《激光原理》名词解释.docx

激光原理名词解释一名词解释1. 损耗系数及振荡条件：/.,=(/-)N0,即g°°为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。2. 线型函数：引入谱线的线型函数-9%)=四，线型函数的单位是S,括号中MP的%表示线型函数的中心频率，且有Jg-(VM)=I,并在加减%时下降至最大值的一半。按上式定义的&，称为谱线宽度。3. 多普勒加宽：多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足同值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率为的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。5. 谐振腔的Q值：无论是1.C振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q值来标识腔的特性。定义Q=u=2m,%°岁为储存在腔内的总能量，p为单位时间内损耗的总能量。V为腔内电磁场的振荡频率。6. 兰姆凹陷：单模输出功率P与单模频率9的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K的单色平面波都可以存在，但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的平面单色驻第1页共26贝波；这种能够存在腔内的驻波成为光波模。9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。10. 谱线加宽：实际中的谱线加宽由于各种情况的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率（E-E”方附近一个很小的频率范围内。这就叫谱线加宽。11. 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，这种现象叫频率牵引。12. 自发辐射：处于高能级E2的一个原子自发的向EI跃迁，并产生一个能量为hV的光子13. 受激辐射：处于高能级E2的一个原子在频率为V的辐射场作用下，向E1跃迁，并产生一个能量为hV的光子14. 激光器的组成部分：谐振器，工作物质，泵浦源15. 腔的模式：将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态称为16. 光子简并度：处于同一光子态的光子数。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17. 激光的特性：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18. 粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使得n2>n1.19. 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数20. 增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，熠益系数随光强的蜡大而减小。21. 。值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标一一品质因数。22. 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23. 横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模24. 菲涅尔数：N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数目。表征损耗的大小。衍射损耗与N成反比。25. 自再现模：把开腔镜面上经一次往返能再现的稳态场分布称为自在现模或横模。26. 损耗系数：光通过单位距离后光强衰减的百分数27. 自激振荡：不管初始光强多微弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强Im,满足振荡条件。28. 多普勒效应：设一发光原子（光源）的中心频率为巴当原子相对于接收器以速度V,运动时，接收器测得的光波频率变为U=（雷。；29. 多普勒加宽：由于作热运动的发光原子（分子）所发出的辐射的多普勒频移引起的加宽30. 谱线加宽：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附近一个很小的频率范围内。31. 谱线宽度：线型函数在V。时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。32. 线性函数：归归一化的自发辐射光功率，描述单色辐射功率随频率变化的规律，定义为分布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比。用于表示谱线的形状。33. 均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，包括自然加宽、碰撞加宽及晶格振动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，每一发光原子对光谱线内任一频第3页共26页率都有贡献。34. 