激光原理簡答題整理

1、1 .什么是光波模式答：光波模式：在一個有邊界條件限制的空間內(nèi) ,只 能存在一系列獨立的具有特定波矢的平面單 色駐 波。這種能夠存在于腔內(nèi)的駐波（以某一波 矢為標 志）稱為光波模式。2 .如何理解光的相干性何謂相干時間、相干長 度 答：光的相干性：在不同的空間點上、在不同的 時 刻的光波場的某些特性的相關性。相干時間:光沿傳 播方向通過相干長度所需的時間，稱為相 干時間。相干長度：相干光能產(chǎn)生干涉效應的最 大光程差，等 于光源發(fā)出的光波的波列長度。3 .何謂光子簡并度，有幾種相同的含義激光源的光子簡并度與它的相干性什么聯(lián)系答:光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為 光子 簡并度。光子簡并度有以

2、下幾種相同含義：同態(tài)光子 數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體 積內(nèi)的光子 數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。 聯(lián)系：激光源的光子 簡并度決定著激光的相干性，光子 簡并度越高，激 光源的相干性越好。4 .什么是黑體輻射寫出公式，并說明它的物理意義。答：黑體輻射：當黑體處于某一溫度的熱平衡情況下，它所吸收的輻射能量應等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場之間應處于能量（熱）平衡 狀態(tài)， 這種平衡必然導致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場，這種輻射場稱為黑體輻射或平衡輻射。物理意義：在單位體積內(nèi)，頻率處于附近的單位頻率間隔中黑 體的電磁輻射能量。5 .描述能級的光學躍遷的二大過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。答：（1

3、）自發(fā)輻射：處于高能級的一個原子自發(fā) 的向 躍遷，并發(fā)射一個能量為 hv的光子，這種 過程稱 為自發(fā)躍遷，由原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波 稱為自發(fā) 輻射。特征：a）自發(fā)輻射是一種只與原子本身性質(zhì)有關而與輻射場無關的自發(fā)過程，無需外來光。b）每個發(fā)生輻射的原子都可看作是一個獨立的發(fā)射單元，原子之間毫無聯(lián)系而且各個原子開始發(fā)光的時間參差不一，所以各列光波頻率雖然相同，均為V,各列光波之間沒有固定的相位關系，各有不同的偏振方向，而且各個原子所發(fā)的光將向 空間各個方向傳 播，即大量原子的自發(fā)輻射過程是雜亂無章的隨機 過程，所以自發(fā)輻射的光是非 相干光。自發(fā)躍遷愛 因斯坦系數(shù)：（2）受激吸收：處于低能態(tài)的一個

4、原子,在頻率 為的 輻射場作用（激勵）下，吸收一個能量為的 光子并 向能態(tài)躍遷，這種過程稱為受激吸收躍 遷。特征：a）只有外來光子能量時，才能引起受激輻射。 b）躍遷概率不僅與原子性質(zhì)有關，還與輻射 場的有 關。受激吸收躍遷概率 （為受激吸收躍遷愛因斯 坦系數(shù)，為輻射場）（3）受激輻射:處于上能級的原子在頻率為的輻射場作用下，躍遷至低能態(tài)并輻射一個能量為的光子。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。特征：a）只有外來光子能量時，才能引起受激輻射；b）受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的頻率、傳播方向、偏振方向、相位等性質(zhì)完全相同。受激輻射躍遷概率：（為受激輻射躍遷愛因斯坦 系數(shù)，為輻射場） 6.激光

5、器速率方程中的系數(shù)有哪些它們之間的關系是什么答：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)，受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)，受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)關系：7 .激光器主要由哪些部分組成各部分的作用是什么答:激光工彳物質(zhì):用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用的物質(zhì)體系。接收來自泵浦源的能量，對外發(fā)射光波并能夠強烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱為激活物質(zhì)。泵浦源:提供能量，實現(xiàn)工作物質(zhì)的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光學諧振腔：a）提供軸向光波模的正反 饋；b）模式選擇，保證激光器單 模振蕩，從而提高 激光器的相干性。8 .什么是熱平衡時能級粒子數(shù)的分布什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)答:熱平衡時能級粒子數(shù)的分布：在物質(zhì)處于熱平衡 狀態(tài)時，各能

