《激光原理》教学大纲
（课程代码：0813306 ）
一、课程说明
（一）适用专业：光信息科学与技术
（二）课程类别：专业必修课
（三）课程性质与任务：《激光原理》是光信息科学与技术专业的主干专业课，本课程向学生教授激光器的基本原理，培养学生分析解决激光物理问题的能力，特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光信息技术科研及开发工作打下良好的专业基础。
（四）教学目的与要求：
通过本课程的各教学环节，应使学生达到如下基本要求：
1. 了解激光的发现、量子电子学的诞生、激光科学的创立。光的模式及等价概念，光与物质相互作用过程的几种理论描述方法以及辐射量子理论的主要结论；激光物理的理论形式及适用范围。
2. 理解光的自发辐射、受激辐射和受激吸收的爱因斯坦理论，光谱线的形状和加宽机理，粒子数反转分布，增益特性和速率方程理论，激光器的工作过程，谐振腔的光场运动方程及高斯光束特性，等价共焦腔理论，调Q及锁模原理。
3. 掌握辐射半经典理论，激光阈值条件，连续激光器稳定状态的建立，模式竞争，根据激光工作物质的增益特性分析激光器的震荡条件、模式竞争效应、输出功率及激光放大器增益特性，具有均匀加宽和非均匀加宽谱线工作物质增益饱和行为的差别以及相应的激光器工作特性的差别，腔的稳定条件，腔的衍射理论对共焦腔解析解的结果——高斯光束的性质。
4. 熟悉各种微波谐振器的基本结构及其参数计算方法。
5. 掌握辐射半经典理论，激光阈值条件，连续激光器稳定状态的建立，模式竞争，根据激光工作物质的增益特性分析激光器的震荡条件、模式竞争效应、输出功率及激光放大器增益特性，具有均匀加宽和非均匀加宽谱线工作物质增益饱和行为的差别以及相应的激光器工作特性的差别，腔的稳定条件，腔的衍射理论对共焦腔解析解的结果——高斯光束的性质。
（五）先修课程：量子力学、电动力学、热学与统计力学光学原理电子技术基础
（六）学时、学分数：66学时， 4学分。
（七）教学方式及设施要求：本课程的主要教学方式为讲授法，辅以多媒体教学，开设实践教学。
（八）考核方式与要求：课程根据本教学大纲要求统一命题考试。其中笔试成绩占总成绩的60％,平时成绩占10%，实验成绩占30%。
二、课程内容、基本要求与学时分配
（一）
（二）各章节基本内容及要求
第一章：激光的基本原理
教学目的：要求学生初步认识与掌握光相干性的描述方法和光子简并度的概念；光和物质的三个共振相互过程的特点；激光产生的基本思想和集居数反转的概念；激光的特性
基本要求：
1.初步认识与掌握光相干性的描述方法和光子简并度的概念；
2.光和物质的三个共振相互过程的特点
3.激光产生的基本思想和集居数反转的概念
4.激光的特性
本章重点：光子简并度、集居数反转的概念，光和物质的三个共振相互过程的名称和特点
本章难点：光相干性的描述方法
教学时数：6
教学内容：
1.1绪论
1.2相干性的光子描述
1.3光与物质的三个共振相互作用过程
1.4光的自激振荡与激光的特性
1.5光的自激振荡与激光的特性
考核要求：光子简并度、集居数反转的概念；光和物质的三个共振相互过程的名称和特点；激光的特性；理解光相干性的描述方法、激光产生的基本思想。
思考题（作业）：1－2、5、7、9、13
第二章开放式光腔与高斯光束
教学目的：要求学生初步掌握和理解光腔损耗、自再现模，衍射积分理论，深刻理解高斯光束、对称共焦腔光腔的特点及非稳腔基模的几何光学处理方法和几何自再现波型。
基本要求：
1．掌握光腔的损耗的种类和描述
2．理解开放式光腔自再现模的形成与衍射积分理论；
3．掌握和理解对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价关系及模式特点
4．深刻理解高斯光束的自再现变换与稳定球面腔的关系，高斯光束的自再现变换与稳定球面腔的关系
5．掌握高斯光束的基本性质、q参数变换、聚焦和准直
6．掌握非稳腔基模的几何光学处理方法和几何自再现波型。
本章重点：光腔的损耗的种类和描述；横模、纵模的概念；对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价关系及模式特点；高斯光束的基本性质和参数概念；非稳腔基模的几何光学处理方法和几何自再现波型。
本章难点：稳定腔模式的衍射积分理论分析法。
教学时数：14
教学内容：
2.1光腔分类、损耗及腔与模的关系；
2.2共轴球面腔的稳定性条件；
2.3开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法；
2.4平行平面腔模的迭代解法；
2.5方形和圆形镜对称共焦腔的自再现模与行波场特征；
2.6一股稳定球面腔与对称共焦腔的等价关系及模式特征；
2.7高斯光束的基本性质、特征参数及q参数的变换规律
2.8高斯光束的聚焦和准直
2.9高斯光束的自再现变换与稳定球面腔
2.10光束衍射倍率因子
2.11非稳腔的几何自再现波型
2.12非稳腔的几何放大率及自再现波型的能量损耗
考核要求：光腔的损耗的种类和描述；开放式光腔自再现模的形成与衍射积分理论；对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价关系及模式特点；高斯光束的自再现变换与稳定球面腔的关系；高斯光束的基本性质、q参数变换、聚焦和准直；非稳腔基模的几何光学处理方法和几何自再现波型。
思考题（作业）：：2-2、3、4、7、9、10、13、17、21
第三章电磁场和物质的共振相互作用
教学目的：要求学生初步掌握与理解：；；。
基本要求：
1．初步掌握谱线均匀加宽和非均匀加宽的物理含义、种类以及相应的线型函数；
2．理解单模情况下典型激光器的速率方程组；
3．掌握均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益系数及增益饱和特点；
4．掌握增益烧孔效应的概念；
本章重点：谱线均匀加宽和非均匀加宽的物理含义、种类以及相应的线型函数；单模情况下典型激光器的速率方程组。
本章难点：光学多普勒效应及多普勒加宽；增益饱和的实质、表现及数学处理；烧孔效应的形成过程。
教学时数：8
教学内容：
3.1光和物质相互作用的经典理论简介
3.2谱线加宽和线型函数
3.3典型激光器的速率方程
3.4均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益系数