非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的表现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，包括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。35. 激光器振荡阂值：工作物质自发辐射在光腔内因不断获得受激放大形成振荡所需要的门限条件，可用反转粒子数密度，闽值增益系数，网值泵浦功率来表不。36. ASE：不满足阈值条件，但处于集居数反转的工作物质对自发辐射光具有放大作用。37. 增益的空间烧孔效应：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38. 自选模：设三个纵模丫1,v2,v3同时起振，随着振荡的持续光强II,12,13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。39. 模式的空间竞争：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熠益，从而实现多纵模振荡。称为。40. 单模激光器的线宽极限：输出激光是一个略有衰减的有限长波列，具有一定的谱线宽度。由自发辐射产生的无法排除谱线宽度称为极限线宽。实际激光器中由于各种不稳定因素，纵模频率本身的漂移远远大于极限线宽41. 总量子效率：发射荧光的光子数/工作物质从光泵吸收的光子数。物理意义:抽运到E3的例子，一部分无辐射跃迁到E2,另一部分通过其他途径返回基态。到达E2的粒子，一部分自发辐射跃迂至E1.发射荧光，一部分无辐射跃迁至第4页共26页E1.o42. 弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。纵向弛豫时间“：反转粒子数的增长与衰减所需时间。横向弛豫时间T2：宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的。极化强度P(z,t)较E(z,t)落后的时间上即是横向弛豫时间。43. 驰豫振荡：固体脉冲激光器所输出的并不是平滑的光脉冲，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，则短脉冲之问的时间间隔越小。称作。44. 反兰姆凹陷：在饱和吸收稳频中，把吸收管放在谐振腔内，并且腔内有一频率为V1的模式振荡，若5工”，购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔。若V1.=Vo,刚正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔。若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线，则曲线出现凹陷，激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰。二简答题1 .谱线加宽的类型？什么是均匀加宽，非均匀加宽？他们各自的特点是什么？类型：均匀加宽(自然加宽，碰撞加宽，晶格振动加宽)，非均匀加宽(多普勒加宽，晶格缺陷加宽)，综合加宽。均匀加宽及特点：引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的。特点：每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上某一特定原子联系起来。每个发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。非均匀加宽特点：原子体系中每一个原子只对谱线内与他的表观中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线中的某一频率范围是哪一部分原子发射的。2 .什么是激光工作物质的纵模和横模烧孔效应？他们对激光器工作模式的影响。第5页共26贝在非均匀加宽工作物质中，频率为U的强光只在U附近宽度约为以，7，的范围内引起反转集聚数饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集聚数没有影响。若有一频率V的弱光同时入射，如果频率V处在强光造成的烧孔范围之内，则由于集聚数反转的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数。如果频率V在烧孔范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响，、而仍等于小信号增益系数。所以在增益系数-频率曲线上，频率为U处产生一个凹陷。此现象称为增益曲线的烧孔效应。烧孔效应一般使激光器工作于多纵模和多横模的情况，不利于提高光的相干性但有利于增加光的能量或功率。3 .锁模的目的和意义及其方法。目的是为了得到更窄的脉冲。方法：主动锁模（振幅调制锁模和相位调制锁模）,被动锁模。4 .简述速率方程所说明的问题及应用情况。速率方程表征激光器腔内光子数和工作物质各有关能级上的原子数随时间变化的微分方程组。它只能给出激光的强度特性，而不能揭示出色散（频率牵弓I）效应，也不能给出与激光场的量子起伏有关的特性。对于烧孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等，则只能给出粗略的近似描述。5 .简述稳定球面腔中横模形成的过程及分布特点。设想一均匀平面波垂直入射到传输线的第一个孔阑上，第一个孔面波的强度分布应该是均匀的。