激光原理复习资料

一、概念题：

1.光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度-

n 。（光子简并度具有以下几种相同的含义，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。）

2.集居数反转：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，从而使之产生激光。称为集居数反转(也可称为粒子数反转)。

3.光源的亮度：单位截面和单位立体角内发射的光功率。

4.光源的单色亮度：单位截面、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率。

5.模的基本特征：主要指的是每一个摸的电磁场分布，特别是在腔的横截面内的场分布；模的谐振频率；每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗；与每一个模 相对应的激光束的发散角。

6.几何偏折损耗：光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，这种损耗为几何偏折损耗。（其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸，其次几何损耗的高低依模式的不同而异。）

7.衍射损耗：由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，当光在镜面上发生衍射时所造成一部分能量损失。（衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数 N ＝2

a ／L λ有关，与腔的几何参数g 有关，而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。）

8.自再现模：光束在谐振腔经过多次反射，光束的横向场分布趋于稳定，场分布在腔内往返传播一次后再现出来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的强度分布。 9.开腔的自再现模或横模：把开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。

10.自再现变换：如果一个高斯光束通过透镜后其结构不发生变化,即参数ω。或f 不变,则称这种变换为自再现变换。

11.光束衍射倍率因子2

M 定义：实际光束的腰半径与远场发射角的乘积与基模高斯光束的腰半径与远场发散角的乘积的比。

12.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。（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,每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。包括自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽。）

13.非均匀加宽：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,因而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，这种加宽称作均匀加宽。（气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽均属非均匀加宽。） 14.表观中心频率：沿z 方向传播的光波与中心频率为0ν并具有速度z υ的运动原子相互作用

时,原子表现出来的中心频率为运动原子的表观中心频率。

15.反转集居数的饱和：反转集居数)

ν(1ΔΔ11

ν0s I I n n +

=

，当1νI 足够强时，将有0n n ?

νI 越

强,反转集居数减少得越多,这种现象称为反转集居数的饱和。 16.反转集居数的烧孔效应：一定频率v 和光强i 的光入射时使表观中心频率在一定范围内的

粒子有饱和作用，在反转集居数曲线上形成一个以v为中心的孔的现象称为反转集居数的烧孔效应。

17.空间烧孔效应：轴向各点的反转集居数密度和增益系数不相同,波腹处增益系数(反转集居数密度)最小,波节处增益系数(反转集居数密度)最大。这一现象称作增益的空间烧孔效应。

18.驰豫振荡效应（或尖峰振荡效应）：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓“尖峰”序列。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小。

19.线宽极限：由自发辐射而产生无法排除的线宽为线宽极限。

20.频率牵引：在有源腔中,由于增益物质的色散,使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率,这种现象叫做频率牵引。

二、问答题

1.弛豫振荡怎样形成的（尖峰形成）？

答：驰豫振荡的形成定性地解释为当泵浦激励使粒子反转数△n增加，激光器内光子数密度急剧增加，粒子反转数△n达到并稍超过阈值时,开始产生激光.受激辐射使粒子反转数△n 下降,当△n下降到阈值时,激光脉冲达到峰值.△n小于阈值,增益小于损耗,所以光子数减少.但随着光泵的增加,△n又重新增加,再次达到阈值时,又产生第二个尖峰脉冲.在整个光泵时间内,这种过程反复产生,形成一群尖峰脉冲序列.泵浦功率越大,尖峰形成越快,因而尖峰的时间间隔越小。尖峰序列是向稳态振荡过渡的弛豫过程的产物。如果脉冲激励持续时间较短,输出具有尖峰序列,而在连续工作器件中,则可得到稳定输出。

2.为什么自发辐射会导致出现线宽极限？能消除吗？

答：我们在分析激光器振荡过程时,忽略了自发辐射的存在,而实际上自发辐射是始终存在的。考虑线宽问题时却必须考虑自发辐射的影响。下面对这一问题进行粗略的分析。于存在着自发辐射,稳定振荡时的单程增益略小于单程损耗,有源腔的净损能δs不等于零。虽然该模式的总光子数密度Nl保持恒定,但白发辐射具有随机的相位,所以输出激光是一个略有衰减的有限长波列,因此具有一定的谱线宽度Δvs.这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的,因而是无法排除的,所以称它为线宽极限。

3.调Q原理和目的是什么？简单了解电光调Q、声光调Q等

答：目的：为了得到高的峰值功率和窄的单个脉冲。

原理：采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转换为光子的能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度的激光巨脉冲。

电光调Q ：（电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。）电光晶体上施以电压Vλ/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x'和y'方向的偏振分量产生了π/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生π/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子。如果在某一时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。

声光调Q：声光开关置于激光器中,在超声场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场,

则衍射效应即刻消失,谐振腔损耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。（在激光谐振腔内放声光偏转器，当光通过介质中的超声时，由于衍射造成光的偏折，就会增加损耗而改变腔的Q 值。） (常用的调Q 方法有转镜调Q 、电光调Q 、声光调Q 与饱和吸收调Q 等。前三种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制制,称为主动调Q 。，后一种方法中,谐振腔损耗取决于腔内激光光强,因此称为被动调Q 。)

