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2015年激光原理思考题1.激光与普通光源的区别？激光器的组成。方向性好，（光源的方向性由光束的发散角来描述）。单色性好（带宽），相干性好，（时间相干性，空间相干性）。能量集中（衡量光源能量集中程度可用亮度来定义）。组成：激励能源，工作物质，谐振腔。2.光子与原子的相互作用的三种过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收的特点与区别。即使没有任何外界激励，处于高能级的原子有可能会自发地向低能级跃迁，并以光子的形式将能量释放出来。各原子自发辐射发出的光彼此独立。频率、偏振、相位、传播方向等不一定相同——非相干光。处于高能级的原子，可能受到外来光子的激励作用，从高能级向低能级跃迁，并发射一个与外来光子一模一样的光子，这一过程被称为受激辐射。受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的位相，完全相干。处于低能态的原子在光子流的照射下，可能会吸收一个光子，受激发向高能态跃迁。这一过程称为受激吸收。需要外来光子，hν=E2-E1吸收才会发生。3.热平衡状态下，三个爱因斯坦系数之间的关系。4.原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从什么分布？写出表达式原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布。5.谱线加宽、线型函数的基本概念。实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都有一定的宽度,v=v0只是谱线的中心频率.这种现象称为谱线加宽.线型函数表示谱线中频率在ν附近的单位频率间隔中的单色光的功率与谱线总功率的比值6.均匀加宽的分类及特点，非均匀加宽的分类及特点。自然加宽，碰撞加宽，晶格热振动加宽。均匀加宽具有以下的特点：引起加宽的因素对每个原子都相同；每个原子发光时，发出整个线型，即对整个分布都有贡献，每个原子在形成谱线时的作用与地位都是相同的；多普勒加宽，晶格缺陷加宽非均匀加宽的特点：发光粒子的光谱因物理因素使得中心频率发生变化,每个原子辐射时都有自己的表观中心频率和线型，其线型仍是洛仑兹线型，非均匀加宽整个谱线这些“小的洛仑兹线型”的包络。不同的原子向不同的谱线发射，即不同的原子只对谱线内与它的中心频率响应的部分有贡献；可以分辨出谱线上的某一频率范围是哪一部分原子发出的。7.粒子数反转条件？激光工作物质在热平衡下能否实现粒子数反转？怎样实现？内有能实现反转分布的物质（称为激活介质）。合适的能级结构。外有激励源。这一能量供应过程叫做“激励”或“激发”“抽运”“泵浦”不能。8.为什么四能级系统比三能级系统易实现粒子数反转？三能级系统缺点:由于基态能级上总是集聚着大量的粒子，因此要实现反转，外界抽运需相当强。四能级系统：激光的下能级不是基态，而且，E2与基态E1的间隔大，在热平衡条件下，只有极少数粒子处于E2能级。另外自发辐射和受激辐射跃迁到E2能级上的粒子通过无辐射跃迁回到基态E1，由于S21很大，故E2上的粒子数可以忽略不计9.常用的抽运（泵浦）的方法。光学泵浦、电子碰撞、共振转移、化学反应。10.谱线加宽后自发辐射、受激辐射和受激吸收几率如何改变。乘上G（v）。A21()A21g(,).表示在自发辐射跃迁几率A21处的单位频带内的自发跃迁几率。11.增益系数的物理意义是什么？若增益系数不随距离改变，增益系数与光强的表达式怎样？设频率为ν的单色光，沿x轴入射，单位时间经dx厚度后，光强改变量为dI，增益系数定义为：光强随距离指数增加12.什么是增益饱和现象，增益饱和是怎样产生的？随着Iv的增大,G（v）和△n不增反降的现象。入射光引起强烈的受激辐射使激光上能级粒子数减少。激光发光的强度的增加是以消耗反转粒子数为代价的。而增益系数与反转粒子数成正比，所以增益下降。13.对均匀加宽和非均匀加宽介质，其增益系数如何改变？对于均匀加宽介质：光强Iν使均匀加宽型介质对各种频率的光波的增益系数都均匀下降。由于每个粒子对谱线不同的频率处都有贡献，所以当某一频率的受激辐射消耗了激发态的粒子时，也就减少了对其它频率信号的增益起作用的粒子数，其结果是增益曲线在整个谱线上均匀的下降。对于非均匀加宽介质：光强Iν使非均匀加宽型介质只能引起某个范围内的光波的增益系数下降，并且下降的倍数不同。因此在曲线上形成一个以ν1为中心的凹陷，称为烧孔效应。因为每一种特定类型的粒子，只能同某一定频率v的光相互作用。14.光学谐振腔的构成及分类。以这一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。两块反射镜以一定的间距平行放置，即构成了最简单的光学谐振腔。两个反射镜中，一个为全反射镜，另一个为部分反射镜。稳定腔，非稳腔，临界腔;共焦腔，共心腔15.简述谐振腔的作用。