6、級上的原子數(shù)（或集居數(shù)）服 從玻爾 茲曼分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn):使高能級粒子數(shù) 密度大于低 能級粒子數(shù)密度。如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn):外界向物質(zhì)供給能量（稱為激 勵或泵浦過程），從而使物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)。9 .如何定義激光增益什么是小信號增益大信號增益增益飽和答?激光增益定義:表示光通過單位長度激活物 質(zhì) 后光強增長的百分數(shù)。小信號增益：當光強很弱時， 集居數(shù)差值不隨z變化，增益系數(shù)為一常 數(shù)，稱為 線性增益或小信號增益。大信號增益:在放大器中入 射光強與（為飽和光強）相比擬 時，為大信號增 益。增益飽和:當光強足夠強 時，增益系數(shù)g也隨著 光強的增加而減小，這一現(xiàn)象稱為增益飽和效應。10 .什么是自激振

7、蕩產(chǎn)生激光振蕩的條件是什么答:自激振蕩：不管初始光強多么微弱,只要放 大器 足夠長，就總是形成確定大小的光強，這就 是自激 振蕩的概念。產(chǎn)生條件:滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模 之 一；頻率落在工作物質(zhì)的譜線范圍內(nèi)，即對應 增益 系數(shù)大于等于閾值增益系數(shù)。11 .激光的基本特性是什么答:激光四性:單色性、相干性、方向性和高亮度。這四性可歸結(jié)為激光具有很高的光子簡并度。12 .如何理解激光的空間相干性與方向性如何理解激光的時間相干性如何理解激光的相干光強答：（1）激光的方向性越好，它的空間相干性程 度 越高。（2）激光的相干時間和單色性存在著簡 單關系，即單色越好，相干時間越長。（3）激光具有

8、很高的亮度，激光的單色亮度，由于激光具 有極好的 方向性和單色性，因而具有極高的光子簡并度和單 色亮度。13 .什么是諧振腔的諧振條件如何計算縱模的 頻 率、縱模間隔和縱模的數(shù)目答：（1）諧振條件：諧振腔內(nèi)的光要滿足相長干 涉 條件（也稱為駐波條件）。波從某一點出發(fā)， 經(jīng)腔 內(nèi)往返一周再回到原來位置時， 應與初始出發(fā)波同 相（即相差為的整數(shù)倍）。如果以表示均 勻平面波 在腔內(nèi)往返一周時的相位滯后，則可以表示為。A為光在真空中的波長，L為腔的光學長度，q為正 整數(shù)。（2）如何計算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目、縱模的頻率、縱模間隔：縱模的數(shù)目：對于滿足諧振條件頻率為的波，其 縱 模數(shù)目，為小信

9、號增益曲線中大于閾值增益系 數(shù)的 那部分曲線所對應的頻率范圍（振蕩帶寬）。14 .在激光諧振腔中一般有哪些損耗因素，分別 與哪些因素有關答：損耗因素：a、幾何偏折損耗：與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關。b、衍射損耗：與腔 的菲涅爾數(shù)、腔的幾何參數(shù)、橫模階次有關。c、腔鏡反射不完全引起的損耗：與腔鏡的透射率、反射率有關。d、材料中的非激活吸收、散 射、腔內(nèi)插入 物所引起的損耗：與介質(zhì)材料的加工工藝有關。15 .哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗它們的關系如何（P29-31）答：（1）描述參數(shù):a）平均單程損耗因子：（為初始光 強，為往返一周后光強）b）腔內(nèi)光子的平均壽命： c）品質(zhì)因數(shù)：去重：腔的損

10、耗越小，平均單程損耗因子越小，腔內(nèi)光子的平均壽命越長，品質(zhì)因數(shù)越大。16 .如何理解激光諧振腔衍射理論的自再現(xiàn)模答：開腔鏡面上，經(jīng)過足夠多次往返后，能形成 這樣一 種穩(wěn)恒場，其分布不再受衍射的影響，在 腔內(nèi)往返 一次能夠再現(xiàn)出發(fā)時的場分布。這種穩(wěn)恒場經(jīng)一次 往返后，唯一可能的變化是，鏡面上各點的場分布按同樣的比例衰減，各點的相位發(fā)生同樣大小的滯 后。把這種開腔鏡面上的經(jīng)一次 往返能再現(xiàn)的穩(wěn)恒 場分布稱為開腔的自再現(xiàn)模。17 .求解菲涅爾-基爾霍夫衍射積分方程得到的本征函數(shù)和本征值各代表什么答：本征函數(shù):描述腔的一個自再現(xiàn)模式或橫模。其模描述鏡面上場的振幅分布，幅角描述鏡面上場的 相位分布。本征

