当?q??1时，gi0(?1)?gt； 当?q??2时，激光振荡将在增益曲线的?2及?2?2?0??2处造成两个凹陷； 当?q??3时，由于烧孔面积增大，所以功率P3比P2大； ??H当频率?q接近?0，且?q??0????2I?q???1?Is?时，两个烧孔部分重叠，烧孔面积的和可能小于?q??3时两个烧孔面积的和，因此P?P3。当?q??0时，两个烧孔完全重合，此时只有?z?0附近的原子对激光有贡献，虽然它对应着最大的小信号增益，但由于对激光作贡献的反转集居数减少了，即烧孔面积减少了，所以输出功率P0下降到某一极小值，从而出现兰姆凹陷。 45.什么是激光器的弛豫振荡现象？Page175-177 答：(p176)一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，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，把上述现象称为弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。 46.为什么存在线宽极限？它取决于什么？Page177-179 答：(1)(p180-181)由于存在着自发辐射，稳定振荡时的单程增益略小于单程损耗，有源腔的净损耗?s不等于零，虽然该模式的光子数密度Nl保持恒定，但自发辐射具有随机的相位，所以输出激光是一个具有衰减的有限长波列，因此具有一定的谱线宽度??s，这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排出的，因此称为线宽极限。 (2)取决于输出功率、损耗及腔长。 输出功率越大，线宽就越窄；减小损耗和增加腔长也可以使线宽变窄。 47.什么是频率牵引？Page181-182 答：(p183)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。 48.长度为10cm的红宝石棒置于长度为20cm的光谐振腔中，红宝石694.3nm谱线的自发辐射寿命?s?4?10?3s，均匀加宽线宽为2?105MHz，光腔单程损耗因子??0.2。求：（1）中心频率处阈值反转粒子数密度?nt；（2）当光泵激励产生反转粒子数密度?n?1.2?nt时，有多少个纵模可以振荡？（红宝石折射率为1.76）Page182（2） 解：(1) 阈值反转粒子数密度为 4?2?2?1011?1.762?4?10?3?0.24?2??H?2?s??17?3?4.06?10cm? ?nt???72210?(694.3?10)?21ll?(2) 按照题意gm?1.2gt,若振荡带宽为??,则应该有 ???H???2??1.2gt?gt 22???????H???????2??2?2由上式可得???0.2??H?8.94?1010Hz 相邻纵模频率间隔为 cc3?1010??q????5.43?108Hz 2l?2(l?1.76?(L?l))2(10?1.76?10)??8.94?1010所以??164.6 ??q5.43?108所以有164～165个纵模可以起振。 ☆49.简述横模和纵模选择的原理及具体方法。Page210-212 答：(1)横模选择(p210) 原理：在各个横模增益大体相同的条件下，不同横模间衍射损耗有差别，在稳定腔中，基膜的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。如果降低基膜的衍射损耗，使之满足阈值条件（基膜的单程增益至少能补偿它在腔内的单程损耗），则其它模因损耗高而不能起振被抑制。 横模选择方法(p211) 小孔光阑选模、谐振腔参数g,N法，非稳腔选模，微调谐振腔 (2)纵模选择 原理(p212):一般谐振腔中有着相同的损耗，但由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。因此，扩大和充分利用相邻纵模间的增益差，或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。 纵模选择方法 短腔法、行波腔法、选择性损耗法 50.激光器主要的稳频技术有哪些？Page214-219 答：(p214-219)兰姆凹陷稳频、塞曼稳频、饱和吸收稳频、无源腔稳频。 51.Q调制激光器的工作原理，目前常用的几种调Q方法。Page220、Page221-223 答：(1)工作原理(p220) 通过某种方法使谐振腔的损耗因子?(或Q)值按照规定的程序变化，在泵浦源刚开始时，先使光腔具有高损耗因子?H，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平，然后在适当的时刻，使腔的损耗因子突然降到?，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级存储的大部分粒子的能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。 (2)调Q方法(p221-223) 电光调Q、声光调Q、被动调Q ?52.