4.锁模的目的是什么？为什么模数越多越好？

答：目的：为了得到更窄的脉宽，更高的峰值功率。

锁模技术是进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，

使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。锁模时的最大光强为2

02)12(∝E N I m +,如果各

模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之和,即2

012∝E N I +。由此

可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍。腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡

的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越大。

5.对几个典型固体激光器和气体激光器的理解（工作物质、波长、特点） 答：固体激光器： 1、红宝石激光器：

工作物质：三氧化铝中掺入少量的氧化铬生成的晶体

波 长：荧光谱线有两条:R1=0.6943um 和R2=0.6929um

特 点：优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于用硅探测器进行探测。缺点阈值高和温度效应非常严重。 2、掺钕钇铝石榴石激光器：

工作物质：将一定比例的AL2O3、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶形成。 波 长：1.35um 和1.06um

特 点：突出优点是阈值低和具有优良的热学性质。 3、钕玻璃激光器：

工作物质：钕玻璃是在硅酸盐或磷酸盐玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。 波 长：一般情况下激射波长为1060nm

特 点：泵浦吸收带宽，荧光寿命长，荧光线宽度较长，量子效率较低，受激辐射截面小。

4、钛宝石激光器：

工作物质：钛宝石中，少量的钛离子取代了三氧化铝晶体中的铝离子。 波 长：荧光谱线790nm

特 点：是一种可调谐固体激光器，在很宽的波长范围内连续可调。具有很宽的荧光谱，具有极窄的脉宽。 气体激光器： 1、He-Ne 激光器：

工作物质：Ne 原子，激光辐射发生在Ne 原子的不同能级之间。He 气主要提高Ne 原子泵浦速率的辅助作用。

波 长：激光谱线三条0.6328um 、1.15um 和3.39um

特 点：具有结构简单，使用方便。光束质量好，工作可靠和制造容易 6、P310的内容：

半导体二极管激光器所涉及的半导体材料有很多种，但目前最常用的有两种材料体系。一种材料体系是以GaAs 和Ga x -1Al x As(下标x 表示GaAs 中被Al 原子取代的Ga 原子的百分

数)为基础的。这种激光器的激射波长λ取决于下标x及掺杂情况，一般为0.85μm左右。这种器件可用于短距离的光纤通信和固体激光器的泵浦源。另一种材料体系是以InP和

Ga

x-1In

x

As

y-1

P

y

为基础的。这种激光器的激射波长λ取决于下标x和下标y，一般为

（0.92~1.65）μm。但最常见的波长是1.3μm、1.48μm和1.55μm，其中1.55μm附近的波长备受青睐。因为光纤对1.55μm的光的传输损耗已经可以小到0.15dB/km。采用这种极低传输损耗的光纤传输波长在1.55μm附近的激光，可使长距离高速光纤通信成为可能。

近年来，以Ga

x-1Al

x

As/GaAs和GaAs

P

Al

Ga

I

x

x

/

)

(

n

5.0

1

5.0-

材料体系为基础的可见光半导

体激光器也得到迅速发展，其波长分别为780nm和（630~680）nm。

7、稳定性判断σ圆法

分别以两个反射镜的曲率半径为直径，圆心在轴线上，作反射镜的内切圆，该圆称为σ圆；若两个圆有两个交点，则为稳定腔；

若没有交点，则为非稳腔；

若只有一个交点或者完全重合，则为临界腔；

（1、为什么要模式选择？答：理想激光器的输出光束应只具有一个模式,然而若不采取选模措施,多数激光器的工作状态往往是多模的。含有高阶横模的激光束光强分布不均匀,光束发散角较大。含有多纵模及多横模的激光束单色性及相干性差。激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的,同时要求光束仅含有一个纵模。横模选择包括1.小孔光阑选模、2.谐振腔参数g、N选择法、3.非稳腔选模、4.微调谐振腔。纵模选择

包括1.短腔法、2.行波腔法、3.选择性损耗法。2.短腔法？？

缩短谐振腔长度,可增大相邻纵模间隔,以致在荧光谱线有效宽度内,只存在一个纵模,从而实

现单纵模振荡。短腔选模条件可表达为

式中Δν舰为由g0(ν)>δ/l条件决定的振荡带宽。这一方法适用于荧光谱线较窄的激光。3、为什么要频率稳定，有什么方法？？？答：自发辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小,但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应朗领域中,需要频率稳定的激光。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。

（补充：结合上面均匀加宽和非均匀加宽的概念：在均匀加宽谱线情况下,由于每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献,所以当某一频率(ν1)的受激辐射消耗了激发态的粒子时.,也就减少了对其他频率(ν)信号的增益起作用的粒子数。其结果是增益在整个谱线上均匀地下降。于是在均匀加宽激光器中,当一个模振荡后,就会使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振荡。还有非均匀加宽的空间烧孔。均匀加宽和非均匀加宽大家自己看看，有很大的可能考）

