2一.两类能级系统激活粒子系统主要归结为哪两类每一类中典型代表激光器是什么激光器三能级：红宝石激光器、氩离子激光器；四能级：氦氖激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器。二.激光的四大特性1.激光的四大特性是什么单色性好、方向性好、相干性好、高强度2.影响单色性和方向性的因素分别是什么方向性越好，则光束的空间相干性越好。根据光的衍射理论，任何光通过输出孔径时都要产生衍射，衍射角的大小与光波长成正比，与孔的直径成反比方向性越好、空间相干性程度越高;方向性（发散角）受衍射极限的限制模数对相干性的影响横模数减少，变小，空间相干性越高，反之亦然纵模数减少，变小，时间相干性越高，反之亦然为了提高激光器的空间相干性，首先限制激光器工作在TEM00单横模；其次，合理选择光腔的类型以及增加腔长以利于提高光束的方向性。第二章光学谐振腔一.第1节和第2节1.光学谐振腔有哪两种作用分类是怎样的光谐振腔的作用是提供轴向光波模的正反馈及保证激光器的单模振荡；分类：闭腔；气体波导腔；开腔；按几何损耗的高低分：稳定腔、非稳腔、临界腔。2.对于开腔，常用的处理方法有几种几何光学分析法、矩阵光学分析法、波动光学分析法
31.谐振腔内的模式与谐振腔的关系是怎样的谐振腔的模式:谐振腔内允许或可能存在的电磁波的本征态（光波模式）或腔内可能区分的光子的状态（光子态）。关系：腔的参数确定后，则模的特征就由麦氏方程组及腔的边界条件唯一地确定。2.描述腔内模式的基本特征有哪些电磁场分布、谐振频率、相对功率损耗、发散角3.横模与纵模的基本概念、区别，如何理解自再现模（孔阑传输线）谐振的条件是什么谐振条件：；纵模间隔：4.纵模的个数与哪两个因素有关工作物质的荧光线宽和腔长5.光腔的损耗分类、描述（平均单程损耗因子、光子在腔内的平均寿命、无源腔的Q值、无源腔的本征纵模线宽）以及和模式的对应关系。(1)几何损耗；（2）衍射损耗；（3）腔镜反射不完全引起的损耗；（4）内损耗光腔的损耗可用平均单程损耗因子δ、光子在腔内的平均寿命、无源腔的本征纵模线宽、无源腔的Q值描述。6.腔内光子的平均寿命、Q、、平均单程损耗因子之间的关系。损耗越大，δ越大，越短，越宽，Q值越小。
4二.第3节1.几种简单的光线传播矩阵表示，理解ABCD矩阵折射矩阵：球面反射矩阵：1.理解Sylvester定理，理解共轴球面腔的稳定条件、稳定性简易判别方法、稳定区图的指示意义。往返矩阵与初始坐标无关，可用来描述任意傍轴光线在腔中的传播行为。往返矩阵中的各个元素的具体值与初始出发位置、光线往返顺序有关。：稳定腔：非稳腔：临界腔，若，稳定腔；若，非稳腔；若，临界腔。临界腔：对称共焦腔(R1=R2=L)、平行平面腔、共心腔。如果将腔的任一个反射镜的曲率中心与顶点称为该反射镜的两个特征点，则当谐振腔中两个反射镜的两个特征点之间只包含另一个反射镜的一个特征点时，这个谐振腔就是稳定腔；
5如果某个反射镜的两个特征点之间包含了另一反射镜的两个特征点或不包含另一反射镜的特征点时，该谐振腔就是非稳腔；如果两个反射镜的特征点之间有重合，则该谐振腔就是临界腔。三.第4节到第8节内容综述1.首先要理解开腔模式的基本概念，要看ppt文件；2.其次要理解在惠更斯——菲聂耳原理（光的衍射理论基础）的基础上进行的菲聂耳——基尔霍夫衍射积分方程运算来定量地处理开腔模式的问题。（积分公式表明：如果知道了光波场在其所到达的任意空间曲面上的振幅和相位分布，就可以求出该光波场在空间其他任意位置处的振幅和相位分布）3.在前面两步基础上处理对称开腔自再现模式应该满足的积分方程。前面3步是理论基础，在前面3步理解的基础上，下面才考虑几种常见的谐振腔中的理论处理方法：⑴.平行平面腔模式的迭代求解——Fox--Li迭代求解法；平行平面腔的优点有哪些方向性极好、模体积较大、容易获得单模模振荡⑵.方形镜共焦腔的自再现模：积分方程→→精确求解→→得到镜面上场的振幅和相位分布→→单程功率损耗→→单程相移和谐振频率；⑶.方形镜共焦腔的行波场（厄米-高斯光束）：腔内任意一点处的光波场特点，如振幅分布、光斑尺寸、模体积大小、等相位面的变化、远场发散角；基模高斯光束腰斑半径：光斑半径随z按照双曲线规律变化。当z=0时，达到最小值,；当时，有。模体积：描述某一腔模在腔内扩展的空间体积；