由于衍射，再穿过该孔后波前将发生变化，并且波束将产生若干旁蓄，也就是说，已不再是均匀平面波了。当它达到第二孔时，其边缘部分将比中心部分小。而且第二个孔面将不再是等相位面了。通过第二个孔时，波束又将发生衍射然后经过第三个孔每经过一个孔波的振幅和相位将发生一次改变，通过若干个孔后，波的振幅和相位分布被改变成这样的形状，以至于他们不再受衍射的影响。当通过足够多的孔阑时，镜面上的场的振幅和相位分布将不再发生变化，即形成横模。镜面中心附近的场振幅和相位分布可以用厄米特-高斯函数描述。横模在镜面上振幅分布的特点取决于厄米特多项式和高斯分布函数的乘积。厄米特多项式的零点决定场的节线，厄米特多项式的正负交替变化与高斯函数随X.Y的增大而单调下降的特性决定场分布的外形轮廓。由于加阶厄米特多项式有M个零点，因此7EMw横模在X方向有In条节线，沿y方向有n条节线。6 .简述Q调制技术原理。为了得到更高的峰值功率和窄的单个脉冲，采用Q调制技术。它是通过某种方法是谐振腔的损耗因子6按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始的时候，使光腔具有高损耗因子»,，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。然后在适当的时刻，使腔的损耗因子突然降到s,阈值也随之突然降低，此时反转集聚数大大超过阈值，手机辐射也迅速的增强。于是在极短的时间内上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。方法：电光调Q,声光调Q,被动调Q。7 .激光器的组成部分及作用。激光器应该包括光放大器和光谐振腔两部分，但对光腔的作用归结为两点：(1)模式选择。保证激光器的单模振荡，从而提高激光器的相干性。(2)提供轴向光波模的反馈。8 .q参数的定义及应用(1参数可以用来分析高斯光束的传输问题；用于分析高斯光束的聚焦和准直；分析高斯光束的自再现变换。9 .电光调节q开关注意的问题要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求是：a.给出可靠的触发信号去点燃疑灯。b.在点燃筑灯的同时，给出一脉冲第7页共26页信号经过一段延迟时间后，退去晶体上的电压，打开Q开关。延迟时间可靠、准确、可调。c.退电压要快一一开关速度快。d.晶体上加四分之一波长电压，要求稳定可调。e.保证Q开关关的及时。YAG激光器开始工作时泵浦等上有高压，调制是不要碰及，实验中激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。特别是532nm绿光。避免用手接触激光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮。10 .简述用扫描干涉仪确定激光器输出光中纵横模的原理扫描干涉仪接受的信号连接到示波器上，拍下示波器上的纵横模分布图。根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模式属于同一个干涉序。在同一个干涉序内，根据纵模的定义，测出纵模频率间隔确定示波器荧光屏上频率增加的方向，一遍确定同一个纵模序数内哪些模是基横模，哪些是高阶横模。测出不同横模的频率间隔观察激光器在远处屏上的光斑形状，辨认出每个横模的序数，即mn。11 .简述Nd：YAG激光器的结构和输出特性Nd：YAG激光器以Nd：YAG晶体为工作物质，它属四能级系统，并具有量子效率高、受激辐射面大的优点。其间值非常小，而且钮铝石榴石晶体还具有较高的热导率，易于散热，因此Nd：YAG激光器不仅可以单次脉冲运转，出功率已超过1.()()0W,每秒5000次重复频率的输出峰值功率已达千瓦以上，每秒几十次还可以高重复率或者联系运转。目前，Nd：YAG激光器的最大输重复频率的调Q激光器的峰值功率可达几百瓦.Nd：YAG激光器的应用非常广泛，它主要用在加工方面，用于打孔、切割、划片、焊接、阻值微调、打标和表面改性等。12 .He-Ne激光器的结构和输出特性He-Ne激光器的基本结构由激光管和电源两部分组成，其中，激光管主要包括第8页共26贝放电管、电极和谐振腔三部分，放电管是He-Ne激光器的核心。放电管通常由毛细管和储气室构成。当在电极上施加高压后，毛细管中的气体开始放电，使制原子产生粒子数反转。按照谐振腔与放电管的放置方式不同，可分为内腔式、外腔式和半内腔式特点：He-Ne激光器输出连续光，主要工作波段在可见光到近红外区域,其中，最常用的工作波长为632.8nm(红光)，其次是1.15um和3.39Hn1.以及1.52m、543.5nm等。He-Ne激光器输出光束质量很高，表现为单色性好(v<20Hz)和方向性好(Qcmrad)。由于增益低,输出功率一般为毫瓦量级(0.5100mW)。器件结构简单，造价低廉。应用：He-Ne激光器广泛应用于准直、精密计量、信息处理、医疗、照排印刷等领域13 .co2激光器C02激光器的输出特性有两个显著的特点：其一是输出功率或能量相当大,能量转换效率高。co：激光器连续输出功率可达数十万瓦，是所有激光器中连续输出功率最高的器件；脉冲输出能量可达数万焦，脉宽可压缩到纳秒量级，脉冲功率密度可达太瓦量级。其二是输出波长分布在918IIm波段，巴观察到的激光谱线二百多条。其中，9I1.Un1.红外波段中最重要的输出波长106um处于大气传输的窗口，有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用，且该波长对人眼安全。