三、推导证明题：

1、试证明，由于自发辐射，原子在2E 能级的平均寿命为21

1

τA s =

。 证明如下：根据自发辐射的定义可以知道，高能级上单位时间粒子数减少的量，等于低能级在单位时间内粒子数的增加。即：

sp

dt

dn dt dn =212

---------------① （其中等式左边表示单位时间内高能级上粒子

数的变化，高能级粒子数随时间减少。右边的表示低能级上单位时间内接纳的从高能级上自发辐射下来的粒子数。）

再根据自发辐射跃迁几率公式：221211n dt dn A ×=，把22121

n A dt

dn sp

=代入①式，得

到：

2212

n A dt

dn = 对时间进行积分，得到：()t A n n 21202ex p = （其中2n 随时间变化，20n 为开始时候的高能级具有的粒子数。）

按照能级寿命的定义，当

120

2

-=e n n 时，定义能量减少到这个程度的时间为能级寿命，用字母s τ表示。

因此，121=s A τ，即： 21

1A s =

τ 2、A 21 B 21

B

12

的相互关系：

热平衡状态下，腔内存在的热平衡黑体辐射：1

183

3

-=

T

k hv

v b e

c hv πρ ①

腔内物质原子数按能级分布服从热平衡状态下的玻尔兹曼分布

T k hv

T

k E E b b e f f e f f n n ---

==1

21

2121

2 ②

式中：2f 和1f 分别为能级2E 和1E 的统计权重，b k 为玻尔兹曼常数，2n 和1n 分别为2E 和1E 能级的原子数。

在热平衡状态下，2n （或1n ）保持不变，于是有

v v B n B n A n ρρ121212212=+

③

等式的左边的第一式为由2E 能级同1E 能级自发辐射的原子数，第二式为由2E 能级向1E 能级受激辐射的原子数，等式右边为由1E 能级向2E 能级受激吸收的原子数。 联立① 、②和③可得：

)1()1(82

2111221213

3-=-T k hv

T

k hv b b e f B f B A B e hv c π ④ 当∞→T 时上式也成立，所以有212112f B f B = ⑤ 将 ⑤代入④可得：

hv n c

hv B A v 33

21218π= v n 为腔内单位体积中频率处于v 附近单位频率间隔内的光波模式数。

3、四能级激光器：

在四能级系统中，激光下能级1E 是激发态，其无辐射跃迁概率10s 很大，由于0310w s >> 所以有010030

1≈=s w n n 211

22)(n n f f

n n ≈-=? 故2E 能级集居数密度的为阈值l

v v n n t t ),(0212σδ=

?≈

δ为损耗，l 为工作物质长度，),(021v v σ为发射截面。

为便2n 稳定于t n 2，单位时间内在单位体积中有)(21212s A n t +个粒子从2E 能级跃迁到1E 能级，也有相应的

)1

(12

21222212121212s s t t

A n A A s A n ττη=?=?+其中 为了2n 稳定于t n 2，则有2

2213s t

n τηηη=

所以222

2123s F t

s t

n n n τητηη=

=

故阈值泵浦功率为

l

v v v

hv v n hv P s F p p th 20213),(τσηδ=

=

4三能级激光器的阈值泵浦功率

（)(21,2121212

的统计权重和分别为能级和E E f f nV

h P f f s F p pt την==）

证明：反转粒子数密度：)1..(..........12n n n -=? ，因为03≈n ，所以总粒子数密度为：

)2(..........21321n n n n n n +≈++=，由式（1）和式（2）得：

2

22n

n n E ?+=

能级的粒子数密度为：。 当2E 能级达到阈值粒子数密度时，有22t

t n n n ?+=。

刚开始抽运时，有n n t <

，又因为在单位时间单位体积中有2

2s F t n

τη个粒子从1E 能级到3E 能级。故须吸收的泵浦功率的阈值为：2

21s F p pt nV

h P την=

四、计算题：

1、激光腔的谐振腔由一曲率半径为1M 的凸和曲率半径为2M 的凹面镜构成，工作物质长度为0.5M ，其折射率为1.52，求腔长1L 在什么范围内谐振腔是稳定的。

解答如下：设腔长为1L ，腔的光学长度为L ，已知IM R -=1，M R 22=，M L 5.00=，

11=η，52.12=η，

根据()2

12

21222121R R L R L R L D A +

--=+，代入已知的凸凹镜的曲率半径，得到： ()2212122212121L L M

M L M L M L D A -+=?--+=+ 因为含有工作物质，已经不是无源腔，因此，这里L 应该是光程的大小（或者说是利用光线在均匀介质里传播矩阵）。 即52

.15

.015.012

1

1+-=

+

-=

L L L L L ηη，代入上式，得到： ()2

11252.15.015.052.15.015.01121

??

