第一章 激光的基本原理1.光子的波动属性包括什么？动量与波矢的关系？光子的粒子属性包括什么？质量与频率的关系？ 答：光子的波动性包括频率，波矢，偏振等。

粒子性包括能量，动量，质量等。

动量与波矢：0022h h p mcn n k c νππλ===⋅= 质量与频率：m =εc 2=hv c 22.概念：相格、光子简并度。

答：在六维相空间中，一个光子态对应的相空间体积元为3x y z x y z p p p h ∆∆∆∆∆∆≈，上述相空间体积元称为相格。

处于同一光子态的光子数称为光子简并度，它具有以下几种相同含义：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 3.光的自发辐射、受激辐射爱因斯坦系数的关系 答：自发跃迁爱因斯坦系数：211s A τ=.受激吸收跃迁爱因斯坦系数：1212vW B ρ=)。

受激辐射跃迁爱因斯坦系数：2121vW B ρ=。

关系：121212B f B f =; 321212138v h A B n hvB c πν==; 12,f f 为12,E E 能级的统计权重(简并度)当12f f =时有1221B B =4.形成稳定激光输出的两个充分条件是起振和稳定振荡。

形成激光的两个必要条件是粒子 数反转分布和减少振荡模式数5.激光器由哪几部分组成？简要说明各部分的功能。

答：激光工作物质：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。

接收来自泵浦源的能量，对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态，也称为激活物质。

泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。

光学谐振腔：a)提供轴向光波模的正反馈；b)模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。

6.自激振荡的条件？答：条件：0g α≥其中0g 为小信号增益系数：α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平 均损耗系数。

7.简述激光的特点？答：单色性，相干性，方向性和高亮度。

8.激光器分类：固体 液体 气体 半导体 染料第二章 开放式光腔与高斯光束1.开放式谐振腔按照光束几何偏折损耗的高低，可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔。

2.驻波条件，纵模频率间隔 答：驻波条件：应满足等式：222qL q ππλ'∆Φ=⋅=⋅式中，∆Φ为均匀平面波在腔内往返一周时的相位滞后；q λ为光在真空中的波长；L '为腔的光学长度；q 为正整数。

相长干涉时L '与q λ的关系为：L ′=q λq2 或用频率v q =c λq ⁄来表示：v q =q C2L′.纵模频率间隔：不同的q 值相应于不同的纵模。

腔的相邻两个纵模的频率之差△v q =v q+1−v q =c 2L′⁄3.光线在自由空间中行进距离L 时所引起的坐标变换矩阵式什么？球面镜的对旁轴光线的 变换矩阵？答：光线在自由空间中行进距离L 时所引起的坐标变换矩阵式101L L T ⎛⎫= ⎪⎝⎭球面镜的对旁轴光线的变换矩阵：1021R T R⎡⎤⎢⎥=⎢⎥-⎣⎦而1011fT f ⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎣⎦f =R 2为焦距。

4.稳定腔的稳定性条件？非稳腔的条件？会计算。

典型的临界腔有哪些？答：共轴球面腔的稳定性条件：1212120111g g L Lg g R R <<=-=-当121g g > 即()21A D +>或()21A D +<-时为非稳定腔。

g 1g 2=l 或g 1g 2=0时为临界腔。

典型的临界腔有：平行平面腔、共心腔。

5.纵模与横模的物理意义.横模：开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模或横模。

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。

6.共焦腔模式特征（基模镜面上的光斑尺寸，束腰的大小、等相位面的曲率半径、谐振频率、 远场发散角）。

高斯球面波在其传输轴线附近可近似看作是一种非均匀球面波。

答：基模高斯光束的束腰半径：0w =基模镜面上光斑半径()w z w =高斯光束的等相位面的曲率半径：2()f R R z z z==+7.任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价，任一稳定腔唯一等价于某一个共焦腔， 这里的等价是指行波场相同。

8.高斯光束的q 参数在自由空间中的传输规律？21q q L =+q 参数通过薄透镜的变换公式为121Aq B q Cq D +=+101L T L ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦1011T F F ⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦101c L T Lc ⎤⎡=⎥⎢⎣⎦9.高斯光束束腰的变换公式222()()c f l F l L l FF l f --'==-+22022200111(1)()w l w w F F πλ=-+' 10.为了使高斯光束获得良好聚焦，通常采用的方法是什么？准直的方法？聚焦：①用短焦距透镜②使高斯光束腰斑远离透镜焦点，从而满足条件l ≫f ，l ≫F ; ③取1=0， 并设法满足条件f ≫F准直：①用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，再用一个长焦距的透镜改善其方向性,就可以获得很好的准直效果②利用望远镜准直第三章 电磁场和物质的共振相互作用1.均匀加宽的机制包括什么？非均匀加宽的机制包括什么？ 均匀：自然加宽 碰撞加宽 晶格振动加宽 非：多普勒加宽 晶格缺陷加宽2.说明均匀加宽与非均匀加宽的区别。

