激光原理与技术期末总复习
考试题型
•一. 填空题（20分）
•二.选择题（30分）
•三.作图和简答题（30分）
•四.计算题（20分）
第一章辐射理论概要与激光产生的条件
1、激光与普通光源相比较的三个主要特点：方向性好，相干性好和亮度高
2、光速、频率和波长三者之间的关系：
线偏振光：如果光矢量始终只沿一个固定方向振动。
3、波面——相位相同的空间各点构成的面
4、平波面——波面是彼此平行的平面,且在无吸收介质中传播时,波的振幅保持不变。
5、单色平波面——具有单一频率的平面波。
6、ε= h v v —光的频率 h —普朗克常数
7、原子的能级和简并度
（1）四个量子数：主量子数n、辅量子数l、磁量子数m和自旋磁量子数ms。
（2）电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态不同。
（3）电子能级：电子在原子系统中运动时，可以处在一系列不同的壳层状态活不同的轨道状态，电子在一系列确定的分立状态运动时，相
应地有一系列分立的不连续的能量值，这些能量通常叫做电子的能
级，依次用E1，E2,…..En表示。
基态：原子处于最低的能级状态成为基态。
激发态：能量高于基态的其他能级状态成为激发态。
（4）简并能级：两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫做简并能级。
简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫做简并
度，用g表示。
8、热平衡状态下，原子数按能级分布服从波耳兹曼定律
（1）处在基态的原子数最多，处于越高的激发能级的原子数越少；
（2）能级越高原子数越少，能级越低原子数越多；
（3）能级之间的能量间隔很小，粒子数基本相同。
9、跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程
（1.）辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象
①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2－E1而由高能级跃迁至低能级;
②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁至高能级.
（2）非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量
10、光和物质相互作用的三种基本过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收
（要求会画图，会说原理过程）
（1）普通光源中自发辐射起主要作用
（2）激光器工作中受激辐射起主要作用
（3）自发辐射、受激辐射和受激吸收的定义
（4）三者之间的关系：
自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数11、光谱线增宽
（1）光谱线的半宽度即光谱线宽度：相对光为最大值的1/2处的频率间隔（2）三种谱线增宽：自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽
自然增宽：粒子的衰减
碰撞增宽：发光原子间相互碰撞作用
多普勒增宽：发光原子相对于观察者运动
（3）均匀增宽：每一发光原子所发的光，对谱线宽度内任一频率都
有贡献，而且这个贡献对每个原子都是相同的。自然增宽和碰
撞增宽。
非均匀增宽：不同速度的原子的作用是不同的。
12、激光形成的条件
（1）产生激光的基本条件是受激辐射大于受激吸收；
（2）光放大的条件：
第一需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断的由低能级抽运到高能级上去；
第二需要有合适的发光介质（工作物质），它能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态。
（3）光学谐振腔的作用：延长增益介质，控制光束的传播方向，保
证输出的激光有很好的方向性。
（4）产生激光必须具备的三个条件：合适的激光工作物质、泵浦源（外界激励源）、光学谐振腔。
13、课后习题：1，2，3，4，11，12
第二章激光器的工作原理
1、稳定腔：腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光。
2、共轴球面谐振腔的稳定性条件：
3、共轴球面腔的稳定图（各种腔的条件）
4、稳定腔：平凹稳定腔、双凹稳定腔、凹凸稳定腔、共焦腔、半共焦腔。
临界腔：平行平面腔、共心腔、对称共心腔和半共心腔
5、稳定图的应用
6、三能级系统和四能级系统的工作过程（会画能级图，能写出工作过程）
7、小信号工作状态：激光谐振腔尚未发出激光是的状态。
粒子数密度反转分布值的饱和效应：当腔内光强的影响不能忽略时，粒子数密度反转分布值将随光强的增加而减小。
均匀增宽介质的增益饱和：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，增益系数随光强的增大而减小。
8、激光器的损耗的分类
（1）内部损耗：谐振腔内增益介质内部的损耗，与增益介质长度有关。
（2）镜面损耗：这类损耗是可以折合到谐振腔镜面上的损耗。
9、激光谐振腔内形成稳定光强的过程（能够说明过程）
（1）谐振腔内光强放大过程
（2）谐振腔稳定出光过程。
10、阈值条件：
11、三能级系统和四能级系统的比较
（1）三能级系统要求激励能源有较大的抽运功率
（2）效率较高的激光器中的绝大多数都属于四能级系统
（3）三能级系统下能级为基态，四能级系统下能级为激发态
12、课后习题：3，4
第三章激光器的输出特性
1、开式谐振腔：谐振腔只靠两端的反射镜来实现光束在腔内的往返传播，对于光波没有任何其他限制。
2、自再现模
（1）反射次数足够多（三百次以上）
（2）光束的横向场分布趋于稳定，不受衍射的影响
（3）场分布在腔内往返传播一次后能够“再现”出来，反射只改变光的强度大小，不改变光的强度分布
（4）镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后
3、积分方程解的物理意义
（1）积分方程的本征函数解的模代表对称开腔任一镜面上的光场振幅分布。
（2）幅角代表镜面上光场的相位分布。
4、横模：在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，就是自再现模通常叫作“横模”
横模序数：m，n称为横模序数
基模：m=0，n=0时所对应的横模称为基模，基模的场集中在反射镜中
心，是光斑的最简单结构，其他横模称为高阶模。
5、轴对称和旋转对称图（掌握轴对称图形的画法）
6、激光谐振腔
（1）谐振条件：为在腔内形成稳定的振荡，要求光波因干涉而得到加强，即光波在腔内往返一周的总相移应等于2π的整数倍。
（2）激光纵模：谐振腔形成的每列驻波称为一个纵模，q为纵模序数
（3）谐振频率
7、纵模频率间隔：
单模激光器：只能出现一种频率的激光
多模激光器：可能出现三种或三种以上频率的激光
8、共焦腔镜面上的基模的“光斑有效截面半径”ωs：在距离镜中心ωs处
的场振幅下降为镜中心之值的e-1倍，基模光束的光能量集中在光斑有效截面圆内。