第一篇：激光原理與激光技術(shù)試卷（寫寫幫推薦）
激光原理與激光技術(shù)試卷
姓名__________專業(yè)方向__________成績__________
說明： 1本試卷為2013級研究生2013-2014學年使用；
2本試卷獨立完成，考生可參考書及筆記本，要求2014年1月10日前完成。
一、解釋下列名詞(15分)
腔壽命――
縱膜頻率間隔――
橫膜――
等價共焦腔――
高斯光束焦參數(shù)――
二、簡答題(25分)
1.簡述激光器的構(gòu)成及各部分的功能；
2.什么是單程功率損耗？單程功率損耗包括哪些方面？
3.諧振腔的本征縱膜頻率間隔與哪些因素有關(guān)，起振模式數(shù)指什么？
4.影響頻率穩(wěn)定的原因是因為哪些參數(shù)發(fā)生變化？
5.高斯光束聚焦和準直各有什么特點？與平行光束的聚焦和準直有什么區(qū)別？
三、證明題(20分)
請用光學變換矩陣的方法證明雙凹共焦腔的穩(wěn)定性。
四、計算題
1.(15分)一氦氖激光器腔長L = 30 cm，腔內(nèi)氣體折射率 n ? 1，其非均勻加寬的線寬 ??D= 1.5×105 MHz，求：
(1)該激光器的縱膜頻率間隔；
(2)滿足域值條件的縱膜個數(shù)；
(3)為使?jié)M足域值條件的縱膜數(shù)限制為10，腔長應(yīng)限制在什么范圍？
2.(25分)一臺Nd:YAG激光器(波長 ? = 1.06? m)采用對稱共焦腔結(jié)構(gòu)，腔長L = 1.2m，求：
(1)求此激光器基膜高斯光束的腰斑半徑及鏡面上的基膜光斑半徑；
(2)求此激光器基膜高斯光束的遠場發(fā)散角；
(3)求此腔產(chǎn)生的高斯光束焦參數(shù)；
(4)求腰處及與腰斑相距2米處的q參數(shù)；
(5)請設(shè)計一個與該共焦腔腔長相等的，平凹腔結(jié)構(gòu)的等價球面腔，并畫出該共焦腔與等價球面腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
第二篇：激光原理與技術(shù)課程教學大綱
二、講授大綱與各章的基本要求
考核要求：
1、光的波粒二象性
周炳琨、高以智等（美）W.克希耐爾著，孫文等譯Addison-Wesley,
第三篇：激光原理與技術(shù)課程教學大綱
《激光原理與技術(shù)》課程教學大綱
二、講授大綱與各章的基本要求
第一章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件
教學要點：
通過本章的教學使學生： 了解光的波粒二象性，掌握光的偏振性、單色光的含義、平面光波的表示法、光強的定義和光子的含義。掌握原子能級和簡并度的含義，理解原子狀態(tài)標記的方法，理解輻射躍遷選擇定則，掌握玻爾茲曼分布定律，掌握輻射躍遷也非輻射躍遷的定義和特點。3 理解黑體輻射的概念和規(guī)律，掌握光和物質(zhì)相互作用時三種基本過程的特點、規(guī)律、發(fā)生幾率，以及三者之間的關(guān)系。掌握自發(fā)輻射光功率和受激輻射光功率在普通光源和激光器中的大小關(guān)系。掌握光譜線、線型、光譜線寬度的概念，掌握自然增寬、碰撞增寬、多普勒增寬的原因、展寬線型、增寬大小及其影響因素，理解均勻增寬和非均勻增寬的概念和含義，理解綜合增寬的含義。理解光在介質(zhì)中受激放大的過程和規(guī)律，掌握介質(zhì)中產(chǎn)生激光放大的條件，理解吸收系數(shù)和增益系數(shù)的概念，掌握光學諧振腔在激光器中的作用和激光閾值條件。
教學時數(shù)：10學時 教學內(nèi)容：
第一節(jié) 光的波粒二象性
一、光波
二、光子
第二節(jié) 原子的能級和輻射躍遷
一、原子能級和簡并度
二、原子狀態(tài)的標記
三、玻爾茲曼分布
四、輻射躍遷和非輻射躍遷 第三節(jié) 光的受激輻射
一、黑體熱輻射
二、光和物質(zhì)的作用
三、自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收之間的關(guān)系
四、自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率
第四節(jié) 光譜線增寬
一、光譜線、線型和光譜線寬度
二、自然增寬
三、碰撞增寬
四、多普勒增寬
五、均勻增寬和非均勻增寬線型
六、綜合增寬 第五節(jié) 激光形成的條件
一、介質(zhì)中光的受激輻射放大
二、光學諧振腔和閾值條件
考核要求：
1、光的波粒二象性
1.1 光波偏振性（領(lǐng)會）
1.2 光速、頻率和波長的關(guān)系（領(lǐng)會）1.3 單色平面波（領(lǐng)會）1.4 光強（識記）1.5 光子（領(lǐng)會）
2、原子的能級和輻射躍遷
2.1 原子能級和簡并度（領(lǐng)會）
2.2 原子狀態(tài)的標記（領(lǐng)會）
2.3 輻射躍遷的選擇定則（領(lǐng)會）2.4 玻爾茲曼分布（領(lǐng)會、應(yīng)用）2.5 輻射躍遷和非輻射躍遷（領(lǐng)會、識記）
3、光的受激輻射
3.1 黑體熱輻射（領(lǐng)會）
3.2 自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收（領(lǐng)會、識記、應(yīng)用）3.3 自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收之間的關(guān)系（領(lǐng)會）3.4 自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率（領(lǐng)會）
4、光譜線增寬
4.1 光譜線的線型函數(shù)、寬度（識記）
4.2 自然增寬的理論解釋、增寬線型、影響增寬的因素（識記、應(yīng)用）4.3 碰撞增寬的理論解釋、增寬線型、影響增寬的因素（識記、應(yīng)用）4.4 多普勒增寬的理論解釋、增寬線型、影響增寬的因素（識記、應(yīng)用）4.5 均勻增寬和非均勻增寬的概念（領(lǐng)會）4.6 綜合增寬（領(lǐng)會）
5、激光形成的條件
5.1 光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律（領(lǐng)會）
5.2 產(chǎn)生受激光放大的條件、增益介質(zhì)和增益系數(shù)（識記、應(yīng)用）5.3 光學諧振腔的作用、閾值條件（領(lǐng)會、識記）
第二章 激光器的工作原理
教學要點：
通過本章的教學使學生： 理解光學諧振腔滿足穩(wěn)定性條件的重要性，掌握穩(wěn)定性的條件，理解共軸球面腔穩(wěn)定圖和分類，學會穩(wěn)定圖的應(yīng)用。理解三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)的激光工作方式，掌握速率方程組的建立、推導(dǎo)和粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的條件。掌握激光器在小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布情況和在均勻增寬型介質(zhì)中的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布。理解粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)。掌握均勻增寬型介質(zhì)中的增益系數(shù)和增益飽和。掌握在非均勻增寬型介質(zhì)中粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布規(guī)律，掌握在非均勻增寬型介質(zhì)中小信號時的增益系數(shù)和穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和，掌握燒孔效應(yīng)的原理。5 了解激光器所存在的各種損耗和起因，掌握激光諧振腔內(nèi)穩(wěn)定光強的形成過程，掌握激光器的能穩(wěn)定出光的閾值條件（包括增益閾值，抽運功率閾值等）。了解激光介質(zhì)能級選取的注意事項。教學時數(shù)：12學時
第一節(jié) 光學諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性
一、共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件
二、共軸球面腔的穩(wěn)定圖及其分類
三、穩(wěn)定圖的應(yīng)用
第二節(jié) 速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一、三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)
二、速率方程組
三、穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
四、小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
五、均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
六、均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng) 第三節(jié) 均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和
一、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)
二、均勻增寬介質(zhì)的增益飽和 第四節(jié) 非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和
一、介質(zhì)在小信號時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值
二、非均勻增寬型介質(zhì)在小信號時的增益系數(shù)
三、非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
四、非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和 第五節(jié) 激光器的損耗與閾值條件
一、激光器的損耗
二、激光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程
三、閾值條件
四、對介質(zhì)能級選取的討論
考核要求：
1、光學諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性
1.1 共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件（應(yīng)用）1.2 共軸球面腔的穩(wěn)定圖及分類（識記）1.3 穩(wěn)定圖的應(yīng)用（應(yīng)用）
2、速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
2.1 三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)（領(lǐng)會）2.2 速率方程組的建立（領(lǐng)會）
2.3 穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布（識記）2.4 飽和效應(yīng)（領(lǐng)會、識記）
3、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和
3.1 均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和（領(lǐng)會、識記）
4、非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和 4.1 粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布（識記）4.2 非均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)（識記）4.3 穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和（領(lǐng)會、識記）
5、激光器的損耗與閾值條件 5.1 激光器的損耗（識記）
5.2 穩(wěn)定光強的形成過程（領(lǐng)會、識記）5.3 閾值條件（領(lǐng)會、識記、應(yīng)用）5.4 對介質(zhì)能級選?。I(lǐng)會）
第三章 激光器的輸出特性
教學要點：
通過本章的教學使學生： 理解自再現(xiàn)模概念，掌握自再現(xiàn)模的特點。掌握自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義，理解激光諧振腔的諧振條件，理解激光縱模的特點和含義，掌握縱模頻率和頻率間隔公式，會分析縱?？赡艽嬖诘臄?shù)量。理解方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解，掌握鏡面上自再現(xiàn)模場的特征（振幅分布、相位分布、衍射損耗等）了解共焦腔中的行波場和腔內(nèi)外的光場分布。掌握高斯光束的振幅和強度分布、相位分布、遠場發(fā)散角以及高斯光束的高亮度。理解穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔的含義，了解穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性。5 掌握均勻增寬型和非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率以及影響因素。理解蘭姆凹陷的形成原因。6 掌握影響激光器線寬的因素。教學時數(shù)：12學時 第一節(jié) 光學諧振腔的衍射理論
一、菲涅耳－基爾霍夫衍射公式
二、光學諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程
三、激光諧振腔的諧振頻率和激光縱模 第二節(jié) 對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布
一、共焦腔鏡面上的場分布
二、共焦腔中的行波場與腔內(nèi)外的光場分布 第三節(jié) 高斯光束的傳播特性
一、高斯光束的振幅和強度分布
二、高斯光束的相位分布
三、高斯光束的遠場發(fā)散角
四、高斯光束的高亮度 第四節(jié) 穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性
一、穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔
二、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性 第五節(jié) 激光器的輸出功率
一、均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率
二、非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率
考核要求：
1、光學諧振腔的衍射理論
1.1 菲涅耳－基爾霍夫衍射公式（領(lǐng)會）1.2 自再現(xiàn)模（領(lǐng)會、識記）1.3 激光縱模（領(lǐng)會、識記）