6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；决定一个模式能否振荡，能获得多大的输出功率，与其它模式的竞争情况等。模体积：看成底半径为ω0，高为L的圆柱体。等相位面分布：当时，，反射镜面本身与两个等相面重合；当时，腔心和无穷远处的等相面为平面。远场发散角：(基模)；高阶模的发散角随阶次的增大而增大，方向性变差！⑷.圆形镜共焦腔（积分方程有解析解——超椭球函数）：⑸.一般稳定球面腔的模式特点：使用等价腔的概念。处理原则：稳定球面腔与共焦腔的等价性。任何一个共焦腔可以与无穷多个稳定球面镜腔等价等价的含义：二者有相同的行波场。以共焦腔模式空间分布，尤其是其等相面的分布规律为依据；任意一个稳定球面腔唯一地等价于某一共焦腔等价条件：以拉盖尔—高斯或厄米—高斯近似为前提。即只有稳定腔的孔径足够大，腔中的场集中在轴线附近时，等价结论才正确第一章高斯光束1.理解基模高斯光束的基本性质；2.高斯光束的特征参数有几组
71.高斯光束光强的空间分布、光斑半径公式、瑞利长度、远场发散角公式，理解等相位面沿着腔轴的变化关系；
81.高斯光束的q参数变换及其传输规律；稳定腔中的传输特点；2.高斯光束的准值（减小发散角，提高方向性）、聚焦（使腰斑变小）；
9准直：目的：减小发散角，提高方向性；方法：（1）单透镜：腰斑半径越小，则像高斯光束的方向性越好。因此，先用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，以便获得较小的腰斑，然后再用一个长焦距的透镜来改善其方向性。（2）望远镜；1.高斯光束的自再现变换：什么情况下是自再现变换u利用薄透镜实现高斯光束的自再现变换；当透镜的焦距等于高斯光束入射在透镜表面上的波面曲率半径的一半时，透镜对该高斯光束作自在现变换；u利用球面反射镜实现高斯光束的自再现变换；当入射在球面镜上的高斯光束波前曲率半径正好等于球面镜的曲率半径时，在反射时高斯光束的参数将不会发生变化，即像高斯光束与物高斯光束完全重合，将这种情况称为反射镜与高斯光束的波前匹配。高斯光束的自再现变换与稳定球面腔的关系；
10高斯光束的等相位面近似为球面，且任意两个等相位面的曲率半径及其间距之间满足稳定性条件。因此，如果用球面反射镜代替这两个等相位面就构成稳定腔。而且，由于该高斯光束被谐振腔的两个反射镜做自再现变换，因此，它将成为该谐振腔的自再现模。反之，对于任意稳定腔而言，只要适当选择高斯光束的束腰位置和腰斑大小，就可以使它成为该稳定腔的本征模式。这样，以高斯光束的基本性质和传输规律为基础，可以逻辑地建立起稳定腔的模式理论。1.高斯光束质量的描述。聚焦光斑尺寸、远场发散角；2.光腰尺寸和远场发散角的乘积；3.光束倍率因子。第二章光与物质的共振相互作用一.第1到第2节：1.谱线加宽分类、各自线型函数的特点；加宽分类：均匀加宽、非均匀加宽、综合加宽种类:自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽自然加宽：原子在激发态上的有限寿命。在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发地向低能态跃近；碰撞加宽：气体中，原子或分子之间的无规“碰撞”。在固体中，是指原子—晶格热弛豫过程；由于晶格原子的热振动，镶嵌在晶体里的激活离子处在随时间变化的晶格场中,导致其能级位置在一定范围内发生变化从而引起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。线型函数：分布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比。；
