激光原理與技術(shù)復(fù)習(xí)——簡答題

1、激光原理復(fù)習(xí)題-填空 簡答 論述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(biāo)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(guān)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(yīng)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

2、度。光子簡并度有以下幾種相同含義： 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(dāng)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(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場之間應(yīng)處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這種平衡必然導(dǎo)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(xué)躍遷的三大過程，并寫出它們的特征和 躍

3、遷幾率。Page10答：（1）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(guān)而與輻 射場無關(guān)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，各列光波之間沒有固定的相位關(guān)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)： 受激吸收：處于低能態(tài)

4、的一個原子， 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(guān)，還與輻射場的有關(guān)。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. 系數(shù)有哪

5、些？它們之間的關(guān)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(guān)系7. 激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？答：激光工作物質(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(xué)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，各能級上的原

6、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?jǐn)?shù)。小信號增益：當(dāng)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(dāng)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(yīng)。10. 什么是自激振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的條件

7、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：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(guān)系，即單色越好，相干時間越長。（3）激光具有很高的亮度，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？

8、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(yīng)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。為光在真空中的波長， 為腔的光學(xué)長 度，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，為小信號增益曲線中大于閾值增益系數(shù)的那部分曲線所對應(yīng)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(guān)？答：損耗因素：幾何偏

9、折損耗：與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關(guān)。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(guān)。腔鏡反射不完全引起的損耗：與腔鏡的透射率、反射率有關(guān)。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(guān)。15. 哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？ Page29-31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)： （2）關(guān)系：腔的損耗越小，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

10、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。本征值值：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

11、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）任一滿足穩(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；20. 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(yuǎn)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

12、腔的區(qū)別是什么？舉例說明哪些是非穩(wěn) 腔？答：（1）區(qū)別：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

13、 內(nèi)，這就叫譜線加寬。（2）加寬類型及機制a）均勻加寬 自然加寬 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(yīng)的能量在某一范圍 內(nèi)變化。b）非均勻加寬多普勒加寬機制：由于作熱運動的發(fā)光原子（分子所發(fā) 出）輻射的多普勒頻移引起的。晶格缺陷加寬機制：晶格缺陷部位的晶格場將和無缺陷 部位的理想晶格場不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級將發(fā)生位移，導(dǎo)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）綜合加寬氣體工作物質(zhì)的綜合加寬機制：由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻

14、加寬。固體激光工作物質(zhì)綜合加寬機制：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) 的綜合加寬 機制：溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰 撞而導(dǎo)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(xiàn)。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(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，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

15、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)， 至少要將個粒子激勵到能級上去，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(xiàn)，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(dǎo)致反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度的下降，而反轉(zhuǎn)

16、集居數(shù)密度的下降 又將導(dǎo)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26. 飽和光強的含義？怎樣定義的？答：（p151）飽和光強的物理意義是：當(dāng)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)輻射及無輻射躍遷） 相比擬。因此當(dāng)時， 與光強無關(guān)，而當(dāng)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？答：（1）均勻加寬物質(zhì)中頻率為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

17、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(yīng)”，并說明原理。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(yīng)。（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

18、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(yīng)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

19、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(yīng)是單縱模 的，單縱模的頻率總是在譜線中心頻率附近。非均勻加寬激光器中也存在模式競爭，當(dāng)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(guān)系曲線中， 在處，曲線有一凹陷，稱為蘭姆凹陷。（2）成因：當(dāng)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(xiàn)，雖然

20、它對應(yīng)著最大的小信號增益，但由于對激光作貢獻(xiàn)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. 什么是激光器的弛豫振蕩現(xiàn)象？答：一般固體脈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(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。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，因

21、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 。（2）

22、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 而具有不同的小信號增益系數(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(jìn)行縱模選擇的 有效途徑。縱模選擇方法：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(dāng)?shù)臅r刻，使腔的損耗因子突然降到， 閾值也隨之

23、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?yōu)榧す饽芰?，形成一個很強的激光巨脈沖輸出。調(diào)制方法：電光調(diào)制（利用晶體（電光效應(yīng)）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(yīng)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(guān)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(shè)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)制的方法稱為內(nèi)調(diào)制。在激光形成以后，用調(diào)制信號對激光進(jìn)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？（I960）年美國加利福尼亞州休斯航空公司實驗室的研究 員梅曼（Maiman）制成世界上第一臺激光器一紅寶石激光 器。