概率都很大，而E3 到E2、E3到 E1的自发跃迁概率都很小，这样，外界激发使E1上的粒子不断被抽运到E4，又很快转到亚稳态E3，而E2留不住粒子，因而E2、E3很容易形成粒子数反转，产生h?＝E3－E2受激辐射。四能级结构使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低。
⑺ 分析激光产生的条件。
激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。
粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件
N2N1?，相应地有d?(?21)?0，表示g2g1光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能 密度将不断增加。我们称这种状态的物质为激活介质。
要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。
光在谐振腔内传播时，由于R2<1，光在镜面上总有一部分投射损失，且镜面和激活介质总还存在着西都、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，这就是说，记挂更年期必须满足某个条件才能“起振”，称这个条件为振荡阈值条件。往返一次光束强度变化过程为I1?I0GL,I2?I1R2,I3?I2GL,I4?I3R1，于是
2I4?I0R1R2GL
如果I4?I0，则光束通过激活介质振荡一次后，强度减小，从而多次振荡后光强将不断衰减，因而无法形成激光振荡；若I4?I0，则随着振荡的不断进行，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。课件，形成激光振荡的条件为I4?I0
2?1 于是，激光振荡必须满足的最起码条件为R1R2GL由之可得增益的阈值为
1G(?)th??lnR1R2
2L又 G(?)th?(N2g1?N1)Kg(?) g2于是由此还可推出激光振荡的反转粒子数阈值公式
(N2g11lnRR4?g1lnR1R2 ?N1)th???12??g2K2Lg(?)A21?2g2Lg(?)理论和时间结果表明：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G(?)应写为G(?,I)。这种G(?,I)随着I的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。
设想某种工作物质在泵浦作用下（无外加光场）实现了粒子数反转，即
0N2N10?N???0
g2g10当外加光强出现时，感应了E2?E1的受激发射和E1?E2的受激吸收，两种过程的概率相等（W21?W12）,由于N1g1?N2g2，因而E2?E1的粒子数大于E1?E2的粒子数，其
结果使新平衡下的反转粒子数?N??N0，G(?)变小；由于外加光场I(?)越强，造成粒子数反转的减少就越严重，因而随着往返振荡，I(?)不断增大，使得G(?)不断减小，知道光所获得的增益恰好等于在激光腔内的损耗，就建立了稳态的振荡，形成了稳定的激光输出。
⑻ 简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。 一般来讲，谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。
① 均匀展宽的特点是：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。Ⅰ自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。由于它是粒子本身固有性质决定的，自然存在的，因
1而称为自然展宽。gN(?)??s124?(?0??)?()2?s22可见gN(?)表达式具有洛伦兹型。Ⅱ
碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞引起的谱线展宽。碰撞展宽分为两种情况。一种是当处于激发态的粒子与其他粒子和器壁发生非弹性碰撞，从而将自己的能量传送出去回到基态。另一种是粒子发射的波列发生无规则相位突变而引起展宽。但此时粒子能量并不发生明显变化，这种碰撞称消相碰撞。由于碰撞的随机性，我们用平均碰撞时间来表征碰撞过程，其线型函数也如同由随机自发跃迁所引起的自然展宽那样，具有形式
??c。Ⅲ热振动展宽是由晶格热振动引起的谱线展宽，gc(?)???2??(?0??)2?(c)2?2????在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大，但其线型函数解析式很难求，常用实验来测知。
② 非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。Ⅰ多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数
mgD(?)?()e?02?KTc12?mc222KT?0(?0??)2Ⅱ残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起
的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位臵粒子?0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。
⑼ 简述光与物质的非共振与共振相互作用过程对介电常量的影响。
1 D??0E?P??0E???0E(???)?0 E 而由于极化机制不同，?包括谐振分量?r与非谐振分量?n，于是 D?(?0??n?0)E??E?r?0?E?(1?0?r?0E?? 式中
??0?')?(?)??1??(?) ???0(1??， nr???????r)?E'?(? )E? 可见，光与物质的非谐振相互作用产生光的散射，引起?0变成?，即散射过程造成了物质折射率n2???0；而光与物质谐振相互作用使?变成?'。
⑽ 激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型特点。
按激光工作物质的类型有如下划分： ⒈气体激光器
根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。
原子气体激光器最常见的是He-Ne激光器，它发出的有0.6328?m的红光和3.39?m、1.15?m两种红外光，He-Ne激光器输出功率较小（几mW到100mW），能量转化效率较低（0.01％），氮气单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度可达几十公里。