11谱线宽度：1.均匀展宽与非均匀展宽的主要区别点（各自的定义）；均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的；非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，可以区分谱线上的某一频率范围是由哪部分原子发射的，它的特点是，不同发光粒子只对光源光谱线相应部分有贡献。二.第3节1.在考虑加宽机制前后三大跃迁之间的公式区别；2.两种实际情况的讨论及其物理意义；3.三能级单模振荡速率方程组（已经考虑了加宽在内）；4.四能级单模振荡速率方程组（已经考虑了加宽在内）；三.第4节（均匀加宽）1.
12均匀加宽工作物质的增益系数的变化特点（要考虑均匀加宽的线型函数）；1.均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和、均匀加宽工作物质的增益系数饱和；二.第5节（非均匀加宽）1.非均匀加宽工作物质的增益系数的变化特点（要考虑非均匀加宽的线型函数）；2.非均匀加宽工作物质的反转粒子数饱和、非均匀加宽工作物质的增益系数饱和；第二章激光振荡特性一.连续激光（稳态）与脉冲激光（非稳态）是如何分类的注意对几个图的理解！连续或长脉冲激光器(t0>>τ2)——稳定工作状态(稳态)脉冲激光器(t0<<τ2)——非稳定工作状态(非稳态)二.激光器的振荡阈值：1.阈值反转粒子数密度；;自激振荡阈值条件：不同模式(频率)具有不同的阈值反转粒子数密度△nth;中心频率处阈值反转粒子数最低△nth(中心频率);损耗越大、发射截面越小、腔长越短、则阈值反转粒子数密度越大。2.阈值增益系数；不同的纵模具有相同的损耗，因而具有相同的；不向的横模具有不同的损耗，因而具有不同的；
13高次横模的比基模的大；1.连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率（三能级系统；四能级系统）；三能级：四能级：2.短脉冲激光器的阈值泵浦能量（三能级系统；四能级系统）；三能级：四能级：3.阈值特点小结；1.三能级系统所需的阈值能量比四能级大得多（三能级系统的激光下能级是基态，至少要将一半粒子n/2激励到E2。四能级系统的激光下能级几乎为空，只需将Δnt个粒子激发到E2，而n/2>>Δnt。）2.光腔损耗对三能级系统的影响较对四能级的影响要小（对三能级系统，要将(n+Δnt)/2粒子激励到E2，而n/2>>Δnt，可忽略Δnt。而对四能级系统，只需将Δnt个粒子激发到E2，而Δnt∝δ。但当δ很大，使得Δnt也很大，达到可以与n/2相比拟时，才要考虑损耗对三能级系统阈值的影响。）3.Ppt,，Ept与工作物质特性有关二.激光器的振荡模式
14不管激发强或若，稳态工作时激光器振荡模式的大信号增益系数总是等于阈值增益系数。1.均匀加宽激光器的模式竞争（纵模的自选模、空间烧空引起的多纵模振荡），注意学会叙述！！！！！
15空间烧孔引起的多纵模振荡:激光增强时，均匀加宽激光器为多纵模振荡，激发越强，达到阈值从而参与竞争而振荡的纵模个数越多。增益的轴向(或纵向)空间烧孔效应:由于腔内的驻波场分布，波腹处光强大，波节处光强小。由于饱和效应，则在波腹处增益系数最小，在波节处最大，形成增益系数的轴向空间分布。1.非均匀加宽激光器的多纵模振荡一.连续或长脉冲激光器的输出功率1.均匀加宽单模激光器的输出功率；2.非均匀加宽单模激光器的输出功率；3.均匀加宽多模激光器的输出功率；4.非均匀加宽多模激光器的输出功率；二.短脉冲激光器的输出能量三.驰豫振荡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；