考核要求：谱线均匀加宽和非均匀加宽的物理含义、种类以及相应的线型函数；单模情况下典型激光器的速率方程组；均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益系数及增益饱和特点；增益烧孔效应的概念。
思考题（作业）：：3-5、8、9、12、17、19、21
第四章激光振荡特性
教学目的：掌握激光器阈值、模式竞争、兰姆凹陷的基本概念和特点
基本要求：
1．掌握激光器阈值的概念、种类以及影响阈值的因素
2．理解均匀加宽和非均匀加宽激光器的模式竞争特点
3．掌握影响均匀加宽和非均匀加宽单模激光器的输出功率和能量的因素
4．了解兰姆凹陷、弛豫振荡、频率牵引的概念；
5．理解单模激光器线宽极限产生的原因
本章重点：掌握激光器阈值、模式竞争、兰姆凹陷的基本概念
本章难点：理解单模激光器线宽极限产生的原因
教学时数：6
教学内容：
4.1激光器的振荡阈值
4.2激光器的振荡模式
4.3输出功率与能量
4.4弛豫振荡
4.5单模激光器线宽极限产生的原因
4.6激光器的频率牵引
考核要求：激光器阈值的概念、种类以及影响阈值；模式竞争；兰姆凹陷、弛豫振荡、频率牵引思考题（作业）：4-2、4、11、13、18、21
第五章激光放大特性
教学目的：掌握激光放大器的增益特性，脉冲激光器输出能量和增益特点，自发辐射的概念
基本要求：
1．理解均匀激励和纵向光激励的连续激光放大器的增益特性
2．掌握几种特殊情况下脉冲激光放大器的输出能量和增益特点
3．了解放大自发辐射的概念、用途以及对光放大器的危害
本章重点：均匀激励和纵向光激励的连续激光放大器的增益特性
本章难点：几种特殊情况下脉冲激光放大器的输出能量和增益特点
教学时数：6
教学内容：
5.1激光放大器的分类
5.2均匀激励和纵向光激励连续激光放大器的增益特性
5.3脉冲激光放大器的增益特性
5.4放大的自发辐射和光放大器的噪声
考核要求：均匀激励和纵向光激励连续激光放大器的增益特性，脉冲激光放大器的增益特性，放大的自发辐射
思考题（作业）：5-4、6、8、11、13、16
第六章激光器特性的控制和改善
教学目的：了解几种典型的激光技术，及获得的激光器参数特点
基本要求：要求学生初步掌握与理解：激光模式选择、调Q、稳频以及锁模的目的、原理和典型的实现方法
本章重点：激光模式选择、调Q、稳频以及锁模的目的、原理
本章难点：锁模技术
教学时数：8
教学内容：
6.1模式选择
6.2频率稳定
6.3 Q调制
6.4锁模
考核要求：激光模式选择、调Q、稳频以及锁模的目的、原理和典型的实现方法
思考题（作业）：6-4、6、8、11、13、16、19、21
三、参考教材及资料：
（一）教材
《激光原理》（第五版）周炳琨等编，国防工业出版社，2007年
（二）参考书
1．《激光原理及应用》陈家壁主编，电子工业出版社,2001
2．《激光原理与激光技术》俞宽新等编，北京工业大学出版社,2003
3．《激光技术物理》范安辅等编，四川大学出版社,2001
4.《激光原理教程》沈柯编，北京工业出版社,2005
《激光原理》实验教学大纲
（课程代码：0813306）
一、课程基本情况
（一）课程名称:（中文）《激光原理》实验
（英文）Principles of Laser
（二）课程类别：专业必修课
（三）课程性质：非独立设课
（四）学时、学分
1.课程总学时与学分：66学时、4学分
2.实验学时与学分：18学时、1学分
（五）适用专业：光信息科学与技术
（六）大纲执笔：冯伟伟
（七）大纲审批：
（八）制定（修订）时间：2011-8-20
二、实验教学目的与基本要求
《激光原理》实验在学习《激光原理》课程中占有很重要的地位。《激光原理》是一门理论和实践结合较密切的课程，本实验是针对《激光原理》中基本和典型的原理及理论实施的，在整个教学环节中处于辅助教学的地位。本实验的作用是使学生通过实际动手操作，形象地掌握激光器的一般构造，加深激光特性的理解，了解激光在精密测量中的使用。本实验的目的在于学生根据所学课程知识，在实验指导老师的帮助下，完成激光特性及应用的实验，从而全面地掌握《激光原理》。
三、实验内容与基本要求
注：1.实验类别分必做和选做两种；实验类型为演示型、验证型、综合型、设计型、研究型、创新型等。
2.独立设课的实验不需填写“课程总学时”与“课程总学分”。
3.课程类别分基础课、专业基础课、技术基础课和专业课。
4.课程性质分独立设课和非独立设课。
（二）实验内容及要求
（二）实验内容及要求
实验一He-Ne激光器增益与损耗的测量
内容：
1.画出激光输出功率与激光参数的关系曲线
2.数据处理
3.用极值法求激光参数
要求：
1.加深理解激光器增益与损耗的概念。
2.掌握测量氦氖激光器小信号增益系数与损耗的原理和方法。
仪器：
氦氖气体放电管、永磁铁氧体、全反射腔镜、平行平面镜、激光功率计、转台
实验二He-Ne激光器的模式分析
内容：
1.用扫描干涉仪测量激光光斑
2.用示波器观测频谱图
3.根据干涉序个数和频谱的周性期，确定哪些模属于同一个干涉序
4. 在同一干涉序内，根据纵模定义，测出纵模频率间隔。将测量值与理论值相比较
要求：
1.了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。
2.通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
3.对本实验使用的分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用
仪器：
待测He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、驱动器、光电二极管、示波器实验三高斯光束远场发散角测量
内容：
1.按实验原理设计好光路。
2.按设计好的光路。将各个部件安放好。
3.打开激光器，将光路中各元件调至同轴。
4.将能量功率计的功率功能键按下，功率测量档位调至合适挡位，打开开关。
5.测量加光阑与不加光阑时的输出功率，分别测量五次，列表记录。
6.求出发散角，并计算其绝对误差、相对误差。
要求：
1.了解高斯光束的空间分布特点。
2.掌握测量激光光束发散角的基本方法熟悉离散信号何系统的时域特性。
仪器：
He-He激光器、透镜、LEP-1A型激光功率能量计、小孔光阑、带刻度光学导轨、支架
实验四半导体激光器实验
内容：
1.测量P—I关系曲线，并求出阈值电流
2.发射光谱的测量
3.线宽的压窄及测量（选做内容）；
要求：
1.解半导体激光器的基本工作原理，掌握其使用方法。
