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LASIK术前行视网膜氩蓝绿激光光凝治疗的护理要点总结
[摘要] 目的 研究對接受LASIK(准分子激光角膜原位磨镶术)手术患者提供术前视网膜氩蓝绿激光光凝治疗期间的护理要点。 方法 将我院于2016年2～12月间收治58例LASIK术前行视网膜氩蓝绿激光光凝治疗患者，按照随机数字表法将患者划分为一般组29例与观察组29例，为一般组患者提供常规手术护理服务，为观察组患者加强围术期护理干预措施，总结两组患者满意度评价结果、对比两组患者术后并发症出现情况、对比两组患者经护理干预前后心理焦虑评分、总结手术治疗有效率。 结果 一般组患者对临床护理服务满意度为65.52%，观察组患者满意度为93.10%，观察组患者满意度较高(P<0.05)。一般组患者术后并发症发生率为41.38%，观察组为13.79%，观察组患者并发症发生率低于一般组(P<0.05)。两组患者入院时焦虑评分结果对比无统计学意义(P>0.05)，经护理干预后，观察组患者焦虑评分结果低于一般组(P<0.05)。一般组患者经手术治疗及护理干预后，治疗有效率为75.86%，观察组有效率为93.10%，观察组患者有效率高于一般组(P<0.05)。 结论 通过对接受LASIK手术患者术前实施视网膜氩蓝绿激光光凝治疗期间，加强围手术期护理干预措施，大部分患者均表示对临床护理工作感到满意、且术后并发症发生率较少、患者经护理干预后心理焦虑情绪得到良好改善、治疗有效率较高。
[关键词] LASIK术;视网膜氩蓝绿激光光凝术;护理干预;满意度;并发症;焦虑
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Nursing points summary of treatment of retinal photocoagulation with argon blue green laser before LASIK
LI Yanyan1 DONG Wenjie2 HAN Feng1
1.Department of Ophthalmology， the Second Affiliated Hospital of Mudanjiang Medical University， Mudanjiang 157000， China; 2. Department of Dental， the Second Affiliated Hospital of Mudanjiang Medical University， Mudanjiang 157000， China
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[Key words] LASIK; Argon laser photocoagulation; Nursing intervention; Satisfaction; Complication; Anxiety
准分子激光角膜原位磨镶术( LASIK)是目前临床针对近视常见治疗术式之一，但由于大部分近视人群可能伴有眼底视网膜疾病，会影响LASIK术治疗效果，导致患者术后视力恢复较差、因此临床针对此类患者应加强LASIK术前检查、一旦发现眼后节病变[1-2]，因早期为患者提供视网膜激光光凝治疗，可有效减少术后并发症。激光光凝手术原理为利用生物热凝固效应，对视网膜病变进行破坏，控制眼底疾病;激光手术操作简单，但手术对医护人员配合要求较高[3-4]。本文研究对接受LASIK(准分子激光角膜原位磨镶术)手术患者提供术前视网膜氩蓝绿激光光凝治疗期间的护理要点，现将结果报道如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
将我院于2016年2～12月间收治58例LASIK术前行视网膜氩蓝绿激光光凝治疗患者，所有患者均自愿参加本次研究，本研究经我院医学伦理委员会批准通过。按照随机数字表法将患者划分为一般组29例与观察组29例，一般组包括男18例、女11例，年龄20～51岁，平均(36.5±4.0)岁，共58眼近视，其中格子样病变18眼、霜样病变20眼、视网膜干性裂孔20眼;观察组包括男19例、女10例，年龄21～50岁，平均(37.5±5.0)岁，共58眼，格子样病变19眼、霜样病变19眼、视网膜干性裂孔20眼。两组患者基本资料结果对比均无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。研究纳入标准[5]：两组患者入院后均接受眼底及视力检查，得出结果为屈光度-2. 00～-18. 00D，散光≤-5.50D;两组患者均接受视网膜激光光凝治疗;符合光凝手术治疗适应证。
1.2 护理