14 .红宝石激光器从应用观点看，红宝石激光器输出可见光极具吸引力，一是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见光区，而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长则位于近红外区域，二是对于全息照相等应用，需要使用可见光作为光源。缺点：能级结构属三能级系统，器件阈值高；晶体性能随温度变化明显，室温下不适于做连续和高重频器件。15 .钛宝石激光器激活离子为三价钛离子（Ti3+）,激光波长在660n111.Ium叫范围内连续可调，峰值波长在80On1.n附近，是目前调谐范围最宽的激光器之一。钛宝石激光器的激光上能级寿命较短，只有32us,用灯泵较困难，通常用氮离子激光、Nd：YAG倍频激光泵浦。采用自锁模技术，钦宝石激光器可直接输出脉宽短至6.5fs的激光脉冲，这是所有激光器中从谐振腔直接输出的最窄激光脉冲。调谐范围最宽和锁模脉宽最窄两大特点使得钛宝石激光器成为目前最重要的激光器之一16.N2激光器氮分子激光器是一种重要的近紫外相干光源。它的输出峰值功率高（Peakpower_45kW）,脉冲持续时间短（3.5ns）,而且结构简单，制造容易，因此受到人们的广泛重视。它可以作为有机染料激光器的泵浦光源，可以获得从近红外到近紫外的连续可调激光输出，是激光喇曼光谱仪的一种理想光源。此外，氮激光器在激光分离同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面也得到广泛应用。由于其短波长更易聚焦得到小光斑，因此被用于加工亚微米量级的元件了，例如光掩模、复杂的集成电路、薄膜电阻的生产。17 .影响模式的因素不同的激光器结构输出模式不同；自发辐射使得谱线加宽，烧孔效应、模式竞争等会使得多纵模输出；不稳定因素的影响使得频率漂移；振荡线宽与纵模间隔之间的关系，纵模间隔大于振荡线宽，可单模输出.18 .谐振腔与激光模式之间的关系，由谐振腔结构确定激光模式的常用方法。腔的模式：光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称。场的每一个本征态将具有一定的振荡频率和一定的空间分布。腔与模的关系：腔内电磁场的本征第10页共26页态应由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。不同类型和结构的谐振腔的模式各不相同。不管是开腔闭腔，一旦给定了腔的具体结构，则其中振荡模的特征也随之确定下来。模的基本特征：模在腔的横截面内的场分布，模的谐振频率，模在腔内往返的相对功率损耗；模的光束发散角。常用方法：方形镜共焦腔：输出光斑为轴对称；圆形镜共焦腔，输出的是旋转对称的；环形腔，一般可以实现单纵模振荡；均匀激光器一般为单纵模振荡。非均匀激主器二股为多模振荡。3 .何谓光子简并度，有几种相同的含叉？激光源的光子简并度与它的相干性布2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？写出尸"以公式，并说明它的物理意义。答：黑体辐射(Page1.0)：当黑体处于某一温度7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。P1.anck公式(page10):,=包勺_J物理意义(Page1.0)：在单位休城内7频率处于V附近的单位频率间隔中黑体电电磁里射电量二5 .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。答：(1)自发辐射过程描述（PageIO）：处于高能级外的一个原子自发的向G跃迁，并发射一个能量为加，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凡无关的自发过程，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，原子之间亳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，均为八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。自发跃迂爱因斯坦系数：.=1.受激吸收过程描述（PageI2）处于低能态鸟的一个原子，在频率为y的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为儿的光子并向占能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。特征：a）只有外来光子能量心=G-四时，才能引起受激辐射。b）跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的亿有关。受激吸收跃迁概率（Page1.2）：%=4血（%为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，已为辐射场）（3）受激辐射过程描述（PageI2）：处于上能级仿的原子在频率为-的辐射场作用下，跃迁至低能态E并辐射一个能量为加的光子。受激辐射跃迂发出的光波称为受激辐射。特征：a）只有外来光子能量加=E七时，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：%1.叫A（%为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，正为辐射第12贝共26页场）6Eee加系数有哪些？