激光原理复习思考题

《激光原理》复习
第一章激光的基本原理
1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系
2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。

激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。

3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？
4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？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？
5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？
4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？
5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？
6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？
7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？
8、如何理解激光横模、纵模？
第二章开放式光腔与高斯光束
1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？
2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？
3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？
4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射；（4）介质中传播的射线光学矩阵
5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？
6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？
7、写出菲涅耳-基尔赫夫方程，并说明每一项的物理意义
8、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义
9、基模高斯光束的主要参量：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，模体积
10、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征
11、高斯光束的特征参数？q参数的定义？
12、如何用ABCD方法来变换高斯光束？
13、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。

14、激光器输出横模和纵模如何确定。

第三章电磁场与物质的共振相互作用
1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？
2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？
3、能级光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。

4、画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。

建立相应能级系统的速率方程，求解速率方程，求出激光能级的反转粒子数密度。

5、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。

6、何谓小信号增益，饱和增益？
7、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明它们的原理。

第五章 激光振荡特性
1、 连续和脉冲激光器工作的阈值条件，输出功率或能量，输出光波的波形（讨
论驰豫脉冲形成的过程），分析激光器内的模式竞争过程。

2、 解释模式竞争效应和横模及纵模的空间烧孔效应。

3、 说明兰姆凹陷的形成过程。

4、 激光谱线的线宽极限
5、 激光器的频率牵引效应
第六章 激光放大特性
1、 常见激光放大器的种类及工作特点
2、 放大的自发辐射
第七章 激光特性的控制与改善
1、 为什么对激光的特性进行控制和改善，常见的有那些方法？
2、 如何选择横模或纵模，分别有哪些方法
3、 说明稳频的原理及常见的稳频方法
4、 分析调Q 的原理、方法及目的
5、 注入锁定的目的如何，怎样实现的
6、 锁模的目的和方法
第九章：常见激光器及其特点
He-Ne 、Nd-YAG 、红宝石、钛宝石、N2激光器等的发光物质，出光波长及激励方法和特点。

补充计算题：
1、TEM 00模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介质平面。

平面中央处有半径为
a 的小孔，求该平面对入射的TEM 00模的透过率，并计算出当小孔半径正好等
于该处基模光斑半径时的透射率值。

（基模高斯光束基模光斑的光强分布函数2
222()00002(,,)()r z I r z I e z ωωϕω-=），选基横模的条件（光阑的大小和位置）
2、共焦腔氦氖激光器的输出波长为0.6328μm ，L ＝30cm 求：⑴基横模的远场发散角。

⑵5m 处的光斑直径。

（10分）
3、 有一平凹氦氖激光器，腔长0.5m ，凹镜曲率半径为2m ，现用小孔光阑选出TEM 00模，试求光阑放于紧靠平面镜和紧靠凹而镜处两种情况下小孔直径各为多少?(对于氦氖激光器，当小孔光阑的直径约等于基模半径的3．3倍时，可选出基横模。

)
4、 氩离子激光器的中心波长是0.5145μm ，谱线宽度是Δν=6×108Hz,若谐振腔的长度为0.5米，求可能输出的纵模数及相应的频率值。

（激光器的输出横模与纵模数目）
5、 今有一球面腔，R1＝1.5米，R2＝-1米，L ＝80厘米．试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的参数，在图上画出等价共焦腔的具体位置。

6、 作一个腔长为50cm 的对称稳定腔，试确定反射镜曲率半径的取值范围。

7、 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。

8、 已知二氧化碳激光谐振腔由曲个凹面镜构成，R1＝l m ，R2＝2m ，L ＝0. 5m 如何选择高斯束腰斑的大小和位置才能使它成为该谐振腔中的自再现光束?
9、静止氖原子的3s
2—2P
4
谱线中心波长为632．8nm，设氖原子分别以0.1c、0.4c
和0.8c的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少?
10、激光工作物质是钕玻璃，其荧光线览∆ν
F
＝24.0nm，折射率η＝1．50，能用短腔选单纵模吗?
11、由两个凹面镜组成的球面腔，如图。

凹面镜的曲率半径分别为2m、3m，腔长为1m。

发光波长600nm。

（1）求出等价共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置；
（2）求出距左侧凹面镜向右3.333米处的束腰大小w及波面曲率半径R；
12 氦氖激光器中Ne20能级2S2-2P4的谱线为1.1523μm。

这条谱线的自发辐射几率A为6.54
×106s-1秒, 放电管气压P≈260帕; 碰撞系数α≈700KHz/帕; 激光温度T = 400K; M =112;
试求:
均匀线宽ΔνH;
多普勒线宽ΔνD;
分析在气体激光器中, 哪种线宽占优势
13红宝石激光器中，Cr3+粒子数密度差Δn = 6×1016/cm3, 波长λ=694.3nm, 自发辐射寿命
τs = 3×10--3s, 折射率η≈1.76。

仅考虑自然加宽效果,上下能级简并度为1。

试求(1) 该激光器自发辐射系数A21;
(2) 线型峰值
()
gν
;
(3) 中心频率处小信号增益系数g0 ;
(4) 中心频率处饱和增益系数g
14 一束Ar+高斯激光束，束腰半径为0.41mm，束腰位置恰好在凸透镜前表面上，激光输出功率为400w (指有效截面内的功率)，透镜焦距为10mm，计算Ar+激光束经透镜聚焦后，焦点处光斑有效截面内的平均功率密度。

(Ar+激光波长514.5nm)
考试题型和分布：大致名词解释6个24分，简答6个48分，计算3个28分
计算题知识点：稳定性条件、高斯光束分布特征、多普勒效应、增益系数、激光Q开关取作用时的晶体长度要求、一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价关系等。