能量，输出一个具有很高峰值功率的巨脉冲

常用调Q方法：1脉冲反射式调Q ：转镜调Q 电光调Q 声光调Q 饱和吸收调Q （常用方法）

2脉冲透射调Q:电光调Q

24激光器调锁模技术的原理是什么？常用的锁模方向有哪几种？

锁模原理：采用适当的方法对激光束进行特殊的调制，使各振荡纵模之间具有确定的相位关系（即相位锁定）从而使各纵模相干叠加产生超短脉冲。

常用锁模方法：1主动锁模： 1振幅调制锁模（电光，声光）2相位调制锁模（电光）

2.被动锁模：饱和吸收锁模

25Nd:YAG 激光器，He-Ne激光器以及CO2激光器的工作物质是什么？输出激光波长一般多大？

Nd：YAG激光器：工作物质：掺杂稀土Nd粒子或过渡金属粒子的晶体或玻璃输出波长一般为1064nm

He-Ne激光器：工作物质：He与Ne的混合气体输出波长一般为3.39um（最强） 1.15um， 632.8nm

CO2激光器：工作物质：CO2 He N2 输出波长一般为10.6um

27半导体激光器有何特点？为什么目前使用的半导体激光器大都采用异质结结构？

特色：体积小，效率高寿命长，调制方便 光束质量不高

采用异质结结构的原因：异质结结构能有效地把载流子（电子和空穴）约束

在有源区去，为有效地进行受激辐射放大提供了有利条件，且其阈值电流小，单模运转。