2、對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布
2.1 鏡面上自再現(xiàn)模場的特征（領(lǐng)會、識記）2.2 行波場和腔內(nèi)外光場分布（了解）
3、高斯光束的傳播特性
3.1 高斯光束的強度分布（領(lǐng)會、識記、應(yīng)用）3.2 相位分布（領(lǐng)會）
3.3 遠場發(fā)散角（領(lǐng)會、識記、應(yīng)用）3.4 高亮度（領(lǐng)會）
4、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性
4.1 穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔（領(lǐng)會）4.2 穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性（領(lǐng)會）
5、激光器的輸出功率
5.1 均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率（領(lǐng)會）
5.2非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率、蘭姆凹陷（領(lǐng)會）
6、激光器的線寬極限（領(lǐng)會）
第四章 激光的基本技術(shù)
教學要點：
通過本章的教學使學生： 了解激光器選模的目的和意義，理解均勻增寬型譜線的縱模競爭，掌握單縱模選取的方法，掌握激光單橫模的選取方法。了解激光器頻率穩(wěn)定的衡量方法，掌握影響激光器頻率穩(wěn)定的因素，了解常見的幾種穩(wěn)頻的方法。了解高斯光束透過透鏡時的變換規(guī)律，掌握高斯光束的聚焦、準直、擴束等技術(shù)的原理和方法。理解激光調(diào)制的概念，了解電光強度調(diào)制和電光相位調(diào)制。5 了解實現(xiàn)激光偏轉(zhuǎn)的幾種主要途徑。理解激光諧振腔的品質(zhì)因素Q的含義，掌握調(diào)Q的原理，了解幾種常見調(diào)Q的方法。理解激光鎖模技術(shù)的含義，掌握鎖模的原理，了解鎖模的2種常見途徑。教學時數(shù)：10學時 第一節(jié) 激光器輸出的選模
一、激光單縱模的選取
二、激光單橫模的選取 第二節(jié) 激光器的穩(wěn)頻
一、影響頻率穩(wěn)定的因素
二、穩(wěn)頻方法概述
三、蘭姆凹陷法穩(wěn)頻
四、飽和吸收法穩(wěn)頻 第三節(jié) 激光束的變換
一、高斯光束通過薄透鏡時的變換
二、高斯光束的聚焦
三、高斯光束的準直
四、激光的擴束 第四節(jié) 激光調(diào)制技術(shù)
一、激光調(diào)制的基本概念
二、電光強度調(diào)制
三、電光相位調(diào)制 第五節(jié) 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)
一、機械偏轉(zhuǎn)
二、電光偏轉(zhuǎn)
三、聲光偏轉(zhuǎn) 第六節(jié) 激光調(diào)Q技術(shù)
一、激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q
二、調(diào)Q原理
三、電光調(diào)Q
四、聲光調(diào)Q
五、染料調(diào)Q 第七節(jié) 激光鎖模技術(shù)
一、鎖模原理
二、主動鎖模
三、被動鎖模
考核要求：
1、激光器輸出的選模
1.1 均勻增寬型譜線的縱模競爭（領(lǐng)會）1.2 非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩（領(lǐng)會）1.3 單縱模的選?。I(lǐng)會、識記）1.4 單橫模的選取（領(lǐng)會、識記）
2、激光器的穩(wěn)頻
2.1 影響頻率穩(wěn)定的因素（識記）2.2 穩(wěn)頻方法（了解）
3、激光束的變換
3.1 高斯光束通過透鏡時的變換（領(lǐng)會、應(yīng)用）3.2 高斯光束的聚焦（領(lǐng)會、應(yīng)用）3.3 高斯光束的準直（領(lǐng)會、應(yīng)用）3.4 激光的擴束（領(lǐng)會、應(yīng)用）
4、激光調(diào)制技術(shù)
4.1 調(diào)制的基本概念（領(lǐng)會）
4.2 電光強度調(diào)制和電光相位調(diào)制（了解）
5、激光偏轉(zhuǎn)技術(shù) 5.1 機械偏轉(zhuǎn)（了解）5.2 電光偏轉(zhuǎn)（了解）5.3 聲光偏轉(zhuǎn)（了解）
6、激光調(diào)Q技術(shù)
6.1 品質(zhì)因數(shù)Q的概念（領(lǐng)會）6.2 調(diào)Q原理（領(lǐng)會、識記）
6.3 電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、染料調(diào)Q（領(lǐng)會）
7、激光鎖模技術(shù) 7.1 鎖模原理（領(lǐng)會）
7.2 主動鎖模和被動鎖模（了解）
第五章 典型激光器介紹
教學要點：
通過本章的教學使學生： 了解固體激光器的基本結(jié)構(gòu)，掌握紅寶石激光器、YAG:Nd激光器的特點和機理，了解固體激光器的泵浦系統(tǒng)和輸出特性，了解半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器、可調(diào)諧固體激光器和高功率激光器的優(yōu)缺點及原理。了解氦氖激光器的結(jié)構(gòu)和工作機理，了解二氧化碳激光器的結(jié)構(gòu)、激發(fā)機理和輸出特性，了解氬離子激光器的結(jié)構(gòu)、激發(fā)機理和工作特性。3 了解染料激光器的特點、激發(fā)機理、調(diào)諧原理和泵浦系統(tǒng)。了解半導(dǎo)體激光器中的能帶情況和產(chǎn)生受激輻射的條件，掌握PN結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，掌握半導(dǎo)體激光器的工作原理及閾值條件，了解同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的特性。了解準分子激光器、自由電子激光器和化學激光器的特點、基本原理和輸出特性。
教學時數(shù)：4學時 第一節(jié) 固體激光器
一、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)
二、固體激光器的泵浦系統(tǒng)
三、固體激光器的輸出特性
四、新型固體激光器 第二節(jié) 氣體激光器
一、氦氖激光器 二、二氧化碳激光器
三、氬離子激光器 第三節(jié) 染料激光器
一、染料激光器的激發(fā)機理
二、染料激光器的泵浦
三、染料激光器的調(diào)諧 第四節(jié) 半導(dǎo)體激光器
一、半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件
二、PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
三、半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件
四、同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 第五節(jié) 其他激光器
一、準分子激光器
二、自由電子激光器
三、化學激光器
考核要求：
1、固體激光器
1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作物質(zhì)（了解）1.2 紅寶石激光器、Nd:YAG激光器（了解、識記）1.3 泵浦系統(tǒng)、輸出特性（了解）
2、氣體激光器
2.1 氦氖激光器結(jié)構(gòu)和原理（了解、識記）2.2 二氧化碳激光器結(jié)構(gòu)和原理（了解）2.3 氬離子激光器結(jié)構(gòu)和原理(了解)
3、染料激光器（了解）
4、半導(dǎo)體激光器
4.1 半導(dǎo)體能帶（了解）4.2 PN結(jié)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（領(lǐng)會）4.3 工作原理和閾值（了解）
5、其他激光器（了解）
第六章 激光在精密測量中的應(yīng)用
教學要點：
通過本章的教學使學生： 了解激光干涉測長的基本原理、系統(tǒng)組成，了解激光外差干涉測長技術(shù)。2 了解激光衍射測量原理、方法及應(yīng)用。了解激光測距的特點、基本原理，了解激光相位測距原理。了解激光準直儀的原理和結(jié)構(gòu)，了解激光多自由度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理。5 了解激光多普勒測速的原理和應(yīng)用。6 了解激光測量角度和角加速度的原理。7 了解激光環(huán)境計量的原理和應(yīng)用。教學時數(shù)：1學時
第一節(jié) 激光干涉測長 第二節(jié) 激光衍射測量 第三節(jié) 激光測距
第四節(jié) 激光準直及多自由度測量 第五節(jié) 激光多普勒測速
第六節(jié) 環(huán)形激光測量角度和角加速度
考核要求：
本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。
第七章 激光加工技術(shù)
教學要點：
通過本章的教學使學生： 1 了解激光熱加工的原理。了解激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用，了解激光表面熔凝技術(shù)和熔覆技術(shù)。3 了解激光打孔和激光切割的原理與特點。了解激光焊接的特點，了解激光熱導(dǎo)焊和深熔焊的原理。了解激光快速成型技術(shù)的原理、優(yōu)點及應(yīng)用，了解激光清洗技術(shù)和激光彎曲技術(shù)。
教學時數(shù)：1學時
第一節(jié) 激光熱加工原理 第二節(jié) 激光表面改性技術(shù) 第三節(jié) 激光去除材料技術(shù) 第四節(jié) 激光焊接 第五節(jié) 激光快速成型技術(shù) 第六節(jié) 其他激光加工技術(shù)
考核要求：
本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。
第八章 激光在醫(yī)學中的應(yīng)用
教學要點：
通過本章的教學使學生： 了解生物體的光學特性，了解激光對生物體的作用和激光在生物體應(yīng)用的優(yōu)點。2 了解激光臨床治療的種類與現(xiàn)狀，了解激光在皮膚科及整形外科領(lǐng)域中的應(yīng)用，了解激光在眼科、泌尿外科、耳鼻喉科中的應(yīng)用。了解利用激光的生物體光譜測量及診斷，了解激光斷層攝影、激光顯微鏡基本原理。了解醫(yī)用激光設(shè)備（光源、光纖）。了解醫(yī)用激光新技術(shù)和光動力學治療的前景。教學時數(shù)：1學時
第一節(jié) 激光與生物體的相互作用 第二節(jié) 激光在臨床治療中的應(yīng)用 第三節(jié) 激光在生物體檢測及診斷中的應(yīng)用 第四節(jié) 醫(yī)用激光設(shè)備 第五節(jié) 激光應(yīng)用于醫(yī)學的未來
考核要求：
本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。
第九章 激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用
教學要點：
通過本章的教學使學生： 了解光纖通信系統(tǒng)中的激光器需滿足的要求，了解光纖激光器的基本原理、特點、分類和應(yīng)用，了解光放大器的原理、種類等。了解激光全息術(shù)的基本原理和分類，了解激光全息三維顯示的優(yōu)點、應(yīng)用及展望。了解激光存儲的基本原理、分類及特點，了解激光體全息光存儲的特點、原理及應(yīng)用，了解激光存儲的最新進展。4 了解激光在掃描器和打印機中的應(yīng)用 教學時數(shù)：1學時
第一節(jié) 光纖通信系統(tǒng)中的激光器和光放大器 第二節(jié) 激光全息三維顯示 第三節(jié) 激光存儲技術(shù) 第四節(jié) 激光掃描和激光打印機
考核要求：
本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。
第十章 激光在科學技術(shù)前沿問題中的應(yīng)用
教學要點：
通過本章的教學使學生： 1 了解激光在受控核聚變中的應(yīng)用。2 了解激光冷卻技術(shù)。了解激光操縱微粒的方法和原理。4 了解激光誘導(dǎo)化學反應(yīng)的原理。5 了解激光在光譜技術(shù)中的應(yīng)用。教學時數(shù)：1學時 第一節(jié) 激光核聚變 第二節(jié) 激光冷卻 第三節(jié) 激光操縱微粒 第四節(jié) 激光誘導(dǎo)化學過程 第五節(jié) 激光光譜學
考核要求：
本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。
三、推薦教材和參考書目
1、《激光原理及應(yīng)用》，陳家璧主編，電子工業(yè)出版社，2004
2、《激光原理》，周炳琨、高以智等編，第五版，國防工業(yè)出版社，2004
3、《固體激光工程》，（美）W.克希耐爾著，孫文等譯，科學出版社，2003
4、《激光技術(shù)》，藍信鉅，科學出版社，2000
5、《激光工程》，（日）中井貞雄著，熊纓譯，科學出版社，2002
6、《激光物理》，錢梅珍等著，第二版，電子工業(yè)出版社，2001
7、《Laser Physics》，M.Sargent III，M.O.Scully, W.E.Lamb, Addison-Wesley, NY, 1987
第四篇：激光原理答案
《激光原理》習題解答第一章習題解答
為了使氦氖激光器的相干長度達到1KM，它的單色性應(yīng)為多少？
解答：設(shè)相干時間為，則相干長度為光速與相干時間的乘積，即
根據(jù)相干時間和譜線寬度的關(guān)系
又因為，由以上各關(guān)系及數(shù)據(jù)可以得到如下形式：
單色性===
解答完畢。
如果激光器和微波激射器分別在10μｍ、500nm和輸出1瓦連續(xù)功率，問每秒鐘從激光上能級向下能級躍遷的粒子數(shù)是多少。
解答：功率是單位時間內(nèi)輸出的能量，因此，我們設(shè)在dt時間內(nèi)輸出的能量為dE，則
功率=dE/dt
激光或微波激射器輸出的能量就是電磁波與普朗克常數(shù)的乘積，即
d，其中n為dt時間內(nèi)輸出的光子數(shù)目，這些光子數(shù)就等于腔內(nèi)處在高能級的激發(fā)粒子在dt時間輻射躍遷到低能級的數(shù)目（能級間的頻率為ν）。
由以上分析可以得到如下的形式：
每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)目為：N=n/dt,帶入上式，得到：
根據(jù)題中給出的數(shù)據(jù)可知：
把三個數(shù)據(jù)帶入，得到如下結(jié)果：，3
設(shè)一對激光能級為E1和E2（f1=f2），相應(yīng)的頻率為ν（波長為λ），能級上的粒子數(shù)密度分別為n2和n1，求
(a)當ν=3000兆赫茲，T=300K的時候，n2/n1=?
(b)當λ=1μm，T=300K的時候，n2/n1=?