1.2.1 治疗方法 首先术前应为患者使用复方托品酰胺滴眼液进行散瞳处理，每隔十分钟滴眼一次，坚持四次滴眼，直至彻底散瞳，需注意的是，滴注散瞳药物后，应压迫患者泪囊部5min左右，防止药物被鼻腔吸收而发生中毒反应。做好散瞳处理后遵医嘱提供盐酸丙美卡因滴液进行表面麻醉。指导患者取适宜坐位，使用置角膜接触镜观察眼底情况，确定病变组织具体位置后进行激光治疗。
1.2.2 护理 一般组患者接受常规护理服务，包括为患者提供舒适治疗环境，入院后提供眼底检查，了解病变情况，为患者提供健康教育，告知光凝手术基本过程、治疗注意事项及术后可能发生的不良反应，协助患者做好术前准备，强调术后护理要点，指导患者术后眼睛保护工作，合理用眼。
觀察组患者接受临床提供的护理干预措施，包括：(1)首先为患者提供心理护理，大部分患者对于光凝治疗手术原理及过程不了解，存在术前焦虑心理，且患者对于视网膜病变严重性不重视，手术知识掌握度较低，导致患者遵医意识淡薄，护士应积极指导患者学习视网膜病变相关疾病知识，告知其应及时治疗，避免加速视力弱化。与患者及家属保持沟通，帮助患者共同分析不良情绪原因，打消家属顾虑，为患者提供科室过往接受此类手术人员成功病历，提高患者治疗信心，缓解身心不适;告知患者光凝手术治疗对LASIK手术结果不会造成影响，告知其氩蓝绿激光治疗相关事项，强调术后并发症出现可能性，让患者有一定心理准备，提前说明二次手术可能性，取得患者理解及配合[6]。(2)为患者做好光凝术前准备工作，保证室内温湿度适宜，拉起窗帘，杜绝光线刺激，术前积极仔细检查患者眼部情况，提供散瞳准备，需保证充分散瞳，做好麻醉工作，避免影响手术效果。(3)做好术中护理服务，一般激光手术过程需维持30min，在此期间患者维持坐位，可能会感到身心不适，护士应及时帮助患者取舒适卧位，固定头位，调整至舒适高度;治疗期间嘱咐患者应固定位置，禁止移动。护士应及时告知患者治疗进展，询问患者主诉，对于出现恶心、心慌等不适症状患者及时指导其保持深呼吸，关心患者，采用暗示法帮助患者转移注意力，缓解疼痛感[7]。(4)做好术后护理干预措施，为患者强调激光手术后眼部应禁止受外界光线刺激，术后常规留置半小时观察，嘱咐患者保持坐位休息，为患者强调术后可能发生的机体反应，采取措施缓解身心不适感;嘱咐患者术后2h内应禁止用手揉眼，对于主诉眼痛、头痛等表现患者，应及时复查，强调术后生活注意要点，如术后避免从事重体力活动，保护头部，防止发生碰撞，做好术后饮食指导，嘱咐家属为患者提供高蛋白、丰富维生素食物。促进眼部恢复，为LASIK手术做好准备。
1.3 观察指标
1.3.1 比较满意度 比较两组患者对护理服务满意度评价，科室自制调查问卷，出院时发放，要求患者本人填写，护士回收，评价指标包括围手术期护理干预、服务态度、术前访视及术后护理等，均为100分，包括非常满意(90～100分)：患者主诉对临床服务感到满意，患者基本需求得到满足，身心舒适度较好;一般(70～89分)：患者主诉对临床护理提出改进意见;不满意(<69分)：主诉护理服务态度较差[8]。
1.3.1.1 调查表效度分析 由我院护士长及10位资深护士组成专家小组进行效度分析，采用表面效度及内容效度进行分析。表面效度：调查表共10个条目，分为“适合”“较适合”及“不适合”三个选项，表面效度评定中度以上条目占100%，可基本反映我院护士的护理工作满意度情况。内容效度：由护士长、护理专家对调查表内容进行修改、审核，保证调查表的内容效度。
1.3.1.2 调查表信度分析 采用重复测量信度对调查表进行信度分析，通过SPSS18.0软件分析两组数据，得到内部信度，r=0.967，P<0.05，信度较高。
1.3.2 比较并发症发生率 常见术后并发症反应包括眼压升高、出血、炎症反应。
1.3.3 比较两组心理焦虑评分 为入院后、经护理干预后患者心理情绪进行测评，采用心理焦虑自评表(SAS)进行判断，此种表格包括20题，每题均为1～4分，患者本人填写后护士计分，将两组患者得分总数乘以1.25取整数，得出参考值，<50分表示无焦虑;50～60分表示轻度;61～70分为中度，>70分以上者为重度[9]。
1.3.4 对比两组疗效 指标包括显效：病灶消失，原病灶部位出现激光瘢痕;有效：病变无进展，恢复较好;一般：治疗无效[10]。
1.4 统计学处理
采用SPSS18.0统计软件，计量资料用()的形式表示，采用t检验，计数资料用百分比表示，采用χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 两组患者满意度评价比较
观察组患者满意度较高(P<0.05)，结果具有统计学意义，见表1。
2.2 两组患者术后并发症情况比较
一般组患者术后并发症发生率为41.38%，观察组为13.79%，观察组患者并发症发生率低于一般组，结果具有统计学意义(P<0.05)，见表2。