? ??+--+-+=-+=+L L L L D A 要达到稳定腔的条件，必须是()12

1

1<+<

-D A ，按照这个条件，得到腔的几何长度为：

17.217.11<

2、今有一球面腔，两个曲率半径分别是R1=1.5M ，R2=-1M ，L=80CM ，是证明该腔是稳定腔，求出它的等价共焦腔的参数，在图中画出等价共焦腔的具体位置。 解：共轴球面腔稳定判别的公式是()12

1

1<+<

-D A ，这个公式具有普适性（教材36页中间文字部分），对于简单共轴球面腔，可以利用上边式子的变换形式1021<

i R L

g -

=1。 题中1581111-=-

=R L g ，10

81122+=-=R L g 84.021=g g ，在稳定腔的判别范围内，所以是稳定腔。

任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价，一个一般稳定球面腔唯一对应一个共焦

腔，他们的行波场是相同的。

等价共焦腔的参数包括：以等价共焦腔的腔中心为坐标原点，从坐标原点到一般稳定球面两个腔镜面的坐标1Z 和2Z ，再加上它的共焦腔的镜面焦距F ，这三个参数就能完全确定等价共焦腔。

根据公式（激光原理p66-2.8.4）得到：

()()()()()()

M R L R L L R L Z 3.118.05.18.08.018.02121-=++---?=-+--=

()()()()()()

M R L R L L R L Z 51.018.05.18.08.05.18.02112-=++--?-=-+---=

()()()

()()[]

()()()

()()[]

25

.018.05.18.08.015.18.05.18.018.02

2

2121122=++----?--?=

-+--+--=

R L R L L R R L R L R L F 因此M F 5.0=

3、某高斯光束束腰光斑半径为1.14MM ，波长λ=10.6μM 。求与束腰相距30厘米、100厘米、1000米远处的光斑半径及相应的曲率半径。 解答：根据公式（激光原理p71-2.9.4, 2.9.6）

()2

2002011???

? ??+=????

??+=πωλωωωz f z z

把不同距离的数据代入，得到：

()MM cm 45.130=ω，()CM m 97.210=ω，()M m 97.21000=ω

曲率半径()???

????????

?

?

?+=2

2

1z z z R λπω 与不同距离对应的曲率半径为：

()M cm R 79.030=，()M m R 015.1010=，()M m R 10001000=

4、若已知某高斯光束的束腰半径为0.3毫米，波长为632.8纳米。求束腰处的q 参数

值，与束腰距离30厘米处的q 参数值，与束腰相距无限远处的q 值。

解答：束腰处的q 参数值实际上就是书中的公交参量（激光原理p73-2.9.12）：

i i if q 68.442

00===λ

πω

根据公式（激光原理p75-2.10.8）

()z q z q +=0，可以得到30厘米和无穷远处的q 参数值分别为

()i q q 68.443030300+=+=

无穷远处的参数值为无穷大。

5、 某高斯光束束腰半径为1.2毫米，波长为10.6微米。现在用焦距F=2cm 的锗透镜聚焦，当束腰与透镜距离分别为10米，1米，10厘米和0时，求焦斑大小和位置，并分析结果。

解答：根据公式（激光原理p78-2.10.17和2.10.18）

当束腰与透镜距离10米时

()M l F F μλπω

ωω4.22

20

22

2'

0=???

?

??

+-=

同理可得到：

6、二氧化碳激光器输出波长为10.6微米的激光，束腰半径为3毫米，用一个焦距为2厘米的凸透镜聚焦，求欲得到焦斑半径为20微米及2.5微米时，透镜应该放在什么位置。 解答：根据公式（激光原理p78-2.10.18）

()

2

2

02

2

2'20

???

? ??+-=

λπωωωl F F

上式中束腰到透镜的距离l 就是我们要求的参数，其他各个参数都为已知，代入题中给出的数据，并对上式进行变换，得到

2

2

02

'0

2

02?

??

?

??-=

-λπωωωF F l 当焦斑等于20微米时，M l 395.1=（透镜距束腰的距离）

当焦斑等于2.5微米时，M l 87.23=

7、某高斯光束束腰腰斑半径为1.2毫米，波长为10.6微米。现在用一个望远镜将其准

直。主镜用曲率半径为1米的镀金反射镜，口径为20厘米；副镜为一个焦距为2.5厘米，口径为1.5厘米的锗透镜；高斯光束束腰与透镜相距1米，如图所示。求该望远镜系统对高斯光束的准直倍率。

解答：根据公式（激光原理p84-2.11.19）

2

202'11???

? ??+=????

??+=πωλl M f l M M ，其中12F F M =，为望远镜主镜与副镜的焦距比。题中的反射镜，相当于透镜，且曲率半径的一半就是透镜的焦距。

已知：MM 2.10=ω，M μλ6.10=，

CM F 5.21=，CM R

F 502

2==，CM a 5.121= CM a 2022=，M l 1=

（经过验证，光斑在第一个透镜表面形成的光斑半径小于透镜镜面尺寸，衍射效应很小，因此可以用准直倍率公式）

代入准直倍率公式得到：

97.50πωλ1πωλ12

2

122

2

'=+=+=l F F l

M M

9、 激光器的工作物质长为l ，折射率η，谐振腔腔长为L ，谐振腔中除工作物质外的其余部分折射率为'