(c)當λ=1μm，n2/n1=0.1時，溫度T=？
解答:在熱平衡下，能級的粒子數(shù)按波爾茲曼統(tǒng)計分布，即：
（統(tǒng)計權(quán)重）
其中為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。
(a)
(b)
(c)
在紅寶石調(diào)Q激光器中，有可能將幾乎全部離子激發(fā)到激光上能級并產(chǎn)生激光巨脈沖。設(shè)紅寶石棒直徑為1cm，長度為7.5cm，離子濃度為，巨脈沖寬度為10ns，求激光的最大能量輸出和脈沖功率。
解答：紅寶石調(diào)Q激光器在反轉(zhuǎn)能級間可產(chǎn)生兩個頻率的受激躍遷，這兩個躍遷幾率分別是47%和53%，其中幾率占53%的躍遷在競爭中可以形成694.3nm的激光，因此，我們可以把激發(fā)到高能級上的粒子數(shù)看成是整個激發(fā)到高能級的粒子數(shù)的一半（事實上紅寶石激光器只有一半的激發(fā)粒子對激光有貢獻）。
設(shè)紅寶石棒長為L，直徑為d，體積為V，總數(shù)為N，粒子的濃度為n，巨脈沖的時間寬度為，則離子總數(shù)為：
根據(jù)前面分析部分，只有N/2個粒子能發(fā)射激光，因此，整個發(fā)出的脈沖能量為：
脈沖功率是單位時間內(nèi)輸出的能量，即
解答完畢。
試證明，由于自發(fā)輻射，原子在能級的平均壽命為。
證明如下：根據(jù)自發(fā)輻射的定義可以知道，高能級上單位時間粒子數(shù)減少的量，等于低能級在單位時間內(nèi)粒子數(shù)的增加。即：
---------------①
（其中等式左邊表示單位時間內(nèi)高能級上粒子數(shù)的變化，高能級粒子數(shù)隨時間減少。右邊的表示低能級上單位時間內(nèi)接納的從高能級上自發(fā)輻射下來的粒子數(shù)。）
再根據(jù)自發(fā)輻射躍遷幾率公式：，把代入①式，得到：
對時間進行積分，得到：
（其中隨時間變化，為開始時候的高能級具有的粒子數(shù)。）
按照能級壽命的定義，當時，定義能量減少到這個程度的時間為能級壽命，用字母表示。
因此，即：
證明完畢
某一分子的能級E4到三個較低能級E1
E2
和E3的自發(fā)躍遷幾率分別為A43=5*107s-1,A42=1*107s-1,A41=3*107s-1，試求該分子E4能級的自發(fā)輻射壽命τ4。若τ1=5*10-7s，τ2=6*10-9s，τ3=1*10-8s，在對E4連續(xù)激發(fā)且達到穩(wěn)態(tài)時，試求相應(yīng)能級上的粒子數(shù)比值n1/n4,n2/n4和n3/n4，并說明這時候在哪兩個能級間實現(xiàn)了集居數(shù)
解:
(1)由題意可知E4上的粒子向低能級自發(fā)躍遷幾率A4為:
則該分子E4能級的自發(fā)輻射壽命：
結(jié)論:如果能級u發(fā)生躍遷的下能級不止1條,能級u向其中第i條自發(fā)躍遷的幾率為Aui
則能級u的自發(fā)輻射壽命為:
(2)對E4連續(xù)激發(fā)并達到穩(wěn)態(tài),則有:，（上述三個等式的物理意義是：在只考慮高能級自發(fā)輻射和E1能級只與E4能級間有受激吸收過程，見圖）
宏觀上表現(xiàn)為各能級的粒子數(shù)沒有變化
由題意可得:,則
同理：，進一步可求得:，由以上可知:在E2和E4;E3和E4;E2和E3能級間發(fā)生了粒子數(shù)反轉(zhuǎn).7
證明，當每個模式內(nèi)的平均光子數(shù)（光子簡并度）大于1時，輻射光中受激輻射占優(yōu)勢。
證明如下：按照普朗克黑體輻射公式，在熱平衡條件下，能量平均分配到每一個可以存在的模上，即
（為頻率為γ的模式內(nèi)的平均光子數(shù)）
由上式可以得到：
又根據(jù)黑體輻射公式：
根據(jù)愛因斯坦輻射系數(shù)之間的關(guān)系式和受激輻射躍遷幾率公式，則可以推導(dǎo)出以下公式：
如果模內(nèi)的平均光子數(shù)（）大于1，即，則受激輻射躍遷幾率大于自發(fā)輻射躍遷幾率，即輻射光中受激輻射占優(yōu)勢。證明完畢
一質(zhì)地均勻的材料對光的吸收系數(shù)為，光通過10cm長的該材料后，出射光強為入射光強的百分之幾？
如果一束光通過長度為1M地均勻激勵的工作物質(zhì)，如果出射光強是入射光強的兩倍，試求該物質(zhì)的增益系數(shù)。
解答：設(shè)進入材料前的光強為，經(jīng)過距離后的光強為，根據(jù)損耗系數(shù)的定義，可以得到：
則出射光強與入射光強的百分比為：
根據(jù)小信號增益系數(shù)的概念：，在小信號增益的情況下，上式可通過積分得到
解答完畢。
《激光原理》習題解答第二章習題解答
試利用往返矩陣證明共焦腔為穩(wěn)定腔，即任意傍軸光線在其中可以往返無限次，而且兩次往返即自行閉合.證明如下：（共焦腔的定義——兩個反射鏡的焦點重合的共軸球面腔為共焦腔。共焦腔分為實共焦腔和虛共焦腔。公共焦點在腔內(nèi)的共
焦腔是實共焦腔，反之是虛共焦腔。兩個反射鏡曲率相等的共焦腔稱為對稱共焦腔，可以證明，對稱共焦腔是實雙凹腔。）
根據(jù)以上一系列定義，我們?nèi)【邔ΨQ共焦腔為例來證明。
設(shè)兩個凹鏡的曲率半徑分別是和，腔長為，根據(jù)對稱共焦腔特點可知：
因此，一次往返轉(zhuǎn)換矩陣為
把條件帶入到轉(zhuǎn)換矩陣T，得到：
共軸球面腔的穩(wěn)定判別式子
如果或者，則諧振腔是臨界腔，是否是穩(wěn)定腔要根據(jù)情況來定。本題中，因此可以斷定是介穩(wěn)腔（臨界腔），下面證明對稱共焦腔在近軸光線條件下屬于穩(wěn)定腔。
經(jīng)過兩個往返的轉(zhuǎn)換矩陣式，坐標轉(zhuǎn)換公式為：
其中等式左邊的坐標和角度為經(jīng)過兩次往返后的坐標，通過上邊的式子可以看出，光線經(jīng)過兩次往返后回到光線的出發(fā)點，即形成了封閉，因此得到近軸光線經(jīng)過兩次往返形成閉合，對稱共焦腔是穩(wěn)定腔。
試求平凹、雙凹、凹凸共軸球面腔的穩(wěn)定條件。
解答如下：共軸球面腔的，如果滿足，則腔是穩(wěn)定腔，反之為非穩(wěn)腔,兩者之間存在臨界腔，臨界腔是否是穩(wěn)定腔，要具體分析。
下面我們就根據(jù)以上的內(nèi)容來分別求穩(wěn)定條件。
對于平凹共軸球面腔，()
所以，如果，則是穩(wěn)定腔。因為和均大于零，所以不等式的后半部分一定成立，因此，只要滿足，就能滿足穩(wěn)定腔的條件，因此，就是平凹腔的穩(wěn)定條件。
類似的分析可以知道，凸凹腔的穩(wěn)定條件是：,且。
雙凹腔的穩(wěn)定條件是：，（第一種情況），且（第二種情況）
（對稱雙凹腔）
求解完畢。
激光腔的諧振腔由一曲率半徑為1M的凸和曲率半徑為2M的凹面鏡構(gòu)成，工作物質(zhì)長度為0.5M，其折射率為1.52，求腔長在什么范圍內(nèi)諧振腔是穩(wěn)定的。
解答如下：設(shè)腔長為，腔的光學長度為，已知，，，根據(jù)，代入已知的凸凹鏡的曲率半徑，得到：
因為含有工作物質(zhì)，已經(jīng)不是無源腔，因此，這里L應(yīng)該是光程的大?。ɑ蛘哒f是利用光線在均勻介質(zhì)里傳播矩陣）。
即，代入上式，得到：
要達到穩(wěn)定腔的條件，必須是，按照這個條件，得到腔的幾何長度為：，單位是米。解答完畢。
有一方形孔徑共焦腔氦氖激光器，腔長L=30CM，方形孔徑邊長為d=2a=0.12CM，λ=632.8nm，鏡的反射率為r1=1，r2=0.96，其他損耗以每程0.003估計。此激光器能否做單模運轉(zhuǎn)？如果想在共焦鏡面附近加一個方形小孔光闌來選擇TEM00模，小孔的邊長應(yīng)為多大？試根據(jù)圖2.5.5作一大略的估計。氦氖激光器增益由公式估算，其中的l是放電管長度。
分析：如果其他損耗包括了衍射損耗，則只考慮反射損耗及其他損耗的和是否小于激光器的增益系數(shù)，增益大于損耗，則可產(chǎn)生激光振蕩。
如果其他損耗不包括衍射損耗，并且菲涅爾數(shù)小于一，則還要考慮衍射損耗，衍射損耗的大小可以根據(jù)書中的公式δ00=10.9*10-4.94N來確定，其中的N是菲涅爾數(shù)。
解答：根據(jù)，可以知道單程增益g0L=ln(1+0.0003L/d)=0.0723
由于反射不完全引起的損耗可以用公式2.1.24或者2.1.25來衡量
根據(jù)2.1.24得到：
δr≈-0.5lnr1r2=0.0204
根據(jù)題意，總的損耗為反射損+其他損耗，因此單程總損耗系數(shù)為
δ=0.0204+0.0003 如果考慮到衍射損耗，則還要根據(jù)菲涅爾數(shù)來確定衍射損系數(shù)： 此方形共焦腔氦氖激光器的菲涅爾數(shù)為：N=a2/(Lλ)=7.6，菲涅爾數(shù)大于一很多倍，因此可以不考慮衍射損耗的影響。 通過以上分析可以斷定，此諧振腔可以產(chǎn)生激光振蕩。又根據(jù)氦氖激光器的多普勒展寬達到1.6GHZ，而縱模及橫模間隔根據(jù)計算可知很小，在一個大的展寬范圍內(nèi)可以后很多具有不同模式的光波振蕩，因此不采取技術(shù)措施不可能得到基模振蕩。 為了得到基模振蕩，可以在腔內(nèi)加入光闌，達到基模振蕩的作用。在腔鏡上，基模光斑半徑為： 因此，可以在鏡面上放置邊長為2ω0s的光闌。 解答完畢。 試求出方形鏡共焦腔面上模的節(jié)線位置，這些節(jié)線是等距分布嗎？ 解答如下： 方形鏡共焦腔自再現(xiàn)模滿足的積分方程式為 經(jīng)過博伊德—戈登變換，在通過厄密-高斯近似，可以用厄密-高斯函數(shù)表示鏡面上場的函數(shù) 使就可以求出節(jié)線的位置。由上式得到：，這些節(jié)線是等距的。解答完畢。 求圓形鏡共焦腔和模在鏡面上光斑的節(jié)線位置。 解答如下：圓形鏡共焦腔場函數(shù)在拉蓋爾—高斯近似下，可以寫成如下的形式 （這個場對應(yīng)于，兩個三角函數(shù)因子可以任意選擇，但是當m為零時，只能選余弦，否則整個式子將為零） 對于： 并且，代入上式，得到，我們?nèi)∮嘞翼?，根?jù)題中所要求的結(jié)果，我們?nèi)?，就能求出鏡面上節(jié)線的位置。既 對于，可以做類似的分析。，代入上式并使光波場為零，得到 顯然，只要即滿足上式 最后鏡面上節(jié)線圓的半徑分別為： 解答完畢。 今有一球面腔，兩個曲率半徑分別是R1=1.5M，R2=-1M，L=80CM，試證明該腔是穩(wěn)定腔，求出它的等價共焦腔的參數(shù)，在圖中畫出等價共焦腔的具體位置。 解：共軸球面腔穩(wěn)定判別的公式是，這個公式具有普適性（教材36頁中間文字部分），對于簡單共軸球面腔，可以利用上邊式子的變換形式判斷穩(wěn)定性，其中。 題中，在穩(wěn)定腔的判別范圍內(nèi)，所以是穩(wěn)定腔。 任意一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價，一個一般穩(wěn)定球面腔唯一對應(yīng)一個共焦腔，他們的行波場是相同的。 等價共焦腔的參數(shù)包括：以等價共焦腔的腔中心為坐標原點，從坐標原點到一般穩(wěn)定球面兩個腔鏡面的坐標和，再加上它的共焦腔的鏡面焦距，這三個參數(shù)就能完全確定等價共焦腔。 根據(jù)公式（激光原理p66-2.8.4）得到： 因此 等價共焦腔示意圖略。 某二氧化碳激光器采用平-凹腔，L=50CM，R=2M，2a=1CM，波長λ=10.6μm，試計算鏡面上的光斑半徑、束腰半徑及兩個鏡面上的損耗。 解：此二氧化碳激光器是穩(wěn)定腔，其中平面鏡的曲率半徑可以看作是無窮大。 根據(jù)公式（激光原理p67-2.8.6或2.8.7）得到： 其中第一個腰斑半徑對應(yīng)平面鏡。上式中是這個平凹腔的等價共焦腔鏡面上的腰斑半徑，并且根據(jù)一般穩(wěn)定球面腔與等價共焦腔的性質(zhì)，他們具有同一個束腰。 根據(jù)共焦腔束腰光斑半徑與鏡面上光斑半徑的關(guān)系可知： 作為穩(wěn)定腔，損耗主要是衍射損，衍射損耗與鏡面上的菲涅爾數(shù)有關(guān)，在損耗不大的情況下，是倒數(shù)關(guān)系。 即： 根據(jù)公式（激光原理p69-2.8.18或2.8.19）分別求出兩個鏡面的菲涅爾數(shù) 根據(jù)衍射損耗定義，可以分別求出：，10 證明在所有菲涅爾數(shù)相同而曲率半徑R不同的對稱穩(wěn)定球面腔中，共焦腔的衍射損耗最低。這里L表示腔長，a是鏡面的半徑。 證明： 在對稱共焦腔中，11 今有一平面鏡和一個曲率半徑為R=1M的凹面鏡，問：應(yīng)該如何構(gòu)成一個平—凹穩(wěn)定腔以獲得最小的基模遠場發(fā)散角，畫出光束發(fā)散角與腔長的關(guān)系。 解答： 我們知道，遠場發(fā)散角不僅和模式（頻率）有關(guān)，還和腔的結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)公式2.6.14得到：，如果平面鏡和凹面鏡構(gòu)成的諧振腔所對應(yīng)的等價共焦腔焦距最大，則可以獲得最小的基模光束發(fā)散角。 代入發(fā)散角公式，就得到最小發(fā)散角為： 發(fā)散角與腔長的關(guān)系式： 某二氧化碳激光器材永平凹腔，凹面鏡的R=2M，腔長L=1M，試給出它所產(chǎn)生的高斯光束的束腰腰斑半徑的大小和位置，該高斯光束的焦參數(shù)和基模發(fā)散角。 解答： 某高斯光束束腰光斑半徑為1.14MM，波長λ=10.6μM。求與束腰相距30厘米、100厘米、1000米遠處的光斑半徑及相應(yīng)的曲率半徑。 解答：根據(jù)公式（激光原理p71-2.9.4,2.9.6） 把不同距離的數(shù)據(jù)代入，得到：，曲率半徑 與不同距離對應(yīng)的曲率半徑為：，15 若已知某高斯光束的束腰半徑為0.3毫米，波長為632.8納米。求束腰處的q參數(shù)值，與束腰距離30厘米處的q參數(shù)值，與束腰相距無限遠處的q值。 解答： 束腰處的q參數(shù)值實際上就是書中的公交參量（激光原理p73-2.9.12）： 根據(jù)公式（激光原理p75-2.10.8），可以得到30厘米和無窮遠處的q參數(shù)值分別為 無窮遠處的參數(shù)值為無窮大。 某高斯光束束腰半徑為1.2毫米，波長為10.6微米。現(xiàn)在用焦距F=2cm的鍺透鏡聚焦，當束腰與透鏡距離分別為10米，1米，10厘米和0時，求焦斑大小和位置，并分析結(jié)果。 解答： 根據(jù)公式（激光原理p78-2.10.17和2.10.18） 當束腰與透鏡距離10米時 同理可得到： 解答完畢 二氧化碳激光器輸出波長為10.6微米的激光，束腰半徑為3毫米，用一個焦距為2厘米的凸透鏡聚焦，求欲得到焦斑半徑為20微米及2.5微米時，透鏡應(yīng)該放在什么位置。 解答：根據(jù)公式（激光原理p78-2.10.18） 上式中束腰到透鏡的距離l就是我們要求的參數(shù)，其他各個參數(shù)都為已知，代入題中給出的數(shù)據(jù)，并對上式進行變換，得到 當焦斑等于20微米時，（透鏡距束腰的距離） 當焦斑等于2.5微米時，此提要驗證 如圖2.2所示，入射光波廠為10.6微米，求及。 解答：經(jīng)過第一個透鏡后的焦斑參數(shù)為： 經(jīng)過第二個透鏡后的焦參數(shù)為： 解方程可以求出題中所求。 某高斯光束束腰腰斑半徑為1.2毫米，波長為10.6微米?，F(xiàn)在用一個望遠鏡將其準直。主鏡用曲率半徑為1米的鍍金反射鏡，口徑為20厘米；副鏡為一個焦距為2.5厘米，口徑為1.5厘米的鍺透鏡；高斯光束束腰與透鏡相距1米，如圖所示。求該望遠鏡系統(tǒng)對高斯光束的準直倍率。 解答： 根據(jù)公式（激光原理p84-2.11.19），其中，為望遠鏡主鏡與副鏡的焦距比。題中的反射鏡，相當于透鏡，且曲率半徑的一半就是透鏡的焦距。 已知：，，，（經(jīng)過驗證，光斑在第一個透鏡表面形成的光斑半徑小于透鏡鏡面尺寸，衍射效應(yīng)很小，因此可以用準直倍率公式） 代入準直倍率公式得到： 解答完畢。 激光器的諧振腔有兩個相同的凹面鏡組成，它出射波長為λ的基模高斯光束，今給定功率計，卷尺以及半徑為a的小孔光闌，試敘述測量該高斯光束焦參數(shù)f的實驗原理及步驟。 設(shè)計如下： 首先明確焦參數(shù)的構(gòu)成元素為腰斑半徑，波長λ及參數(shù)，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)，激光器的波長為已知，我們不可能直接測量腔內(nèi)的腰斑半徑（因為是對稱腔，束腰在腔內(nèi)），只能通過技術(shù)手段測量發(fā)射出來的光波場的腰斑半徑，然后利用這里的z是由激光器腔中心到光功率計的距離，用卷尺可以測量。