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1、一、概念题：1. 光子简并度：处在同一光子态的光子数称为光子简并度。（光子简并度具有如下几种相似的含义，同态光子数、同一模式内的光子数、处在相干体积内的光子数、处在同一相格内的光子数。)2. 集居数反转：把处在基态的原子大量激发到亚稳态,处在高能级E的原子数就可以大大超过处在低能级E1的原子数,从而使之产生激光。称为集居数反转（也可称为粒子数反转)。3. 光源的亮度：单位截面和单位立体角内发射的光功率。4. 光源的单色亮度：单位截面、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率。5. 模的基本特性:重要指的是每一种摸的电磁场分布,特别是在腔的横截面内的场分布；模的谐振频率;每一种模在腔内来回一次经受
2、的相对功率损耗;与每一种模 相相应的激光束的发散角。6. 几何偏折损耗：光线在腔内来回传播时,也许从腔的侧面偏折出去，这种损耗为几何偏折损耗。（其大小一方面取决于腔的类型和几何尺寸，另一方面几何损耗的高下依模式的不同而异。）7. 衍射损耗:由于腔的反射镜片一般具有有限大小的孔径,当光在镜面上发生衍射时所导致一部分能量损失。（衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数N/L有关，与腔的几何参数g有关，并且不同横模的衍射损耗也将各不相似。）8. 自再现模:光束在谐振腔通过多次反射,光束的横向场分布趋于稳定，场分布在腔内来回传播一次后再现出来，反射只变化光的强度大小,而不变化光的强度分布。9. 开腔的自再现模或横
3、模:把开腔镜面上的经一次来回能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。10. 自再现变换：如果一种高斯光束通过透镜后其构造不发生变化，即参数。或f不变，则称这种变换为自再现变换。11. 光束衍射倍率因子定义:实际光束的腰半径与远场发射角的乘积与基模高斯光束的腰半径与远场发散角的乘积的比。12. 均匀加宽：如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的,则这种加宽称作均匀加宽。(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，每一发光原子对光谱线内任一频率均有奉献。涉及自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽。)13. 非均匀加宽：原子体系中每个原子只
4、对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有奉献,因而可以辨别谱线上的某一频率范畴是由哪一部分原子发射的,这种加宽称作均匀加宽。(气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽均属非均匀加宽。）14. 表观中心频率：沿z方向传播的光波与中心频率为并具有速度的运动原子互相作用时,原子体现出来的中心频率为运动原子的表观中心频率。15. 反转集居数的饱和:反转集居数，当足够强时，将有，越强,反转集居数减少得越多,这种现象称为反转集居数的饱和。16. 反转集居数的烧孔效应：一定频率v和光强i的光入射时使表观中心频率在一定范畴内的粒子有饱和作用，在反转集居数曲线上形成一种以为中心的孔的现象称为反转集
5、居数的烧孔效应。17. 空间烧孔效应：轴向各点的反转集居数密度和增益系数不相似,波腹处增益系数(反转集居数密度)最小，波节处增益系数(反转集居数密度)最大。这一现象称作增益的空间烧孔效应。18. 驰豫振荡效应（或尖峰振荡效应):一般固体脉冲激光器所输出的并不是一种平滑的光脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列,即所谓“尖峰”序列。鼓励越强,则短脉冲之间的时间间隔越小。19. 线宽极限:由自发辐射而产生无法排除的线宽为线宽极限。20. 频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散,使纵模频率比无源腔纵模频率更接近中心频率,这种现象叫做频率牵引。二、问答题.弛豫振荡如何形成的（尖峰形成）？答：驰豫
6、振荡的形成定性地解释为当泵浦鼓励使粒子反转数n增长,激光器内光子数密度急剧增长，粒子反转数n达到并稍超过阈值时,开始产生激光受激辐射使粒子反转数n下降,当n下降到阈值时,激光脉冲达到峰值n不不小于阈值,增益不不小于损耗,因此光子数减少.但随着光泵的增长,又重新增长,再次达到阈值时,又产生第二个尖峰脉冲.在整个光泵时间内，这种过程反复产生,形成一群尖峰脉冲序列泵浦功率越大,尖峰形成越快,因而尖峰的时间间隔越小。尖峰序列是向稳态振荡过渡的弛豫过程的产物。如果脉冲鼓励持续时间较短,输出具有尖峰序列,而在持续工作器件中，则可得到稳定输出。2. 为什么自发辐射会导致浮现线宽极限？能消除吗？答:我们在分析
7、激光器振荡过程时,忽视了自发辐射的存在,而事实上自发辐射是始终存在的。考虑线宽问题时却必须考虑自发辐射的影响。下面对这一问题进行粗略的分析。于存在着自发辐射，稳定振荡时的单程增益略不不小于单程损耗,有源腔的净损能s不等于零。虽然该模式的总光子数密度Nl保持恒定，但白发辐射具有随机的相位,因此输出激光是一种略有衰减的有限长波列,因此具有一定的谱线宽度vs这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排除的,因此称它为线宽极限。.调Q原理和目的是什么？简朴理解电光调、声光调Q等答:目的:为了得到高的峰值功率和窄的单个脉冲。 原理:采用某种措施使谐振腔在泵浦开始时处在高损耗低值状态，这时激光振荡的
8、阈值很高,粒子密度反转数虽然积累到很高水平也不会产生振荡;当密度反转数达到其峰值时,忽然使腔的Q值增大,将导致激光介质的增益大大超过阈值，极其迅速地产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会不久转换为光子的能量，光子像雪崩同样以极高的速率增长,激光器便可输出一种峰值功率高、宽度的激光巨脉冲。电光调Q:(电光调制是运用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同,可分为纵向调制和横向调制。）电光晶体上施以电压V/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x和方向的偏振分量产生了/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过