2.3 两组患者经护理干预前后心理焦虑评分比较
两组患者入院时焦虑评分结果对比无统计学意义(P>0.05)，经护理干预后，观察组患者焦虑评分结果低于一般组(P<0.05)，见表3。
2.4 两组患者术后疗效比较
观察组患者有效率高于一般组(P<0.05)，见表4。
3 讨论
光凝术后常见并发症包括炎症、出血、眼压升高等，而一旦发生炎症反应，患者眼部在裂隙灯下可出现瞳孔区内纤维素样渗出物，检查发现睫状体充血，视力下降，而一旦发生此种情况，护士应积极为患者解释视力下降是暂时性表现，经过一段时间恢复可逐渐缓解，术后每2小时遵医嘱为患者滴注眼液[11]。对于发生术后眼球出血患者，发生原因包括术中伤及视网膜血管，导致出血反应，出现此情况，护士应安抚患者情绪，缓解焦虑紧张感，指导患者保持足够休息，避免过度活动，饮食应坚持清淡易消化为主。视患者出血表现选择药物治疗，指导患者保持半卧位[12-13]。
出现眼压升高可能与手术刺激及炎症反应有关，术后需及时询问患者眼部疼痛刺激表现，一旦出现严重疼痛并伴有其他表现患者应及时报告医师处理，遵医嘱提供降眼压药物干预，指导患者定期返院复查[14]。
LASIK 手术主要收治人群包括各类中高度近视，但此类患者均可能伴有不同程度的视网膜病变表现，如果针对此类患者直接实施LASIK术治疗，会影响患者术后视力恢复，因此首先为近视伴有视网膜病变患者提供光凝手术干预[15]。本文对我院接受LASIK手术术前视网膜氩蓝绿激光光凝治疗的患者进行护理，包括对术前准备、健康宣教、用药指导及疼痛护理、术中观察及术后并发症处理、饮食指导等，結果发现，观察组满意度、并发症发生率心理焦虑评分以及术后恢复情况均明显优于对照组，提示观察组通过一系列护理干预措施，有效降低了患者术后并发症的发生，改善患者心理状态，促进预后恢复。
综上所述，通过良好的护理干预可有效促进治疗效果，值得临床应用及推广。
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(收稿日期：2017-03-31)
作者：李艳艳?董文杰?韩峰
摘要:随着社会的进步,激光振动测量在社会发展中发挥着中要的作用。该文论述了激光振动测量的诸多方法及各种方法的优缺点,指出了激光振动测量的发展前景。
关键词:激光;振动测量;技术
Analysis of Laser Vibration Measurement Technology
HAO Feng, WANG Wei-hui
(The Second Artillery Engineering College, Xi'an 710025, China)
Key words: laser; vibration measurement; technology
关于物体的微小振动和微小位移精确测量的相关研究是随着精细加工工艺和微机械技术的飞速发展及大量应用而得到人们的广泛重视的。光学测量技术所具有的优点是结构简单、精度高、耐高压、耐腐蚀、能在易燃易爆的环境下可靠运行、抗电磁干扰、动态范围大,并且光学测量技术是一种重要的非接触式无损测量技术,基于其上述优点,光学测量技术占据了计量测试技术领域的主导地位。
目前振动测量在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元计算结果验证等方面都得到了广泛的应用,所以激光振动测量技术有着广阔的应用与发展前景。
1 激光振动测量技术的测量原理及现状
目前,常用的激光振动测量方法有激光三角法、散斑法、全息法、激光多普勒效应法、光纤与微机电(MEMS)法和干涉法等。由于这些技术的使用,使得激光振动测量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。下面分别介绍几种常用的光学振动测量方法:
1.1 激光三角测振法
激光三角法[1-2]是利用几何光学成像原理,将激光器发出的光经发射透镜汇聚于被测物体表面形成入射光点,该光点通过接收透镜汇聚于光电探测器上,形成像点,使用对位置敏感的传感器就可接收到这一信息。当入射光点与该光学结构产生相对入射光轴方向的振动或位移时,引起像光点在感光面上发生位移,从而引起光电探测器输出电信号的变化,根据电信号的变化量可求出像点唯一的变化量,通过信号处理可得到被测目标位移或振动信号。
该方法对于振动的测量是非接触形式的。激光三角测振法具有结构简单,发展比较成熟等优点,适用于工业现场安装使用。但是该方法的不利之处一方面是光电探测器的灵敏度和尺寸限制了该方法的分辨率和测量范围,另一方面是发射透镜的焦距限制了该方法的工作距离,不适于远距离处的微小振动测量。
1.2 光强测振法
光强测振法[1-2]是利用被测目标相对投射光束,或反射光束相对探测光路的位置变化导致探测光强的变化来探测振动。