2.测量半导体激光器的输出特性和光谱特性。
3.了解外腔选模的机理，了解光栅外腔选模技术（选做内容）。
4.了解用光栅外腔技术压窄线宽的方法（选做内容）
仪器：
半导体激光器，激光功率计，光栅光谱仪及计算机，闪耀光栅件
实验五选频CO2激光器实验
内容：
1．正确使用CO2激光器，并获得最大输出
2.根据实验得到功率谱图
要求：
1.了解纵向放电激励选频CO2激光器的工作原理。
2.掌握用自准直光栅选择波长的原理和方法。
仪器：
CO2激光器、功率计
实验六声光调Q技术
内容：
1.观察布拉格衍射现象
2.激光器的调试
3.观察声光调Q现象
要求：
1.掌握调Q技术的基本原理。
2.观察布拉格衍射现象。
3.观察声光调Q激光器的调Q现象。
仪器：
LD泵浦的固体激光器、声光调Q器件及驱动器、He-Ne激光器、激光功率计、直流稳压电源、仪器升降台等
实验七Nd3+:YAG激光器的安装与调试
内容：
1.熟悉Nd3+:YAG激光器的结构，仔细观察激光器主要部件的结构（聚光腔、反射镜调节架、灯和棒的支架、水冷系统等）。
2.将脉冲氙灯和介质棒分别插入端盖上两孔内，支架于聚光腔内。注意在结合部位用橡皮垫圈密封，
并用压紧螺圈压紧橡皮垫圈，即达到使灯和棒固定的目的，又起到了密封水的作用。
3.安装好聚光腔，装上氙灯接线柱。将氙灯两极与电源接上。
4.安装好反射镜与指示光源。
5.调节LED指示光源，使其与介质棒轴线重合。
6.分别调节两块反射镜支架上的螺钉，使镜面反射光点从小孔返回。
7.打开电源锁，这时水冷开始工作。按下予燃按钮，灯亮；再按下工作电压按钮，灯亮；调电压至900V左右（不能超过1000V），这时应该有激光输出，但很弱。将重复频率调至1次/秒，分别仔细调整两块反射镜调节螺钉，使输出脉冲达最强
要求：
1.通过对Nd3+:YAG激光器的安装与调试熟悉固体激光器的结构和工作原理。
2.学会调整光学谐振腔的基本方法。
3.要求将激光器调整到有最佳输出状态。
仪器：
YAG棒，脉冲氙灯，半反镜透过率：T=80%；储能电容：100μF；聚光腔，激光电源：水冷设备，光学平台及支架，黑相纸，红光LED指示光源光源，小孔光阑
实验八KTP晶体倍频YAG激光器
内容：
1.检测YAG激光出光功率是否正常，微调Y AG激光器使输出功率最佳。
2.转动倍频晶体，使1.06μm的基频光以不同角度入射于晶体。将倍频晶体、平面分光镜，能量计放置在同一水平高度上。
3.每0.5o改变一次，测出倍频光的能量与入射角的对应关系，画出曲线，求出最佳值，并与理论值作比较。
4 将倍频晶体固定在最佳倍频位置，用能量汁分别测出1.06μm的输入光强及0 53μm的倍频光强，计算出倍频效率，反复测三遍，取平均结果。
5 改变YAG激光器电源电压。即改变1 .06μm基频输入光强，用能量计测出倍频光强随基频光强变化的关系曲线。用取对数的方法证明：倍频光强与基频光强的平方正比。
6观察倍频光脉冲宽度和相对线宽变窄的现象，请同学自己设计观测方法（选作）。
要求：
在种类繁多的非线性光学效应中，二次非线性效应(包括二倍频、和频、差频)是最基本的应用最广泛的一种。本实验将主要学习它，希望通过此实验，能对非线性光学的基本原理有所了解；掌握二倍频、和频的产生原理及方法；分析影响倍频转换效率的主要原因；认识相位匹配在非线性光学过程中的重要作用。
仪器：
YAG激光器，KTP晶体、功率计
四、考核方式与评定标准
（一）考核方式
1. 平时操作和实验报告：占40%
2. 操作考试：占60%
（二）评分标准
百分制
五、参考教材（指导书）、参考书
（一）教材
《激光原理》实验指导书，自编
(二) 参考书
1．《激光原理及应用》陈家壁主编，电子工业出版社,2001
2．《激光原理与激光技术》俞宽新等编，北京工业大学出版社,2003
3．《激光技术物理》范安辅等编，四川大学出版社,2001
4.《激光原理教程》沈柯编，北京工业出版社,2005
执笔人：冯伟伟
教研室主任：王安全
系主任：张循利
物理与电子科学系：光电教研室
2011年8 月23 日
1.激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。刺激、激发，散发、发射，辐射 2.激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好： 3.激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。 4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硬目标。软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硬目标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。 软目标的回波机制： （1）Mie散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。因此是一种弹性散射。 （2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。 （3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。 （4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。 （5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。 硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。硬目标对激光能量的反射机制最为重要。 硬目标回波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射 1.机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等 2.机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地面点三维坐标的数学本质是：对一空间向量，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向量起
