2022年激光原理与技术复习——简答题.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 激光原理复习题-填空 简答论述为辐射场）：处于上能级的原子在频率为的辐射场作1. 什么是光波模式？3 受激辐射答：光波模式 : 在一个有边界条件限制的空间内,只能存 在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波；这种能用下,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；够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模特点： a 只有外来光子能量时,才能引起受激辐射；b 式；受激辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、2. 如何懂得光的相干性？何谓相干时间、相干长度？偏振方向、相位等性质完全相同；答：光的相干性 : 在

2、不同的空间点上、在不同的时刻的光 受激辐射跃迁概率：（为受激辐射跃迁爱因斯坦系数,波场的某些特性的相关性；为辐射场）相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间,称6. 系数有哪些？它们之间的关系是什么？为相干时间；答：自发跃迁爱因斯坦系数,受激吸取跃迁爱因斯坦系相干长度：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；数,受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系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？答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简7. 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

3、并度；激发射作用的物质体系；接收来自泵浦源的能量,对外光子简并度有以下几种相同含义：同态光子数、同一模 发射光波并能够剧烈发光的活跃状态,也称为激活物式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相 质；格内的光子数；泵浦源：供应能量,实现工作物质的粒子数反转；联系：激光源的光子简并度打算着激光的相干性,光子 光学谐振腔：a 供应轴向光波模的正反馈；b 模式选简并度越高,激光源的相干性越好；择,保证激光器单模振荡,从而提高激光器的相干性；4. 什么是黑体辐射？写出公式 , 并说明它的物理意义；8. 什么是热平稳时能级粒子数的分布？什么是粒子数反答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平稳情形下,它

4、所吸取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）平稳状态,这种平稳必定转？如何实现粒子数反转？答：热平稳时能级粒子数的分布：在物质处于热平稳状 态时,各能级上的原子数（或集居数）听从玻尔兹曼分导致空腔内存在完全确定的辐射场,这种辐射场称为黑 布；体辐射或平稳辐射；粒子数反转：使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密物理意义：在单位体积内,频率处于邻近的单位频率间 度；隔中黑体的电磁辐射能量； . 如何实现粒子数反转：外界向物质供应能量（称为鼓励5. 描述能级的光学跃迁的三大过程,并写出它们的特点 和跃迁几率； Page10 或泵浦过程）,从而使物质处于非平稳状态；9. 如

5、何定义激光增益？什么是小信号增益？大信号增答： 1 自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃 益？增益饱和？迁,并发射一个能量为的光子,这种过程称为自发跃 答：激光增益定义：表示光通过单位长度激活物质后光迁,由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射；强增长的百分数；特点： a 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐 小信号增益：当光强很弱时,集居数差值不随 z 变化,射场无关的自发过程 , 无需外来光；b 每个发生辐射的 增益系数为一常数,称为线性增益或小信号增益；原子都可看作是一个独立的发射单元,原子之间毫无联 大信号增益：在放大器中入射光强与 为饱和光强 相比系而且各个原子开头发光的时间参差

6、不一,所以各列光 拟时,为大信号增益；波频率虽然相同,均为,各列光波之间没有固定的相位 增益饱和：当光强足够强时,增益系数 g 也随着光强的关系,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：增加而减小,这一现象称为增益饱和效应；10. 什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？答：自激振荡：不管初始光强多么柔弱,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2 受激吸取：处于低能态的一个原子,在频率为的辐 概念；射场作用（鼓励）下,吸取一个能量为的光子并向能

7、态 产生条件：跃迁,这种过程称为受激吸取跃迁；特点： a 只有外来光子能量时,才能引起受激辐射；b11. 激光的基本特性是什么？跃迁概率不仅与原子性质有关,仍与辐射场的有关；受激吸取跃迁概率：（为受激吸取跃迁爱因斯坦系数,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；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 12如何懂得激光的空间相干性与方向性？如何懂得激 和本征值各代表什么 . 光的时间相干性？如何懂得激光的相干光强 . 答：本征函数 : 描述腔的一个自再现模式或横模；其模答： 1

8、 激光的方向性越好,它的空间相干性程度越高；描述镜面上场的振幅分布,幅角描述镜面上场的相位分2 激光的相干时间和单色性存在着简洁关系,即单色越 布；好,相干时间越长；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本征值值 : 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来回一次的功率损 耗,幅角量度自再现模的单程相移,从而也打算模的谐和单色亮度；振频率；13. 什么是谐振腔的谐振条件？如何运算纵模的频率、纵 模间隔和纵模的数目？答： 1 谐振条件：谐振腔内的光要满意相长干涉条件（也称为驻波条件）；波从某一点动身,

