光子学

1.激光器的组成及其各部分的功能

激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振器。激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是粒子数反转的前提；泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因；光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。

2.计算，光线矩阵，二阶，三阶。

参考老师书上例题，注意两个参量，一个角度，一个距离；光线矩阵相乘时，按照从右往左的原则，新增加的矩阵乘在左边。

3.稳定性条件。

光学谐振腔的稳定性条件： 1)1)(1(02

1

≤-

-

≤R

R

L

L

，其中L 是腔长（两个反射镜之

间的距离），0>L ;R R 21和是两镜面的曲率半径，凹面向着腔内时R>0，凸面向着腔内时R<0.

4.高斯光束的表达式及其各参数的意义

在垂直于传播方向的平面上的强度分布为高斯型的光束是高斯光束。激光器输出的激光束通常是高斯光束。其表达式为： )])(2)(1())((exp[)(),,(2

2

z R ik z z kz i z z y x E r E +---=

ωηωω

其中

y x r

2

2

2

+=，点到坐标原点距离的平方；

]1[)(20

22

02

z

z

z +

=

ωω，

)0(0

ωω

=是最小光斑尺寸，也称为高斯光束束腰，)(z ω坐标

为Z 时高斯光束的光斑尺寸，当)(22

z r y x

ω=+=时光场振幅下降为轴上值得e

1

倍，高

斯光束的能量约束在Z 轴的附近； )1()(2

2

0z

z z R z +

=，)(z R 为与传播轴线相交于Z 点的高斯光束等相位面的曲率半径，

λπωn

z 200=称为共焦参数，表示光斑半径增加到腰斑的2倍处的位置；

一旦知道了高斯光束的束腰

ω0

和位置Z ，高斯光束就可唯一的被确定。并可以求出在

任一位置Z 处的光斑尺寸)(z ω和曲率半径)(z R 。

5.ABCD 定律，计算束腰。

ABCD 是光线矩阵相应矩阵元；

)

()(1)(12

z n i z R z q ωπλ

-=，用q 参量来描述高斯光束，其中既包括了光波波长，而且也包括了高斯光束的光斑尺寸)(z ω和曲率半径)(z R ；q 参量

满足ABCD 定律：

D

C B A q q q

++=

11

2

；具体计算参考书上例题。

6.谐振腔的作用

谐振腔是激光器的一个重要组成部分，其主要有两方面的作用：

（1）提供光学正反馈。以便在腔内共振频率处建立高的场强，维持自激振荡。

（2）频率滤波和控制光束空间特性。有效的控制腔内实际震荡的模式数目，使大量光子集结在少数几个状态中，提高光子简并度，获得单色性好的相干光。改变谐振腔的几何参数可以直接控制激光束的横向分布尺寸、光斑尺寸、谐振频率和光束发散角等。

7.关于自在现模

光波在谐振腔中来回传播时，由于衍射，没经过一个孔，波的振幅和相位分布都要发生变化，随着震荡次数的增加，波受到衍射的影响越来越小，当通过足够多的孔阑后，镜面上光波场的振幅和相位不再发生变化，这样的光波模式就是自再现模。自再现模的形成是多次衍射的结果，与初始入射光波的形状无关，即使初始光波有不同，随着衍射次数的增加仍可形成自再现模。

8.光学谐振腔的损耗，稳定性图和稳定性几何判别法

光学谐振腔的损耗主要有以下三种：

（1）不完全反射所引起的损耗。例如谐振腔中的全反射镜不可能做到百分之百反射，由此而引起的损耗，还有谐振腔中的输出镜，为了得到激光输出，输出镜都是做成部分反射的，由此也会带来损耗。

（2）激光介质中的吸收和散射。包括激光介质吸收光子维持激发态的吸收损耗和固体激光介质的不均匀导致的散射损耗。

（3）衍射损耗。由于反射镜的尺寸有限，形状各异，导致入射在镜面的光波场发生不同程度的损耗。对与高阶横模，由于其能量分布相对分散，一定的反射镜其衍射损耗越大。

9.描述光学谐振腔损耗的参数：单程损耗、光子寿命和品质因数

单程损耗：光波场在谐振腔中完成二分之一个震荡所引起的损耗称为单程损耗，用L 表示。

光子寿命：腔内的光子数衰减为初始光子数的

e

1

所经历的时间，用t c 表示。 品质因数：品质因数是表征腔的储存和损耗特性的参量，定义为dt

dE E

Q ω-

=，E 为

光子能量，ω为光场的角频率，dt

dE

-

为耗散的功率。

三者之间的关系：

t t c c Q cL

nl

ω==

,，其中l 表示腔的长度，由这两个关系式就可以判断出它们之间互相增减的关系。

10.极化率曲线图，实部、虚部及其各自的物理意义

极化率曲线图如书上所示，注意极化率的实部和虚部分别与色散和吸收相对应。

11.均匀加宽与非均匀加宽及其形成机制。

谱线加宽是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

ν

附

近一个很小的频率范围内。分为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相同的，则这种加宽称作均匀加宽，对于均匀加宽，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定的原子联系起来，每一个发光原子对谱线内任一频率都有贡献。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽都属于均匀加宽。 自然加宽是由于受激原子在激发态上具有有限的寿命引起的，其本质是量子力学的测不准原理。

碰撞加宽是由于大量原子（分子、离子）之间的无规则碰撞引起的，其碰撞过程是各种各样的，例如激发态原子和同类基态原子发生碰撞而将自己的内能转移给基态原子并使其跃迁至激发态，而激发态原子本身回到基态。也就是我们所说的横向弛豫过程，这个过程会使原子发出的自发辐射波列发生物规则的相位突变。

晶格振动加宽是由于晶格振动使激活离子处于随时间周期性变化的晶格场中，激活离子的能级所对应的能量在一定范围内变化，因为引起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。

非均匀加宽是指原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的。包括多普勒加宽和固体工作物质的晶格缺陷加宽。

多普勒加宽是由于作热运动的发光原子或分子所发出的辐射的多普勒频移引起的。 晶格缺陷加宽。在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，处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同，即产生非均匀加宽。

12.均匀加宽和非均匀加宽的增益饱和？有何不同之处？

当入射光场的光强与饱和光强相比拟时，增益系数将随着入射光场光强的增加而减小，这就是增益饱和现象。对于均匀加宽和非均匀加宽的增益饱和： （1）非均匀加宽系统的饱和比均匀加宽系统的饱和慢。 （2）在非均匀加宽情形中，饱和强度与线性中的位置无关。

（3）在非均匀加宽饱和中存在烧孔效应，而在均匀加宽饱和中无此效应。

13.为何会有烧孔效应？

烧孔效应的形成原因：频率为

ν

1

的强光只在

ν

1

附近范围内引起反转集居数的饱和，对

表观中心频率处在烧孔范围外的反转集居数没有影响。如果有一频率为ν的弱光同时入射，如果频率ν处在强光造成的烧孔范围之内，则由于反转集居数的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数，如果频率ν处于烧孔范围之外，则弱光的增益系数仍等于小信号增益系数。