一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分) 1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。 A. q kL π22= B. q L C q 2= ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。（δφ为往返相移） A. l r r G q ) ln(,2210- ≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφ C. 0, 20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ 3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。 A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共心腔 4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。 A. 单程损耗因子 B. 腔内光子平均寿命 C. Q 值与无源线宽 D. 小信号增益系数 5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。 A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D. 相同谐振频率 6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。 A ． F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.F L L 11121=+ 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的 C 。 A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零； B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关； C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比； D. 自发辐射光相干性好。 8.入射光作用下， C A. 均匀加宽只有部份原子受激辐射或受激吸收； B. 非均匀加宽全部原子受激辐射或受激吸收；
飞秒激光的发展和应用 （.） 摘要：随着激光技术的研究、开发和应用十分活跃。本文简要介绍了飞秒激光发展、特点及技术研究进展和发展趋势。 关键词：飞秒，激光技术，激光手术，激光武器，飞秒脉冲，飞秒激光 作者简介： 0 引言 20世纪以光科学与工程技术研究为基础所积累的丰硕成果，已在世界范围内对人类现代物质和精神文明做出了巨大的贡献。21世纪将是光子技术进一步大发展的时代，激光技术将成为世界各国竞争的焦点之一，以激光技术为核心的相关产业将成为知识经济时代和信息时代的重要驱动力量。 飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4 fs以内（可见光-近红外波段），1飞秒（fs，即10-15 s），仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10 fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1 min而已。飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到100太瓦（TW，即1012 W）甚至皮瓦（PW，即1015 W）量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高[1]。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。 1 飞秒激光的原理 众所周知，组成物质的分子和原子，每时每刻都在快速地运动，这是微观物质重要的基本属性。飞秒激光产生后，人类能够在原子和电子的层面上观察到它们超快运动的过程并加以利用。在高强度飞秒激光的作用下，气态、液态、固态物质会在瞬息间变成等离子体。高功率飞秒激光与电子束碰撞，能够产生X 射线飞秒激光、射线激光以及正负电子对。此外，利用飞秒激光能够有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火[2]。 通过对飞秒的研究，除了揭示自然科学的奥妙之外，还促进了新型“飞秒激光”技术的应用和发展。飞秒激光是一种周期可以用飞秒计算的超强超短脉冲激光。它的出现为人类提供了前所未有的全新实验手段与物理条件，有着十分广阔的应用前景。 2 飞秒激光的特点 根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。 飞秒激光的特点：（1）持续时间极短，只有几个飞秒，是人类目前在实验条件下所能获得的最短的脉冲，所以飞秒激光是无穿透性的，对眼内组织无损伤。（2）具有极高瞬时功率，可达到百万亿瓦。近红外激光脉冲，在经过角膜组织表面时不被吸收，通过调节聚焦透镜和角膜表面相对位置。将脉冲聚焦在预定深度的一个小点上，当每次脉冲达到聚焦点时，触发一次称为激光诱导光衰变作用，多脉冲定位在同一个焦点深度，通过形成一层小直径的气泡来实现切割手术。（3）能聚焦到比头发丝直径还要小的空间区域。每个脉冲的连接的紧密性，决定了切割平面的光滑性。
