第一章（4分填空）1. Laser，即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意译为“受激辐射引起的光放大”。我国采纳钱学森建议，将其译为激光。2.1960年，（美）梅曼，世上第一台红宝石固体激光器；1961年，“中国激光之父”王之江，我国第一台激光器（红宝石激光器）；3.激光的特性：高方向性、单色性、相干性、高亮度。第二章（4分选择2分填空5分简答）1.激光是怎么产生的？有提供放大的增益介质作为激光工作物质，激活粒子适合于受激辐射的能级结构；有外界激励源，使激光上下能级实现集居数反转；有光学谐振腔，并且满足阈值条件使得受激辐射光能维持腔内自激振荡。形成激光两个基本条件：集居数反转（内）、光学谐振腔（外）2.在原子中当电子处于n=1轨道上，能量处于最低的状态，称基态；n1的状态称激发态。通常原子处于基态。某一能级所具有的粒子数称为集居数。3.原子因发射或吸收光子而造成能级间跃迁的现象称辐射跃迁。原子能级间的跃迁不伴随光子发射或吸收，而是伴随能量传递的过程称为非辐射跃迁。4. 光与物质存在哪三种相互作用？ 激光放大主要利用其中哪种相互作用？说明在激光产生过程中，最初的激光信号来源是什么？ 答：光与物质间相互作用为：自发辐射、受激辐射和受激吸收。激光放大主要利用其中的受激辐射。激光产生过程中，最初的激光信号是激光介质自发辐射所产生的荧光。荧光反复通过激光介质，当增益大于损耗时，这些荧光不断被放大，最后形成了激光发射。5.受激辐射的特点：只有外来光子满足：hv=E2-E1时，才能引起受激辐射；受激辐射发出的光子性质（频率、相位、传播方向、偏振方向等）和外来光子相同。6.激光产生要克服的两种矛盾：受激辐射和受激吸收的矛盾；受激辐射和自发辐射的矛盾；要确保受激辐射处于主导地位，才能产生激光。7.克服受激辐射和受激吸收的矛盾？集居数反转。从外界不断向发光物质输入能量，把处在低能级的发光粒子激发到高能级上，使高能级粒子数密度超过低能级的现象。（粒子数反转、负温度状态）实现集居数反转的过程称为泵浦（激励、抽运），此时物质处于非热平衡状态。（二能级系统不能实现集居数反转，四能级系统比三能级系统更易实现集居数反转。）8.克服受激辐射和自发辐射的矛盾？用光学谐振腔实现光的自激振荡（激光振荡）。在工作介质两头放置反射镜（有一个是部分反射镜），光束来回被连锁放大，最后形成稳定的激光束的过程。当光在光学谐振腔中来回一次增益大于损耗时，才能维持自激振荡。该最低满足条件称为阈值条件：G（是形成激光的充分必要条件）9.激光器由三部分组成：激光工作物质（基质、激活粒子）、泵浦源、光学谐振腔。激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。产生和维持激光振荡、控制输出光束质量。10. 自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命的关系为（ B ）11.爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（ C ） 12.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。第三章（4分选择4分填空5分简答8分计算）1.按能否忽略侧面边界，将光学谐振腔分为开腔、闭腔、气体波导腔（半封闭腔）。光线在谐振腔内往返任意多次也不会横向逸出腔外的谐振腔称为稳定谐振腔；光线在谐振腔内往返有限次即横向逸出腔外的谐振腔称为非稳定谐振腔，简称非稳腔；2.常见开放式光学谐振腔：（a）平行平面腔（F-P腔）临界腔，g1g2=1优点：充分利用激活介质令光在激活介质内激荡，且光束没有聚焦，适用于大功率激光器；缺点：衍射损耗大，对准精度要求高，调试困难。