光功率計放置在緊貼小孔光闌的后面，沿著光場橫向移動，測量出。把測量的和z代入公式，可以求出焦參數(shù)。 設(shè)計完畢（以上只是在理論上的分析，實際中的測量要復(fù)雜得多，實驗室測量中會用透鏡擴束及平面鏡反射出射光，增加距離進而增加測量精度） 二氧化碳激光諧振腔由兩個凹面鏡構(gòu)成，兩個鏡面的曲率半徑分別是1米和兩米，光腔長度為0.5米。 問：如何選擇高斯光束腰斑的大小和位置，才能使它構(gòu)成該諧振腔的自再現(xiàn)光束。 解答： 高斯光束的自再現(xiàn)條件是（激光原理p84-2.12.1及2.12.2）： 根據(jù)公式（激光原理p78-2.10.17及2.10.18） 經(jīng)過曲率半徑為1米的反射鏡后，為了保證自再現(xiàn)條件成立，腔內(nèi)的束腰半徑應(yīng)該與經(jīng)過反射鏡的高斯光束的束腰相同，因此得到： 同理，經(jīng)過第二個反射鏡面也可以得到： 根據(jù)以上三個式子可以求出，，解答完畢。 （1）用焦距為F的薄透鏡對波長為λ、束腰半徑為的高斯光束進行變換，并使變換后的高斯光束的束腰半徑（此稱為高斯光束的聚焦），在和兩種情況下，如何選擇薄透鏡到該高斯光束束腰的距離？（2）在聚焦過程中，如果薄透鏡到高斯光束束腰的距離不變，如何選擇透鏡的焦距F？ 解答： （1） 根據(jù)可知，即 通過運算可得到： 或者（舍去） （2） 參考《激光原理》p81-2.一定時，隨焦距變化的情況。 試用自變換公式的定義式（激光原理p84-2.12.2），利用q參數(shù)來推導(dǎo)出自變換條件式 證明： 設(shè)高斯光束腰斑的q參數(shù)為，腰斑到透鏡的距離為，透鏡前表面和后表面的q參數(shù)分別為、，經(jīng)過透鏡后的焦斑處q參數(shù)用表示，焦斑到透鏡的距離是=，透鏡的焦距為F。 根據(jù)q參數(shù)變換，可以求出前表面、后表面、及焦斑處的q參數(shù)，分別是： 透鏡前表面： 透鏡后表面： 焦斑的位置： 把經(jīng)過變換的代入到焦斑位置的q參數(shù)公式，并根據(jù)自再現(xiàn)的條件，得到： 由此可以推導(dǎo)出 證明完畢。 試證明在一般穩(wěn)定腔中，其高斯模在腔鏡面處的兩個等相位面的曲率半徑必分別等于各鏡面的曲率半徑。 證明 設(shè)一般穩(wěn)定腔的曲率半徑分別是、，腔長為，坐標取在這個穩(wěn)定腔的等價共焦腔中心上，并且坐標原點到鏡面的距離分別是和，等價共焦腔的焦距為。 根據(jù) 試從式和導(dǎo)出，其中的，并證明對雙凸腔 解答：略 試計算，，的虛共焦腔的和.若想保持不變并從凹面鏡端單端輸出，應(yīng)如何選擇？反之，若想保持不變并從凸面鏡輸出，如何選擇？在這兩種情況下，和各為多大？ 解答： 虛共焦腔的特點：激光原理p91,96 激光原理p97-2.1511,2.15.12 根據(jù)，同理： 單端輸出：如果要從虛共焦非穩(wěn)定腔的凸面鏡單端輸出平面波，并使腔內(nèi)振蕩光束全部通過激活物質(zhì)，則凹面鏡和凸透鏡的選區(qū)要滿足：，其中的a分別代表（按角標順序）工作物質(zhì)的半徑、凹面鏡半徑、凸面鏡半徑 實施意義上的單面輸出（從凸面鏡端輸出）：按照圖（激光原理p96-圖2.15.2a）為了保證從凸面鏡到凹面鏡不發(fā)生能量損失，則根據(jù)圖要滿足： 因為凸面鏡的尺寸不變，所以在曲率半徑給定的條件下，凹面鏡的半徑應(yīng)該為： 從凹面鏡端輸出，只要保證有虛焦點發(fā)出的光到達凹面鏡后的反射光（平行光）正好在凸面鏡的限度范圍內(nèi)，則可保證從凹面鏡單端輸出。 因此，此時只要滿足即可，因此 這兩種情況下的單程和往返損耗略。 解答完畢。 第三章習題 1．試由式（3.3.5）導(dǎo)出式（3.3.7）,說明波導(dǎo)模的傳輸損耗與哪些因素有關(guān)。在其他條件不變時，若波導(dǎo)半徑增大一倍，損耗將如何變化？若減小到原來的，損耗又將如何變化？在什么條件下才能獲得低的傳輸損耗？ 解：由及可得： 波導(dǎo)模的傳輸損耗與波導(dǎo)橫向尺寸,波長，波導(dǎo)材料的折射率實部以及不同波導(dǎo)模對應(yīng)得不同值有關(guān)。 （a）波導(dǎo)半徑增大一倍，損耗減為原來的。 （b）波長減小到原來的一半，損耗減為原來的。 獲得低的傳輸損耗應(yīng)增大波導(dǎo)橫向尺寸，選擇折射率實部小的介質(zhì)材料和小的波導(dǎo)模。 2.試證明，當為實數(shù)時，若，最低損耗模為模，而當時，為模，并證明模的損耗永遠比模低。 證明： (3.3.8) 對于以上三種不同模，參看書中表3.1，對于同一種模式，越小，損耗越小，因此以下考慮，模之間誰最?。ㄖ凶钚。╊}中設(shè)為實數(shù)，顯然，所以,只需考慮與: 當時，小 當時，小 3.在波長時，試求在內(nèi)徑為的波導(dǎo)管中模和模的損耗和，分別以，以及來表示損耗的大小。當通過長的這種波導(dǎo)時，模的振幅和強度各衰減了多少（以百分數(shù)表示）？ 解：由。 當時，4.試計算用于波長的矩形波導(dǎo)的值，以及表示，波導(dǎo)由制成，，計算由制成的同樣的波導(dǎo)的值，計算中取。 解： : :。 5.某二氧化碳激光器用作波導(dǎo)管，管內(nèi)徑，取，管長10cm,兩端對稱地各放一面平面鏡作腔鏡。試問：為了模能產(chǎn)生振蕩，反射鏡與波導(dǎo)口距離最大不得超過多少？計算中激活介質(zhì)增益系數(shù)。 解：，時，而平面反射鏡所產(chǎn)生的耦合損耗為：，其中。 為使模能產(chǎn)生振蕩則要求，得：，即反射鏡與波導(dǎo)口距離不得超過1.66cm.第四章 靜止氖原子的譜線中心波長為632.8納米，設(shè)氖原子分別以0.1C、O.4C、O.8C的速度向著觀察者運動，問其表觀中心波長分別變?yōu)槎嗌伲?/p> 解答： 根據(jù)公式（激光原理P136） 由以上兩個式子聯(lián)立可得： 代入不同速度，分別得到表觀中心波長為：，解答完畢（驗證過） 設(shè)有一臺麥克爾遜干涉儀，其光源波長為，試用多普勒原理證明，當可動反射鏡移動距離L時，接收屏上的干涉光強周期性的變化次。 證明： 對于邁氏干涉儀的兩個臂對應(yīng)兩個光路，其中一個光路上的鏡是不變的，因此在這個光路中不存在多普勒效應(yīng)，另一個光路的鏡是以速度移動，存在多普勒效應(yīng)。在經(jīng)過兩個光路返回到半透鏡后，這兩路光分別保持本來頻率和多普勒效應(yīng)后的頻率被觀察者觀察到（從半透境到觀察者兩個頻率都不變），觀察者感受的是光強的變化，光強和振幅有關(guān)。以上是分析內(nèi)容，具體解答如下： 無多普勒效應(yīng)的光場： 產(chǎn)生多普勒效應(yīng)光場： 在產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的光路中，光從半透經(jīng)到動鏡產(chǎn)生一次多普勒效應(yīng)，從動鏡回到半透鏡又產(chǎn)生一次多普勒效應(yīng)（是在第一次多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)上） 第一次多普勒效應(yīng)： 第二次多普勒效應(yīng)： 在觀察者處： 觀察者感受到的光強： 顯然，光強是以頻率為頻率周期變化的。 因此，在移動的范圍內(nèi)，光強變化的次數(shù)為： 證明完畢。（驗證過） 在激光出現(xiàn)以前，Kr86低氣壓放電燈是最好的單色光源。如果忽略自然加寬和碰撞加寬，試估計在77K溫度下它的605.7納米譜線的相干長度是多少？并與一個單色性Δλ/λ=10-8的He-Ne激光器比較。 解：根據(jù)相干長度的定義可知。其中分母中的是譜線加寬項。從氣體物質(zhì)的加寬類型看，因為忽略自然和碰撞加寬，所以加寬因素只剩下多普勒加寬的影響。 根據(jù)P138頁的公式4.3.26可知，多普勒加寬： 因此，相干長度為： 根據(jù)題中給出的氦氖激光器單色性及氦氖激光器的波長632.8納米，可根據(jù)下述公式得到氦氖激光器的相干長度： 可見，即使以前最好的單色光源，與現(xiàn)在的激光光源相比，相干長度相差2個數(shù)量級。說明激光的相干性很好。 估算CO2氣體在300K下的多普勒線寬ΔνD，若碰撞線寬系數(shù)α=49MHZ/Pa，討論在什么氣壓范圍內(nèi)從非均勻加寬過渡到均勻加寬。 解：根據(jù)P138頁的公式4.3.26可知，多普勒加寬： 因為均勻加寬過渡到非均勻加寬，就是的過程，據(jù)此得到：，得出 結(jié)論：氣壓P為1.08×103Pa時,是非均勻加寬與均勻加寬的過渡閾值，.當氣壓遠遠大于1.08×103Pa的情況下,加寬主要表現(xiàn)為均勻加寬。 （驗證過） 氦氖激光器有下列三種躍遷，即3S2-2P4的632.8納米，2S2-2P4的1.1523微米和3S2-3P4的3.39微米的躍遷。求400K時他們的多普勒線寬，并對結(jié)果進行分析。 解：根據(jù)P138頁的公式4.3.26，可分別求出不同躍遷的譜線加寬情況。 3S2-2P4的632.8納米的多普勒加寬： 2S2-2P4的1.1523微米的多普勒加寬： 3S2-3P4的3.39微米的多普勒加寬： 由以上各個躍遷的多普勒線寬可見，按照結(jié)題結(jié)果順序，線寬是順次減少，由于題中線寬是用頻率進行描述，因此頻率線寬越大，則單色性越好。 （驗證過） 考慮二能級工作系統(tǒng)，若E2能級的自發(fā)輻射壽命為τS，無輻射躍遷壽命為τnr。假設(shè)t=0時激光上能級E2的粒子數(shù)密度為n2(0)，工作物質(zhì)的體積為V，發(fā)射頻率為ν，求： （1）自發(fā)輻射功率隨時間的變化規(guī)律。（2）E2能級的原子在其衰減過程中發(fā)出的自發(fā)輻射光子數(shù)。（3）自發(fā)輻射光子數(shù)與初始時刻E2能級上的粒子數(shù)之比η2。 解： （1）根據(jù)P11相關(guān)內(nèi)容，考慮到E2的能級壽命不僅僅是自發(fā)輻射壽命，還包括無輻射躍遷壽命，因此，E2能級的粒子數(shù)變化規(guī)律修正為：，其中的τ與τS、τnr的關(guān)系為，為E2能級的壽命。 在時刻t，E2能級由于自發(fā)和無輻射躍遷而到達下能級的總粒子數(shù)為： 由于自發(fā)輻射躍遷而躍遷到激光下能級的粒子數(shù)為，因此由于自發(fā)輻射而發(fā)射的功率隨時間的變化規(guī)律可以寫成如下形式： （2）由上式可知，在t-t+dt時間內(nèi)，E2能級自發(fā)輻射的光子數(shù)為： 則在0-∞的時間內(nèi)，E2能級自發(fā)輻射的光子總數(shù)為： （3）自發(fā)輻射光子數(shù)與初始時刻能級上的粒子數(shù)之比為: 此題有待確認 根據(jù)激光原理4.4節(jié)所列紅寶石的躍遷幾率數(shù)據(jù)，估算抽運幾率等于多少時紅寶石對波長694.3納米的光透是明的（對紅寶石，激光上、下能級的統(tǒng)計權(quán)重為，且計算中可不考慮光的各種損耗） 解答：已知紅寶石的，，分析如下：增益介質(zhì)對某一頻率的光透明，說明介質(zhì)對外界光場的吸收和增益相等，或者吸收極其微弱，以至于對進入的光場強度不會產(chǎn)生損耗。對于本題中的紅寶石激光器，透明的含義應(yīng)該屬于前者。 根據(jù)公式： （激光原理P146-4.4.22） 由上邊的第二項和第四項，可以得到： --------------------------------------1 又因為小信號下（粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)剛剛達到閾值），因此，且 由此，方程組的第一個式子可以轉(zhuǎn)變?yōu)椋海?式，得到： 既然對入射光場是透明的，所以上式中激光能級發(fā)射和吸收相抵，即激光上能級的粒子數(shù)密度變化應(yīng)該與光場無關(guān)，并且小信號時激光上能級的粒子數(shù)密度變化率為零，得到 最后得到： 解答完畢。（驗證過） 短波長（真空紫外、軟X射線）譜線的主要加寬是自然加寬。試證明峰值吸收截面為。 證明：根據(jù)P144頁吸收截面公式4.4.14可知，在兩個能級的統(tǒng)計權(quán)重f1=f2的條件下，在自然加寬的情況下，中心頻率ν0處吸收截面可表示為： -------------------------------------------------1 上式（P133頁公式4.3.9） 又因為，把A21和ΔνN的表達式代入1式，得到： 證畢。（驗證過） 已知紅寶石的密度為3.98g/cm3，其中Cr2O3所占比例為0.05%（質(zhì)量比），在波長為694.3nm附近的峰值吸收系數(shù)為0.4cm-1，試求其峰值吸收截面（T=300K）。 解： 分析：紅寶石激光器的Cr3+是工作物質(zhì)，因此，所求峰值吸收截面就是求Cr3+的吸收截面。 根據(jù)題中所給資料可知： Cr2O3的質(zhì)量密度為3.98g/cm3×0.05%=1.99×10-3g/cm3,摩爾質(zhì)量為52×2+16×3=152g/mol 設(shè)Cr3+的粒子數(shù)密度為n，則n=2×（1.99×10-3 /152）×6.02×1023=1.576×1019/cm3 根據(jù)可知，根據(jù)n≈n1+n2，Δn=n1-n2,且，其中，可知E2能級粒子數(shù)密度接近于零，可求出Δn=n1=1.756×1019/cm3，代入到，可求出： 解答完畢。 略 在均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率為ν1、強度為Iν1的強光增益系數(shù)為gH(ν1,Iν1),gH(ν1,Iν1)--- ν1關(guān)系曲線稱為大信號增益曲線，試求大信號增益曲線的寬度ΔνH。 解： 大信號增益系數(shù)表達式為P153-4.5.17： 根據(jù)譜線寬度的定義：增益下降到增益最大值的一半時，所對應(yīng)的頻率寬度，叫做大信號增益線寬。 根據(jù)大信號增益曲線表達式可知，其中心頻率處具有最大增益，即ν1=ν0時。在此條件下，增益最大值為： 根據(jù)，可求出當時滿足增益線寬條件，因此，線寬位： 解答完畢。 有頻率為ν1、ν2的兩強光入射，試求在均勻加寬情況下： (1) 頻率為ν的弱光的增益系數(shù)。 (2) 頻率為ν1的強光增益系數(shù)表達式。 (設(shè)頻率為ν1和ν2的光在介質(zhì)里的平均光強為Iν1、Iν2) 解：在腔內(nèi)多模振蕩條件下，P151-4.5.7應(yīng)修正為： 根據(jù)P150-4.5.5可知，增益系數(shù)與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)成正比，即： 把修正后的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)表達式代入上式，得到： 因此，所求第一問“頻率為ν的弱光的增益系數(shù)”為： 第二問“頻率為ν1的強光增益系數(shù)表達式”為： 解答完畢。 激光上下能級的粒子數(shù)密度速率方程表達式為P147-4.4.28所示。 (1) 試證明在穩(wěn)態(tài)情況下，在具有洛倫茲線型的均勻加寬介質(zhì)中，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)表達式具有如下形式：，其中，Δn0是小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。 (2) 寫出中心頻率處飽和光強Is的表達式。 (3) 證明時，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示。 解：1 穩(wěn)態(tài)工作時,由激光上、下能級的粒子數(shù)密度速率方程 (4.4.28)可得: ---------------------------------------------- ---------------------------------------------2 ------------------------------------------------------------------3 其中，由(3)式和(2)式可得: 整理得: 將(4)代入(1)式: 整理得： 其中，Δn0是小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。 (2) 當ν1=ν0時，(3) 高功率的激光系統(tǒng)中 當時，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示 設(shè)有兩束頻率分別為和，光強為和的強光沿相同方向或者相反方向通過中心頻率為的非均勻加寬增益介質(zhì)。試分別劃出兩種情況下反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度分布曲線，并標出燒孔位置。 分析: 非均勻加寬的特點是增益曲線按頻率分布，當有外界入射光以一定速度入射時，增益曲線對入射光頻率敏感，且產(chǎn)生飽和效應(yīng)的地方恰好是外界光場頻率對應(yīng)處，而其他地方則不會產(chǎn)生增益飽和現(xiàn)象。當然，產(chǎn)生增益飽和的頻率兩邊一定頻譜范圍內(nèi)也會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，但是與外界光場對應(yīng)的頻率出飽和現(xiàn)象最大最明顯。 設(shè)外界光場以速度入射，作為增益介質(zhì)，感受到的表觀頻率為：，當增益介質(zhì)的固有頻率時，產(chǎn)生激光（發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)） 而發(fā)生粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的速度為： 正方向： 負方向： 一、當都是正方向入射時，兩束光對應(yīng)的速度分別為： 也就是說在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度分布圖上，在速度等于和處形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和效應(yīng)。 根據(jù)公式（激光原理p156-4.6.7） 對于，孔的深度為： 對于，孔的深度為： 又因為線型函數(shù)以為對稱形式，且兩個入射光產(chǎn)生燒孔的位置也以為中心對稱分布，因此，產(chǎn)生燒孔的兩個對稱位置處的小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)相等，即，因此，兩個燒孔的深度相比，因為，所以兩個孔的深度入射光強大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)深度大。 即： 兩孔深度比： 二、兩束光相對進入增益介質(zhì) 類似上面的分析可得到：，可見燒孔位置重合，燒一個孔 因為兩個光強不同的外場同時作用于某一品率處而產(chǎn)生增益飽和（反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和），因此，次品率處的光強是兩個光強的和，因此，燒孔深度為 解答完畢。 第五章 激光振蕩特性 2．長度為10cm的紅寶石棒置于長度為20cm的光諧振腔中，紅寶石694.3nm譜線的自發(fā)輻射壽命，均勻加寬線寬為。光腔單程損耗。求 (1)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)； (2)當光泵激勵產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)時，有多少個縱?？梢哉袷?？(紅寶石折射率為1.76) 解：(1) 閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為： (2) 按照題意，若振蕩帶寬為，則應(yīng)該有 由上式可以得到 相鄰縱模頻率間隔為 所以 所以有164~165個縱?？梢云鹫?。 3．在一理想的三能級系統(tǒng)如紅寶石中，令泵浦激勵幾率在t=0瞬間達到一定值，[為長脈沖激勵時的閾值泵浦激勵幾率]。經(jīng)時間后系統(tǒng)達到反轉(zhuǎn)狀態(tài)并產(chǎn)生振蕩。試求的函數(shù)關(guān)系，并畫出歸一化的示意關(guān)系曲線(令)。 解：根據(jù)速率方程(忽略受激躍遷)，可以知道在達到閾值之前，在t時刻上能級的粒子數(shù)密度與時間t的關(guān)系為 當時，即 由(1)可知，當時間t足夠長的時候 由上式可知 由(2)式可得 所以 所以歸一化的示意關(guān)系曲線為 4．脈沖摻釹釔屢石榴石激光器的兩個反射鏡透過率、分別為0和0.5。工作物質(zhì)直徑d=0.8cm，折射率=1.836，總量子效率為1，熒光線寬，自發(fā)輻射壽命。假設(shè)光泵吸收帶的平均波長。試估算此激光器所需吸收的閾值泵浦能量。 解： 5．測出半導(dǎo)體激光器的一個解理端面不鍍膜與鍍?nèi)瓷淠r的閾值電流分分別為J1與J2。試由此計算激光器的分布損耗系數(shù)(解理面的反射率)。 解：不鍍膜的時候，激光器端面的反射率即為r，鍍了全發(fā)射膜之后的反射率為R=1，設(shè)激光器的長度為l，則有 由這兩式可以解得 即得到了激光器的分布損耗系數(shù)。 7．如圖5.1所示環(huán)形激光器中順時針模式及逆時針模的頻率為，輸出光強為及。 (1)如果環(huán)形激光器中充以單一氖同位素氣體，其中心頻率為，試畫出及時的增益曲線及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的軸向速度分布曲線。 (2)當時激光器可輸出兩束穩(wěn)定的光，而當時出現(xiàn)一束光變強，另一束光熄滅的現(xiàn)象，試解釋其原因。 (3)環(huán)形激光器中充以適當比例的及的混合氣體，當時，并無上述一束光變強，另一束光變?nèi)醯默F(xiàn)象，試說明其原因(圖5.2為、及混合氣體的增益曲線)，、及分別為、及混合氣體增益曲線的中心頻率。 圖5.1 圖5.2 (4)為了使混合氣體的增益曲線對稱，兩種氖同位素中哪一種應(yīng)多一些。 解：(1) 時 時 (2) 時，及分別使用不同速度的反轉(zhuǎn)原子，使用速度為的高能級原子，使用速度為的高能級原子，這樣和不會彼此的爭奪高能級原子，所以激光器可以輸出兩束穩(wěn)定的激光。的時候，和均使用速度為0的高能級原子，兩個模式劇烈競爭，競爭的結(jié)果是一束光變強，另一束光熄滅。 (3) 使用的原子以及的原子。使用的原子以及的原子，因此兩個模式使用不同高能級原子，沒有了模式競爭效應(yīng)，因此兩個模式均可以穩(wěn)定的存在，沒有了上面所說的一束光變強，另一束光熄滅的現(xiàn)象。 (4) 要是混合氣體的增益曲線對稱，必須使得和的增益曲線高度相等，即要滿足： 而 欲使得，應(yīng)使 因此，應(yīng)該多一些。 8．考慮氦氖激光器的632.8nm躍遷，其上能級3S2的壽命，下能級2P4的壽命，設(shè)管內(nèi)氣壓p=266Pa： (1)計算T=300K時的多普勒線寬； (2)計算均勻線寬及； (3)當腔內(nèi)光強為(1)接近0；(2)10W/cm2時諧振腔需多長才能使燒孔重疊。 (計算所需參數(shù)可查閱附錄一) 解：(1) T=300K時的多普勒線寬為 (2) 均勻線寬包括自然線寬和碰撞線寬兩部分，其中 所以 (3) 設(shè)腔內(nèi)光強為I，則激光器燒孔重疊的條件為 取進行計算。 當腔內(nèi)光強接近0的時候 當腔內(nèi)光強為的時候 9．某單模632.8nm氦氖激光器，腔長10cm，而反射鏡的反射率分別為100%及98%，腔內(nèi)損耗可忽略不計，穩(wěn)態(tài)功率輸出是0.5mW，輸出光束直徑為0.5mm(粗略地將輸出光束看成橫向均勻分布的)。試求腔內(nèi)光子數(shù)，并假設(shè)反轉(zhuǎn)原子數(shù)在t0時刻突然從0增加到閾值的1.1倍，試粗略估算腔內(nèi)光子數(shù)自1噪聲光子/腔模增至計算所得之穩(wěn)態(tài)腔內(nèi)光子數(shù)須經(jīng)多長時間。 解：穩(wěn)態(tài)時的功率輸出可以表示為 穩(wěn)態(tài)時的光子數(shù)為 下面來計算所需要的時間： 根據(jù)題意有，則 所以 因為，所以，所以有 10．腔內(nèi)均勻加寬增益介質(zhì)具有最佳增益系數(shù)gm及飽和光強ISG，同時腔內(nèi)存在一均勻加寬吸收介質(zhì)，其最大吸收系數(shù)為，飽和光腔為。假設(shè)二介質(zhì)中心頻率均為，，試問： (1)此激光能否起振？ (2)如果瞬時輸入一足夠強的頻率為的光信號，此激光能否起振？寫出其起振條件；討論在何種情況下能獲得穩(wěn)態(tài)振蕩，并寫出穩(wěn)態(tài)振蕩時腔內(nèi)光強。 解：(1) 若增益介質(zhì)和吸收介質(zhì)的線寬分別為和，若，則在任何頻率下，均小于，因此不能起振。如果（如下圖所示），則當時不能振蕩，當或者才能振蕩。 (2) 若入射光強為，則增益介質(zhì)的增益系數(shù)為 吸收介質(zhì)的吸收系數(shù)為 假設(shè)增益介質(zhì)的長度跟吸收介質(zhì)的長度相等，則當滿足的時候激光器起振，所以激光器起振的條件為 即 當兩個介質(zhì)的參量滿足(2)式，入射光強滿足(1)式的時候，激光器就可以起振，腔內(nèi)光強不斷增加，當腔內(nèi)光強增加到 時去掉入射信號，此時可得穩(wěn)定光強 11．低增益均勻加寬單模激光器中，輸出鏡最佳透射率Tm及閾值透射率Tt可由實驗測出，試求往返凈損耗及中心頻率小信號增益系數(shù)(假設(shè)振蕩頻率)。 解：輸出光強 閾值時有： 時，由(1)、(2)式可得： 12．有一氪燈激勵的連續(xù)摻釹釔鋁石榴石激光器(如圖5.3所示)。由實驗測出氪燈輸入電功率的閾值為2.2kW，斜效率(P為激光器輸出功率，為氪燈輸入電功率)。摻釹釔鋁石榴石棒內(nèi)損耗系數(shù)。試求： (1) 為10kW時激光器的輸出功率； 圖5.3 (2) 反射鏡1換成平面鏡時的斜效率(更換反射鏡引起的衍射損耗變化忽略不計；假設(shè)激光器振蕩于TEM00模)； (3) 圖5.3所示激光器中換成0.1時的斜效率和=10kW時的輸出功率。 解：均勻加寬連續(xù)激光器輸出功率可以表示為 (1)為10kW時激光器的輸出功率為： (2) 圖5.3所示的激光器 反射鏡1換成平面鏡之后 斜效率應(yīng)為 (3) 圖5.3所示激光器的單程損耗為 反射鏡1的透過率改成之后，單程損耗變?yōu)?/p> 閾值泵浦功率為 當時，輸出功率為 激光原理與應(yīng)用教案 一.緒論 本節(jié)課教學目標： 讓學生了解激光的歷史，激光形成及發(fā)展、理論體系的形成。 讓學生了解激光科學的分支及激光在軍事、信息技術(shù)、醫(yī)療等方面的應(yīng)用； 本節(jié)課教學內(nèi)容： 1．激光的概念： 激 光——利用受激輻射的光放大。 LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2． 激光的發(fā)現(xiàn)： 最早在1917年——Einstein首次預(yù)言受激輻射激光，歷史上首先在微波波段實現(xiàn)量子放大（1953），1954年——C.H.Townes, I.P.Gorden, H.J.Zeiger 使用NH3分子射束實現(xiàn)Maser向更短波長進發(fā)——ammonia beam maser，1958年——A.L.Schawlow, C.H.Townes, A.M.PoxopoB提出將Maser原理推廣到光波段——laser，1960年——T.H.Maiman of Bell Lab 紅寶石 首次實現(xiàn)laser l=6943? 紅光（早期的名稱：萊塞、光量子振蕩器、光激射器 受激光，“激光”——錢學森在1963年提出。61年 中國（亞洲）第一臺激光器誕生在長春（長春光機所和光機學院），由王之江院士發(fā)明。 激光科學技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)學科——光譜學，物理光學，固體物理，物質(zhì)結(jié)構(gòu)，無線電電子學。推動力——廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：核聚變，加工，熱處理，通訊，測距，計量，醫(yī)療可調(diào)諧性和超短脈沖——高時間、空間分辨、能量分辨。 3．激光與普通光源的區(qū)別？ （1）良好的單色性。單色性指光源發(fā)射的光波長范圍很小，測距。（2）良好的方向性。激光的光束幾乎只沿著一個方向傳輸。測距，通信。（3）高亮度。激光功率集中在極小的空間范圍內(nèi)。切割，手術(shù)，軍事。（4）極好的相干性。各列波在很長的時間內(nèi)存在恒定的相位差。精確測距。4．激光的應(yīng)用。 （1）信息科學領(lǐng)域。激光雷達，空間通信。 （2）醫(yī)學領(lǐng)域。激光穿心術(shù)，激光眼科手術(shù)，激光牙科手術(shù)。 （3）工業(yè)領(lǐng)域。激光切割，激光打孔，飛秒激光微加工，激光全息，激光電視。（4）能源方面。激光受控核聚變，神光裝置。 （5）軍事領(lǐng)域。低能和高能激光武器，太空武器等，激光測距。 5．激光器的組成 激光器由泵浦源，工作物質(zhì)和諧振腔組成。 由外界激勵源的激發(fā)在工作物質(zhì)的能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是形成激光的內(nèi)在依據(jù)。光學諧振腔是形成激光的外部條件。 本節(jié)課教學手段與方法： 采用多媒體形式。播放了世界上第一臺激光器的發(fā)明電影短片，并采用豐富的圖片總結(jié)性地講述激光與普通光源的區(qū)別和激光廣泛的應(yīng)用。 第一章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件 §1.光的波粒二象性 本節(jié)課教學目標： 讓學生光的本質(zhì)及光的經(jīng)典理論。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 1．光波 電磁波理論雖然使光的波動說一度占領(lǐng)了光學領(lǐng)域，但19世紀末，實踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許多 現(xiàn)象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)、光化學反應(yīng)等。1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學說。愛因斯坦認為光子既是粒子、同時又是波。光在與物質(zhì)相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突出。光的這種粒子性和波動性相互對立又并存的性質(zhì)，叫做光的“波粒二象性”。 光波是一種電磁波，是E和B的振動和傳播。習慣上把電矢量叫做光矢量。光速、頻率和波長三者的關(guān)系 υ?c??υ???(???0)?2．單色平面波 波面——相位相同的空間各點構(gòu)成的面 平波面——波面是彼此平行的平面,且在無吸收介質(zhì)中傳播時,波的振幅保持不變。 單色平波面——具有單一頻率的平面波。 實際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當△v＜＜v0時，就叫準單色波。 簡諧波——理想單色平面波 簡諧波方程： U?U0cos?(t??)?U0cos?(t?zc) 2?t2?zU?U0cos?(t?z)?U0cos(?)cT?3．光子 在真空中一個光子的能量為?，動量為P，則它們與光波頻率，波長之間的關(guān)系： ??hν?hν?h?h2??h?P?n0?n0??n0?kc?2??2?式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?S 本節(jié)課教學手段與方法： 采用多媒體形式。用豐富的圖片來說明光的經(jīng)典理論。 §2.原子的能級和輻射躍遷 本節(jié)課教學目標： 理解原子能級和簡并度、原子狀態(tài)的標記； 掌握玻爾茲曼分布、輻射躍遷和非輻射躍遷 本節(jié)課教學內(nèi)容： 1.