9、经腔内来回一18. 什么是一般稳固球面腔与共焦腔的等价性？答： 1 任意一个共焦球面腔与无穷多个稳固球面腔等 价； 2 任一满意稳固条件的球面腔唯独地等价于某一个 共焦腔；即假如某一个球面腔满意稳固性条件,就必定周再 可以找到而且也只能找到一个共焦腔,其行波场的某两回到原先位置时,应与初始动身波同相（即相差为的整 个等相位面数倍）；假如以表示匀称平面波在腔内来回一周时的相 位滞后,就可以表示为；为光在真空中的波长,为腔的与给定球面腔的两个反射镜面相重合；19. 高斯光束的表征方法有哪些？光学长度,为正整数；,答： 1 表征方法a 用束腰半径 或共焦参数 及束腰位2 如何运算纵模的频率、纵模间隔

10、和纵模的数目纵模置表征高斯光束；b 用光斑半径及等相位面曲率半径表的频率 : ；纵模间隔 : 征高斯光束；纵模的数目 : 对于满意谐振条件频率为的波,其纵模数目20. 为了使高斯光束获得良好聚焦,常采纳的方法有哪为小信号增益曲线中大于阈值些？增益系数的那部分曲线所对应的频率范畴 振荡带宽 ；答： a 用短焦距透镜；14. 在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素,分别与哪些因b 使高斯光束腰斑远离透镜焦点；素有关？c 将高斯光束腰斑半径放在透镜表面处 . 答：损耗因素：21. 非稳腔和稳固腔的区分是什么？举例说明哪些是非稳几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有 腔？关；答： 1 区分：稳固腔中

11、傍轴光线能在腔内来回任意多次衍射损耗：与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次 而不致横向溢出腔外；而非稳腔中傍轴光线在腔内经过有关；有限次来回后必定从侧面溢出腔外；腔镜反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率 2 非稳腔类型有关；全部双凸腔；全部平- 凸腔；凹面镜曲率半径小于腔长材料中的非激活吸取、散射、腔内插入物所引起的损 的平 - 凹腔；一镜曲率半径小于腔长一镜曲率半径大于耗：与介质材料的加工工艺有关；腔长的双凹腔 - 双凹非稳腔；两镜曲率半径之和小于腔长15. 哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？的双凹腔；凹面镜曲率半径小于腔长的凹凸非稳腔-凹凸Page29-31 非稳腔；

12、两镜曲率半径之和大于腔长的凹凸非稳腔 . 答： 1 描述参数： a 平均单程损耗因子：（为初始光 22. 什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？加宽机制是什强,为来回一周后光强）b 腔内光子的平均寿命：c 品 么？质因数：答： 1 谱线加宽：由于各种因素的影响,自发辐射并不2 关系：腔的损耗越小,平均单程损耗因子越小,腔内是单色的,而是分布在中心频率邻近一个很小的频率范光子的平均寿命越长,品质因数越大；围内,这就叫谱线加宽；16. 如何懂得激光谐振腔衍射理论的自再现模？2 加宽类型及机制答：开腔镜面上,经过足够多次来回后,能形成这样一 a 匀称加宽 自然加宽 机制：原子的自发辐射引起的；种稳恒场,其

13、分布不再受衍射的影响,在腔内来回一次 碰撞加宽 机制：大量原子（分子、离子）之间的无规章能 碰撞；够再现动身时的场分布；这种稳恒场经一次来回后,唯 晶格振动加宽：机制：晶格振动使激活离子处于随周期一可能的变化是,镜面上各点的场分布按同样的比例衰 变化的晶格场,激活离子的能级所对应的能量在某一范减,各 围内变化；点的相位发生同样大小的滞后；把这种开腔镜面上的经 b 非匀称加宽一次来回能再现的稳恒场分布称为开腔的自再现模；多普勒加宽 机制：由于作热运动的发光原子（分子所发17. 求解菲涅尔 - 基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数出）辐射的多普勒频移引起的；名师归纳总结 - - - - - - -第

14、 2 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 晶格缺陷加宽机制：晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷频率为的强光入射不仅使自身的增益系数下降,也使其部位的抱负晶格场不同,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 益在整个谱线上匀称的下降；的发光中心频率不同；2 非匀称加宽工作物质中c 综合加宽 频率为的强光入射时,会形成以为中心,宽度为的烧气体工作物质的综合加宽 机制：由碰撞引起的匀称加宽 孔,如入射频率为的弱光处在烧孔造成和多普勒非匀称加宽；的烧孔范畴之内,就弱光增益系数将小于小信号增益系固

15、体激光工作物质综合加宽 机制：由晶格热振动引起的 数,如处于烧孔范畴之外,就弱光增益系数不受强光的匀称加宽和晶格缺陷引起的非匀称加宽；液体工作物质 影响的综合加宽 机制：溶于液体中的发光分子与其它分子碰 仍等于小信号增益系数；撞而导致自发辐射的碰撞加宽；28. 描述非匀称加宽工作物质中的增益饱和的“ 烧孔效23. 如何懂得匀称加宽和非匀称加宽？应” ,并说明原理；答：匀称加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等 同的,对于匀称加宽,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答： 1 描述 : 对于非匀称加宽工作