①. 均匀加宽谱线介质中各个发光粒子之间是不可区分的，即每个粒子的自发辐射都具有相同的线型函数、线宽和中心频率。

而对于非均匀加宽谱线介质则可以将发光粒子分类，即粒子是可区分的；②. 对均匀加宽谱线，整个介质的线型和线宽与单个粒子相同，即每个发光粒子都以整个线型发射。

非均匀加宽谱线则不然，某类粒子的谱线加宽线型及线宽并不等于大量粒子集合。

③.均匀加宽谱线介质中的每个发光粒子对介质整体谱线内的任一频率都有贡献，而且对于某一给定的频率，各个粒子的贡献都相同，因此，不能把介质线型函数上的某一特定频率与介质中的某类粒子建立联系和对应关系。

对非均匀加宽谱线介质，介质中的某类发光粒子仅对光谱线范围内某一特定频率有贡献，对其他频率则无贡献。

因此，可以将谱线线型函数上的某一特定频率与介质中的某类粒子建立对应关系。

④.当某一频率的准单色光与介质相互作用时，对均匀加宽介质，入射光场与介质中的所有粒子发生完全相同的共振相互作用，从而介质中的每个工作粒子都具有完全相同的受激跃迁几率和极化强度。

对非均匀加宽介质，入射场仅与表观中心频率与其频率相应的某类粒子发生共振相互作用并引起这类粒子的受激跃迁，介质中各粒子在外场作用下所发生的极化情况也不相同。

3.对于气体工作物质，主要的加宽类型是由碰撞引起的均匀加宽和多普勒加宽。

其线型函数是什么？两种加宽类型如何过渡？ 碰撞加宽：0222(,)()2L L L g νπννννν∆=∆⎛⎫+- ⎪⎝⎭多普勒线性加宽：22021(())2200(,)()2mc kT cm g e kTννννννπ--=综合加宽: 0D 00H 00(,)(,)(,)d g g g ννννννν+∞-∞'''=⋅⎰当H D νν∆<<∆时上述积分仅在0νν'≈附近很小范围内有非0值，在此范围内有：0D 0H 00D 0(,)(,)(,)d (,)g g g g ννννννννν+∞-∞''==⎰就是说，这时综合加宽近似于多普勒非均匀加宽。

当D H νν∆<<∆时 0H 0(,)(,)g g νννν= 就是说，这时综合加宽近似于均匀加宽。

4.能画出三能级系统的结构示意图，说明每个能级的意义。

能列出四能级系统的速率方程组。

激光下能级：E 1 激光上能级： E 2 抽运高能级： E 3粒子在这些能级之间跃迁过程： 泵浦过程； W 13转移过程； S 32、 A 31 和S 31粒子数反转形成移过程； A 21 、S 21 和W 21 、W 12三能级系统的速率方程组：311333231d ()d n nW n S A t=-+ 211222122121332d ()d n nW n W n S A n S t=--++ 123n n n n ++=221112d d l l RlN Nn W n W t τ=-- （四能级系统的速率方程组：300333230d ()d n n W n S A t=-+ 2221210221213321d ()(,)()d l n fn n vN n S A n S t f σνν=---++ 0110003330d d n n S n W n A t=-+ 1234n n n n n +++=2212101d ()(,)d l l l RlN N fn n vN t f σνντ=--） 5.均匀加宽中，入射光频率1ν偏离中心频率0ν越远，增益系数的饱和作用越弱。

当入射光频率1ν等于中心频率0ν时，增益系数的饱和作用最强。

6.非均加宽增益饱和现象与均加宽增益饱和现象的主要区别？ ①非均匀加宽工作物质增益饱和效应比较弱。

②在非均匀加宽情况中，增益饱和效应的强弱与线型中频率位置无关。

在均匀加宽情况中，增益饱和效应的强弱与线型中频率位置有关，偏离线型函数中心频率越远，饱和效应越弱。

③非均匀加宽跃迁中具有烧孔效应。

第四章 激光振荡特性1.阈值粒子数反转密度20032102108(,)(,)t Rln n l c A g πνδσνννντ∆≥∆==2.腔内光强能否无限增加下去？答：不行。

实践证明,当激发速率一定时,激光器的输出功率恒定;仅当外界激发作用加强时,输出功率才上升,但会在一个新的水平上保持恒定.3.概念：一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的脉冲，而是一群宽度只有微秒量级 的“尖峰”序列，把这种现象称作弛豫振荡效应。

激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小4.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 现象叫做频率牵引。

5.对于有源腔，输出功率越大，减少损耗和增加腔长可使线宽变窄.名词解释1. 光子简并度：处于同一光子态内的光子数，与之等效的含义还有：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。

2. 相格：测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时确定，在三维运动情况下，测不准关系为3h P P P z y x z y x ≈∆∆∆∆∆∆，故在六维相空间中，一个光子态占有的相空间体积为3h P P P z y x z y x ≈∆∆∆∆∆∆，上述相空间体积元称为相格。

3. 线型函数：引入谱线的线型函数pv 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),(g0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。