原子中電子的狀態(tài)由下列四個量子數(shù)來確定 （1）主量子數(shù)n，n＝1，2，3，?代表電子運動區(qū)域的大小和它的總能量的主要部分。 (n（2）輔量子數(shù)l, l ? 0 ,1 ,2 ? ? 1)代表軌道的形狀和軌道角動量，這也同電子的能量有關(guān)。 （3）磁量子數(shù)（即軌道方向量子數(shù)）m=0，±1，±2，±l? 代表軌道在空間的可能取向，即軌道角動量在某一特殊方向的分量 （4）自旋量子數(shù)（即自旋方向量子數(shù)）ms= ±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動量在某一特殊方向的分量 2.電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運動狀態(tài) （1）電子的能級，依次用E0，E1，E2，? En表示（2）基態(tài)：原子處于最低的能級狀態(tài) （3）激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級狀態(tài) 3.玻爾茲曼分布 現(xiàn)考慮由n0個相同原子(分子或離子)組成的系統(tǒng)，在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級分布服從波爾茲曼定律 ni?gie?Ei kT ?nmgm?enngn(Em?En)kT分別處于Em和En能級上的原子數(shù)nm和nn必然滿足下一關(guān)系 4．輻射躍遷和非輻射躍遷 （1）輻射躍遷：發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現(xiàn)象 （2）非輻射躍遷：原子在不同能級躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量。 本節(jié)課教學手段與方法： 采用多媒體形式。 先復(fù)習原子的四個量子數(shù)，再對簡并、簡并度進行定義。闡明在熱平衡情況下，處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處于低能態(tài)的粒子數(shù)的這一規(guī)律。最后介紹原子的輻射躍遷和非輻射躍遷。 §3.光的受激輻射 本節(jié)課教學目標： 了解光與物質(zhì)的相互作用，掌握這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎(chǔ)，根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用物理模型分析空腔黑體的熱平衡過程，從而導(dǎo)出愛因斯坦三系數(shù)之間的關(guān)系。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、經(jīng)典的輻射理論引用偶極子的概念，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律； 二、黑體熱輻射的實驗現(xiàn)象； 三、光和物質(zhì)的相互作用（重點、難點） 1.愛因斯坦粒子模型——粒子只有間距為hv=E2－E1(E2＞E1)的二個能級,且它們符合輻射躍遷選擇定則。 2.光頻電磁場與物質(zhì)的三種相互作用過程——(1).自發(fā)發(fā)射、(2).受激輻射、(3).受激吸收以及各個過程的特點、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義； 四、愛因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系的推導(dǎo)，五、自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計算（重點） 討論: 創(chuàng)造條件，增大受激輻射程度的方法。 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 先介紹經(jīng)典的輻射理論，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律、再介紹黑體熱輻射，重點介紹光和物質(zhì)的相互作用過程、愛因斯坦粒子模型，講解清楚電磁場與物質(zhì)的三種相互作用過程的特點、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義。最后導(dǎo)出自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計算和比較，引導(dǎo)學生討論創(chuàng)造怎樣的條件，可增大受激輻射程度，達到激光的目的。 §4.光譜線增寬 本節(jié)課教學目標： 了解光譜線型對光與物質(zhì)的作用的影響，分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據(jù)不同的物理過程求出g(ν,ν。)的具體函數(shù)形式。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、光譜線，線型和光譜線寬度 1．原子輻射的波不是單色的，而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。 2.就每一條光譜線而言，在有限寬度的頻率范圍內(nèi)，光強的相對強度也不一樣。 二、自然增寬（重點） 1.經(jīng)典理論——描述原子內(nèi)部電子的運動,其物理模型就是按簡諧振動或阻尼振動規(guī)律運動的電偶極子,稱為簡諧振子。 2．衰減振動不是簡諧振動，因此原子輻射的波不是單色的，譜線具有有限寬度。 3．自然增寬: 作為電偶極子看待的原子作衰減振動而造成的譜線增寬。 ?νN2?fN(ν)? 4．自然增寬的譜線型函數(shù)：（難點） (ν?ν0)2?(?νN2)2 5.量子解釋——測不準關(guān)系，對原子的能級來說，時間的不確定值就是原子的平均壽命，則能級有一定寬度。 三、碰撞增寬（重點） 1．自然增寬是假設(shè)原子彼此孤立并且靜止不動所造成的譜線增寬。而碰撞增寬是考慮了發(fā)光原子間的相互作用造成的，碰撞使原子發(fā)光中斷或光波位相發(fā)生突變，即使發(fā)光波列縮短。fc(ν)?2．碰撞增寬的譜線型函數(shù)： 四、多普勒增寬 多普勒增寬——光源與接收器相對運動引起的頻移導(dǎo)致的譜線增寬。 ?νc2?(ν?ν0)2?(?νc2)2本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 先介紹原子在發(fā)輻射過程中，各種因素的影響,自發(fā)輻射并不是單色的,而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。引入譜線加寬的概念。定義線型函數(shù)為 f(?)?I(?)?I0I(?)?I(?)d?再分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據(jù)不同的物理過程求出f（ν）的具體函數(shù)形式。 §5.激光形成的條件 本節(jié)課教學目標： 掌握產(chǎn)生激光的基本條件 ——激發(fā)射占優(yōu)勢、產(chǎn)生激光必須具備的三個條件； 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、介質(zhì)中光的受激輻射放大（重點、難點） 1.要能形成激光，首先必須使介質(zhì)中的受激輻射大于受激吸收。 2.光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律 3.介質(zhì)中產(chǎn)生受激光放大的條件、增益介質(zhì)與增益系數(shù)。 二、光學諧振腔和閾值條件 1.滿足了以上兩個條件后，還要采取什么措施使受激輻射成為增益介質(zhì)中的主要發(fā)光過程，而不是自發(fā)輻射？ 2.要使受激輻射幾率遠大于自發(fā)輻射幾率，3.光學諧振腔的作用； 4．產(chǎn)生激光必須具備的條件（重點） （1）激勵能源——把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去 （2）增益介質(zhì)——能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài) 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 介紹光放大的條件——集居數(shù)反轉(zhuǎn)。一定的條件下物質(zhì)的光吸收可以轉(zhuǎn)化為自己的對立面——光放大；引進光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線；再介紹自激振蕩概念，以及激光器應(yīng)包括光放大器和光諧振腔兩部分，最后導(dǎo)出產(chǎn)生激光必須具備的條件。 第二章 激光器的工作原理 §1.光學諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性 本節(jié)課教學目標： 了解光學諧振腔的作用，它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，進行激光器件的設(shè)計和裝調(diào)的基礎(chǔ)，也是研究和掌握激光本技術(shù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何偏折損耗的高低．開放式 光腔可以分為穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、光學諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性 1．光腔的作用 2．光腔的構(gòu)成和分類 二、腔 —— 開放式共軸球面光學諧振腔的構(gòu)成（重點） 三、腔按幾何損耗(幾何反射逸出)的分類: 四、共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件 五、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖及其分類（重點） 六、穩(wěn)定圖: 穩(wěn)定條件的圖示 七、定圖的應(yīng)用（重點、難點） 例(a)要制作一個腔長L＝60cm的對稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？ (b)穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑R1＝4L，求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 先回顧產(chǎn)生激光的必要條件，引進對光腔問題的研究在激光技術(shù)中具有重要的理論和實踐意義。再介紹開放式共軸球面光學諧振腔的構(gòu)成，并根據(jù)光腔按幾何損耗進行分類以及光腔穩(wěn)定條件、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖。重點介紹對稱共焦腔是最重要和最具有代表性的一種穩(wěn)定腔。最后用圖直觀地表示穩(wěn)定條件——穩(wěn)定圖及穩(wěn)定圖的應(yīng)用。 §2.速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 本節(jié)課教學目標： 掌握速率方程方法以及速率方程的求解步驟，通過求解速率方程組，了解可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的幾種量子系統(tǒng)。從而知道在光頻區(qū), 二能級系統(tǒng)不可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而三能級系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但因為下能級為基態(tài)，極易積累粒子，對抽運的要求很高，所以不易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而四能級系統(tǒng)的下能級不是基態(tài)，故閾值抽運強度比三能級系統(tǒng)小，有時甚至可以小3～4個數(shù)量級，所以四能級系統(tǒng)較容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、二能級三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)（重點） 畫出各能級系統(tǒng)能級圖、列出各能級系統(tǒng)能的速率方程組，求解速率方程組，從 而得到數(shù)學解和物理解；分析各能級系統(tǒng)的數(shù)學解和物理解，得出結(jié)論——二能級系統(tǒng) 不可能產(chǎn)生激光，而四能級系統(tǒng)產(chǎn)生激光要比三能級系統(tǒng)容易得多。 二、考慮譜線增寬再討論以上情況。（重點） 三、穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布 四、小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布 1．小信號粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布 2．小信號粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理條件 五、均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布（難點） 六、均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)（難點） 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 先回顧實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩個必要條件，引入速率方程方法，求解速率方程組，分析粒子系統(tǒng)能否實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的數(shù)學解，確定粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理條件。進一步討論穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，導(dǎo)出小信號粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理條件，再研究均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布△n，討論△n與各種因素的關(guān)系，引出△n飽和效應(yīng)的概念、飽和原因。最后導(dǎo)出飽和光強(飽和參量)Is 的物理意義。 §3.均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和 本節(jié)課教學目標： 從速率方程出發(fā)導(dǎo)出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為，導(dǎo)出的增益系數(shù)表示式。從而得到結(jié)果——在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當某一頻率(ν 1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數(shù)。其結(jié)果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。 本節(jié)課教學內(nèi)容 一、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù) 二、增寬飽和：在抽運速率一定的條件下，當入射光的光強很弱時，增益系數(shù)是一個常數(shù)；當入射光的光強增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強的增大而減小。 