该方法对于振动的测量既可以是接触式的,也可以是非接触式的。光强测振法具有信号处理方便、结构简单、成本较低等优点,可以广泛应用于各种场合。而且光强法与光纤的紧密结合,使得光强测振法的应用领域得到进一步拓展。该方法的不利之处在于光强易受外界环境和光源干扰的影响,使得测量结果精度不高,所以一般采用多波长、多光束等方法来改进光强测振法的不利之处,提高光强测振法的抗干扰能力。
1.3 全息测振法
全息法[1-2]是将相干光束的一部分作为参考光波,其余部分投射到物体上并被其反射作为物光波,两光波相遇产生干涉,所形成的干涉场反映了被测物体的振动情况,该干涉场由照相底片记录经过适当显影形成全息图。全息干涉测振可以对整个振动面上的点位置进行测量,通过比较不同时刻的全息干涉图,就能够描绘出被测振动面上各点的振动情况。
该方法对于振动的测量是非接触形式的全场同时测量。全息测振法具有可以进行面测量,同时获得多点数据的优点。该方法的不利之处在于须用银盐干板作记录介质,全息图需要进行照相及冲洗等处理,操作过程复杂,处理条纹图极其费时,无法实现实时测量,实际应用较困难。
1.4 激光多普勒效应测振法
多普勒测量[4-7]中的多普勒信号通常都是从被测物体的散射光中获得的,信噪比低,且包含有运动速度、光源、接收器之间的角度因素,由于这些因素会引入较大的测量误差。对振动特性的计算方法为信号中的每一个差拍波对应一个位移当量值,被测振幅的获得是经过对相邻两个翻转点之间的差拍波的个数进行计数而得到的。
该方法的测量不需要干涉仪组件,可精密装配。激光多普勒效应测振法具有被测速度矢量与多普勒频移呈线性关系,对于任何复杂的物体运动都适合研究的优点。因此,激光多普勒技术是一种高精度动态测量方法。该方法的不利之处在于得不到小于当量值的位移,测量分辨率很低。激光光栅多普勒效应的微振动测量系统的提出改变了以上不足。
1.5 光纤与MEMS测振法
光纤与MEMS技术相结合的振动传感器[1-2,8]在振动传感领域中一军突起。在微光机电传感器中,光纤可作为传光介质,为传感器提供光连接,传感器内部的电信号经由发光二极管转变为光信号,再输送到外部设备,这样可以使测量结果大大免受外界电磁干扰。光纤也可用来构造光路,成为集成传感器的一部分,作为悬臂梁感受外界振动,通过测量经过光纤的光强变化来实现振动传感。
光纤与MEMS技术相结合的振动传感器的优点是可免疫外界电磁干扰,可应用于避免使用电信号的场合,结构布置灵活,适合应用于复杂结构环境和复杂结构空间下的振动传感测量,适用于微型化和集成化产品。
1.6 干涉测振法
干涉测振法是将光束正入射于物体表面,其反射回来的检测光与参考光相遇形成干涉场,此后再对干涉场进行处理便得到所要测量的振动信息。
该方法对于振动的测量是非接触精密测量。干涉测振法具有应用范围广、重复性极高、可以对微小振动进行高精度测量的优点。但是该方法的不利之处一方面是由于干涉测振法具有高灵敏性,环境扰动对其影响非常突出,当光程质量不理想时,测量将无法进行。另一方面是在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面,以及目标物体表面的不平整性,使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合,尤其当两束光偏差太大就不能形成干涉,这将使测量无法进行。因此,人们先后发明了光波频率调制补偿法、机械式位相调制补偿法以及将机械补偿和光调制相结合的方法来解决这一问题。
1.7 激光散斑测振法
激光散斑振动测量技术[1-3]是利用激光的高相干性,当激光照射到物体粗糙光学表面时将产生散斑场,该散斑场是被测物体表面信息的载体,记录下该散斑场并利用数字图像处理技术,就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线,通过条纹判断便能得出振动物体的位移。
该方法一般采用多帧干涉图取平均的方法来减少环境扰动的影响,但并不能从根本上解决扰动问题。散斑干涉法适用于对频率已知的振动信号进行测量,从而实现对物体振动特性的分析,该方法的不利之处是精度和测量应用范围有限。
2 激光振动测量的展望
激光振动测量技术发展前景非常广阔,对于激光振动测量技术的研究工作也是研究人员为之做出不懈努力的工作方向。关于激光振动测量的展望有如下几个方面:
2.1 改善测量环境
随着我国科技水平的不断发展与提高,人类对于振动测量精度的需求已经达到了纳米量级。目前的分辨率已经不能实现人们对于某些研究领域项目的精度要求,对于纳米精度目标的实现是人类在科研领域的新突破。环境是影响系统实现纳米精度的一方面问题,像空气温湿度的变化、环境的振动和声学扰动等都会影响测量精度。因此,可以采用隔离措施和建立确保稳定环境温度的恒温室的方法来实现纳米测量精度。
2.2 结合多技术于测量
