激光原理复习题

填空    简答     计算    论述 

1.什么是光波模式和光子态？什么是相格？Page5

答：光波模式(page5):在一个有边界条件的空间内，只能存在一系列的具有特定波矢的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）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，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，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所需的时间，称为相干时间。

相干长度(page7)：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：垂直于传播方向的截面上相干面积Ac，则Ac称为相干面积。 

相干体积(page7)：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。

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(page10)： 

物理意义(page10)：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。

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)：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，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，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： 

(2)受激吸收

过程描述(page12)处于低能态的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能态跃迁，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，还与辐射场的有关。

受激吸收跃迁概率(page12)：（为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，为辐射场）

(3)受激辐射

过程描述(page12)：处于上能级的原子在频率为的辐射场作用下，跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。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：（为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场）

6.系数有哪些？它们之间的关系是什么？Page13

答：系数(page12-13)：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

关系(page13)：，，为能级的统计权重(简并度)

7.试证明，由于自发辐射，原子在能级的平均寿命为。Page13

证明：根据自发跃迁概率定义          

表示在时间内由于自发跃迁引起的由向跃迁的原子数。

在单位时间内能级减少的粒子数为将(1)式带入得    

由此式可得       （为时刻高能级具有的粒子数）

所以自发辐射的平均寿命   

8.一质地均匀的材料对光的吸收系数0.01,光通过10长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？Page23（8）

解：设进入材料前的光强为，经过距离z后的光强为，则

所以出射光强与入射光强之比   。所以出射光强占入射光强的。

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，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。

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？Page15

答：热平衡时能级粒子数的分布(page15)：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。

粒子数反转：使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度。

如何实现粒子数反转(page15)：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。

11.如何定义激光增益？什么是小信号增益？大信号增益？增益饱和？Page16

答：激光增益定义(p15)：设在光传播方向上处的光强为，则增益系数定义为，表示光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。

小信号增益(p16)：当光强很弱时，集居数差值不随z变化，增益系数为一常数，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(为饱和光强)相比拟时，，为大信号增益。

增益饱和(p16)：当光强足够强时，增益系数g也随着光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。

12.什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？Page17

答：自激振荡(p18)：不管初始光强多么微弱，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)：，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？Page19

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? Page19-23

答：(1)激光的方向性越好，它的空间相干性程度越高。(p19)

(2)激光的相干时间和单色性存在着简单关系，即单色越好，相干时间越长。(p21)

(3)激光具有很高的亮度，激光的单色亮度，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？Page27-28

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（即相差为的整数倍）。如果以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。为光在真空中的波长，为腔的光学长度，为正整数。

(2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目(p27-28)：

纵模的频率:；纵模间隔: 

?纵模的数目:对于满足谐振条件频率为的波，其纵模数目,为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽)。

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？Page31-33

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。

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？Page29-31

答：(1)描述参数(p28-p39)

a)平均单程损耗因子： （为初始光强，为往返一周后光强） 

b)腔内光子的平均寿命：   

c)品质因数： 

(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？Page33

答：菲涅尔数(p32)：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性条件？(p35) Page36

，

为两球面镜的距离，分别为的曲率半径，当凹面镜向着腔内时，取正值，当凸面镜向着腔内时，取负值。

20.激光器的谐振腔由一面曲率半径为1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，求腔长在什么范围内是稳定腔？Page98（5）

解：设两腔镜和的曲率半径分别为和，,

工作物质长，折射率

根据稳定条件判据:  即    其中

由(1)式解得，由(2)式得

结合(1)(2)式得       

21.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。Page98（3）

证明：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示

其往返矩阵为：

由于是共焦腔，有往返矩阵变为，若光线在腔内往返两次，有    

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。

22.如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？ Page40-43

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现模。

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? Page51

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？Page65-66

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，。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。Page98（10）

解：(1)该球面腔的g参数

由此满足谐振腔的稳定性条件，因此该腔为稳定腔。

(2)两反射镜距离等效共焦腔中心O点的距离和等价共焦腔的焦距分别为

?(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。Page58-61

答：设稳定腔腔长为L，两腔镜和的曲率半径分别为和

则：(1)腰斑位置距M1的距离为，距M2的距离为

(2)M1镜面上光斑的大小：       

   M1镜面上光斑的大小：

(3)任意位置处激光激光光斑大小：

(，)