离子气体激光器典型的有Ar?激光器，它输出多种波长，最强的是0.488?m的蓝光和
0.5145?m的绿光，输出功率可达500MW/cm2,最大功率可达150W，能量转换效率为千分之几，其所需泵浦功率高，需耗散很多热量。
分子气体激光器中最具代表性的是CO2激光器，输出为10.6?m的红外线，其效率高达30％，输出功率近似与管子长度成正比。CO2激光器的特点是：效率高、功率强、工作稳定、单色性好、波长适于光通信等。
准分子激光器的工作物质为稀有气体与卤素气体的混合气体，这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同。通常采用He、Ne将由数千帕的稀有气体合压力数百帕的卤素气体组成的混和气体稀释成数百千帕的混和气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微焦耳，发光效率1％，重复频率数千赫兹。 ⒉液体激光器
这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。其中最重要的一类是染料激光器，其主要优点是：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀性耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却、典型的是若丹明6G染料激光器。
它在脉冲工作时的波长是590nm，平均功率是100W，效率为0.5％。 ⒊固体激光器
典型的例子有Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）。该类激光器可以脉冲工作，也可以连续工作，产生的跃迁中以1.06?m的激光为最强。这类激光器的最大有点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射，近几年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达10％。 ⒋半导体激光器
同质结半导体激光器的激光工作物质为由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－Ⅴ族化合物，如GaAs，InP为直接带隙结构。具有输入您那过量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长。 异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs所组成。与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄，阈值电流密度低、内部损耗低、电－光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。
量子阱半导体激光器功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化。AlGaAs/GaAs量子阱激光器的波长是980nm，平均功率为0.2W，转化效率为20－30％。AlGaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm，平均功率为100W。
⑾ 分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。
同质结半导体与发光二极管的联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布；
同质结半导体与发光二极管的区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n结的激发态电子相碰撞，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。
⑿ 简述尖峰振荡效应过程。
不加任何特殊装臵的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在?s数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。
一个短脉冲的形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度?N?N2N1的增减变化来?g2g1解释。以氙灯泵浦为例，光泵浦使系统?N增加，且增加速率在一个短脉冲周期内可看成不便；受激复试使?N减小，且减少速率因腔内光子数密度?的多少而变化。这样，可将一个短脉冲的形成过程分为四个阶段，如图3－27所示：
第一阶段（t0?t1?t2），从t0时刻光泵浦开始，?N的增长率占优势；直到t1时刻?N达到阈值条件?N＝?Nth而产生激光，使激光器内光子数密度?急剧增加；受激辐射使?N减少速率也逐渐便快，但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率，?N仍在增加，直到t?t2时刻，二者速率相等，?N达到极值。
第二阶段（t2?t3），?N>?Nth仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度?仍急剧增加，受激辐射造成的?N减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率，直到t2?t3 ?N开始减小，时刻，?N又回到阈值?N＝?Nth。
第三阶段（t3?t4），t3之后，?N??Nth，增益小于损耗，腔内光子数密度急剧减小；但仍有?N?0，即受激辐射大于零，因而?N继续减少，但减少速率便小，直到t?t4时刻，增加速率等于减小速率，?N达到极小值。
第四阶段（t4?t5），t4之后，直到t5时刻，再次达到阈值?Nth，?N的增加率再次占优势，将开始下一轮振荡。
在整个氙灯泵浦时间内，以上四个阶段不断重复，形成了依稀类的尖峰结构，而且，泵浦越强，尖峰形成越快，尖峰时间间隔越小。
⒀激光调Q技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？
调Q技术可以产生脉宽10?7?10?9s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁模技术可以产生10?12?10?13s量级的超短脉冲。
⒁ 常见的调Q方法有哪几种？分别简述之。 ⒈转镜调Q技术
将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到