三、對增益飽和分幾種情況討論（重點） 例.He-Ne激光器中，Ne原子數(shù)密度n0＝n1+n2＝l012 cm-3，1/f(?)＝15×109 s-1，λ＝0.6328?m，＝10-7s，g2＝3，g1＝5，又知E2、E1能級數(shù)密度之比為4，求此介質(zhì)的增益系數(shù)G值。 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 從速率方程出發(fā)導(dǎo)出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為。讓學生明確：在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當某一頻率(ν1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數(shù)。其結(jié)果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。 §4.非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和 本節(jié)課教學目標： 因為具有均勻加寬譜線和具有非均勻加寬譜線的工作物質(zhì)的增益飽和行為有很大差別,由它們所構(gòu)成的激光器的工作特性也有很大不同,因此將分別予以討論。所以必須掌握非均勻增寬介質(zhì)的特點，即不同發(fā)光粒子只對光源光譜線的相應(yīng)部分有貢獻。從而導(dǎo)出的增益系數(shù)表示式以及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)—— 燒孔效應(yīng)。分析可以得到：光波I 使均勻增寬型介質(zhì)對各種頻率的光波的增益系數(shù)都下降同樣的倍數(shù)；而對非均勻增寬型介質(zhì)它只能引起某個范圍內(nèi)的光波的增益系數(shù)下降，并且下降的倍數(shù)不同。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和 1．由于介質(zhì)內(nèi)的粒子在作紊亂的熱運動，粒子運動的速度沿腔軸方向的分量滿足麥克斯韋速度分布律。 2．因為在非均勻增寬工作物質(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度△n0 按頻率v有一個分布.二、增益系數(shù)的計算（重點、難點） 方法:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。 三、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布 四、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)燒孔效應(yīng)（重點） 五、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 先回顧非均勻增寬特點——不同發(fā)光粒子只對光源光譜線的相應(yīng)部分有貢獻。分析影響增益系數(shù)以及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的各種因素,讓學生明確：因為在非均勻增寬工作物質(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n0 按頻率v有一個分布.著重講解非均勻增寬增益系數(shù)的計算，方法是:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。再介紹非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和。引進—— 燒孔效應(yīng)的概念。讓學生了解到(燒孔面積)常用來估算輸出激光功率?！?.激光器的損耗與閾值條件 本節(jié)課教學目標： 如果諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)的某對能級處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài),則頻率處在它的譜線寬度內(nèi)的微弱光信號會因增益而不斷增強。另一方面,諧振腔中存在的各種損耗,又使光信號不斷衰減。能否產(chǎn)生振蕩,取決于增益與損耗的大小。本節(jié)由增益飽和效應(yīng)出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強,推導(dǎo)激光器自激振蕩的閾值條件。并在此基礎(chǔ)上給出粗略估算輸出功率的方法。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、損耗 1．內(nèi)部損耗——增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。2．鏡面損耗 二、激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程（重點） 三、閾值條件 四、對介質(zhì)能級選取的討論 例：實驗測得He-Ne激光器以波長 λ＝0.6328?工作時的小訊號增益系數(shù)為G0＝3?10－4/d(cm-1)，d為腔內(nèi)毛細管內(nèi)徑(cm)。以非均勻增寬計算腔內(nèi)光強I＝50W／cm2的增益系數(shù)G(設(shè)飽和光強Is＝30W／cm2時，d＝1mm)，并問這時為保持振蕩穩(wěn)定，兩反射鏡的反射率(設(shè)r1＝r2，腔長0.1m)最小為多少(除透射損耗外，腔內(nèi)其它損耗的損耗率a內(nèi)＝9?10－4cm-1)?又設(shè)光斑面積A＝0.11mm2，透射系數(shù)t＝0.008，鏡面一端輸出，求這時輸出功率為多少毫瓦。 本節(jié)課教學手段與方法： 采用多媒體形式。 先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵能源3.光學諧振腔再討論對光學諧振腔, 要獲得光自激振蕩, 須令光在腔內(nèi)來回一次所獲增益,至少可補償傳播中的損耗.，研究諧振腔的損耗與閾值條件。通過研究激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程，推導(dǎo)出形成激光所要求的增益系數(shù)的條件、激勵能源對介質(zhì)粒子的抽運一定要滿足的條件，然后對介質(zhì)能級選取進行討論，并通過例題加深學生對這些問題的認識。 第三章 激光器的輸出特性 §1.光學諧振腔的衍射理論 本節(jié)課教學目標： 本節(jié)將討論光腔模式問題。模式問題在激光技術(shù)中具有重要的理論和實踐意義。它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，自再現(xiàn)模的求解是諧振腔衍射理論的重要部分，自再現(xiàn)模積分的數(shù)學基礎(chǔ)是菲涅耳——基爾霍夫衍射積分公式，我們的目的是弄清楚激光模式的基本特征及其與腔的結(jié)構(gòu)之間的具體依賴關(guān)系。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、惠更斯-基爾霍夫衍射公式 二、光學諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程（重點） 1．自再現(xiàn)模概念 2．腔與模的一般聯(lián)系 3．橫模的形成 4．孔闌傳輸線、自再現(xiàn)模(橫模)的形成過程 三、菲涅耳-基爾霍夫衍射積分（重點、難點） 首先要解決的一個問題是,如果已知某一鏡面上的場分布u1(x?，y?),如何求出在衍射的作用下經(jīng)腔內(nèi)一次渡越而在另一個鏡面上生成的場u2(x,y)。' 這里,(x?,y?)、(x,y)分別衰示兩個鏡面上場點的坐標。知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布。 四、積分方程解的物理意義（重點） 五、光學諧振腔諧振頻率和激光縱模 1．諧振條件、駐波和激光縱模 2．縱模頻率間隔 3．選縱模 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵能源3.光學諧振腔再從研究諧振腔的衍射理論開始,為了形象地理解開腔中自再現(xiàn)模的形成過程,我們用波在孔闌傳輸線中的行進,模擬它在平面開腔中的往復(fù)反射。這種孔闌傳輸線由一系列同軸的孔徑構(gòu)成,這些孔徑開在平行放置著的無限大完全吸收屏上,相鄰兩個孔徑間的距離等于腔長,孔徑大小等于鏡的大小。當模擬對稱開腔時,所有孔徑的大小和形狀都應(yīng)相同。 光學中著名的惠更斯-菲涅耳原理是從理論上分析衍射問題的基礎(chǔ),因而' 也必然是開腔模式問題的理論基礎(chǔ)。該原理的嚴格數(shù)學表述是所謂菲涅耳.基爾霍夫衍'射積分,它可以從普遍的電磁場理論推導(dǎo)出來。該積分公式表明,如果知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布 §2.對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布 本節(jié)課教學目標： 敘述開腔模的物理概念, 應(yīng)用惠更斯-菲涅耳原理是從理論上定量討論衍射問題。介紹平面腔模的迭代解法，求解對稱共焦腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。以方型鏡面的對稱共焦腔為例，求解方程： ?mnumn(x,y)???K(x,y,x',y')umm(x',y')ds'得出一系列本征函數(shù),它們描述共焦腔鏡面上場的振幅和相位分布,同時得出一系列相應(yīng)的本征值,它們決定模的相移和損耗。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、共焦腔鏡面上的場分布（重點、難點） 1．方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解 2．鏡面上自再現(xiàn)模場的特征： TEMmn模在鏡面上振幅分布的特點取決于厄米多項式與高斯函數(shù)的乘積。厄米多項式的零點決定場的節(jié)線，厄米多項式的正負交替的變化與高斯函數(shù)隨著x、y的增大而單調(diào)下降的特征決定著場分布的外形輪廓。 二、共焦腔中的行波場與腔內(nèi)外的光場分布（重點） 腔內(nèi)的光場可以通過基爾霍夫衍射公式計算,由鏡面M1上的場分布在腔內(nèi)造成的行波求得。腔外的光場則就是腔內(nèi)沿一個方向傳播的行波透過鏡面的部分。即行波函數(shù)乘以鏡面的透射率t。 上式是共焦腔模式理論的最基本的結(jié)果。 ?22??22??umn?x,y,z??CmnHm??xH??1??2w?n?1??2wss????2x2?y2? exp???1??2?w2??exp??i??x,y,z??s???y????本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式。 前面已經(jīng)敘述了開腔模的物理概念,先回顧自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義、建立激光模式的概念。再求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。讓學生了解到解積分方程問題就是要求出一些本征值與本征函數(shù)。它們決定著開腔自再現(xiàn)模的全部特征,包括場分布及傳輸特性，并以符號TEMmn表示共焦腔自再現(xiàn)模。共焦腔反射鏡面本身構(gòu)成光場的一個等相位面。 §3.高斯光束的傳播特性，穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性 本節(jié)課教學目標： 1.在求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布的基礎(chǔ) 上，研究高斯光束的傳播特性。 2． 共焦腔模式理論不僅能定量說明共焦腔震蕩模本身的特性，更重要的是它能夠被推廣到一般穩(wěn)定球面腔系統(tǒng)。本節(jié)將證明：任何一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價，而任何一個球面腔唯一地等價于一個共焦腔。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、高斯光束的振幅和強度分布（重點） 1．基橫模TEM00的場振幅U00和強度I00分布分別為： 2．光斑半徑 3．模體積 二、高斯光束的相位分布（共焦場的等相位面的分布圖） 三、高斯光束的遠場發(fā)散角 四、高斯光束的高亮度 五、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性（重點、難點） 1．穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔 2．穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 1.先回顧求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布，再研究高斯光束的傳播特性。引導(dǎo)學生了解到高斯光束與普通光束有著很大的區(qū)別，因此研究高斯光束在空間的傳輸規(guī)律．以及光學系統(tǒng)對高斯光束的變換規(guī)律，就成為激光的理論和實際應(yīng)用中的重要問題。 2.共焦腔模式理論不僅能定量地說明共焦腔振蕩模本身的特征,更重要的是,它能被推廣到整個穩(wěn)定球面腔系統(tǒng),這一推廣是諧振腔理論中的一個重大進展。任何一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價。而任何一個穩(wěn)定球面腔唯一地等價于→個共焦腔。這里所說的“等價”,就是指它們具有相同的行波場。這種等價性深刻地揭示出各種穩(wěn)定腔(共焦腔也是其中的一種)之間的內(nèi)在聯(lián)系,它使得我們可以利用共焦腔模式理論的研究結(jié)果來解析地表述一般穩(wěn)定球面腔模的特征。 §4.激光器的輸出功率，激光器的線寬極限 本節(jié)課教學目標： 1由于激活介質(zhì)中的光放大作用、諧振腔內(nèi)損耗系數(shù)的不均勻分布以及駐波效應(yīng)和光波場的橫向高斯分布,腔內(nèi)光強是不均勻的。精確計算腔內(nèi)各點光強是個復(fù)雜的問題。本節(jié)由增益飽和效應(yīng)出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強,并在此基礎(chǔ)上給出粗略估算輸出功率的方法。 2．激光線寬及頻率牽引也是激光器的要特性 線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的,因而是無法排除的,所以稱它為線寬極限。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率 1．穩(wěn)定出光時激光器內(nèi)諸參數(shù)的表達式 2．激光器的輸出功率 二、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和（重點、難點） 三、非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率 四、激光器的線寬極限 1．造成線寬的原因 2．激光線寬與激光器輸出功率成反比 輸出功率越大,線寬就越窄。這是因為輸出功率增大就意味著腔內(nèi)相干光子數(shù)增多,受激輻射比自發(fā)輻射占更大優(yōu)勢,因而線寬變窄。減小損耗和增加腔長也可使線寬變窄。例如半導(dǎo)體激光器由于腔長只有數(shù)百微米而具有較寬的激光線寬。若將它與一外反射鏡構(gòu)成外腔半導(dǎo)體激光器則可使線寬顯著減小。