现代的激光振动测量系统广泛采用的是光、机、电与计算机技术相结合的方式来进行高精度、实时动态测量,大系统的概念、模糊理论、人机工程学的概念、自适应原则、调频技术、调制技术、反馈原理这一系列相关理论都广泛的应用在现代测量仪器的设计中,促使测量与控制技术成为一个完整的有机整体。鉴于以上广博知识,更需要多知识、高技术人才团结、协作完成由知识理论到仪器设计的实现。
2.3 进行科研创新
新的测量原理和方法是指导创新研究成果的理论依据,传统的振动测量方法已经不适用于纳米级振动测量的研究,要解决纳米级振动测量需要寻求新的测量原理和方法。将微观物理和量子物理的最新研究成果应用于测量系统中以及对现有技术进行创新性应用是可行的。
2.4 多领域应用
随着科技的发展以及性价比高、质量优良的激光振动测量仪问世,激光振动测量技术不仅可以应用于机械制造的检测中,还可以应用于生物医学、材料检测、航空航天等领域。
3 结束语
当今社会激光振动测量技术与人类的生产、生活是息息相关的,此项技术促使人类的生产、生活质量向着更好、更完善的方向发展。随着激光振动测量方法的成熟与完善,高精度、高效率、低成本的测量方案必将实现并走向成熟。
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作者：郝峰,王卫辉
英特尔将在2010年左右开始推行Many Core平台，如果混合硅激光技术进展顺利，英特尔会将其整合于Many Core平台，让光传输成为真正的系统中枢。
作为计算机系统的神经中枢，总线的性能必须与芯片的处理性能相匹配，否则就会拉了整机性能的后腿。正因为如此，计算业界对高速总线从来都是孜孜以求，而总线技术的每一次进步，也往往预示着计算架构将出现重大的更新。
所有的高性能计算系统都拥有高性能的总线，但如果你认为百GBps的带宽就非常足够，那么明显缺乏远见。未来的计算机系统将拥有上百个处理核心，每个核心都要求超高速通讯，并且要满足分布式共享架构，无论是芯片内部、芯片与芯片之间抑或是系统间都要求拥有超高速的传输通路，总线速度提升到千GBps级别非常必要。作为产业的领导者，英特尔认为现有的电路总线传输技术将会遭遇严峻的挑战，早在多年前它就开始硅光技术的基础研究，试图将光传输与半导体硅技术结合起来。在今年9月份召开的IDF技术峰会上，英特尔正式披露这一研究获得突破，它就是我们在本文将要介绍的“连续波激光(Continuous wave silicon laser)”与“混合硅激光(Hybrid Silicon Laser)”项目。
实现光总线的技术难点
用光技术来传输数据拥有许多优点。首先，光传输没有信号干扰的问题，无论处于何种环境下、以何种方式进行传输，光信号都不会受到外界干扰，你甚至可以在一条光通路里同时传送多个不同的光信号，彼此也不会相互影响。无干扰传输性能让现有的电路传输技术难以比肩，众所周知，业界当初从并行总线转向串行总线体系，原因就在于克服高频干扰障碍。串行总线虽然可以实现远高于并行技术的工作频率，但它同样容易遭受干扰，如外界较大的电磁波动就会影响稳定性，另外如果频率继续上升一个量级(10GHz)，串行总线也将遭遇传输稳定性的难题。当然，你更不可能让一条线路同时传输多个不同的信号，因为这些电信号彼此会相互影响。其次，光信号在传输过程中完全不受到阻力，也不会产生热量，这种特性类似于电传输体系的超导传输。因此，如果在芯片内部以光信号来代替电信号传输数据，实现硅光的混合运算，便能够有效解决高频半导体硅芯片存在发热量高的难题，并实现跨越性的性能提升。
光传输技术的巨大优点早已被人们所认识，早在上个世纪70年代，光通讯概念就开始提出，并随后进入实质性的技术开发。大约在90年代中期，光纤通讯技术终于进入商用化阶段，光纤开始被普遍应用于各类远程数据通讯系统中，如Internet的骨干网完全由光纤构成，城域网、高速宽带入户也普遍采用光纤通讯技术，只有在终端用户环节才转为以太网技术。伴随着互联网的高速增长，光纤通信也逐渐成长为一个庞大的产业，并日益受到业界的重视。另外在一些高端计算机系统内，光纤通讯技术也获得一定程度的应用，例如光纤接口的企业硬盘、联结多系统的FibreChannel光纤接口等等，这些应用也都奠定了光纤通信技术的高端地位。
