1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上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，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)、同一模式內的光子數(shù)、處于相干體積內的光子數(shù)、處于同一相格內的光子數(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，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三大過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。答：(1)自發(fā)輻射：處于高能

3、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)的一個原子，在頻率為的輻射場作用（激勵）下，吸收一

4、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

5、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：激光工作物質：用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉和產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用的物質體系。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。泵浦源：提供能量，實現(xiàn)工作物質的粒子數(shù)反轉。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？如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？答：熱平衡時能級粒子數(shù)的分布：在物質處于熱平衡狀態(tài)時，各能級上的原子數(shù)（或集居數(shù)）服從玻爾茲曼分布。粒子數(shù)反轉：使高能

6、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：外界向物質供給能量（稱為激勵或泵浦過程），從而使物質處于非平衡狀態(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

7、，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；頻率落在工作物質的譜線范圍內，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。

8、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，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？

9、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、腔內插入物所引起的損耗：與介質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)腔內光子的平均壽命：c)品質因數(shù)：(2)關系：腔的損耗越小，平均單程損耗因子越小，腔內光子的平均壽命越長，品質因數(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

10、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: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

11、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)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

12、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經(jīng)過有限次往返后必然從側面溢出腔外。(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內，這就叫譜線加寬。(

13、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的能量在某一范圍內變化。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的綜合加寬機制：由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。固體激光工作物質綜合加寬機制：由晶格

14、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任一頻率都有貢獻。非均勻加寬：原子體系中每個原子只對譜線內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

15、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nt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+nt）/2個粒子激勵到能級上去，其中n遠遠大于nt才能形成集居數(shù)反轉，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，也就是說均勻加寬的激光工作物質對各種頻率入射光的放大作用全都使用相同的反轉粒子數(shù)，因此強光會導致反轉集居數(shù)密度的下降，而反轉集居數(shù)密度的下降又將導致弱光增益系數(shù)的下

16、降，結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，頻率為 1 的強光只引起表觀中心頻率在 1 附近的反轉集居數(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？(p151)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)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中，弱光的增益系數(shù)如何變化？（p157）答：(1)均勻加寬物質中頻率為v。的強光入射不僅使自身的增益系數(shù)下降

17、，也使其它頻率的弱光的增益系數(shù)也以同等程度下降，結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中頻率為v。的強光入射時，會形成v。以為中心，寬度為 的燒孔，若入射頻率為v1的弱光處在燒孔造成的燒孔范圍之內，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中的增益飽和的“燒孔效應”，并說明原理。（p156、p157）答：(1)描述:對于非均勻加寬工作物質中，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)

18、原理：在非均勻加寬工作物質中，頻率的強光只在附近寬度約為 的范圍內引起反轉集居數(shù)的飽和，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉集居數(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，則由于反轉集居數(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；頻率落在工作物質的譜線范圍內，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

19、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

20、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或尖峰振蕩效應。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

21、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

22、振腔參數(shù)法，非穩(wěn)腔選模，微調諧振腔。(2)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.調制激光器的工作原理，目前常用的幾種調方法。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

23、損耗因子突然降到，閾值也隨之突然降低，此時反轉集居數(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，上能級存儲的大部分粒子的能量轉變?yōu)榧す饽芰浚纬梢粋€很強的激光巨脈沖輸出。(2)調制方法:電光調制（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制）、聲光調制（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制）、被動調Q（可飽和染料調Q，染料調Q技術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Q的技術。這種調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Q技術）。37設么叫內調制什么叫外調制？答：在激光形成的振蕩過程中加載調制信號，通過改變激光的輸出特性實現(xiàn)調制的方法稱為內調制。在激光形成以后，用調制信號對激光進行調制，調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？（1960）年美國加利福尼亞州休