它们之间的关系是什么？答：系数（Page1.1.-12）:自发跃迁爱因斯坦系数/，受激吸收跃迁爱因斯坦系数%,受激辐射跃迁爱因斯坦系数与关系（PageI3）：B,1.f1.三B1.,f,4=BI1.,/为昂£能级的统计权重（简并C度）7 .试证明，由于自发辐射，原子在七能级的平均寿命为证明：根据自发跃迁概率定义%=喇1（1）将（1）式带入得m%）v,表示在疝时间内由二百发跃迁引起的由G向吊跃迁的原子数。在单位时间内能级G减少的粒子数为（in,.万F%由此式可得（）=M%（心为r=0时刻高能级具有的粒子数）所以自发辐射的平均寿命r,=J”）小=；8 .一质地均匀的材料对光的吸收系数（1.OI,”"'光通过IOm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？解：设进入材料前的光强为/°,经过距离Z后的光强为/，则/（z）=<,e"所以出射光强与入射光强之比6=e2=e-=e=0.368。所以出射光强占入射，0光强的36.8%。9 .激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。光学谐振腔：a）提供轴向光波模的正反馈；b）模式选择，保证激光器单模振第13贝共26页荡，从而提高激逑色相干性。10 .什么是热平衡时能级粒子数的分布？什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？答：热平衡时能级粒子数的分布（PageI5）：在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔兹曼分布与=£等。粒子数反转：使高能级粒子数密度大与低3级粒子数密度。如何实现粒子数反转（PageI5）：外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。I1.如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信号增益？熠益饱和？答：激光增益定义（P15）：设在光传播方向上Z处的光强为/，则增益系数定义为g=华表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。<1.z/（Z）小信号增益（P16）：当光强很弱时，集居数差值出-力）不随Z变化，增益系数为一常数屋，称为线性增益或小信号增益。大信号增益（p17）：在放大器中入射光强/与/,C,为饱和光强）相比拟时，g（）=告，为大信号增益。蒋演饱和（P16）：当光强足够强时，增益系数g也随着光强的增加而减小，这一现象称九增益饱和效应。12 .什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？答：自激振荡（p1.8）:不管初始光强/0多么微弱，只要放大器足够长，就总是形成确定大小的光强/“，这就是自激振荡的概念。产生条件（P18）:g,g"为小信号增益系数，为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。13 .激光的基本特性是什么？答：激光四性：单色性、相干性、方向性和高亮度。这四性可归结为激光具有很第14页共26页高的光子简并度。14 .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？答：（1）激光的方向性越好，它的空间相干性程度越高。（p1.9）（2）激光的相干时间r,和单色性Ay存在着简单关系r,=-1.,即单色越好，相v干时间越长。（p21）（3）激光具有很高的亮度，激光的单色亮度用=华万，由于激光具有极好的方向性和单色性，因而具有极高的光子简并度和单色亮度。（p22）15 .什么是谐振腔的谐振条件？如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目？答：（1）谐振条件（p27）：谐振腔内的光要满足相长干涉条件（也称为驻波条件）。波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相（即相差为2；T的整数倍）。如果以中表示均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后，则可以表示为A=竽2Z=q2"°4为光在真空中的波长，为腔的光学长度，q为正整数。（2）如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目：纵模的频率：5=中白；纵模间隔：Aj=J乙1.-纵模的数目：对于满足谐振条件频率为的波，其纵模数目N=生皿+1,A1.&vIi为小信号增益曲线中大于阈值熠益系数G,的那部分曲线所对应的频率范围（振荡带岂）。16 .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（p28）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。第15贝共26页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。17 .哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？答：（1）描述参数（p28-p39）a）平均单程损耗因子：b=；吟"为初始光强，1.