紫外激光器研究进展及其关键技术 黄川 2120160620 摘要：本文详细介绍了利用LD泵浦的紫外激光器产生紫外激光的非线性原理，并在此基础上介绍了在全固态紫外激光器中用到的倍频晶体的种类和各自的应用场景；介绍了近年来高功率固体紫外激光器研制的国内外进展情况，最后展望了高功率全固体紫外激光器研制的未来。 关键词：紫外激光；非线性光学；相位匹配 1、引言 因为紫外激光具有的短波长和高光子的能量特点，所以紫外激光在工业领域内具有非常广泛的应用。在工业微加工领域内，相较于红外激光的热熔过程，紫外激光加工时的“冷蚀效应”可以使加工的尺寸更小，达到提高加工精度的目的。另外，紫外激光器在生物技术，医疗设备加工，大气探测等领域也有广泛的应用。 一般而言，可以将紫外激光器划分为三类：固体紫外激光器，气体紫外激光器，半导体紫外激光器。其中固体紫外激光器应用最为广泛的是激光二极管泵浦全固态激光器。而利用激光二极管抽运的固体UV激光器相较于其他类型的紫外激光器而言，具有效率高，性能可靠，硬件结构简单的特点，因此应用最为广泛，基于LD抽运的全固态UV激光器也得到了迅猛的发展。 在实际的应用当中，实现紫外连续激光输出的方法一般是利用晶体材料的非线性效应实现变频的方法来产生。产生全固态紫外激光的方法一般有两种：一是直接对全固体激光器进行3倍频或4倍频来得到紫外激光；另一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波，然后再利用和频技术得到紫外激光。相较于前一种方法，后者利用的是二次非线性极化率，其转换效率要高很多。最常见的是通过三倍频和四倍频技术产生355nm和266nm的紫外激光。下文将简单介绍紫外激光产生的非线性原理。 2、非线性频率转换原理 2.1 介质的非线性极化 激光作用在非线性介质上会引起介质的非线性极化，这是激光频率变换的非线性基础。在单色的电磁波作用下，介质的内部原子，离子等不会发生本征能级的跃迁，但是这些离子的电荷分布以及运动状态都会发生一些变化，引起光感应的电偶极矩，这个电偶极矩作为新的辐射源辐射电磁波。
激光原理及应用 考试时间:第 18 周星期五 ( 2007年1 月 5日) 一单项选择（30分） 1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（ B ） 2．爱因斯坦系数A 21和B 21 之间的关系为（ C ） 3．自然增宽谱线为（ C ） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（ B ） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5．阈值条件是形成激光的（ C ） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6．谐振腔的纵模间隔为（ B ） 7．对称共焦腔基模的远场发散角为（ C ） 8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的（ C ） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲 10．YAG激光器是典型的（ C ）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 二填空（20分） 1.任何一个共焦腔与等价， 而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分) 2 .光子简并度指光子处于、 、、。（4分） 3．激光器的基本结构包括三部分，即、 和。（3分）
4．影响腔内电磁场能量分布的因素有、 、。（3分） 5．有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 个。（2分） 6．目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是、、和。（4分） 三、计算题（ 42分） 1．（8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知＝6328?，1/f()＝109Hz，＝1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率R＝l－L＝％，＝10—7s，腔长L＝。 2．（12分）稳定双凹球面腔腔长L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R 1＝3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。 ＝,R 2 3．（12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横模就不可能存在。试估算在L＝30cm, 2a= 的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大？ 4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。 四、论述题（8分） 1．（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程
内蒙古工业大学200 —200 学年第一学期 《激光原理及应用》期末（考试）试卷（A）课程代码： 试卷审核人：考试时间： 注意事项：1.本试卷适用于级电科专业本科生使用 2.本试卷共6页，满分100分，答题时间120分钟 一、选择题（30分） 1、平面波的单色性是由下面的那个参数来评价其优劣的（） A、振幅 B、频率 C、光强 D、先谱的线宽 2、激光束偏转技术是激光应用的基本技术，如果它使激光束离散地投 射到空间中某些特定的位置上，则主要应用于（）。 A．激光打印B．激光显示 C．激光存储D．传真 3、具有超小型、激光强度快速可调特点的激光器是（）。 A．固体激光器B．气体激光器 C．半导体激光器D．光纤激光器 4、LED不具有的特点是（）。 A．辐射光为相干光 B．LED的发光颜色非常丰富 C．LED的单元体积小 D．寿命长，基本上不需要维修 9、高斯光束波阵面的曲率半径R0=（）
A 、])(1[||2 2 O Z Z πωλ+ B 、21 220 0])(1[(πωλωZ + C 、])(1[||22Z Z O λπω+ D 、21 )(λ λL 10、输出功率的兰姆凹陷常被用作一种，（）的方法。 A 、稳定输出功率 B 、稳定频率 C 、稳定线宽的 D 、稳定传输方向的 11、本书介绍的激光调制主要有哪几种调制（） A 、声光偏转 B 、电光强度 C 、电光相位 D 、电光调Q 12、半导体激光器的光能转换率可以达到（） A 、 25%—30% B 、70% C 、100% D 、≥50% 13、半导体光放大器英文简称是（ ）。 A ．FRA B ．SOA C ．EDFA D ．FBA 14、激光器的选模技术又称为（ ）。 A ．稳频技术 B ．选频技术 C ．偏转技术 D ．调Q 技术 15、非均匀增宽介质的增益系数阈值D G =阈（ ）。 A ．)(21 21r r Ln L a - 内 B ．hvV A n 32阈? C ． 1D M s G I I + D ． 2 /1) /1(S I I G +?