（1）提供光学正反馈作用，保证光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大,从而在腔内建立和维持稳定的自激振荡。得到高强度的激光。（2）使激光具有极好的方向性和单色性.只有与反射镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射，雪崩式地放大。从入射的荧光宽带光中挑选出一系列离散的透射中心波长，并大大压缩其线宽，以某种方式取出的一个单一频率，使输出单色性将大大提高。16.激光纵模和横模的概念。可能存在于谐振腔中的电磁振荡，称为模式。沿腔轴方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模。垂直于腔轴方向的稳定场分布称为谐振腔的横模。向一个方向传播的诸相干光束位相相同，相互加强，产生谐振，形成激光。17.如何计算谐振频率？纵模间隔？18.激光振荡的阈值条件、频率条件？产生激光的条件？起振模式数的计算方法？19.模式竞争的概念。均匀加宽和非均匀加宽激光器纵模竞争特点？如果有多个模式的谐振频率落均匀加宽工作物质的增益曲线振荡线宽内，各模式尽管频率不同，但使用的都是相同的反转粒子数密度，因此模式之间存在竞争。（1）饱和效应引起竞争。理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模，其频率在增益曲线中心频率附近。（2）空间烧孔效应引起多纵模振荡。在腔内由于轴向空间烧孔效应，不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡，这一现象称为纵模的空间竞争。若两纵模的烧孔部分或全部重合，则因为它们共用或部分共用一群激活粒子而产生相互竞争，造成输出功率的起伏。20.简述常用的纵模和横模选择技术？常用的模式选择方法及原理。针对压缩振荡光束的发散角，从而改善其方向性的横模选择技术；基横模选择方法主要是在谐振腔内插入附加的选模元件。采用光阑法选模。小孔光阑法：结构简单、调整方便，但激光工作物质未充分利用，使输出功率下降较大。聚焦光阑法：在谐振腔中加上两个共焦透镜进行选模。提高了激活介质的利用率，增大激光输出功率。用于限制振荡频率数目的纵模选择技术。短腔法：增大纵模频率间隔，使其在荧光谱线有效宽度范围内，只存在一个纵模振荡。法布里－珀罗标准具法Fabry-Perot：谐振腔中插入一块法布里－珀罗标准具来选择纵膜。F－P标准具是一种光学元件，它相当于一块滤光片，对不同的波长有不同的透射率。21.简述电光调制、声光调制、磁光调制的基本概念和原理。调制：这种将信息加载于激光的过程。电光调制是利用电光效应。某些晶体受到外加电场作用，其折射率发生改变，可以使本是各向同性的介质产生双折射，本是各向异性的晶体其双折射特性发生变化。因外加电场使介质光学性质发生变化的效应，称为电光效应。电致折射率变化是利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。声光调制是利用声光效应。超声波是纵向波，它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，使介质的折射率发生相应变化。光波通过此介质时，光的强度、频率等均随超声场变化，称声光效应。磁光调制的物理基础是磁光效应，即晶体受到磁场作用时表现出旋光特性。当光波进入施加了磁场的介质时传播特性发生变化。磁光调制是先把电信号转变成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振状态，从而达到噶边光强度等参量的目的。22.简述激光器调Q技术的工作原理。常用的调Q方法。一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。原理：增加腔损耗-输出关闭-累计能量-减小腔损耗-迅速输出.泵浦连续传送恒定的功率，Q关闭时聚集粒子数差储存能量；开通时，损耗减小，聚集的大量粒子数差被迅速释放出来，产生强大的激光脉冲。常用方法：转镜调Q，电光调Q，声光调Q，染料调Q。转镜调Q就是靠改变反射镜的平行度来调制腔的Q值的方法。电光调Q：利用电光晶体在外电场的作用下，使入射偏振光的振动方向发生变化的效应，从而人为地加入可控的等效反射损耗的方法。声光调Q：当光通过介质中的超声场时，由于衍射造成光的偏折来控制激光器的Q值的一种方法。染料调Q：利用某种材料(通常是用有机染料)对光的吸收系数会随光强变化的特性来达到调Q的目的。23.简述锁模激光器的工作原理。锁模激光器的输出特性及其计算。用某种方法强使这些振荡模式维持固定的频率间隔、固定的相对相位，则激光器输出的光波将是脉宽极窄的、峰值功率很高的光脉冲。由于各相邻模之间的频率间隔是固定的纵模条件，各模的振动方向对于一定激光器是相同的。因此要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只要使各相邻模之间具有固定的相位关系。输出特性：