为往返一周后光强）b）腔内光子的平均寿命：；=匕cC）品质因数：Q=211vtR=h11v*（2）关系：腔的损耗越小，平均单程损耗因子越小，腔内光子的平均寿命越长，品质因数越大。18 .什么是腔的菲涅尔数？它与腔的损耗有什么关系？答：菲涅尔数（p32）：N=称为腔的菲涅尔数（。为孔半径，/.腔长）。即从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅尔半周期带的数目（对平面波阵面而言）。与腔的损耗关系（p32）：衍射损耗随腔的菲涅尔数的减小而增大。19 .什么是共轴球面腔的稳定隹条件？（p35）.1.1.,=".出=1一.A为两球面镜MrM.的距离，1.k分别7；1.,曲曲率半径，当凹面镜向着腔内时,R取正值，当凸面镭向着腔内时，R取负值。20 .激光器的谐振腔由一面曲率半径为的凸面镜和曲率半径为2,的凹面镜组成，工作物质长0.5,”，其折射率1.52,求腔长1.在什么范围内是稳定腔？解：设两腔镜M和%的曲率半径分别为R1.和凡，R=Tm,&=2m9工作物质长=05m,折射率=1.52根据稳定条件判据：O<（1.-1-<1EPO<（1.-（1-¾<1（1）其中冬16£共26M2r=（1.-O+-（2）H由（1）式解得ImVCV2m,由（2）式得1.=V+05x（1-一）=+0.17152结合（1）（2）式得1.17",<Av2.17w21 .试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。证明：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图用不可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合，即共焦腔为稳定腔。其往返矩阵为：T=cD；=-222 .如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？答：(p38)开腔镜面上，经过足够多次往返后，能形成这样一种稳恒场，其分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次能够再现出发时的场分布。这种稳恒场经一次往返后，唯一可能的变化是，镜面上各点的场分布按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。把这种开腔镜面上的经一次往返能再现的稳恒场分布称为开腔的自再%模二23 .求解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数和本征值各代表什么？答：本征函数(p42)：描述腔的一个自再现模式或横模。其模描述镜面上场的振幅分布，幅角描述镜面上场的相位分布。本征值值(p43)：表示自再现模在渡越一次时的幅值衰减和相位滞后。其模值第17页共26页量度自再现模在腔内往返一次的功率损耗，幅角量度自再现模的单程相移，从而也决定模的谐振频率。24 .什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？答：(p65)(1.)任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价；(2)任一满足稳定条件的球面腔唯一地等价于某一个共焦腔。即如果某一个球面腔满足稳定性条件，则必定可以找到而且也只能找到一个共焦腔，其行波场的某两个等相位面与给定球面腔的两个反射镜面相重合25 .今有一球面腔，凡.5肛&=-1肛=80。试证明该腔为稳定腔；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：(1)该球面腔的g参数R-1-±-A-2.R2-151R11515由此&&=0.85满足谐振腔的稳定性条件()<思<1,因此该腔为稳定腔。两反射镜距离等效共焦腔中心0点的距离和等价共焦腔的焦距分别为-1.(Ri-1.)=-05|w£(/?.»1.).1.Z1=-1.3bn,4凡)(1.Ref=1月二*&4闺+7=0.50,VK1.-R)+-&)?(3)等价共焦腔的具体位置如下图26 .如何计算基模高斯光束的主要参量，腰斑的位置、镜面上光斑的大小、任意位置处激光光斑的大小、等相位面曲率半径、光束的远场发射角、模体积。答：设稳定腔腔长为1.,两腔镜M和弧的曲率半径分别为凡和当则：(1)腰斑位置距置的距离为(2)M1镜面上光斑的大小：1.(R21.)1.-R,)ZR1.)(凡1.)(R,+R-,-1.)1.(Rt-1.)(/?,-£M1.镜面上光斑的大小：工=/1，距M2的距离为I-1.(R1-1.)(1.-Ri)+(1.-R2)(3)任意位置处激光激光光斑大小：h<z)=hJ1+(第18页共26页(尸1.(R1.-1.)(4-1.)(R1.+&-1.)一(Ra1.)2，(4)等相位面曲率半径:(5)光束的远场发散角：/R（三）=Z1+=2427 .某二氧化碳激光器采用平凹腔，凹面镜的R-2,，腔长A=I加。试给出它所产生的高斯光束的束腰腰斑半径的大小和位置，该高斯光束的焦参数和基膜发散角。(-I0.6mi)解：平面镜的曲率半径*=8其共焦参数/=JHR-1.)(R'-1.)(R+R,-1.)(R+fZ.)2f束腰腰斑半径%=17=3=y1.(R-1.)=1.×(2-1.)=Iw10.6X10-.,.×1=1.84×10m腰斑半径距平面镜的距离3.14d=-1.(R-1.)所以腰斑处于平面镜上,(1.-R)+(1.-H)发散角人三=剖"3.67×10,28 .高斯光束的表征方法有哪些？