η，工作物质中光子数密度为N ，试证明对频率为中心频率的光

''21L

c

N L l cN n dt dN δσ-?=，其中()l L l L -+=''ηη

证明：已知在工作伍之中单位体积内的平均光子数为N ，设谐振腔其余部分中的单位体积内的平均光子数为'

N ，光束均匀（光强均匀）且截面为S ，则腔内总的光子数变化率为：

()()

()R

l L S N NSl NSl n dt l L S N NSl d τυσ-+-

?=-+'21' ————————————（1） 其中()c

L c l L l R δδηητ'

'=-+=

又因为光强均匀（工作物质内与工作物质外），根据公式可得（P29-2.1.16）：

'

'

2'

1

η

η

νυνυN N

h N Nh =

?=

把上式和腔的寿命表达式代入（1），得到：

''21L

c

N L l cN n dt dN δσ-?= 10、长度为10厘米的好宝石棒置于长度为20厘米的光谐振腔中，好宝石694.3纳米谱线的

自发辐射寿命为s S 3104-?≈τ，均匀加宽线宽为MHz 5

102?，光腔单程损耗因子

2.0=δ，求：

（1）中心频率处阈值反转粒子数t n Δ。（2）当光泵激励产生反转粒子数t n n ?=?2.1时，有多少个纵模可以振荡？（红宝石折射率为1.76）

解答：（1）根据公式（P166-5.1.4）可知：

l

n t 21σδ

Δ=

，其中l 是红宝石的长度，21σ使激光上下能级的发射截面。 根据题意红宝石激光器是均匀加宽，因此可以利用均匀加宽的发射截面公式（P144-4.4.15）得到：

H

A Δννπ4υσ2

0221

221=，根据η

υc =

，c =00λν，S

A τ1

21=

，代入发射截面公式，得到： H

S H A Δνητπ4λΔννπ4υσ2

2

2020221

221==，把此式代入阈值反转粒子数公式得到： cm l

l n H t /1006.4λδΔννπ4σδ

Δ172

02

0221×=== （2）根据公式（P150-4.5.5）得到：

t

n n g ?=?=21212.10σσν

根据公式（P153-4.8.18）得到：

()()2

202

212202

21222.1220??

? ???+-???

????=??? ???+-??? ???=?=H H t

H H t t n g n g ννννσννννσν

由上式可以求得振荡谱线宽度：

MHz 401094.8νν2Δν×==

又因为纵模间隔为：

'

2L

c q =

?ν，其中()0'

ηηl L l L -+=，L l ,分别为红宝石长度和腔长，0,ηη分别为红宝石折射率及真空折射率，代入数据，得到MHz q 2

10435.5?=?ν 腔内可以起振的模式数为：

164=???

???????=q q νν

11、考虑氦氖激光器的632.8nm 跃迁，其上能级23S 的寿命s 8

2102-?≈τ，下能级42P 的寿命s 8

-1102?≈τ，设管内气压p=266Pa ： (1)计算T=300K 时的多普勒线宽D ν?；

(2)计算均匀线宽H ν?及H D νν??/； 解：（1）T=300K 时的多普勒线宽D ν?为：

MHz

M

T mc KT D 7.1314)20

300(108.6321031016.7)(1016.7)2ln 2(22

198

72

1

07220=?????=?==?---ννν

(2)均匀线宽包括自然线宽N ν?和碰撞线宽L ν?两部分，L N H ννν?+?=?,其中，

MHz N 9.1510

22

21)11(21821=??=+=

?-πττπν MHz P L 5.191266107203=??==?αν

所以，MHz L N H 4.207ΔΔΔννν=+=

34.6Δ/Δνν=H D

激光原理复习题答案

激光原理复习题 1. 麦克斯韦方程中 0000./.0t t μμερε????=-???????=+????=???=?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 t E ??=? 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。

激光原理考试复习资料

1.激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。刺激、激发，散发、发射，辐射 2.激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好： 3.激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。 4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硬目标。软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硬目标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。 软目标的回波机制： （1）Mie散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。因此是一种弹性散射。 （2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。 （3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。 （4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。 （5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。 硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。硬目标对激光能量的反射机制最为重要。 硬目标回波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射 1.机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等 2.机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地面点三维坐标的数学本质是：对一空间向量，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向量起

半导体泵浦激光原理实验

半导体泵浦激光原理实验 理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人：余传祥 【实验目的】 1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。 2、掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。 【实验仪器】 808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪 【实验原理】 激光的产生主要依赖受激辐射过程。 处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。 激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，

部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为的光。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： 式中均为与物质有关的系数，且逐次减小。 当E很大时，电场的平方项不能忽略。 ,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： 式中L为晶体长度，、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。 【实验装置】 图2 实验装置示意图

激光原理复习资料

1，全息照相是利用激光的相干性好特性的照相方法。 2，能够完善解释黑体辐射实验曲线的是普朗克公式, 3，什么是黑体辐射？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。 公式： 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。 4，爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是自发 辐射、受激发射、受激吸收。 5，按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是（） A，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。 B，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光相干。 C，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。 D，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光相干。6，Einstein系数有哪些？它们之间的关系是什么？ 答：系数：自发跃迁爱因斯坦系数A21，受激吸收跃迁爱因斯坦系数B12，受激辐射跃迁爱因斯坦系数B21