16、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；奉献；2 原理：在非匀称加宽工作物质中,频率的强光只在附非匀称加宽：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奉献,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；24. 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,为什么三能级系统比四能级系统需近宽度约为的范畴内引起反转集居数的饱和,对表观中 心频率处在烧孔范畴外的反转集居数没有影响；如有一 频率为的弱光同时入射,假如频率处在强光造成的烧孔 范畴之内,就由于反

17、转集居数的削减,弱光增益系数将 小于小信号增益系数；假如频率处于烧孔范畴之外,就要更强的鼓励？弱光增益系数不受强光的影响而仍等于小信号增益系答 ：这 是因 为四 能级 系统 系统 的激 光下 能级 为激 发 数,所以在增益曲线曲线上,在频率处产生一个凹陷,态,所以只需把个粒子鼓励到能级就可以使增益克服 凹陷宽度约为；腔的损耗而产生激光；而在三能级系统中,激光下能级 是基态,至少要将个粒子鼓励到能级上去,才能形成集 居数反转,所以三能级系统的阈值能量或阈值功率要比29 激光器的振荡条件是什么？稳固工作条件？答： 1 振荡条件：满意腔的谐振条件,成为腔的梳状模之一；频率落在工作物质的谱线范畴内,即

18、对应增益系四能级系统大得多；数大于等于阈值增益系数；25. 说明匀称加宽和非匀称加宽工作物质中增益饱和的机2 稳固工作条件：增益系数等于于阈值增益系数理. ；30. 在匀称加宽和非匀称加宽激光器中模式竞争有什么不答：匀称加宽增益饱和机理 同？在匀称加宽情形下,每个粒子对谱线不同频率处的增益 都有奉献,也就是说匀称加宽的激光工作物质对各种频答：匀称加宽激光器中只要有几个满意阈值条件的纵 模,就会在振荡过程中相互竞争,结果总是靠近中心频率 率的一个纵模得胜,形成稳固振荡,其它纵模都被抑制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而熄灭；因此抱

19、负情形下,匀称加宽稳态激光器的输出 应是单纵模的,单纵模的频率总是在谱线中心频率附下降又 近；将导致弱光增益系数的下降,结果是增益在整个谱线上 非匀称加宽激光器中也存在模式竞争,当纵模形成的烧匀称地下降；孔重叠时会发生竞争,竞争模的输出功率无规章起伏；非匀称加宽增益饱和机理 26. 饱和光强的含义？怎样定义的？31. 什么是兰姆凹陷？定性说明其成因；答： 1 激光器的单模输出功率和单模频率的关系曲线答： p151 饱和光强的物理意义是：当入射光强度可以 中,在处,曲线有一凹陷,称为兰姆凹陷；2 成因：当和比拟时,受激辐射造成的上能级集居数衰减率才可以 频率接近,且时,两个烧孔部分重叠,烧孔面积

20、的和可与其它弛豫过程（自发辐射及无辐射跃迁）相比拟；因 能小于时两个此当时,与光强无关,而当可以和相比拟时,随着的增 加而削减,削减到小信号情形下的倍；27在强光入射下,匀称加宽和非匀称加宽工作物质 中,弱光的增益系数如何变化？答： 1 匀称加宽物质中烧孔面积的和时,两个烧孔完全重合,此时只有邻近的 原子对激光有奉献,虽然它对 应着最大的小信号增益,但由于对激光作奉献的反转集 居数削减了,即烧孔面积削减了,所以输出功率下降到 某一微小值,从而显现兰姆凹陷；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 32. 什么是激光器的弛豫振

21、荡现象？开关的推迟时间由材料本身打算,不受人掌握,故又称答：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光 为被动调 Q技术；）脉冲,而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列,即所37 设么叫内调制什么叫外调制？谓 答：在激光形成的振荡过程中加载调制信号,通过转变“ 尖峰” 序列,鼓励越强,就短脉冲之间的时间间隔越 小,把上述现象称为弛豫振荡效应或尖峰振荡效应；33. 为什么存在线宽极限？它取决于什么？激光的（输出）特性实现调制的方法称为内调制；在激 光形成以后,用调制信号对激光进行调制,调制不转变 激光器的参数,而是转变已经输出的（激光束）的参答： 1 由于存在着自发辐射,稳固振荡时的单程增益略