11、信:表示自再現(xiàn)模在渡越一次時的幅 值衰減和相位滯后。其模值量度自再現(xiàn) 模在腔內(nèi)往 返一次的功率損耗，幅角量度自再現(xiàn)模的單程相移，從而也決定模的諧振頻率。18 .什么是一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價性 答： （1）任意一個共焦球面腔與無窮多個穩(wěn)定球 面腔等價；（2泄一滿足穩(wěn)定條件的球面腔唯一地等價于 某一個共焦腔。即如果某一個球面腔滿足穩(wěn)定性條 件，則必定可以找到而且也只能找到一個共焦腔，其行波場的某兩個等相位面與給定球面腔的兩個反射鏡面相重合。19 .高斯光束的表征方法有哪些答：（1）表征方法a）用束腰半徑（或共焦參數(shù)）及束腰 位置表征高斯光束；b）用光斑半徑及等相位面曲率 半徑表征高斯光束。2

12、0 .為了使高斯光束獲得良好聚焦，常采用的方 法有哪些答：a）用短焦距透鏡,b）使高斯光束腰斑遠離透鏡焦 點；c）將高斯光束腰斑半徑放在透鏡表面處.21 .非穩(wěn)腔和穩(wěn)定腔的區(qū)別是什么舉例說明哪些是非穩(wěn)腔答：（1）_:穩(wěn)定腔中傍軸光線能在腔內(nèi)往返 任意多次 而不致橫向溢出腔外； 而非穩(wěn)腔中傍軸 光線在腔內(nèi) 經(jīng)過有限次往返后必然從側(cè)面溢出 腔外。（2）非穩(wěn)腔類型：所有雙凸腔;所有平-凸腔；凹 面鏡 曲率半徑小于腔長的平-凹腔；一鏡曲率半徑小于腔 長一鏡曲率半徑大于腔長的雙凹腔-雙凹非穩(wěn)腔；兩 鏡曲率半徑之和小于腔長的雙凹腔；凹面鏡曲率半徑小于腔長的凹凸非穩(wěn)腔-凹凸非穩(wěn)腔；兩鏡曲率半 徑之和大于腔長

13、的凹凸非穩(wěn)腔.22 .什么是譜線加寬有哪些加寬類型加寬機制是什么答：（1）譜線加寬:由于各種因素的影響，自發(fā)輻 射并不是單色的，而是分布在中心頻率附近一個很 小的頻率范圍內(nèi)，這就叫譜線加寬。（2）加寬類型及機制： 幻.自然加皇機制：原子的自發(fā)輻射引起的。碰撞加 寬 機制：大量原子（分子、離子）之間的無規(guī)則 碰撞。. 晶格振.動加寬.機制：晶格振動使激活離子 處于隨 周期變化的晶格場，激活離子的能級所對應的能量 在某一范圍內(nèi)變化?；?非均51加寬多.普勘加窟機_制：由于作熱運動的發(fā)光原子 （分子 所發(fā)出）福射的多普勒頻移引起的。晶.格缺陷加寬.機蒯：晶格缺陷部位的晶格場將和無缺陷部位的理想晶格場

14、不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級將發(fā)生位移，導致處于鏡體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同。c） ?績盒加寬氣旌工作物質(zhì)的綜僉加寬機制：由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。固體激光_工作_物質(zhì)合加寬1制：由晶格熱振動 引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬。液體工作_物質(zhì)的綜僉加寬機.制：溶于液體中的發(fā)光 分子與其它分子碰撞而導致自發(fā)輻射的碰撞 加寬。23 .如何理解均勻加寬和非均勻加寬答：均勻加寬:引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，對于均勻加寬，每個發(fā)光原子都以整個線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，或者說，每一個原子對光譜內(nèi)任一頻率都有貢獻。

15、非均勻加寬：原子體系中每個原 子只對譜線內(nèi)與它的中心頻率 相應的部分有貢獻， 因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率是由哪一部分原子發(fā)射的。24 .分析三能級和四能級系統(tǒng)中粒子在各能級之 間的躍遷過程，畫出示意圖，為什么三能級系統(tǒng)比四能級系統(tǒng)需要更強的激勵答：這是因為四能級系統(tǒng)系統(tǒng)的激光下能級為激發(fā)態(tài)，所以只需把Am個粒子激勵到能級就可以使增 益克服腔的損耗而產(chǎn)生激光。而在三能級系統(tǒng)中，激光下能級是基態(tài)，至少要將（n+Am） /2個粒子激 勵到能級上去，其中 n遠遠大于Am才能形成集居 數(shù)反轉(zhuǎn)，所以三能級系統(tǒng)的閾值能量或閾值功率要 比四能級系統(tǒng)大得多。25 .說明均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中增益 飽和