P?AIout12LG0?t1IsA(?1)2a1?t1本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 講解讓學生明白：1激光器在外界激發(fā)作用很弱時,激活介質(zhì)的小信號增益系數(shù)小于閾值增益系數(shù),激光器無輸出。如果外界激發(fā)作用增強到小信號增益系數(shù)超過閾值增益系數(shù),腔內(nèi)光強便會不斷增大.但是腔內(nèi)光強不會無限制地增加下去,因為當光強越強,消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便越多,由于激活介質(zhì)的增益飽和作用而使增益系數(shù)下降.只要增益系數(shù)尚未降至閾值,上述過程就會繼續(xù)下去,即光強繼續(xù)增大,增益系數(shù)繼續(xù)下降.直到增益系數(shù)下降到閾值時,增益與損耗達到平衡,光強不在增大,這時,激光器建立起了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。2因此激光器的凈損耗以及單縱模的線寬似乎應(yīng)等于零,但這只是對激光器內(nèi)物理過程的一種理想化的近似描述。這種理想情況的物理圖像是:腔內(nèi)的受激輻射能量補充了損耗的能量,且由于受激輻射產(chǎn)生的光波與原來的光波具有相同的相位,二者相干疊加使腔內(nèi)光波的振幅始終保持恒定,因而輸出激光在理想情況下為一無限長的波列,其線寬應(yīng)等于零。這一矛盾的原因是,我們在分析激光器振蕩過程時,忽略了自發(fā)輻射的存在,而實際上自發(fā)輻射是始終存在的。由于和受激輻射相比自發(fā)輻射的貢獻極其微弱,因而在討論閾值及輸出功率等問題時可以忽略不計;但在考慮線寬問題時卻必須考慮自發(fā)輻射的影響。 第四章 激光的基本技術(shù) §1.激光器輸出的選模 本節(jié)課教學目標： 從一臺簡單激光器出射的激光束,其性能往往不能滿足應(yīng)用的需要,為了改善激光器輸出光的時間相性或空間相干性,發(fā)展了模式選擇。本節(jié)介紹如何設(shè)計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出的原理 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、激光單縱模的選取 1．均勻增寬型譜線的縱模競爭 2．非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩 3．單縱模的選取 二、激光單橫模的選取 1．衍射損耗和菲涅耳數(shù) 2．衍射損耗曲線 3．光闌法選取單橫模 4．聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠鏡法選橫模 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 講解讓學生明白：1.激光的優(yōu)點在于它具有良好的方向性、單色性和相干性。理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個模式,然而若不采取選模措施,多數(shù)激光器的工作狀態(tài)往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強分布不均勻,光束發(fā)散角較大。含有多縱模及多橫模的激光束單色性及相干性差。激光準直、激光加工、非線性光學研究、激光中遠程測距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉計量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的,同時要求光束僅含有一個縱模。因此,如何設(shè)計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個重要課題。然后介紹實現(xiàn)橫模選擇的幾種具體方法、如何在特定躍遷譜線寬度范圍內(nèi)獲得單縱模振蕩的方法。 §2.激光調(diào)Q技術(shù)，激光鎖模技術(shù) 本節(jié)課教學目標： 本節(jié)討論了用調(diào)Q技術(shù)壓縮激光脈沖寬度以獲得高功率脈沖的方法。為了得到更窄的脈沖,還可以利用鎖模技術(shù)對激光束進行特殊的調(diào)制,使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關(guān)系,從而使各個模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模激光脈沖寬度可達10-11~10-14s,相應(yīng)的具有很高的峰值功率。本節(jié)還對鎖模激光器工作原理作簡單介紹。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、激光調(diào) Q 技術(shù) 1激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q 2調(diào) Q原理（重點） 調(diào)Q 激光器的基本原理:就是通過某種方法使諧振腔的損耗值按規(guī)定的程序變化,從而壓縮光脈沖的寬度,大大提高輸出峰值功率。調(diào)Q 的基本過程:在泵浦開始時,使諧振腔的損耗增大, Q 值降低,此時器件振蕩閾值變高,振蕩不能形成,上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度便有可能大量積累.當積累到最大值(飽和值)時,突然使諧振腔的損耗變小, Q 值突增,這時器件振蕩閾值突然變低,激光器振蕩迅速建立,腔內(nèi)象雪崩一樣以極快的速度建立起極強的振蕩,在短時間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗,轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,同時輸出一個極強的激光脈沖。 3電光調(diào) Q 4聲光調(diào) Q 5染料調(diào)Q 二、激光鎖模技術(shù) 鎖模是進一步對激光進行特殊的調(diào)制。技術(shù)上利用多縱模輸出的激光束，經(jīng)過特殊的調(diào)制，使其各個縱模之間有了確定的位相關(guān)系。 1主動鎖模 2被動鎖模 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 通過討論讓學生明白： 為了得到高的峰值功率和窄的單個脈沖,采用了Q調(diào)制技術(shù),它的基本原理是通過某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)按照規(guī)定的程序變化,在泵浦激勵剛開始時,先使光腔具有高損耗δH,激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩,于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較高的水平。然后在適當?shù)臅r刻,使腔的損耗突然降低到δ,閾值也隨之突然降低,此時反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值,受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內(nèi),上能級儲存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?在輸出端有一個強的激光巨脈沖輸出。普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在ms級,峰值功率也只有幾十kW.調(diào) Q 激光器,光脈沖的寬度可以壓到ns級,峰值功率也已達到MW.而鎖模是進一步對激光進行特殊的調(diào)制。 第五章 典型激光器介紹 §1.固體激光器 本節(jié)課教學目標： 一般固體激光器是指沒有調(diào)Q、倍頻、鎖模等特殊功能的固體激光器,它是固體激光器的最基本組成形式。本節(jié)重點討論固體激光器的共同部分,即討論固體工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、冷卻與濾光以及連續(xù)和長脈沖固體激光器的闕值、激光輸出能量(功率)和效率。在泵浦系統(tǒng)中著重討論當前最常用的燈泵浦系統(tǒng)和時可國內(nèi)外重點發(fā)展的激光二極管泵浦系統(tǒng)。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)（重點） 固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。 紅寶石激光器屬于三能級系統(tǒng)，紅寶石激光器的優(yōu)點和主要缺點。 二、固體激光器的泵浦系統(tǒng) 固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。 三、固體激光器的輸出特性 固體激光器的激光脈沖特性 四、新型固體激光器 1.半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器 2.可調(diào)諧固體激光器 3.高功率固體激光器 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 通過討論讓學生明白： 紅寶石突出的缺點是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。但具有很多優(yōu)點,如:機械強度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達上千焦耳。單級調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進行了測距試驗)。多級放大器件的輸出峰值功率已達數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻比較大的一種晶體。 §2.氣體激光器 本節(jié)課教學目標： 本節(jié)重點討論He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理、輸出特性、CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程 Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)、Ar＋激光器的工作持性。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、氦-氖(He-Ne)激光器 1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理 2.He-Ne激光器的輸出特性二、二氧化碳激光器 1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程 2．CO2激光器的輸出特性 三、Ar+離子激光器 1.Ar＋激光器的結(jié)構(gòu) 2.Ar＋激光器的激發(fā)機理 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 通過討論讓學生明白：與其他種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點是輸出光束的質(zhì)量好（單色性、相干性、光束方向性和穩(wěn)定性等）。 §3.染料激光器，半導(dǎo)體激光器，其他激光器 本節(jié)課教學目標： 本節(jié)重點討論染料激光器、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理、輸出特性、工作持性等。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、染料激光器的激發(fā)機理 1.染料分子能級 2.染料分子的光輻射過程 3.染料分子的三重態(tài)“陷阱” 二、染料激光器的泵浦 1.閃光燈脈沖泵浦 2.激光脈沖泵浦 三、染料激光器的調(diào)諧 四、半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件 五、PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 六、半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 七、同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 八、準分子激光器 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 通過討論讓學生明白各種激光器的特點及優(yōu)缺點。 激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用 本節(jié)課教學目標： 激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，包括以激光為信息載體，將聲音、圖象、數(shù)據(jù)等各種信息通過激光傳送出去，或者通過激光將信息存儲在光學存儲器里，以及通過激光將信息打印或顯示出來，等等。本節(jié)介紹激光通信、激光顯示、激光存儲等領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用，讓學生了解到激光在上述各方面應(yīng)用的新思想、新概念、新技術(shù)、新進展。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、光纖通信系統(tǒng)中的激光器和放大器 1．半導(dǎo)體激光器 2．光纖激光器 3．光放大器 二、激光全息三維顯示 1．全息術(shù)的歷史回顧 2．激光全息術(shù)的基本原理和分類 3．白光再現(xiàn)的全息三維顯示 4．計算全息圖 5．計算全息三維顯示的優(yōu)點 三、激光存儲技術(shù) 1．激光存儲的基本原理、分類及特點 2．激光光盤存儲 3．激光體全息光存儲 4．激光存儲技術(shù)的新進展 四、激光掃描和激光打印機 1．激光掃描 2．激光打印機 本節(jié)課教學手段： 采用多媒體形式 通過學習讓學生了解到激光在上述各方面應(yīng)用的新思想、新概念、新技術(shù)、新進展。 復(fù)習課 本節(jié)課教學目標： 系統(tǒng)復(fù)習本學期所學習的內(nèi)容，幫助學生總結(jié)本課程的重點、難點及解決問題的辦法。讓學生了解到：在光信息科學與技術(shù)知識體系中，激光在信息產(chǎn)生、獲取和處理中均起到重要作用。 本節(jié)課教學內(nèi)容： 重點：輻射半經(jīng)典理論、光譜線形及加寬機制、增益飽和、閾值條件、連續(xù)激光器的穩(wěn)態(tài)建立、諧振腔的穩(wěn)定條件、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性、等價共焦腔、調(diào)Q及鎖模技術(shù)原理 難點：增益飽和、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性 解決辦法：針對教學內(nèi)容中的重點和難點內(nèi)容，采取重點復(fù)習，認真閱讀教科書，通過比較多樣化解題方式，并借助上課時發(fā)下去的多媒體課件的直觀化，真正理解和掌握重點、難點內(nèi)容，握激光器運轉(zhuǎn)的基本物理原理及激光應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)。為后續(xù)專業(yè)課程的進一步學習奠定基礎(chǔ)，為今后在光電子學及相關(guān)的電子信息科學等領(lǐng)域從事學術(shù)研究和教學工作奠定扎實的理論基礎(chǔ)。 本節(jié)課教學手段： 借助多媒體課件的直觀化，使學生真正理解和掌握重點、難點內(nèi)容。第五篇：激光原理與應(yīng)用教案
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