激光技術(shù)原理教學(xué)課后習(xí)題集前言本習(xí)題集旨在配合《激光技術(shù)原理》課程的教學(xué)，幫助學(xué)生鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)激光基本概念、原理和關(guān)鍵技術(shù)的理解與應(yīng)用能力。習(xí)題內(nèi)容覆蓋激光物理基礎(chǔ)、激光產(chǎn)生條件、諧振腔理論、激光技術(shù)特點(diǎn)及典型激光器等核心章節(jié)。習(xí)題類型包括概念辨析、簡(jiǎn)答題、分析計(jì)算題及綜合討論題，難度由淺入深，既有對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的考察，也有對(duì)綜合應(yīng)用能力的訓(xùn)練。建議學(xué)生在獨(dú)立思考的基礎(chǔ)上完成習(xí)題，并結(jié)合教材及課堂筆記進(jìn)行復(fù)習(xí)與拓展。第一章光的電磁波理論與光子學(xué)基礎(chǔ)習(xí)題1-1簡(jiǎn)述光的波粒二象性，并舉例說(shuō)明其在激光技術(shù)中的體現(xiàn)。習(xí)題1-2解釋折射率的物理意義。對(duì)于線性各向同性介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)與折射率之間存在何種關(guān)系？習(xí)題1-3什么是光的相干性？它包含哪幾個(gè)方面？激光為何具有良好的相干性？習(xí)題1-4已知真空中光的波長(zhǎng)，如何計(jì)算其在某介質(zhì)中的傳播速度和波長(zhǎng)？若一束單色光在真空中的波長(zhǎng)為某值，進(jìn)入折射率為n的介質(zhì)后，其能量是否發(fā)生變化？為什么？習(xí)題1-5試分析平面電磁波在兩種各向同性介質(zhì)分界面上發(fā)生反射和折射時(shí)，其電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅反射系數(shù)和透射系數(shù)與哪些因素有關(guān)。第二章激光產(chǎn)生的基本原理習(xí)題2-1解釋原子的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射三個(gè)過(guò)程，并比較它們的主要特點(diǎn)。愛因斯坦系數(shù)之間存在何種關(guān)系？習(xí)題2-2什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？為什么說(shuō)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件而非充分條件？如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？習(xí)題2-3闡述激光形成過(guò)程中，增益介質(zhì)、激勵(lì)源和諧振腔各自的作用。習(xí)題2-4什么是激光的閾值條件？請(qǐng)從增益與損耗平衡的角度進(jìn)行說(shuō)明。習(xí)題2-5結(jié)合能級(jí)圖，分析典型三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程，并比較它們的閾值特性。第三章激光增益介質(zhì)與激勵(lì)技術(shù)習(xí)題3-1激光增益介質(zhì)應(yīng)具備哪些基本特性？舉例說(shuō)明常用的固體、氣體、液體和半導(dǎo)體激光增益介質(zhì)。習(xí)題3-2解釋增益系數(shù)的物理意義。增益系數(shù)與哪些因素有關(guān)？增益飽和現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的？習(xí)題3-3常用的激光激勵(lì)方式有哪些？各自的工作原理和特點(diǎn)是什么？舉例說(shuō)明其典型應(yīng)用。習(xí)題3-4分析光泵浦激勵(lì)中，泵浦光波長(zhǎng)選擇的依據(jù)。為什么有些激光器需要特定波長(zhǎng)的泵浦源？習(xí)題3-5簡(jiǎn)述半導(dǎo)體激光二極管（LD）泵浦固體激光器的優(yōu)勢(shì)。第四章光學(xué)諧振腔理論習(xí)題4-1光學(xué)諧振腔在激光器中起到哪些關(guān)鍵作用？穩(wěn)定腔、非穩(wěn)定腔和臨界腔是如何定義和區(qū)分的？習(xí)題4-2什么是諧振腔的縱模和橫模？它們是如何形成的？分別與諧振腔的哪些參數(shù)有關(guān)？