什么是激光器的注入锁定？其实际意义是什么？Page228、Page233 答：(1)(p228)分为两类：连续激光器的注入锁定，脉冲激光器的注入锁定 a)激光器入锁定：连续激题 号 得 分 一 30 二 70 三 四 五 六 七 总分 复核人 100 连的在光续注一振荡器中注入一弱的单色信号，若注入光信号频率?1足够接近激光器的自由振荡频率?，则激光振荡可以完全为注入信号控制，激光器振荡模式的频率跃变为?1，相位与注入信号同步。 b)脉冲激光器的注入锁定：在调Q或增益开关激光器启动过程中注入一弱信号，可使频率与注入信号频率最接近的模式优先起振，其它模式被抑制，实际上激光振荡并未被注入信号真正锁定，激光频率仍为激光器自由振荡的频率。 ?(2)注入锁定的实际意义(p233) a)利用注入锁定，可以由一个功率较小、但窄线宽、单模运转、频率稳定的激光器来控制一个高功率或动态调制激光器的光束质量； b)使用激光器模式相位锁定阵列可产生空间相干性好、发散角小的高功率光束； c)测量系统或应用系统中的光学元件的向后散射对激光器而言是一注入信号，会导致激光器频率不稳定，需要在某些场合采取插入光隔离器等措施减小后向散射； 53.激光器的锁模原理以及利用振幅调制锁模和位相调制锁模的方法。Page234、Page237、Page238 答：(1)锁模原理(p234)：使激光器中各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有一定的超短脉冲，这种激光器称为锁模激光器。 (2)振幅调制锁模的方法(p237)：调制激光工作物质的增益或腔内损耗，均可使激光振幅得到调制，如果调制频率f?c，可实现锁模。 2L?(3)位相调制锁模锁模(238)：在激光器谐振腔内插入一电光晶体，利用晶体折射?随外加电压的变化，产生相位调制。
激光原理 课程考试题
一、填空分）
评卷人 题：（30
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 。 3. 红宝石激光器属于 3 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。 6. 激光器的基本组成部分 激活物质、 激光谐振腔 、 泵浦源 。激光产生条件：1.有提供放大作用的增益介质为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构；2.体育外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3.有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射的能级结构。其中光学谐振腔的作用为：提高光的方向性、加长光在增益介质中行进的路径以提高光能密度、形成共振产生的模提高相干性（或者填模式选择、提高轴向光波模的反馈）。
7. 调Q技术产生激光脉冲主要有 锁模 、 调Q 两种方法，调Q激光器通常可获得ns量级短脉冲，锁模有主动锁模和被动锁模两种锁模方式。
8.固体激光器主要的泵浦源有（氪灯泵浦）、（高效脉冲氙灯泵浦）等。
9.具有合适的能级结构和跃迁特性（或者填亚稳态）的原子结构，才能实现粒子数反转。 10.产生激光的工作物质包括（激活离子）和（基质）。
11.引起谱线增宽的原因主要有三种，即自然展宽、碰撞展宽、多普勒展宽；它们可分为两大类，分别是均匀展宽、非均匀展宽。
12.受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同。
13.爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是：自发辐射、受激吸收、受激辐射。
14.CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是提高激光上能级的激光效率，氦气的作用的是有助于激光下能级的抽空。
15.有源腔中，由于增益介质的色散，使纵模频率与无源腔频率纵模频率更接近中心频率，这种现象叫做频率牵引。
16.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。 17.粒子数反转分布状态微观粒子满足负温度分布。
18.碰撞增宽谱线为洛伦兹线型。自然加宽是由于激发态有一定的寿命引起的。多普勒展宽发生在气体介质中。
19.第一台激光器是红宝石激光器。
20.平行平面腔在稳定图上的坐标为（1,1）。对称共心腔在稳定图上的坐标为（-1,-1）。半共心腔在稳定图上的坐标为（0,1），（1,0）。
21.谐振腔的品质因数Q是用来衡量腔的储存信号的能力。阈值条件是形成激光的充分必要条件。
22.光子简并度指光子处于一个光子态的平均光子数、处于同一模式的光子数、相干体积内偏振一样的光子数、处于同一相格中的偏振一样的光子数。
23.腔模经一次往返再现后保持原来的稳态场分布称为自再现模。
24.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、问答题：（70分）