16单模激光器的输出是一个衰减尖峰序列；泵浦功率越大，尖峰形成越快，因而尖峰的时间间隔越小；尖峰序列是向稳态振荡过渡的驰豫过程的产物一.单模激光器的线宽极限无源腔：腔的损耗越低，则光场的衰减时间越长，模式线宽也越窄。有源腔：有源腔单模激光器的线宽极限为：；这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排除的，所以称它为线宽极限。由上述公式可看出：输出功率越大，线宽就越窄。这是因为输出功率增大就意味着腔内相干光子数增多，受激辐射比自发辐射占更大优势，因而线宽变窄。减小损耗和增加腔长也可使线宽变窄。八．频率牵引：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。第二章激光器件一.He-Ne激光器、CO2激光器、Ar+离子激光器的各自波长、能级系统、能量共振转移的过程；三能级：红宝石激光器、氩离子激光器；四能级：氦氖激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器。氦氖激光器：、μm、μm；原子激光器；连续输出；CO2激光器：微米，微米；分子激光器；连续、脉冲输出；功率较大（高达几十万瓦）、能量转换效率高，但体积大；氩离子激光器：488nm蓝光、绿光；离子激光器；连续输出；红宝石激光器（第一个出现激光器）：Al2O3:Cr3+，基质为刚玉
17；脉冲工作方式（具有较高的泵浦能量阈值，故不常用）；Nd:YAG：微米（四能级）、微米（四能级）、946nm（三能级）Nd:YAG激光器器件阈值低、理化性能好、连续、脉冲、锁模、调Q技术均适用。一.红宝石激光器波长、能级特点、两个波长的竞争情况；、；三能级系统，具有高的泵浦能量阈值，通常只能以脉冲方式工作；二.完整理解尖峰振荡的形成过程；三.Nd:YAG激光器和掺钕玻璃激光器波长、能级特点；四.激光束质量的表示方法：M2因子等；五.固体激光材料的一般特点；固体激光器：运行方式多样，能实现激光运转的固体工作物质多达数百种、激光谱线达数干条，多分布于可见光及近红外光区，并能利用非线性晶体实现倍频、二倍频、四倍频，其频率可达紫外区，固体激光器导光系统简单，制作容易，结构紧凑、牢固耐用。气体激光器：气态工作物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器易于获得衍射极限的高斯光束，方向性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因而激光的单色性好，但气体激光器的体积一般比较大。六.钛宝石激光器的特点；很宽的波长范围（660~1180nm）连续可调；调谐范围宽、增益高、泵浦源好找（吸收峰在500nm附近绿光）、理化性能好。第二章激光技术（单独）一.调Q技术：要求掌握调Q的含义，调Q的分类、电光效应、电光调Q、声光调Q的过程；
18电光调Q和声光调Q的区别；；设腔的长度为L，腔内介质的折射率为n，则光在腔内传播一个单程所需要的时间t为nL/C，光在腔内每秒中损耗的能量为，则：分类：主动调Q和被动调Q调Q激光器的两种储能方式：工作物质储能和谐振腔储能1.工作物质储能——脉冲反射式调Q(PRM法)腔长不宜过长，输出损耗也不宜太小；在低Q值状态下激光工作物质的上能级积累粒子，当Q值突然升高时形成巨脉冲振荡，同时输出光脉冲。2.谐振腔储能——脉冲透射式调Q(PTM法)：将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数密度达到最大值时，瞬间将腔内能量全部输出，因此也叫腔倒空法。特点：脉冲宽度更窄；峰值功率更高；能量利用率更高电光效应：某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化（普克尔效应），使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象。KDP电光调制效率很高；声光调制：（不宜用于高能调Q激光器）声光效应：当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的位相光栅。弹光效应：当材料受力时，光通过材料而引起材料折射率的变化的现象。声光Q开关的组成：由一块对激光波长透明的声光介质（熔融的石英）及换能器（石英：作用是将高频信号转换为超声波）。一.锁膜技术重点掌握：