習(xí)題4-3試推導(dǎo)法布里-珀羅諧振腔的縱模頻率間隔公式，并分析其物理意義。習(xí)題4-4簡(jiǎn)述高斯光束的基本特性，包括其振幅分布、等相位面形狀和光束發(fā)散角。習(xí)題4-5如何判斷一個(gè)由兩個(gè)球面反射鏡組成的諧振腔是否為穩(wěn)定腔？以平凹腔和共焦腔為例進(jìn)行說(shuō)明。第五章激光的輸出特性習(xí)題5-1激光的主要輸出特性有哪些？與普通光源相比，激光具有哪些獨(dú)特的性質(zhì)？習(xí)題5-2什么是激光的線寬？造成激光線寬的主要因素有哪些？如何實(shí)現(xiàn)激光的窄線寬輸出？習(xí)題5-3分析激光光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)參數(shù)，如M2因子的定義及其物理意義。習(xí)題5-4激光的輸出功率（或能量）特性受哪些因素影響？簡(jiǎn)述調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)的基本原理和目的。習(xí)題5-5討論激光偏振特性的產(chǎn)生原因及常用的獲得線偏振激光輸出的方法。第六章典型激光器與激光技術(shù)應(yīng)用習(xí)題6-1簡(jiǎn)述He-Ne激光器、CO?激光器、Nd:YAG激光器和半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)、主要躍遷能級(jí)、輸出波長(zhǎng)及典型應(yīng)用領(lǐng)域。習(xí)題6-2什么是光纖激光器？它有哪些突出優(yōu)點(diǎn)？其核心組成部分是什么？習(xí)題6-3激光技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、通信、科研等領(lǐng)域有哪些重要應(yīng)用？請(qǐng)各舉1-2例并簡(jiǎn)述其原理。習(xí)題6-4簡(jiǎn)述激光測(cè)距、激光雷達(dá)和激光通信的基本工作原理。習(xí)題6-5分析高功率激光系統(tǒng)中可能存在的問(wèn)題及相應(yīng)的技術(shù)解決方案。參考答案與提示（部分）（注：為鼓勵(lì)獨(dú)立思考，此處僅提供部分習(xí)題的參考答案要點(diǎn)或解題思路提示，詳細(xì)解答需結(jié)合課程教材和課堂筆記進(jìn)行。）第一章光的電磁波理論與光子學(xué)基礎(chǔ)習(xí)題1-3提示：光的相干性通常指時(shí)間相干性和空間相干性。時(shí)間相干性與光源的單色性相關(guān)，空間相干性與光源的空間展寬相關(guān)。激光的受激輻射機(jī)理使其具有極高的單色性和方向性，從而帶來(lái)良好的時(shí)間和空間相干性。第二章激光產(chǎn)生的基本原理習(xí)題2-2參考答案要點(diǎn)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布指的是高能級(jí)粒子數(shù)密度大于低能級(jí)粒子數(shù)密度的狀態(tài)。此時(shí)，受激輻射過(guò)程超過(guò)受激吸收過(guò)程，光得以放大。它是產(chǎn)生激光的必要條件，因?yàn)闆](méi)有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)光放大；但并非充分條件，還需要合適的諧振腔提供正反饋和模式選擇，并滿足閾值條件。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的途徑主要是通過(guò)外界激勵(lì)（泵浦）將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)，并利用能級(jí)壽命的差異，使得特定能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第四章光學(xué)諧振腔理論習(xí)題4-4提示：高斯光束是諧振腔中傳播的基模（TEM??模）光束，其振幅在橫截面上呈高斯函數(shù)分布，中心最強(qiáng)，向邊緣逐漸減弱。等相位面在束腰處為平面，遠(yuǎn)離束腰后變?yōu)榍蛎?。其發(fā)散角與波長(zhǎng)和束腰半徑有關(guān)，束腰半徑越小，發(fā)散角越大，體現(xiàn)了光的衍射特性。后記本習(xí)題集的編制參考了多本經(jīng)典激光原理教材及相關(guān)教學(xué)資料，力求習(xí)題的典型性、科學(xué)性和啟發(fā)性。學(xué)生在使用過(guò)程中，應(yīng)首先認(rèn)真復(fù)習(xí)課程內(nèi)容，獨(dú)立思