一 名词解释 1. 损耗系数及振荡条件: 0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内 的平均损耗系数。 2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~ = ，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有 ?+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ?时下降至最大值的一半。按上式定义的v ?称为谱线宽度。 3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。 4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是 靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。 5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。定义 p v P w Q ξπξ 2==。ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。v 为腔内电磁场 的振荡频率。 6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰 姆凹陷。 7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧 孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。 8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V 内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。 9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的 光谱特性及空间特性的锁定现象。（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。 10. 谱线加宽：实际中的谱线加宽由于各种情况的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率 η /)(12E E -附近一个很小的频率范围内。这就叫谱线加宽。 11. 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靠近中心频率，这 种现象叫频率牵引。 12. 自发辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子自发的向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子 13. 受及辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子在频率为ｖ的辐射场作用下，向Ｅ１跃迁，并产生一个能量 为ｈｖ的光子 14. 激光器的组成部分：谐振器，工作物质，泵浦源 15. 腔的模式：将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态称为‘’。 16. 光子简并度：处于同一光子态的光子数。含义：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 17. 激光的特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好 18. 粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使得n2>n1 19. 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数 20. 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。 21. Q 值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。 22. 纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q 决 定将这种由整数q 所表征的腔内纵向场分布称为纵模 23. 横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模 24. 菲涅尔数：N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数目。表征损耗的大小。 衍射损耗与N 成反比。
激光原理复习 Prepared on 22 November 2020
一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分) 1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。 A. q kL π22= B. q L C q 2= ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。（δφ为往返相移） A. l r r G q ) ln(,2210- ≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφ C. 0, 20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ 3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。 A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共心腔 4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。 A. 单程损耗因子 B. 腔内光子平均寿命 C. Q 值与无源线宽 D. 小信号增益系数 5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。 A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D . 相同谐振频率 6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。 A ． F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.F L L 11121=+ 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的 C 。 A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零； B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关； C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比；
系、班 姓 名 座 号 ………………密……………封……………线……………密……………封……………线………………… 华中科技大学2012年《激光原理》期末试题(A) 题 号 一 二 三 四 总分 复核人 得 分 评卷人 一. 填空: （每孔1分，共17分） 1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值 高 。 2. Nd:Y AG 激光器可发射以下三条激光谱线 946 nm 、 1319 nm 、 1064 nm 。其 中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm 、 1064 nm 。 3. 红宝石激光器属于 3 几能级激光器。He-Ne 激光器属于 4 能级激光器。 4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和 相干性好 5. 激光器的基本组成部分 激活物质、 激光谐振腔 、 泵浦源 。 6. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为 阈值 增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率 相等. 7. 调Q 技术产生激光脉冲主要有 锁模 、 调Q 两种方法。 二、解释概念：（共15分，每小题5分）(选作3题) 题 号 一 二 三 合计 得 分 1. 基模高斯光束光斑半径： 激光光强下降为中心光强21 e 点所对应的光斑半径. 2. 光束衍射倍率因子 光束衍射倍率因子= 角 基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角 实际光束束腰半径?? 3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系： 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价； 任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。 三、问答题：（共32分，每小题8分） 题 号 一 二 三 四 合计 得 分 1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ??--=+-=02111220321303001010 3232121202111 222313230303 ,, W 03 A 03 S 03 S 32 S 21 A 21 W 21 W 12 E 3 E 2 E 1 E 0