16、的機理。答：均勻加寬增益飽和機理在均勻加寬情況下，每 個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻，也就是說均勻加寬的激光工作物質(zhì)對各種頻率入射光的放大作用全都使用相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，因此強光會導致反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降，而反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的 下降又將導致弱光增益系數(shù)的下降，結(jié)果是增益在整個譜線上均勻地下降。非均勻加寬增益飽和機理:對非均勻加寬工作物質(zhì)， 頻率為v 1的強光只引起表觀中心頻率在V 1附近的反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和，因而在增益曲線上形成一個燒 孔。26 .飽和光強的含義怎樣定義的（pl51）答：飽和光強的物理意義是:當入射光強度可以 和比 擬時，受激輻射造成的上能級集居數(shù)衰減率才可以與其它弛豫過程（自發(fā)

17、輻射及無輻射躍 遷）相比擬。 因此當時，與光強無關，而當可以和相比擬時，隨著的增加而減少，減少到小信號 情況下的倍。27 .在強光入射下，均勻加寬和非均勻加寬工作 物 質(zhì)中，弱光的增益系數(shù)如何變化（P157）答：（1）均勻加寬物質(zhì)中頻率為 V。的強光入射不 僅 使自身的增益系數(shù)下降， 也使其它頻率的弱光 的增 益系數(shù)也以同等程度下降，結(jié)果是增益在整個譜線 上均勻的下降。（2）非均勻加寬工作物質(zhì)中頻率為 的強光入射時，會形成以為中心，寬度為的燒孔，若入射頻率為的弱光處在燒孔造成的燒孔范圍之內(nèi)，則弱光增益系數(shù)將小于 小信號增益系數(shù)，若處 于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強光的影響 仍等于小信號增

18、益系數(shù)。28 . 描述非均勻加寬工作物質(zhì)中的增益飽和的 燒孔效應”，并說明原理。（Pl56、pl57）答:（1）描述:對于非均勻加寬工作物質(zhì)中，在其 增益 曲線曲線上，在頻率處產(chǎn)生一個凹陷，凹陷 寬度約 為，頻率處的凹陷最低點下降到小信 號增益系數(shù)的 倍，以上現(xiàn)象稱為增益曲線的 燒孔效應。（2）原理：在非均勻加寬工作物質(zhì)中， 頻率的強 光只 在附近寬度約為的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)的飽和，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集居數(shù)沒有影響。若有一頻率為的弱光同時入射，如果頻率處在強光造成的燒孔范圍之內(nèi)， 則由 于反轉(zhuǎn)集居數(shù)的減少，弱光增益系數(shù)將小于小信號 增益系數(shù)。如果頻率處于燒孔范圍之外， 則弱光

19、增 益系數(shù)不受強光的影響而仍等于小信號增益系數(shù)，所以在增益曲線曲線上，在頻率處 產(chǎn)生一個凹陷， 凹陷寬度約為。29激光器的振蕩條件是什么穩(wěn)定工作條件答：（1）振蕩條件：滿足腔的諧振條件，成為腔的梳狀模之一；頻率落在工作物質(zhì)的譜線范圍內(nèi)，即對應增益系數(shù)大于等于閾值增益系數(shù)。（2）穩(wěn)定工作條件：增益系數(shù)等于于閾值增益系數(shù)。30 .在均勻加寬和非均勻加寬激光器中模式競爭 有什么不同答:均勻加寬激光器中只要有幾個滿足閾值條件的縱模，就會在振蕩過程中相互競爭，結(jié)果總是靠近中心頻率的一個縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其它縱模都被抑制而熄滅。因此理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應是單縱模的，單縱模的頻率總是在