关系：，，f1, f2为E1, E2能级的统计权重(简并度)。7，自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（） A, B, C, D, 8，如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？ 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。 相干体积：如果在空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性，则称为相干体积。9，光腔的损耗主要有几何偏折损耗、衍射损耗、透射损耗和材料中的非激 活吸收、散射、插入物损耗。 10，若两块反射镜，其曲率半径分别为R1＝40cm，R2＝100cm组成稳定谐振腔，则腔长L的取值范围0≤L≤40cm或100≤L≤140cm 。 11，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 几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。 衍射损耗：与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。 腔镜反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。 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。

激光原理及应用试卷

激光原理及应用 考试时间:第 18 周星期五 ( 2007年1 月 5日) 一单项选择（30分） 1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（ B ） 2．爱因斯坦系数A 21和B 21 之间的关系为（ C ） 3．自然增宽谱线为（ C ） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（ B ） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5．阈值条件是形成激光的（ C ） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6．谐振腔的纵模间隔为（ B ） 7．对称共焦腔基模的远场发散角为（ C ） 8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的（ C ） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲 10．YAG激光器是典型的（ C ）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 二填空（20分） 1.任何一个共焦腔与等价， 而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分) 2 .光子简并度指光子处于、 、、。（4分） 3．激光器的基本结构包括三部分，即、 和。（3分）

4．影响腔内电磁场能量分布的因素有、 、。（3分） 5．有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 个。（2分） 6．目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是、、和。（4分） 三、计算题（ 42分） 1．（8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知＝6328?，1/f()＝109Hz，＝1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率R＝l－L＝％，＝10—7s，腔长L＝。 2．（12分）稳定双凹球面腔腔长L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R 1＝3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。 ＝,R 2 3．（12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横模就不可能存在。试估算在L＝30cm, 2a= 的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大？ 4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。 四、论述题（8分） 1．（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程

激光原理实验

激光技术及应用实验 Lasers Experiments 一、实验课简介 本课程是面向应用物理学专业学生开设的一门学科基础课程，在第五学期开设。本实验是在本科生接受了大学物理等系统实验方法和实验技能训练的基础上开设的，主要与理论课程《激光技术与应用》同步，训练学生的自主设计能力。该课程具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。 二、实验课目标 进一步加强学生的基本科学实验技能的培养，提高学生的科学实验基本素质，并与理论课程的教学融汇贯通，加深对理论课程学习的理解。通过本课程的学习，要使学生熟悉激光器的基本工作原理、激光振荡及放大的条件、高斯光束的变换，熟练使用几种常用激光器，如氦氖激光器、半导体激光器、脉冲激光器和可调谐燃料激光器。使学生通过实际动手操作，掌握激光器的一般构造，加深对激光特性的理解，了解激光在精密测量中的使用。 培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。提高学生的科学素养，培养学生积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作的优良品德。 三、实验课内容 实验项目一：气体激光器（3学时） 1. 实验属性：综合性实验。 2. 开设要求：必开。 3. 教学目标： （1）掌握气体激光器的主要结构和原理； （2）掌握气体激光器的调节方法； （2）了解激光输出的特性及其测量； （3）了解高斯光束的传播规律，掌握光束基本特性的测量。 4. 主要实验仪器设备：游标卡尺、开放式He-Ne激光器等。 5. 实验内容（至少做两个子项目）： （1）调节He-Ne激光器的谐振腔镜，获得激光稳定输出； （2）测量激光光束的发散角和束腰半径（选作）； （3）测量激光激励电压与激光输出功率之间的相互关系（选作）； （4）进行简单的高斯光束变换（选作）。 实验项目二：固体连续激光器（3学时） 1. 实验属性：综合性实验。 2. 开设要求：必开。 3. 教学目标：

激光原理复习

激光原理复习 Prepared on 22 November 2020

一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分) 1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。 A. q kL π22= B. q L C q 2= ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。（δφ为往返相移） A. l r r G q ) ln(,2210- ≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφ C. 0, 20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ 3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。 A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共心腔 4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。 A. 单程损耗因子 B. 腔内光子平均寿命 C. Q 值与无源线宽 D. 小信号增益系数 5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。 A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D . 相同谐振频率 6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。 A ． F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.F L L 11121=+ 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的 C 。 A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零； B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关； C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比；

激光原理实验(山科大)

实验一 He-Ne 激光器模式分析 （一）实验目的与要求 目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。 要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。 （二）实验原理 1．激光器模的形成 我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用， 将有一定频率的光波产生，在腔内传播， 并被增益介质逐渐增强、放大，如图1-1所示。实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图1-2所示，图中)(νG 为光的增益系数。只有频率落在这个范围 内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中 图 1-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续 振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即 q q L λμ=2 （1-1） 式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长；q 为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q 称作纵模序数。q 是一个很大