1.锁模：受到光子平均驻腔寿命的限，利用调Q技术只能获得脉宽为毫微秒量级的激光脉冲；利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉冲——经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲——声光振幅调制锁模，电光频率，染料。 2.谐振腔的Q值:是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。 (调Q技术：在泵浦开始激励时，使光腔具有高损耗值，高能级上的粒子积累到较高的水平，即：使反转粒子数密度达到一定的值；在适当的时刻，使腔的损耗突然降低，阈值随之突然下降，此时反转粒子数密度大大超过阈值，受激辐射迅速增加；在极短的时间内，强的激光巨脉冲输出。—动态损耗，插入损耗，开关时间，同步性能—机械（转镜），声光，电光，染料。) 3.增益的空间烧孔效应:在驻波腔激光器中，腔内形成一个驻波场,波腹处增益最小，而波节处增益最大，沿光腔方向增益系数的这种非均匀分布称为空间烧孔效应。一般使激光器工作于多纵模和多横模的情况，不利于提高光的相干性但有利于增加光的能量或功率。——高压气体激光器，含光隔离器的环形行波腔。 4.模式的空间竞争：由于轴向空间烧孔效应，不同纵模可能使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡。（均匀加宽的模式竞争：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。这种情况叫模式竞争。） 5. 驰豫振荡：固体脉冲激光器所输出的并不是平滑的光脉冲，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。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小 6.兰姆凹陷：当输出光的频率与中心频率相同时，两个烧孔完全重合，烧孔面积减小，即对激光做贡献的反转粒子数减少，输出功率下降，在输出功率对频率的关系曲线上出现一个凹陷。 7.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靠近中心频率，这种现象叫频率牵引。 8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V 内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。 9.光子态：光子在由坐标与动量所支撑的相空间中所处的状态。 9.相格：在三维运动情况下根据测不准关系，在六维相空间中一个光子态对应的相空间体积元成为相格。 10.光子简并度：处于同一光子态的光子数。含义：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。 11.谱线加宽：实际中的谱线加宽由于各种情况的影响，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。 12.激光的特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好 13.粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使得n2>n1 19. 增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数 14.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。——饱和光强，即激活介质给定跃迁的饱和参量。 15.纵模：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波，驻波的波节数由q决定将这种由整数q 所表征的腔内纵向场分布称为纵模 16.横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模 17.菲涅尔数：N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数目。表征损耗的大小。衍射损耗与N成反比 18.单色性，相干性，方向性，高亮度。全息照相是利用激光的相干特性的。激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔。 19.线宽极限：输出激光是一个具有衰减的有限长波列，具有一定的谱线宽度，是由于自发辐射的存在而产生，无法排除。 20.横膜选择：不同模间衍射损耗有差别——降低基膜的衍射损耗，使之满足阈值条件，则其他膜因损耗高儿不能起振，被抑制。（小孔光阑玄魔，谐振腔参数法，非稳腔选模，微调谐振腔） 21.纵模选择：频率差具有不同的小信号增益系数——扩大和充分利用相邻模间的增益差，或认为引入损耗差。（短腔法，行波腔法，选择性损耗法） 22.稳频：兰姆凹陷，塞曼，饱和吸收，无源腔稳频。
电子工程系学科设置? 通信与信息系统 信号与信息处理 电磁场与微波技术? 物理电子学 电路与系统 电子工程系教学工作? 年本科开课目录? 年研究生课程目录? 各研究所教研室介绍 信息光电子研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信与微波研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信技术方向 电磁场与微波技术方向? 高速信号处理与网络传输研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目 网络与人机语音通信研究所? 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目 三、研究方向(）? 图象图形研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目
三、联系方式? 电路与系统教研室 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目? 三、研究方向()
电子工程系学科设置 专业设置 本科生专业： ?电子信息科学类 研究生专业： 一级学科???二级学科 电子科学与技术???物理电子学 ????电路与系统 ??????微电子学与固体电子学 ??????电磁场与微波技术 信息与通信工程??通信与信息系统 ??????信号与信息处理 ????电子与通信工程（工硕） 通信与信息系统 学科方向：通信与信息系统 研究课题:、信息传输与接入 、数字信号处理与终端技术 、无线通信技术与系统 、通信网络与交换技术 、通信与信息系统的仿真与集成 依托国家重点实验室及相关学术领域： 微波与数字通信国家重点实验室、集成光电子学国家重点实验室 系内:微波与天线、信息光电子与光电子学、电路与系统、信号与信息处理 跨系、所:微电子学研究所、计算机科学与技术系、自动化系、电机工程与应用电子技术系、工程力学系、材料科学与工程系
第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 19、自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几 《激光原理》复习 第一部分知识点 第一章激光的基本原理 1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系 2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。 3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？ 4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？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？ 5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？ 4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？ 5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？ 6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？ 7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？ 8、如何理解激光横模、纵模？ 第二章开放式光腔与高斯光束 1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？ 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？ 3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？ 4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射 5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？ 7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义 8、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积 9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征 10、高斯光束的特征参数？q参数的定义？ 11、如何用ABCD方法来变换高斯光束？ 12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。 第三章电磁场与物质的共振相互作用 1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？ 2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？ 3、光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。 4、画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。建立相应能级系统的速率方程。 5、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。 