（b）对称共焦腔（焦点重合于腔的中心）临界腔（稳定腔，近轴光线多次往返而不横向溢出，两次形成闭合回路），g1g2=0特点：对准灵敏度低，易于装调，衍射损耗低，光束没有强聚焦，充分利用激活介质。（c）（d）共心腔（对称共心腔：曲率中心重合于腔的中心）两者都有g1g2=1，临界腔；特点和（a）完全相反。（e）（f）平凹腔（e）g1g20，非稳定腔；（f）半共焦腔，g1g2=1/2，为稳定腔；3. 光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为激光模式（纵模、横模），是腔内可以区分的一种光子态。腔与模的关系：不同的腔，模式不同；腔给定，模式确定；4.激光器腔中形成稳定振荡（光相长干涉）条件为；此时满足有：谐振波长；谐振频率；（L为腔的光学长度）5.由稳定振荡条件中的q表征的腔内纵向稳定场分布称为激光的纵模。（q为纵模序数，q值通常很大，无量纲）。此时满足有：纵模间隔6.除了纵向外，谐振腔内垂直于传播方向的横向截面也存在稳定场分布，称为横模。01（q值只影响频率差，通常省略）（最后一图是简并模）m=n=0，则TEMooq称为基模，m、n取其他值称为高阶横模。总结：（1）纵模和横模各从一个侧面反映了谐振腔内稳定的光场分布，只有同时运用纵模和横模概念，才能全面反映腔内光场分布；（2）不同纵模和不同横模都各自对应着不同的光场分布和频率。但不同纵模光场分布之间差异很小，不能用肉眼观察到，只能从频率的差异区分它们（纵模间隔）；不同的横模，由于其光场分布差异较大，很容易从光斑图形来区分（m、n值引起图形差异）。（注：不同横模间也有频率差异。）7.光腔的损耗有哪些？平均单程损耗因子各是什么？答：选择性损耗（与模式有关）：几何损耗、衍射损耗；无选择性损耗（与模式无关）：输出腔镜的透射损耗、非激活吸收损耗、散射损耗；几何损耗：（为两镜面夹角，D为直径）衍射损耗：透射损耗： （当r1=1，透过率T1） 吸收损耗：8.光子在腔内的平均寿命：，指光强从初始值降至1/e所用的时间。光腔的品质因数Q值：，损耗越小Q值越大，腔储能性更好，光子的平均寿命更长。（衡量光腔的储存信号的能力）9.共轴球面腔的稳定性条件为：10.自再现模：光波在光腔中往返传播，在光的衍射作用下，光腔反射镜面处产生再现的稳定场分布，即横模。激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（ ），其值越大，则衍射损耗（愈小）。11.对于方形镜共焦腔：镜面基模光斑尺寸：镜面高阶横模光斑尺寸：Z坐标处的基模光斑尺寸：基模腰斑半径：基模的模体积：多模的模体积：（模体积指某一腔模在腔内扩展的空间体积。模体积大。对激活介质能量的提取就大，对模式振荡作贡献的粒子数越多，就有可能获得大的输出功率。）基模远场发散角：高阶模远场发散角：12.一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任意一个共焦腔与无穷多个稳定腔等价；任一稳定球面腔唯一地等价一个共焦腔；13.非稳定腔的特点：具有大的模体积；易实现单横模振荡；可控制的衍射耦合输出；14.一般对称光学谐振腔：镜面基模半径：腔中心光斑尺寸：15.有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。第四章（2分填空8分计算）1.若激光器发射的激光为单横模（通常为基横模TEMoo），在横截面上光强分布为一圆斑，中心处光强最强，向边缘方向光强逐渐减弱，呈高斯分布。此时的基模激光束为高斯光束。稳定腔输出的激光束是高斯光束，非稳定腔输出的基模光束经准直后在远场强度分布也接近高斯型。