的数，通常我们不需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的q 值，即激光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式 存在的， q 值反映的恰是驻波波腹的 图 1-2 光的增益曲线 数目，纵模的频率为 L c q q μν2= （1-2） 同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 L c L c q 221≈ = ?=?μν （1-3） 从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗， 使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、 镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图2-3所示，有五个纵模满足谐振条件，其中有两个纵模的增益小于损耗，所以，有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测，由于q 值很大，相邻纵模频率差异很小，一般的分光仪器无法分辨，必须使用 精度较高的检测仪器才能观测到。 谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产 生影响呢？回答是肯定的，这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次 图 1-3 纵模和纵模间隔 衍射，多次反复衍射，就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。图2-4中，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本

不得不看的激光原理试题考试必备

激光原理复习题(页码是按第五版书标注的，黄色底纹的页码是按第六版书标注的) 填空 6424''?= 简答 6636''?= 计算 121527'''+= 论述 11313''?= 1.什么是光波模式和光子态？什么是相格？Page5 答：光波模式(page5):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。这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢k 为标志）称为光波模式。 光子态(page6):光子在由坐标与动量所支撑的相空间中所处的状态,在相空间中，光子的状态对应于一个相格。 相格(page6):在三维运动情况下，测不准关系为3x y z x y z P P P h ??????≈，故在六位相空间中，一个光子态对应（或 占有）的相空间体积元为3x y z x y z P P P h ??????≈，上述相空间体积元称为相格。 2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？Page7 答：光的相干性(page7):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(page7)：光沿传播方向通过相干长度c L 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。 ?相干面积： 相干体积(page7)：如果在空间体积c V 内各点的光波场都具有明显的相干性，则c V 称为相干体积。 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？Page9 答：光子简并度(page9)：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(page9)：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Planck 公式,并说明它的物理意义。Page10 答：黑体辐射(page10)：当黑体处于某一温度T 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。 Planck 公式(page10)：3 3 811 b h k T h c e ννπνρ= - 物理意义(page10)：在单位体积内，频率处于ν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 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：211 s 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。 特征：a) 只有外来光子能量21h E E ν=-时，才能引起受激辐射。b)跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的νρ有关。 受激吸收跃迁概率(page12)：1212v W B ρ=（12B 为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，v ρ为辐射场） (3)受激辐射 过程描述(page12)：处于上能级2E 的原子在频率为ν的辐射场作用下，跃迁至低能态1E 并辐射一个能量为h ν的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。 特征：a) 只有外来光子能量21h E E ν=-时，才能引起受激辐射；b) 受激辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全相同。 受激辐射跃迁概率：2121v W B ρ=（21B 为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，v ρ为辐射场） 6.Einstein 系数有哪些？它们之间的关系是什么？Page13 答：系数(page11-12)：自发跃迁爱因斯坦系数21A ，受激吸收跃迁爱因斯坦系数12B ，受激辐射跃迁爱因斯坦系数21B

激光原理与技术习题

1.3 如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =

1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。 习题

激光原理考试基本概念

第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν<

d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 19、自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几

激光原理实验

激光原理实验 指导老师陈钢 1实验目的：加深对激光原理理论概念的认识和理解，培养实验动手能力。 2实验内容： （1）谐振腔参数认识、调节，调节外腔式He-Ne激光器，使其激光输出，并达到最大值，记录相关实验结果，包括工作电流和激光功率； （2）光学谐振腔的稳定范围； （3）激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系； （4）波长选择，通过选频元件，调出可能的5条谱线，记录波长和相对功率； （5）横模特征观测与判断。 此5个内容，第一个大家都要做一遍，其余四个选两个做，但最好分配好，把每个内容 都做到。 3实验原理： 实验从调整基本装置开始，这部分内容老师讲解。只要调整好基本装置，就可以开始下面的各项实验。 3.1光学稳定性 He-Ne激光器的光学谐振腔是根据激活介质Ne以及所要求的光束质量而设计的。 稳定性的目标就是要获得尽可能好的光束输出，也就是基模高斯光束TEM 00模式。 一般来说，要获得高功率输出和较好的光束质量是两个相矛盾的要求，因为高功率输出需要较大的激活体积，而基模运转时的激活体积却被限制在他所要求的模体积之内。这也 就说明了为什么平凹腔对He-Ne激光器是最佳的结构。 3.2光学谐振腔的稳定范围； 实验可以这样进行，在激光稳定运转过程中，通过改变球面镜的位置，直到激光不能产生为止。球面镜位置改变的具体方法为：把球面镜调节支架上的固定螺丝轻微松动，同时又 使得它能够在轨道上保持静止不动。位置改变过程尽量保持不要破坏激光的振荡。重新固定 调节支架到新的位置，并且通过调节球面镜的垂直和水平调节螺丝，使得激光功率重新达到 最大值。重复这些过程，直到达到一个不能获得激光震荡的新位置为止。测量此时两面镜子 的距离，并与由稳定性条件给出的最大距离L进行比较。 0乞g l乜2乞1 g i =1and g2 =1 丄 R i R2 12 实验的测量方法如下，松开激光管支架的固定螺丝，使得它的位置可以在轨道上改变。第一步准直已经调节好了，在这个实验中要保证激光管支架的机械轴要和准直光给出的光轴