6、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明它们的原理。 物理专业2006级本科《激光原理及应用》期末试题（A卷答案） 一、简答题 1.激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分 答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔； 2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。 答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。 3.激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线 型。 答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。 非均匀加宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。 4.简述均匀加宽的模式竞争 答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。 这种情况叫模式竞争。 5.工业上的激光器主要有哪些应用为什么要用激光器 答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。 6.说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。 答：He-Ne激光器，（红光），Ar+激光器，（绿光），CO2激光器，μm（红外） 7.全息照相是利用激光的什么特性的照相方法全息照相与普通照相相比有什么特点 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。 二、证明题：（每题6分，共18分） 1.证明：由黑体辐射普朗克公式 3 3 81 1 h KT h c e νν πν ρ= - 导出爱因斯坦基本关系式： 3 21 3 21 8 A h n h B cν πν ν== 三、计算题 1．由两个凹面镜组成的球面腔，如图。凹面镜的曲率半径分别为2m、3m，腔长为1m。发光波长600nm。 （1）求出等价共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置； （2）求出距左侧凹面镜向右米处的束腰大小w及波面曲率半径R； 解: (0) 激光腔稳定条件 激光原理考试基本概念 https://www.doczj.com/doc/4c11869081.html,work Information Technology Company.2020YEAR 第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）； d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 激光原理期末知识点总复习材料 2.激光特性：单色性、方向性、相干性、高亮度 3.光和物质的三种相互作用：自发辐射，受激吸收，受激辐射 4.处于能级u 的原子在光的激发下以几率 向能级 1跃迁，并发射1个与入射光子全同的光子，Bul 为受激辐射系数。 5.自发辐射是非相干的。受激辐射与入射场具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同方 向传播，因而具有良好的相干性。 6.爱因斯坦辐射系数是一些只取决于原子性质而与辐射场无关的量，且三者之间存在一定 联系。7.产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态 8.产生激光的充分条件：在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强Is 9.谱线加宽特性通常用I 中频率处于ν～ν+d ν的部分为 I(ν)d ν,则线型函数定义为线型函数满足归一化条件： 10.的简化形式。11. 四能级比三能级好的原因：更容易形成粒子数反转 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ? ?--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul ul B W =1 )(=?∞ ∞-ννd g 1 21212)(-+=S A τ建议收藏下载本文，以便随时学习！ 12 E 2 1 12.13.14.15.程的本征函数和本征值。研究方法：①几何光学分析方法②矩阵光学分析方法③波动光学 分析方法。处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔。 16.腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场 分布称为谐振腔的横模。 17. 腔长和折射率越小，纵模间隔越大。对于给定的光腔，纵模间隔为常数，腔的纵模在频率尺上是等距排列的 不同的横模用横模序数m,n 描述。对于方形镜谐振腔这种轴对称系统来说，m,n 分别表示 沿腔镜面直角坐标系的水平和垂直坐标轴的光场节线数。对于圆形镜谐振腔这种旋转对称 系统来说，m,n 分别表示沿腔镜面极坐标系的角向和径向的光场节线数。 18. 腔内光子的平均寿命就等于腔的时间常数。 19. δ：平均单程损耗因子，τR ：腔的时间常数，Q ：品质因数，三个量都与腔的损耗有 20. 21.共轴球面腔的稳定性条件： 当g 1g 2=0或1时是临界腔，当g 1g 2>1或<0时是非稳定腔。 22.所谓自再现模就是这样一种稳定场分布，其在腔内渡越一次后，除振幅衰减和相位滞后 外，场的相对分布保持不变。 飞秒激光原理 很多近视的人们都想要摘掉眼镜，因为近视眼会对人们的日常生活产生严重的影响，而手术治疗近视眼是现在比较流行的一种手术，那么，手术治疗近视眼有什么好处呢?下面就为大家具体介绍一下。 近二十年以来，随着科学技术的不断发展，眼科领域相继发明了一系列近视矫正手术，使手术后的近视患者不用配戴眼镜也同样能达到戴眼镜时的视力效果，对于治疗近视眼尤其是最近几年开展的准分子激光近视矫正手术，进一步提高了手术的准确性和安全性，目前全世界范围内已至少为数十万名近视患者摘掉了眼镜。 对于治疗近视眼还要求全身健康状况基本良好，没有其它严重的眼病如圆锥角膜、青光眼、白内障以及眼底病变等。还需要注意，年龄在18至50岁，近视度数已基本稳定(每年变化不超过50度)，而且本人的工作环境不适合戴眼镜或者是因种种原因(如美观要求、戴框架眼镜不舒适、戴隐形眼镜太麻烦或容易“发炎”等)有摘掉眼镜的强烈愿望。 尽管近视激光矫正术效果良好，安全性高，也并不意味着每个近视患者都适合接受激光手术治疗近视眼，一定要仔细遵循医生的建议。 飞秒激光近视手术是全激光近视手术，具有非常高的瞬时功率，不会损伤角膜上神经和血管，不破坏泪液循环，完全避免了交叉感染的可能。飞秒精确性达微米级，角膜瓣的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，切割更加准确。飞秒通过美国FDA认证，是美国太空总署和军方唯一批准可用于航天员和飞行员的手术方式。飞秒激光是目前近视治疗最安全、无开刀、恢复快、治疗效果最佳的一项技术。飞秒不受角膜曲率的影响，其对角膜偏.飞秒是全激光近视手术，具有非常高的瞬时功率，不会损伤角膜上神经和血管，不破坏泪液循环，完全避免了交叉感染的可能。飞秒精确性达微米级，角膜瓣的厚薄和直径都可以设定，可控性非常好，切割更加准确。飞秒通过美国FDA认证，是美国太空总署和军方唯一批准可用于航天员和飞行员的手术方式。 飞秒激光治疗近视更安全 关于眼科手术来说，安全永久是第一位的飞秒激光近视手术，可以精确地打开眼部组织分子链，制造出更均匀更完美的角膜瓣，以利近视患者接受激光医治，获得更清晰、更完美的视觉质量。飞秒激光” 比机械角膜刀精确 100 倍，这种精确性其实也是安全性的另外一种体现，越精确效果就越好，手术并发症也越少，当然就能给患者更多的安全保证。 飞秒激光使角膜切削更精确 飞秒激光近视手术的精度逾越激进机械角膜板层刀 100 多倍，从理论上消除了威胁视力程度的严酷并发症和感染的极有可能性。治疗进程更安全。针对集团角膜状况中止细部改正，切割表面十分平滑，使用低能量密度，减低冲击波并 紫外激光器研究进展及其 关键技术 Last revision on 21 December 2020 紫外激光器研究进展及其关键技术 黄川 摘要：本文详细介绍了利用LD泵浦的紫外激光器产生紫外激光的非线性原理，并在此基础上介绍了在全固态紫外激光器中用到的倍频晶体的种类和各自的应用场景；介绍了近年来高功率固体紫外激光器研制的国内外进展情况，最后展望了高功率全固体紫外激光器研制的未来。 关键词：紫外激光；非线性光学；相位匹配 1、引言 因为紫外激光具有的短波长和高光子的能量特点，所以紫外激光在工业领域内具有非常广泛的应用。在工业微加工领域内，相较于红外激光的热熔过程，紫外激光加工时的“冷蚀效应”可以使加工的尺寸更小，达到提高加工精度的目的。另外，紫外激光器在生物技术，医疗设备加工，大气探测等领域也有广泛的应用。 一般而言，可以将紫外激光器划分为三类：固体紫外激光器，气体紫外激光器，半导体紫外激光器。其中固体紫外激光器应用最为广泛的是激光二极管泵浦全固态激光器。而利用激光二极管抽运的固体UV激光器相较于其他类型的紫外激光器而言，具有效率高，性能可靠，硬件结构简单的特点，因此应用最为广泛，基于LD抽运的全固态UV激光器也得到了迅猛的发展。 在实际的应用当中，实现紫外连续激光输出的方法一般是利用晶体材料的非线性效应实现变频的方法来产生。产生全固态紫外激光的方法一般有两种：一是直接对全固体激光器进行3倍频或4倍频来得到紫外激光；另一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波，然后再利用和频技术得到紫外激光。相较于前一种方法，后者利用的是二次非线性极化率，其转换效率要高很多。最常见的是通过三倍频和四倍频技术产生355nm和266nm 的紫外激光。下文将简单介绍紫外激光产生的非线性原理。 2、非线性频率转换原理激光原理复习题重点难点
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