从激光器输出的激光束在光学谐振腔外也是高斯光束。2.可以确定高斯光束的特征参数有哪些？（任一均可）束腰半径Wo与束腰位置；任意处光斑半径W（z）和等相位面曲率半径R（z）；高斯光束的q参数。光斑半径：其中 共焦腔反射镜的焦距f=L/23.什么是高斯光束？高斯光束既不是平面波，也不是一般的球面波，在其传输轴线附近可以看作是一种非均匀球面波。它在共焦中心处是强度为高斯分布的平面波，在其他地方则是强度为高斯分布的球面波。概括说，高斯光束为幅度非均匀的变曲率中心球面波。远场发散角：（高阶模发散角越大，发散角随模阶次增大）4.高斯光束聚焦：缩小腰斑半径，将激光束聚集成极小光斑，从而得到极高功率密度和空间分辨率。大小：位置：高斯光束准直：压缩光束的发散角，改善方向性。腰斑大，发散角就越小，则准直过程总伴随着扩束。有两种准直方法：单透镜准直和望远镜准直；5.匹配：如果入射单模高斯光束只能激起第二个光学系统本身单模高斯光束，而不激起其他模式，即称这两个腔的高斯光束是匹配的。若只需激发基模，不匹配将造成基模耦合效率降低；若只需激发高阶模，不匹配将造成能量损失；可把单透镜放在两腔之间实现模式匹配。第五章（2分选择3分填空5分简答8分计算）1.产生激光的前提：激光工作物质对光的增益（放大）作用。产生增益作用的前提：集居数反转。2.引起光谱线加宽的物理原因有：自然加宽、碰撞加宽、多普勒加宽。自然加宽：发光粒子激发态能级具有有限寿命而引起的自发辐射谱线加宽。电子在发射光波过程中不断损耗能量，振幅不断衰减，这一衰减的光波是包含多个频率的，即光谱线加宽了，这种原子发光中能量的衰减是必然的。中心频率的谱线宽度（自然加宽的线宽）：（基态能级上=）碰撞加宽：原子间、原子和器壁间的无规则碰撞引起。机理：波列中断、相位突变由于碰撞加宽的线宽和气体压强成正比，也成为压力加宽。多普勒Doppler加宽：由粒子的热运动引起发光频率的改变（多普勒频移）造成。自然加宽远小于碰撞加宽和多普勒加宽。3.固体激光器的谱线加宽：晶格振动加宽（高温时）、晶格缺陷加宽（低温时）。固体激光工作物质不存在多普勒加宽，主要是晶格缺陷（是非均匀加宽）影响。激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。4.光谱线的加宽分为什么？它们的谱线基本线型是？特点是？答：分为均匀加宽和非均匀加宽。其中均匀加宽包括自然加宽和碰撞加宽，非均匀加宽包括多普勒加宽。均匀加宽的特点：谱线基本线型是洛仑兹线型（1）引起加宽的物理因素对每个粒子都是等同的。自然加宽中大量粒子有相同的平均寿命；碰撞加宽中大量粒子有相同的受到其他粒子碰撞的几率。（2）两者都是光辐射偏离了简谐波导致光谱线加宽。自然加宽中粒子发射的电磁波振幅不断衰减而偏离简谐波；碰撞加宽中粒子碰撞时发射电磁波中断而偏离简谐波。（3）自然加宽中不能把某一发光粒子和某一频率联系起来，而碰撞加宽中每一粒子每次发光都对谱线内所有频率有贡献。非均匀加宽的特点：谱线基本线型是高斯线型（1）不同速度粒子产生不同频率的光，每一发光粒子发光只对谱线内某些确定频率才有贡献。在非均匀加宽中，可以辨别谱线上某一频率范围是哪一部分粒子发射的。（2）不同发光粒子所处物理环境不同，造成表现中心频率也不同，各发光粒子光谱线叠加成光源光谱线。5. 激光器的速率方程是描述激光器内光子数和工作物质内与产生激光有关的各能级上粒子数随时间变化和微分方程组。红宝石激光器（3能级系统）、ND：YAG激光器（4能级系统）、He-Ne激光器（4能级系统）对于洛伦兹线型和高斯线型，等效线宽分别是：6. 画出三、四能级系统的能级简图并写出其速率方程组？三能级泵浦功率阈值比较高？（S30、E1可省去）三能级激光介质下能级为基态，激光发射时，必须将超过总粒子数一半以上的原子激发到激光上