(4)等相位面曲率半径：  

(5)光束的远场发散角：

(6)模体积：

27.某二氧化碳激光器采用平凹腔，凹面镜的，腔长。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。 Page99（15）

解：平面镜的曲率半径

其共焦参数

束腰腰斑半径  

腰斑半径距平面镜的距离   

所以腰斑处于平面镜上，发散角

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？Page58-61 Page74-77

答：(1)表征方法(p71-72)：a)用束腰半径(或共焦参数)及束腰位置表征高斯光束；b)用光斑半径及等相位面曲率半径表征高斯光束；c)用参数表征高斯光束。

(2) 参数(p72)：其定义为

(3)高斯光束参数的变换规律：当高斯光束在自由空间或通过光学系统时，参数满足，称其为高斯光束的，其中为光学系统的光线变换矩阵的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) Page79-81

答：a)用短焦距透镜；

b)使高斯光束腰斑远离透镜焦点；

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，并设法满足条件。

30.什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？Page84

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，即腰斑半径或共焦参数不变，则称这种变化为自再现变化。

条件(p84)：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。

31.非稳腔和稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？Page37

答：(1)区别(p35-36)：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(p)

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；

32.什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什么？Page129-140

答：(1)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(p131-140)

a)均匀加宽

自然加宽        机制：原子的自发辐射引起的。

碰撞加宽        机制：大量原子（分子、离子）之间的无规则碰撞。

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撞而导致自发辐射的碰撞加宽。

33.如何理解均匀加宽和非均匀加宽？Page129-137

答：均匀加宽(p131)：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对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是由哪一部分原子发射的。

34.如何求自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽？Page130-131、134

答：自然加宽线宽(p133)：    (为原子在能级的自发辐射寿命)

碰撞加宽(p135)：      

多普勒加宽(p138)：(M为原子量)

35.分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁过程，画出示意图，并写出对应的单模振荡速率方程。

答：p145-p149 Page144-146

注：图4.4.3三能级示意图中改为 

☆36.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。Page150-152

答：均匀加宽增益饱和机理(p154)

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：

？非均匀加宽增益饱和机理

非均匀加宽增益表达式：

37.饱和光强的含义？怎样定义的？Page149

答：(p151)饱和光强的物理意义是：当入射光强度可以和比拟时，受激辐射造成的上能级集居数衰减率才可以与其它弛豫过程（自发辐射及无辐射跃迁）相比拟。因此当时，与光强无关，而当可以和相比拟时，随着的增加而减少，减少到小信号情况下的倍。

定义：

38．在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增益系数如何变化？Page151 Page155

答：(1)均匀加宽物质中(p154)

频率为的强光入射不仅使自身的增益系数下降，也使其它频率的弱光的增益系数也以同等程度下降，结果是增益在整个谱线上均匀的下降。

(2)非均匀加宽工作物质中(p157)

频率为的强光入射时，会形成以为中心，宽度为的烧孔，若入射频率为的弱光处在烧孔造成的烧孔范围之内，则弱光增益系数将小于小信号增益系数，若处于烧孔范围之外，则弱光增益系数不受强光的影响仍等于小信号增益系数。

39.描述非均匀加宽工作物质中的增益饱和的“烧孔效应”，并说明原理。Page153-156

答：(1)描述(p157):对于非均匀加宽工作物质中，在其增益曲线曲线上，在频率处产生一个凹陷，凹陷宽度约为，频率处的凹陷最低点下降到小信号增益系数的倍，以上现象称为增益曲线的烧孔效应。

(2)原理：在非均匀加宽工作物质中，频率的强光只在附近宽度约为的范围内引起反转集居数的饱和，对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集居数没有影响。若有一频率为的弱光同时入射，如果频率处在强光造成的烧孔范围之内，则由于反转集居数的减少，弱光增益系数将小于小信号增益系数。如果频率处于烧孔范围之外，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，所以在增益曲线曲线上，在频率处产生一个凹陷，凹陷宽度约为。