什么是“参数？高斯光束,/参数的变换规律是什么?答：(1)表征方法(p71-72):a)用束腰半径明(或共焦参数/)及束腰位置表征高斯光束；b)用光斑半径MZ)及等相位面曲率半径RGo表征高斯光束；C)用4参数表征高斯光束。(2) 4参数(p72)：其定义为J-=It=TT¢(2)R（三）11w'z(3)高斯光束q参数的变换规律：当高斯光束在自由空间或通过光学系统时，“参数满足q,=&1.0，称其为高斯光束q的48CD定律，其中A.8C。为光学系统的*仅+J光线变换矩阵2：的4个矩阵元。29 .为了使高斯光束获得良好聚焦，常采用的方法有哪些？(p82)答：a)用短焦距透镜;b)使高斯光束腰斑远离透镜焦点；第19页共26页C）将高斯光束腰斑半径放在透镜表面处，即使光腰与透镜的距离为=o,并设法满足条件共焦参数”>透镜焦距Fo30 .什么是高斯光束的自再现变换？利用薄透镜对高斯光束实现自再现变换的条件如何？答：自再现变化（p84）：如果一个高斯光束通过透镜后其结构不发生变化，即腰斑半径叫或共焦参数/不变，则称这种变化为自再现变化。条件884）：透镜的焦距等于高斯光束入射在透镜表面上的波面曲率半径的一半时，即/?（/）=2尸。31 .非稳腔和稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？答：（D区别S35-36）：稳定腔中傍轴光线能在腔内往返任意多次而不致横向溢出腔外；而非稳腔中傍轴光线在腔内经过有限次往返后必然从侧面溢出腔外。（2）非稳腔类型（p89）所有双凸腔；所有平-凸腔；凹面镜曲率半径小于腔长的平-凹腔；廿/J镜曲率半径小于腔长一概曲率半径大于腔长的双凹腔（&&<（）两镜曲率半径之和小于腔长的双凹腔1g,>1.）,“北移牌凹面镜曲率半径小于腔长的凹-凸非稔腔（满足修人<0）1*IrTI-U.M+-r、Jt1.,.-JXf/Z.finf1.I1.-fZ/M.口、b.32 .什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？答：（I）谱线加宽（P130）：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Vn=看附近一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。（2）加宽类型及机制（p1.31740）a）均匀加宽自然加宽机制：原子的自发辐射引起的。第20页共26页碰撞加宽机制：大量原子（分子、离子）之间的无规则碰捶。晶格振动加宽：机制：晶格振动使激活离子处于随周期变化的晶格场，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化。b）非均匀加宽多普勒加宽机制：由于作热运动的发光原子（分子所发出辐射的多普勒频移引起的。晶格缺陷加宽机制：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，因而处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于镜体不同部位的激活离子的发光中心频率不同。C）综合加宽气体工作物质的综合加宽机制：由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。固体激光工作物质综合加宽机制：由晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。液体工作物质的综合加宽机制：溶于液体中的发光分子与其它分子碰捶而导致自发辐射塑型宽。33 .如何理解均匀加宽和非均匀加宽？答：均匀加宽（P13D：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，对于均匀加宽，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，每一个原子对光谱内任一频率都有贡献。非均匀加宽（P135）：原子体系中每个原子只刻谱线内与它的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封哪二部分原子发射的。34 .如何求自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽？答：自然加宽线宽（P133）：&=丁1.（0为原子在能级G的自发辐射寿命）务允”共26页（下能妓为基态）强捶加宽（P135）：多普勒加宽：A%=2v1.1.（%3（A!塔m驷子量）mc'M36.说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理，并写出激光增益的表达式。答：均匀加宽增益饱和机理（p1.54）在均匀加宽情况下，每个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献，也就是说均匀加宽的激光工作物质对各种频率入射光的放大作用全都使用相同的反转粒子数，因此强光会导致反转集居数密度的下降，而反转集居数密度的下降又将导致弱光增益系数的下降，结果是增益在整个谱线上均匀地下降。均匀加宽增益表达式：8hWQ=芈1非均匀加宽增益饱和机理1.+w原子体系中每个原子只对谱线内与它的表现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，包括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。非均匀加宽