激光原理考试基本概念

激光原理考试基本概念 https://www.wendangku.net/doc/b23263172.html,work Information Technology Company.2020YEAR

第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν<

c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）； d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。

激光原理习题 (详细)

1、光与物质相互作用的三个基本过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。 2、激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，这种损耗可以分为两类：内部损耗、镜面损耗。 3、形成激光的条件：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。 4、激光的四个基本特性：高亮度、方向性、单色性和相干性。 5、激光调制方法：内调制是指在激光生成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输 出特性而实现的调制。 外调制则是在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它并不改 变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。 就调制方法来讲，也有振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式。 6、三种谱线增宽形式：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽。 7、单纵模激光器的选频方法：短腔法、法布里—珀罗标准具法、三反射镜法。 8、激光器的基本结构：激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大。激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少高能级上的粒子数。光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收。 9、高斯光束的基膜腰斑半径（腰粗）公式：W 0= 2 1 W s = 2 1 π λL 简答题： 1、用速率方程组证明二能级系统不可能实现粒子数反转分布。

2、简述光频电磁场与物质的三种相互作用过程，并指出其影响因素。（画图说明） 答:光与物质相互作用的本质是光与物质中的电子发生相互作用，使得电子在不同的能级之间跃迁。包括三种基本过程：自发发射、受激辐射以及受激吸收。 .自发发射——在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1,发射光子hv。(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的, 独立的，粒子体系为非相干光源。受激辐射:——原处于高能级E2的粒子, 受到能量恰为hv=E2-E1的光子的激励, 发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1 。特点:①受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;②不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同; 这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入射光被放大——光放大过程。受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2。 3、

激光原理试题

物理专业2006级本科《激光原理及应用》期末试题（A卷答案） 一、简答题 1.激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分 答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔； 2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。 答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。 3.激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线 型。 答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。 非均匀加宽是原子体系中每一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。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。 4.简述均匀加宽的模式竞争 答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。 这种情况叫模式竞争。 5.工业上的激光器主要有哪些应用为什么要用激光器 答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。 6.说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。 答：He-Ne激光器，（红光），Ar+激光器，（绿光），CO2激光器，μm（红外） 7.全息照相是利用激光的什么特性的照相方法全息照相与普通照相相比有什么特点 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。 二、证明题：（每题6分，共18分） 1.证明：由黑体辐射普朗克公式 3 3 81 1 h KT h c e νν πν ρ= - 导出爱因斯坦基本关系式： 3 21 3 21 8 A h n h B cν πν ν== 三、计算题 1．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米处的束腰大小w及波面曲率半径R； 解: (0) 激光腔稳定条件

(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Is 9.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 ()()()()　Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ? ?--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul ul B W =1 )(=?∞ ∞-ννd g 1 21212)(-+=S A τ建议收藏下载本文，以便随时学习！

12 E 2 1 12.13.14.15.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。对于方形镜谐振腔这种轴对称系统来说，m,n 分别表示 沿腔镜面直角坐标系的水平和垂直坐标轴的光场节线数。对于圆形镜谐振腔这种旋转对称 系统来说，m,n 分别表示沿腔镜面极坐标系的角向和径向的光场节线数。 18. 腔内光子的平均寿命就等于腔的时间常数。 19. δ：平均单程损耗因子，τR ：腔的时间常数，Q ：品质因数，三个量都与腔的损耗有 20. 21.共轴球面腔的稳定性条件： 当g 1g 2=0或1时是临界腔，当g 1g 2>1或<0时是非稳定腔。 22.所谓自再现模就是这样一种稳定场分布，其在腔内渡越一次后，除振幅衰减和相位滞后 外，场的相对分布保持不变。

激光原理与技术习题一

《激光原理与技术》习题一 班级 序号 姓名 等级 一、选择题 1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1 = eV 。 （A ）1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间 隔约为 cm -1。 （A ）6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm 的He-Ne 激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz 。谐振腔长度为50cm 。假 设该腔被半径为2a=3mm 的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为 个。 （A ）6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的 二、填空题 1、光子学是一门关于 、 、 光子的科学。 2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从 统计分布。 3、设掺Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为10ms ，则其谱线宽度为 。 三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz 的某光源，相干长度为1m ，求此光源的单色性参数及线宽。 2．某光源面积为10cm 2，波长为500nm ，求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/exp(1 kT hv 。

《激光原理与技术》习题二 班级 姓名 等级 一、选择题 1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W 。 （A ）1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 二、填空题 1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数 是 。 2、一束光通过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物 质的增益系数为 。 三、问答题 1、以激光笔为例，说明激光器的基本组成。 2、简要说明激光的产生过程。 3、简述谐振腔的物理思想。 4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？ 四、计算与证明题 1、设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分 别为2n 和1n ，求 (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？ 2、设光振动随时间变化的函数关系为 （v 0为光源中心频率）， 试求光强随光频变化的函数关系，并绘出相应曲线。 ???<<=其它,00),2exp()(00c t t t v i E t E π