激光复习1

一单项选择

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 ）

1?(A) A21?? (B) A21? (C) A21?N2? (D) A21? ?e

2．爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（C ）

A21g1?kTA218?v3A218?hv3A218?hv2(A) ?e (B)? 3Δv (C) ? 3 (D) ? 2 B21g2B21cB21cB21c

hv 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 ）

(A) ? v?qc2?L ( B ) ? v?c2?L (C ) ? v?2?L2?Lc (D ) ? v?qc7

．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲

(A) ps (B) μs (C) ns (D) fs

8．Nd :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 9．粒子数反转分布状态微观粒子满足（D ）

（A） 费米分布（B）高斯分布（C） 玻尔兹曼分布（D）负温度分布 10. 平行平面腔在稳定图上的坐标为（ C ） （A）（-1，-1） （B） （0，0） （C）（1，1） （D）（0，1） 11．调Q激光器通常可获得（ C ）量级短脉冲

(A) ms (B) μs (C) ns (D) fs

12．红宝石激光器是典型的（ B ）系统

（A）二能级 （B）三能级 （C） 四能级 （D）多能级 13.世界上第一台激光器是 （ D ）

(A)氦氖激光器． (B)二氧化碳激光器． (C)钕玻璃激光器． (D)红宝石激光器． (E)砷化镓结型激光器．

14多普勒加宽发生在（C ）介质中

（A）固体 （B）液体 （C）气体 （D）等离子体

15. 锁模激光器输出脉冲功率I?N2，N为：（ B ）

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（A） 脉冲数目.（B）纵模数目.（C）横模数目.（D）能级数目 填空

1. 光和物质相互作用产生受激辐射时，受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，这些特性是指： 频率、位相、偏振和传播方向。 2. . 产生激光的必要条件是：1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构；2)有外界激励源，使激光上下能级之间产生粒子数反转；有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。 3. 辐射跃迁是指发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。 4. 非辐射跃迁是指原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。 5. 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，它们分别是固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器。

6. 稳定腔的一块反射镜的曲率半径R1＝4L，求另一面镜的曲率半径取值范围

? ? R 2 ? L 或 R 2 3 L

简答题：

1. 世界上第一台激光器是那年生产出来的？激光器的生产者是谁？是什么激光器？

1960年美国休斯公司实验室梅曼（Theodore H. Maiman）研制出世界第一台红宝石固态激光器。

2. 简述固体激光器和气体激光器在泵浦方式和产生激光机制上的不同

固体激光器通常是光泵浦，而气体激光器通常是电泵浦。固体激光器产生激光通常是脉

冲式的，而气体激光器的激光是连续的。

解释下面的概念 24%

1．三能级体系，四能级体系：

1)． 三能级系统：如图a，下能级E1是基态能级，上能级E2是亚稳态能级，E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量。

2)．四能级系统：如图b，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级系统容易得多。

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三能级系统和四能级系统示意图

2．自再现模：

在光学谐振腔中，由于反射镜面的大小有限，在对光束起反射

作用的同时，还会引起光波的衍射效应，腔内的光束每经过一次反射镜的作用，就使光束的一部分不能再次被反射回腔内。因而反射回来的光束的强度要减弱，同时强度的发布也将发生变化，在镜面边缘处的场振幅比起镜面中心部分的场振幅要小得多。但当反射次数足够多时，具有这种特点的场分布也将不再受衍射作用的影响，形成一种稳定的场分布。这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化只是镜面上各点的场振幅按同样比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。我们称这种存在于镜面处，且往返汉越后仍能再现的稳态光场分布为自再现模，

三．试列出二能级系统的速率方程组，并证明二能级系统不能产生激光（能级简并度g1=g2）。）

四．非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 两相邻纵模间

的频率差?νq?c(2?L)，为了得到单纵模输出，需要进行激光单

纵模的选取，请给出两种单纵模选取的具体方法。

答：三种方法，给出任意两种即可。

(1) 短腔法：

要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使?νq的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度。

(2) 法布里-珀罗标准具法：

如图所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里－珀罗标准具 由于多光束干涉的结果，对于满足

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下列条件的光具有极高的透射率； νm?mc2d????sin?222式中，c

是真空中的光束，?是腔外气体的折射率，?′是标准具的折射率，d是标准具的厚度。m 是正整数，?是标准具测面法线与谐振腔轴线之间的夹角。能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为

?νm?c2d????sin?222；

c2?L 而谐振腔的纵模频率间隔为??纵＝。比较??m和??纵可知，

当选择d远小于L时，就可以使??m远大于??纵，从而使得在整个谱线宽度内只有一个?m具有最大透射率，如果再适当地调整?，就可以使得具有最大透射率的?m正好等于激光器的多个纵模中的某个纵模q所对应的?q。因此只有纵模q对标准具有较高的透射率而形成振荡，其他的纵模都因为对标准具的透射率很低(相当于损耗很大)而不能形成振荡，这就达到了选频的目的。

法布里-珀罗标准具法示意图

三反射镜法：

如图所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合，两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2?(L1+L2)和c/2?(L2+L3)，只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要选取L2 +L3足够小，就可以获得单纵模输出。

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三反射镜法

五．简述调Ｑ的基本原理，以及两种调Ｑ技术。

答：通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。

既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 任意给出两种调Ｑ技术即可：

电光调Q：激光器发出的激光通过偏振片后成为沿x方向振动的线振偏光。当其往返通过加有?／4电压的KD*P晶体时，则返回的沿y方向振动的偏振光波被偏振片吸收。此时，腔的Q值很低，由于外界激励能源的作用，可使介质上能级的粒于数迅速增加，当上能级的粒子数积累到足够数量(远超过下能级的粒子数)的某个时刻，突然除去KD*P晶体上所加的电压，则由激光器输出的激光经偏振片后能自由地往返于谐振腔之间，不改变偏振光振动方向。损耗小，因此腔的Q值很高，从而输出一个激光巨脉冲。

声光调Q：将射频电压加在超声发生器上，介质中产生超声场，在介质的另一端用铝作为吸收材料，以防超声反射。当超声发生器产生超声场时，光束按满足布拉格公式的方向偏折，光束偏离谐振腔。此时腔的损耗大，Q值低不能形成激光，而上能级粒子数在外界激励能源的抽运下不断积累实现粒子数反转，当超声场撤去时，光顺利通过均匀的声光介质，此时激光束不发生偏折，腔的Q值高，即发出一个激光巨脉冲。如声光介质以重复频率f产生超声场，则可获重复频率为f的激光脉冲。

染料调Q: 它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成

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