22、数,称为外调制；小于单程损耗,有源腔的净损耗不等于零,虽然该模式38、第一台激光器是谁制造的是什么激光器,它属于哪的光子数密度保持恒定,但自发辐射具有随机的相位,一类型的激光器？所以输出激光是一个具有衰减的有限长波列,因此具有 肯定的谱线宽度,这种线宽是由于自发辐射的存在而产（1960）年美国加利福尼亚州休斯航空公司试验室的研 究员梅曼 Maiman 制成世界上第一台激光器红宝石激生的,因而是无法排出的,因此称为线宽极限；光器；2 取决于输出功率、损耗及腔长；输出功率越大,线宽就越窄；减小损耗和增加腔长也可激光是利用（光能）、热能、电能、化学能或核能等外 部能量来鼓励物质,使其发生受激辐射而产

23、生的一种特以使线宽变窄；殊的光；依据激光器工作物质分类有：固体激光器；34. 简述横模和纵模挑选的原理及详细方法；（气体激光器）；液体激光器；染料激光器；半导体激答： 1 横模挑选 光器等；原理：在各个横模增益大体相同的条件下,不同横模间 按激光器运转方式分类有：连续激光器；脉冲激光器；衍射损耗有差别,在稳固腔中,基膜的衍射损耗最低,调 Q 激光器；锁模激光器；单模和稳频激光器；可调随着横模阶次的增高,衍射损耗将快速增加；假如降低 谐激光器等；基膜的衍射损耗,使之满意阈值条件（基膜的单程增益 至少能补偿它在腔内的单程损耗）,就其它模因损耗高按激光鼓励方式分类有：光泵式激光器；（电鼓励式激 光器

24、）；化学鼓励激光器（又称化学激光器）；核泵激而不能起振被抑制；光器；横模挑选方法：小孔光阑选模、谐振腔参数法,非稳腔 选模,微调谐振腔；2 纵模挑选 原理 : 一般谐振腔中有着相同的损耗,但由于频率的差异 而具有不同的小信号增益系数；因此,扩大和充分利用 相邻纵模间的增益差,或人为引入损耗差是进行纵模选 择的有效途径；纵模挑选方法 : ：短腔法、行波腔法、挑选性损耗法；35. 激光器主要的稳频技术有哪些？答：兰姆凹陷稳频、饱和吸取稳频、无源腔稳频；36. 调制激光器的工作原理,目前常用的几种调方法；答： 1 工作原理：通过某种方法使谐振腔的损耗因子 值依据规定的程序变化,在泵浦源刚开头时,先使

25、光腔 具有高损耗因子,激光器由于阈值高而不能产生激光振 荡,于是亚稳态上的粒子数可以积存到较高的水平,然 后在适当的时刻,使腔的损耗因子突然降到,阈值也随 之突然降低,此时反转集居数大大超过阈值,受激辐射 极为快速地增强；于是在极短时间内,上能级储备的大 部分粒子的能量转变为激光能量,形成一个很强的激光 巨脉冲输出；2 调制方法 : 电光调制（利用晶体 电光效应 掌握光在 传播过程中的强度称为电光强度调制；）、声光调制（利用晶体声光效应掌握光在传播过程中的强度称为电 光强度调制；）、被动调 Q（可饱和染料调 Q,. 染料 调 Q 技术是利用某种有机染料材料对光的吸取系数随 光 Q 的技术；这种

26、调 Q 方式中, Q 强 变化的特性,实现调按激光器输出激光的波段范畴分类有：远红外激光器；（中红外激光器）；近红外激光器；可见激光器；近 紫外激光器；真空紫外激光器； X 射线激光器等；世界上第一台激光器是固体激光器；1、固体激光器用（固体材料）作为激光器的工作物质；工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等 2、气体激光器的工作物质是气体或金属蒸气；39、固体激光器的基本组成？一般采纳的泵浦方式？冷 却方式有哪些？答：固体激光器基本上都是由绝缘晶体工作物质、泵浦 系统、谐振腔和（冷却系统）、滤光系统构成的；一 般都采纳光泵浦鼓励,多为工作于 弧光放电 状态的 惰性气体放电灯和霸道体激

27、光器激光；半导体激光器 泵浦固体激光器的结构有端泵浦方式和（侧泵浦）方 式；常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷 却等,其中以液冷最为普遍；40、红宝石激光器、只有红宝石激光器属于 三能级 系 统；其他均为四能级系统；掺钕钇铝石榴石 Nd3 ： YAG,1.06um、CO2 激光器属于 四能级 系统 1.06um、 He-Ne 激光器是典型的（四能 级）系统； 632.8nm 41 染料激光器为什么在大范畴内连续可调？如何实现波 长的调谐？答：染料激光的荧光光谱范畴是准连续宽带结构,可使 染料激光器在大范畴内可以调谐；染料激光器要有 一个（波长挑选）装置如,光栅、棱镜等就可以调名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 谐激光器的输出频率；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 5 页