9、电光晶体后又将产生/2延迟,合成后虽仍是线偏振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种状况下谐振腔的损耗很大，处在低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子。如果在某一时刻,忽然撤去电光晶体两端的电压，则谐振腔突变至低损耗、高值状态,于是形成巨脉冲激光。声光调Q:声光开关置于激光器中，在超声场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增长,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若这时忽然撤除超声场，则衍射效应即刻消失,谐振腔损耗忽然下降,激光巨脉冲遂即形成。(在激光谐振腔内放声光偏转器,当光通过介质中的超声时，由于衍射导致光的偏折，就会增长损耗而
10、变化腔的Q值。)(常用的调措施有转镜调、电光调Q 、声光调Q与饱和吸取调Q等。前三种措施中谐振腔损耗由外部驱动源控制制,称为积极调Q。，后一种措施中,谐振腔损耗取决于腔内激光光强,因此称为被动调Q。)4. 锁模的目的是什么？为什么模数越多越好？答：目的：为了得到更窄的脉宽,更高的峰值功率。锁模技术是进一步对激光进行特殊的调制，逼迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。锁模时的最大光强为,如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的，输出功率为各模功率之和，即。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+)倍。腔长越长,荧光线宽越大，则腔内振荡的纵模数目越
11、多,锁模脉冲的峰值功率就越大。5对几种典型固体激光器和气体激光器的理解（工作物质、波长、特点)答：固体激光器：、红宝石激光器: 工作物质：三氧化铝中掺入少量的氧化铬生成的晶体 波 长:荧光谱线有两条:R=0693um和R=0.929um 特 点:长处是机械强度高，容易生长大尺寸晶体,容易获得大能量的单模输出,输出的红颜色激光不仅可见,并且适于用硅探测器进行探测。缺陷阈值高和温度效应非常严重。2、掺钕钇铝榴石激光器:工作物质:将一定比例的AL2O、Y23和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶形成。 波 长:1.35u和1.6um特 点:突出长处是阈值低和具有优良的热学性质。3、 钕玻璃激光器:工
12、作物质:钕玻璃是在硅酸盐或磷酸盐玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。波 长:一般状况下激射波长为1060n特 点:泵浦吸取带宽,荧光寿命长,荧光线宽度较长，量子效率较低,受激辐射截面小。4、 钛宝石激光器: 工作物质:钛宝石中，少量的钛离子取代了三氧化铝晶体中的铝离子。 波 长:荧光谱线790n 特 点：是一种可调谐固体激光器,在很宽的波长范畴内持续可调。具有很宽的荧光谱，具有极窄的脉宽。 气体激光器:1、He-Ne激光器： 工作物质：Ne原子,激光辐射发生在Ne原子的不同能级之间。He气重要提高e原子泵浦速率的辅助作用。 波 长：激光谱线三条628um、.15u和3.3u特 点：具有构造简朴,
13、使用以便。光束质量好，工作可靠和制造容易6、 P310的内容:半导体二极管激光器所波及的半导体材料有诸多种，但目前最常用的有两种材料体系。一种材料体系是以GAs和GaAl(下标x表达GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分数）为基本的。这种激光器的激射波长取决于下标x及掺杂状况,一般为0.5m左右。这种器件可用于短距离的光纤通信和固体激光器的泵浦源。另一种材料体系是以InP和GaAsP为基本的。这种激光器的激射波长取决于下标x和下标，一般为（0921.6)m。但最常用的波长是1.、148m和1.55,其中1.55m附近的波长备受青睐。由于光纤对1.5m的光的传播损耗已经可以小到0.15d/m。
14、采用这种极低传播损耗的光纤传播波长在1.5附近的激光，可使长距离高速光纤通信成为也许。近年来,以GaAlAsaA和材料体系为基本的可见光半导体激光器也得到迅速发展，其波长分别为780nm和（630680)nm。7、稳定性判断圆法分别以两个反射镜的曲率半径为直径，圆心在轴线上,作反射镜的内切圆,该圆称为圆;若两个圆有两个交点,则为稳定腔;若没有交点,则为非稳腔；若只有一种交点或者完全重叠，则为临界腔;(、为什么要模式选择？答：抱负激光器的输出光束应只具有一种模式,然而若不采用选模措施,多数激光器的工作状态往往是多模的。具有高阶横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角较大。具有多纵模及多横模的激光束
15、单色性及相干性差。激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅规定激光是单横模的,同步规定光束仅具有一种纵模。横模选择涉及1.小孔光阑选模、2.谐振腔参数g、选择法、3非稳腔选模、4微调谐振腔。纵模选择涉及.短腔法、2.行波腔法、3.选择性损耗法。2.短腔法？?缩短谐振腔长度,可增大相邻纵模间隔,以致在荧光谱线有效宽度内,只存在一种纵模,从而实现单纵模振荡。短腔选模条件可体现为式中舰为由0（)/条件决定的振荡带宽。这一措施合用于荧光谱线较窄的激光。、为什么要频率稳定，有什么措施?？?答:自发辐射噪声引起的激光线宽极限的确很小,但由于多种不稳定因素的影响，实际激光频率的漂移远远不小于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应朗领域中,需要频率稳定的激光。措施：兰姆凹陷稳频；塞曼稳频;饱和吸取稳频;无源腔稳频。(补充：结合上面均匀加宽和非均匀加宽的概念:在均匀加宽谱线状况下,由于每个粒子对谱线不同频率处的增益均有奉献,因此当某一频率(1)的受激辐射消耗了激发态的粒子时.，也就减少了对其她