但另一方面，高品质光组件很大程度依赖于手工组装和封装，难以实现低成本的大规模量产，导致搭建光传输系统成本高昂，这也是光传输技术一直都无法流行于用户桌面的主要原因。而在计算机系统内部，光传输技术更是无法找到立足之地─计算机内部所有的总线技术都是基于电子传输体系，即以电路作为媒介来传输二进制数据，由于电子传输的先天不足，计算机总线的设计师们一直都在与“干扰”作斗争，总线性能的提升也总是以小幅度的方式进行。既然光传输拥有如此众多的优点，为何不在系统内直接采用光传输技术，一劳永逸解决总线性能问题呢?这固然是一种未雨绸缪的想法，但事实并不像说得那么轻巧。尽管我们能够实现远距离的光纤通信，但却难以在系统内构建光传输通路，原因在于现有的半导体硅芯片都无法自主发光，也无法接收光信号。光纤通信系统采用独立的激光发生器来解决问题，这种激光器采用磷化铟材料，可以在电压控制下产生激光信号，对应的接收器则可以将激光信号还原为电信号;再配合调制和解调机制，就可以将数据通过光纤进行异地传输。但半导体硅芯片不具备自主发光和接收能力，光纤通讯采用的激光器件又无法在低成本前提下做到微型化，将现行的光纤通讯系统直接导入计算机系统内部根本无从实现，更别说在芯片内部实现光传输。显然，如果业界要实现系统内光传输，就必须寻求另外的解决方案，而英特尔的连续波激光与混合硅激光技术便是其中的佼佼者。
混合硅激光基础技术
早在2005年2月，英特尔就发布了一项名为“连续波激光(continuous wave silicon laser，CW laser)”的硅光混合技术，这项技术利用标准半导体制造工艺开发出全球首套可驱动连续光波的硅芯片组件，实现硅片与激光技术的结合。这二者过去一向被认为泾渭分明，难以在芯片尺度实现共存，而英特尔的硅组件连续波激光技术成功地打破了这个界限。
众所周知，半导体硅材料无法像玻璃光纤一样可以让光线通过，无论对可见光还是紫外线都是屏蔽的，但对红外光来说，半导体硅材料却完全透明，因此如果采用红外光来作为数据传输的媒介，与硅芯片达成结合就具有一定的理论可行性。除了可让光线无障碍透过外，硅光混合还需要解决光信号的控制、传导以及放大等问题，连续波激光技术在这些方面都有了重大突破。
在光纤通信系统中，光信号的放大是通过专门的放大系统进行，以便在传输路线中周期性地恢复信号功率。但硅芯片内部不可能容纳这样的放大器，为此英特尔的研究人员发明了一种方法，利用“拉曼效应(Raman effect)”来实现光信号的放大。有一定光学知识的读者应该了解拉曼效应的基本内容：光照射到物质上会发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光波长同激发光波长相同，而非弹性散射的散射光波长则与激发光波长存在差异，这种现象被称为“拉曼效应”，而非弹性散射的光谱则被称为“拉曼光谱”。英特尔的研究人员利用拉曼效应原理来构建硅光组件，这项工作的第一步就是在硅片中蚀刻出“波导(waveguide)”。波导是芯片内光线传递的通道，对红外线光来说，硅材料的波导就好比是透明的玻璃光纤，因此当红外光进入波导时，研究人员就可以在芯片内对红外光进行控制及传导。不过，硅片本身无法产生红外光，英特尔的研究人员就利用了一个外部光源将红外激光导入芯片内，产生连续完整的激光束。为了形成拉曼效应，硅芯片表面被覆上一层反射性的薄膜(类似高品质太阳镜的反射膜)，当红外激光导入到芯片时，一部分激光会照射到薄膜上形成拉曼散射，并在波导内部形成自然原子振动，进而对光信号产生放大作用。与玻璃光纤相比，硅芯片内的拉曼效应强度要高出一万倍以上，信号放大效果极其显著。
但研究工作并没有就此一帆风顺，在初期的研究工作中，英特尔的科学家发现，当光线加压功率提高至某个临界值时，信号的放大率就不会再升高，如果再加压，反而会导致信号放大率下降。其症结来自于一种名为双光子吸收(Two-Photon Absorption)的物理现象：如果一个红外光子打到硅原子上，会不受障碍地自由通过，因为红外光的能量不足以激发硅原子;但如果有两个光子同时撞击到同一个硅原子，硅原子能量增加，进而产生一个新的电子，一部分光能量也会被吸收。尽管一个电子吸收光能的效果有限，但光传输必然意味着大量光信号的连续输入，波导内的电子因此将变得越来越多，这些累积的电子不断吸收光能，最终导致拉曼放大效应不再继续直至逐渐下滑。英特尔的科学家成功地解决了这一新难题，他们在波导周围整合了一个PN结并施加电场，在电场的作用下，波导内产生的自由电子就会被移出光传输区域，这样就有效保持放大效应一直持续。
连续波激光技术的积极意义在于，凭借半导体硅与激光技术的结合，极大程度降低了光通讯的成本。英特尔希望这项技术能够首先应用在远距离通讯领域，制造出低成本的硅光组件，让高性能的光传输技术能够得到更广泛的应用。例如它可以取代铜缆进入局域网领域，甚至于构建全光网络，届时光通信技术将真正走入消费市场。除了积极寻求理论突破外，英特尔的硅光研究(silicon photonics research)项目也不断尝试商业化工作的预研。在过去多年中，研究人员运用累积的技术成果开发出各种各样的整合型光组件，其中不乏令人称道的工程成果。如在2004年，项目组就推出一套可工作在1GHz频率的硅光模块，其数据编码速度比早先的20MHz记录提高了足足50倍。而类似的工作一直都在不间断地进行，英特尔在硅光领域的成果也不断涌现。继连续波激光之后，混合硅激光技术更是将光计算机的梦想大大推进了一大步。