20、譜線中心頻率附近。非均勻加寬激光器中也存在 模式競爭，當縱模形成的燒孔重疊時會發(fā)生競爭，競爭模的輸出功率無規(guī)則起伏。31 .什么是蘭姆凹陷定性解釋其成因。答：（1）激光器的單模輸出功率和單模頻率的關 系 曲線中，在處，曲線有一凹陷，稱為蘭姆凹陷。 （2） 成因：當頻率接近，且時，兩個燒孔部分重 疊，燒 孔面積的和可能小于時兩個燒孔面積的和 時，兩個 燒孔完全重合，此時只有附近的原子對 激光有貢 獻，雖然它對應著最大的小信號增益， 但由于對激 光作貢獻的反轉(zhuǎn)集居數(shù)減少了，即燒 孔面積減少 了，所以輸出功率下降到某一極小 值，從而出現(xiàn)蘭 姆凹陷。32 .什么是激光器的馳豫振蕩現(xiàn)象 答：一般固體脈

21、沖激光器所輸出的并不是一個平 滑的光脈沖，而是 一群寬度只有微秒量級的短脈 沖序列，即所謂尖 峰”序列，激勵越強，則短脈沖之間的時間間隔越小，把上述現(xiàn)象稱為弛豫振蕩效應或尖峰振蕩效33 .為什么存在線寬極限它取決于什么答：（1）由于存在著自發(fā)輻射，穩(wěn)定振蕩時的單程增益略小于單程損耗，有源腔的凈損耗不等于零，雖然該模式的光子數(shù)密度保持恒定，但自發(fā)輻射具有隨機的相位，所以輸出激光是一個具有衰減的有 限長波列，岡此具有一定的譜線寬度，這種線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的，因而是無法排出的，因此稱為線寬極限。（2）取決于輸出功率、損耗及腔長。輸出功率越大，線寬就 越窄；減小損耗和 增加腔長也可以使線寬

22、變窄。34 .簡述橫模和縱模選擇的原理及具體方法。答：（1）橫模選擇原理：在各個橫模增益大體相同的條件下，不同 橫 模間衍射損耗有差別，在穩(wěn)定腔中，基膜的衍 射損 耗最低，隨著橫模階次的增高，衍射損耗將 迅速增 加。如果降低基膜的衍射損耗，使之滿足 閾值條件（基膜的單程增益至少能補償它在腔內(nèi) 的單程損 耗），則其它模因損耗高而不能起振被抑制。橫模選擇方法：小孔光闌選模、諧振腔參數(shù)法，非穩(wěn)腔選模，微調(diào)諧振腔。縱模選擇原理:一般諧振腔中有著相同的損耗，但由于頻率的 差異而具有不N的小信號增益系數(shù)。因此， 擴大 和充分利用相鄰縱模間的增益差， 或人為引入損耗 差是進行縱模選擇的有效途徑?？v模選擇方法

23、：短腔法、行波腔法、選擇性損耗法。35 .激光器主要的穩(wěn)頻技術(shù)有哪些答：蘭姆凹陷穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻、無源腔穩(wěn)頻。36 .調(diào)制激光器的工作原理，目前常用的幾種調(diào)方 法。答：（1）工作原理：通過某種方法使諧振腔的損耗因子值按照規(guī)定的程序變化，在泵浦源剛開始時，先使光腔具有高損耗因子，激光器由于閾值高而不能 產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到 較高的水平，然后在適當?shù)臅r刻，使 腔的損耗因子 突然降到，閾值也隨之突然降低，此時反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值，受激輻射極為迅 速地增強。于是在 極短時間內(nèi)，上能級存儲的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變 為激光能量，形成一個很強 的激光巨脈沖輸出。（2） 調(diào)制方法:電

24、光調(diào)制（利用晶體電光效應控制光在 傳播過程中的強度稱 為電光強度調(diào)制）、聲光調(diào)制（利用晶體聲光效應控制光在傳播過程中的強度稱為電光強度調(diào) 制）、被動調(diào)Q （可飽和染料調(diào)Q, 染料調(diào)Q技術(shù)是利用某種有機染料材料對光的吸 收系數(shù)隨光強變化的特性，實現(xiàn)調(diào)Q的技術(shù)。這種 調(diào)Q方式中，Q開關的延遲時間由材料本身決定， 不受人控制，故又稱為被動調(diào) Q技術(shù)）。37設么叫內(nèi)調(diào)制什么叫外調(diào)制答：在激光形成的振蕩過程中加載調(diào)制信號，通 過 改變激光的輸出特性實現(xiàn)調(diào)制的方法稱為應暨上在激光形成以后，用調(diào)制信號對激光進行調(diào)制，調(diào)制不改變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光 束的參數(shù)，稱為外調(diào)制。38、第一臺激光器是誰制造的是什么激光器，它 屬 于哪一類型的激光器激光器分類有哪些（I960）年美國