19超快激光器、超快脉冲、超短脉冲基本原理：通常激光器的输出是由若干个纵模组成，由于各个纵模的相位不相同并呈随机变化，因而激光器输出光强只是各个模式非相干叠加的结果。当我们采取措施使各模的初始相位保持一定关系时，就会发生相干叠加，输出一列周期性变化的锁模光脉冲串。1.自由运转多纵模激光器的激光输出的光场分布和光强分布特点；一个多纵模激光器中，假如有2N+1个纵模，各纵模初始相位彼此无关联，完全独立和随机的；相邻纵模之间的间隔并不完全相等；输出光强是各纵模的非相干叠加的结果。2.锁模后的多纵模激光器的激光输出光场分布和光强分布特点；相邻最大峰之间的时间间隔：激光器输出的是间隔为t的规则脉冲序列；锁模脉冲的宽度：；锁模脉冲的输出峰值功率：锁模输出脉冲峰值功率正比于，而自由运转激光器的平均功率正比于，因此，锁模脉冲的输出峰值功率是锁模前单个脉冲的倍，是锁模前多个脉冲合成功率的倍；在固体激光器中，振荡模的数量可以达到103～104，所以锁模后单个脉冲的峰值功率可以达到很高。3.锁模后的超短脉冲峰值光强公式、时间周期、超短脉冲的宽度等公式；一.上述调Q和锁模技术两者之间的主要区别；二.变频技术中的极化强度的理解，对混频、倍频、OPA、OPO的理解；第二章半导体激光器一.基本定义：禁带宽度、光电导、pn结、超晶格结构、量子阱等满带（filledband）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据对于金属，所有价电子所处的能带就是导带；对于半导体
20，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbiddenband/bandgap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带——导带（本征吸收）。光电导指半导体由于受到光照而使其电导率发生变化的现象。费米能级与费米能：一般可以认为，在温度不很高时，能量大于费米能级的量子态基本上没有被电子所占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据，电子占据费米能级的几率在各种温度下总是1/2，所以费米能级的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。
21量子尺寸效应：当材料的尺寸与光波的波长、传导电子德布洛意波长等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将遭到破坏，从而导致材料的光、电、磁、声、热以及超导电性出现很大的变化，出现一系列与宏观物体截然不同的反常特性。针对量子尺寸效应最实际的应用是量子阱(QW)以及用量子阱所得到的各种半导体器件，量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。超晶格材料：由两种或两种以上不同材料或导电类型各异的超薄层材料（相邻势阱中电子波函数会发生交迭）交替生长形成的人工周期性结构称为“超晶格材料”。把只有一个势阱而两边是势垒的这种结构叫做单量子阱；如果半导体双异质结中，中间夹层的窄带隙材料薄到可以和电子的平均自由程即德布洛意波长相比拟时，则这种结构就是单量子阱；量子阱结构及能带特点：
22从结构上看，量子阱是将窄带隙的有源层夹在宽带隙的半导体材料之间形成的一种层状结构，即量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。量子阱LD的优越特性：阈值电流很低；谱线宽度窄；特征温度高、温度稳定性好；高的量子效率和大的输出功率；调制输出效率高。一.pn结的发展顺序：二.大光腔、分离限制和双异质结的区别，包括结构上、光的传输上、能带变化上等多个方面；三.同质结的能带变化过程