混合硅激光技术方案
在前面的连续波激光项目中，英特尔的研究人员必须借助外部光源才能将红外光导入到硅片内再进行放大，这主要受限于硅材料本身不具自主发光特性。如果这一难题能够获得解决，那么英特尔就能够在计算机系统内部构建光总线。正因为如此，实现硅片自主发光特性被认为是硅光子产业化的最后一道障碍。
英特尔公司与美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)的研究人员联手攻关这个项目，在今年的9月份，双方宣布研发成功名为“混合硅激光(Hybrid Silicon Laser)”的硅光混合技术，打开了迈向硅光混合计算的大门。混合硅激光技术的关键点是实现磷化铟(Indium Phosphide)与半导体硅的结合，并能够以标准硅工艺进行生产。我们知道，磷化铟被广泛用于光纤通信系统的激光器中，它可以在电压的作用下产生激光，但基于磷化铟的激光器需要逐一进行组合和校准，无法实现计算机产业所要求的大批量、低成本制造。而英特尔与芭芭拉分校的研究人员没有将磷化铟作为独立的激光器，而是将它与硅芯片相结合，这样在连续电压信号的驱动下，磷化铟就产生相应的红外激光信号，通过这样的方式，我们就能够将二进制数据加载到红外激光上，这相当于让硅芯片具备直接输出光信号的能力。与之对应，系统内有一套光传输总线，硅光芯片(比如处理器)输出的光信号经过波导放大后，再通过光总线传送给位于目标端的硅光芯片(比如另一枚处理器)，同样，光信号会再度进入目标芯片的波导被放大，然后被还原为二进制电信号参与运算，其运算输出结果则会被再度转成光信号，经波导放大后传回。通过这样的机制，硅芯片间发生的所有数据传输任务都可以借助光技术进行，借此我们能够构建TBps量级的超高带宽总线。
混合硅激光芯片的设计方案非常巧妙，其关键点在于如何将磷化铟材料与半导体硅晶圆有机地结合起来。英特尔与芭芭拉分校的科学家们在此表现出他们的天才设计：用超低温的氧等离子体(带电荷的氧气)在这两种材料表面都形成一层仅有25个原子厚度的薄氧化膜，然后将两者面对面叠放，同时加热加压，这样磷化铟材料的薄氧化膜与硅晶圆的薄氧化膜就像玻璃粘合剂一样熔合，从而将两种材料熔合为一个整体;之后的工序按照传统的半导体制造工艺进行：设计好波导和电压控制器的集成电路图被印刷到硅晶圆上，这样我们就可以制造出硅光混合型芯片。
混合硅激光技术的诞生，标志着一个新时代的开始，电子计算机逐渐朝向光计算机的方向靠拢。对此英特尔公司光子学技术实验室总监马里奥·潘尼西亚(Mario Paniccia)明确指出，混合硅激光技术可令未来计算机内部采用低成本，万亿比特(TB)量级的光学数据通路，并让高性能计算应用迎来一个崭新的时代。尽管这一技术距离商业化还有漫长的距离，但英特尔已经攻克了最关键的难题，剩下的工作没有任何悬念，英特尔期望未来能够在单一硅芯片中集成数十个，甚至数百个混合硅激光器，达成每秒万亿比特的I/O能力。芭芭拉分校电气和计算机工程学教授约翰·鲍尔斯(John Bowers)则强调在成本方面的意义，混合硅激光器能够用于晶圆级、半晶圆级和芯片级的应用，将大规模光学器件与硅平台有机结合起来，最终实现硅光子器件的低成本、大批量制造，这将大幅度降低光传输技术的应用门槛。
光传输与超多核平台的结合
在IDF技术峰会上，英特尔提出的万亿次级研究芯片计划备受瞩目，这一平台将针对未来十年的服务器和超级计算机系统。对此英特尔的首席技术官Justin Rattner解释说：在下一个十年内，网络软件服务将让人们可以从任意一台高性能设备上访问个人数据、媒体和应用，运行高度逼真的3D游戏，分享实时高清视频资料和进行多媒体数据挖掘。这一全新的应用模型要求业界能够提供计算能力达到每秒万亿次浮点运算，每秒万亿字节的内存带宽，每秒万亿比特的I/O能力的服务器系统，而这显然将对现有计算体系提出严峻的挑战。
针对这一需求，英特尔提出了基于Many Core架构的万亿次级研究芯片原型，实验原型包含80个专用途的计算核心(相当于协处理器)，运行频率为3.1GHz，80个核心共同发力将能够提供每秒万亿次浮点运算，解决了运算性能方面的问题。其次，该原型芯片的集成电路不再采用平面方式排列，而是设计成特殊的80层8×10块阵列的晶体管，每一层均包含一个专门用途的计算核心和路由逻辑，其中计算核心可高效完成浮点数据的处理，路由逻辑则负责将核心与上下层电路相连，构成一个有机的片上计算网络。第三，硅片原型具有20MB的SRAM高速内存，这些内存与处理器硅晶片堆叠并连接在一起─堆叠设计让计算核心与SRAM内存之间可以拥有数千个连接点，并实现超过每秒万亿字节的传输带宽。最大的困难在于如何构建每秒万亿比特的I/O能力，现在所有的电路总线技术均无法满足要求，但英特尔将硅光子学方面的突破性成果引入到这一系统，让芯片直接集成大量的混合硅激光器，这样就成功解决了巨量I/O吞吐率的难题。
按照计划，英特尔将在2010年左右开始推行Many Core平台，如果混合硅激光技术进展顺利，英特尔会将其整合于Many Core平台，让光传输成为真正的系统中枢。
未来超级计算机对总线技术的要求
在以往，我们谈论总线时总是默认为计算机的内部总线，如串行ATA、PCI Express、HyperTransport、 Redwood等等都属于系统内总线，这种情况在未来将会发生微妙的变化，高速总线的应用领域将大大扩展，除了计算机系统内部，系统与系统的连接、芯片内部不同处理模块之间的连接，都必须借助相应的高速总线，业界显然需要为此做好准备。
芯片/封装内部
多芯片/多核心处理器、尤其是超多核协处理器架构的出现，让CPU内部不同模块间也需要通过超高速总线实现信号传递。在这方面，RISC计算领域已经先行一步，如IBM早在Power 4时代就发展起封装推出MCM多芯片封装模块，该封装内的多枚处理器芯片就拥有高带宽的直连总线，实现高效率的并行任务协同。X86处理器在这方面明显滞后，最早采用类似Power 4 MCM封装模块的产品是英特尔的双核Pentium D，即在一个基板上封装了两枚CPU芯片来实现“双核”，但这两枚CPU芯片并没有总线直连;刚推出的四核Core 2 Quad处理器也是类似的情况。但这种情况只是权宜，英特尔目前在发展CSI总线来解决这一问题，AMD则将HyperTransport总线延伸到封装内部—它的CPU-GPU协处理器平台即采用HyperTransport总线实现互联。
到2010年前后，英特尔将带来Many Core超多核结构，一枚处理器内将集成上百个运算核心，所有的核心必须以一种高效的方式实现内部互联，发展超高速总线就非常迫切，因为如果总线速度不够快、架构不够高效，超多运算核心将难以发挥并行运算的高效能。借助混合硅激光技术，超多核处理器内部便可以采用光传输技术，进而实现TB量级的超高速、无干扰高效数据交换，只有总线传输瓶颈获得解决，超多核处理架构才可能真正发挥出性能优势。
系统内部
在计算机系统内部，PCI Express与HyperTransport总线堪称两大中枢，它们承担着芯片间的数据交换任务，例如芯片组与显卡、I/O扩展设备之间，南北桥芯片之间，处理器与处理器之间，处理器与协处理器之间等等。其中对带宽要求最高的是显卡系统，目前所用的PCI Express X16总线可提供8GBps的双向带宽，但伴随着协处理器架构的发展，主处理器与协处理器之间的数据交换需求将超过现有的图形系统，数十GBps带宽非常必要。到更久远一些的2010年，超多核处理平台将对总线带宽提出更高的要求，现有的高速串行传输技术很可能会遭遇技术瓶颈，例如超高频率下工作的串行总线难以保持信号稳定性，对外部干扰敏感或者自身功耗过高，这些问题都有可能带来巨大的麻烦。同样，改用光传输技术显然可以解决这些问题，借助混合硅激光技术，芯片与芯片之间都可以通过光传输总线进行超高速数据交换，由于光传输不受任何干扰，传输稳定性可得到有效的保障。英特尔所要解决的就是，尽快实现混合硅激光技术的商用化，并制定出相应的技术标准供业界使用。
系统外部
许多超级计算机已经开始采用光纤来连接不同的计算模块，但光纤只是在系统间建立连接(System-to-System)，无法让位于不同机箱的处理器实现直连，数据在处理器与光纤接口之间往往还必须通过诸如“前端总线-内存-PCI-X总线-光纤适配卡”的多道转接，导致数据传输延迟很高。显然，在这样的架构下，计算系统很难实现最佳的协作效率，超级计算机之所以难以制造，困难很大程度就在于此。理想的解决方法是开发出一种可用于系统间的直连总线，AMD近期推出的HyperTransport 3.0总线符合此项标准，英特尔也在发展自己的CSI技术，另外值得称道的是IBM的Cell平台，该平台不仅可以建立芯片直连，更可以实现协处理器资源的分布式共享，从而实现运算核心的紧密耦合。
这种架构可以一直沿用到未来的超多核计算时代，但问题在于，现有的电路总线技术很难提供可满足超多核平台的足够带宽。试想一下，假如一枚处理器拥有80个协处理核心，每个核心都要求能与其他处理器的对应核心建立紧密协作关系，高性能、低延迟的点对点直连总线就非常必要;而核心数量如此众多，对总线带宽的要求也会异常苛刻，上百GBps的带宽并不是个奢侈的指标。
在混合硅激光技术发布会上，英特尔表示该技术未来可以同超多核平台完美结合，让每个协处理核心都拥有自己的高速光路传输，并且通过外部光纤直接与其他的超多核系统联结，借此英特尔将构建出具有一流协作效率的超级计算机系统。
作者：张 岩
激光是 2 0世纪 6 0年代出现的最重大科学技术成就之一。它的出现深化了人们对光的认识 ,扩大了光为人类服务的天地。激光技术从它的问世到现在 ,虽然时间不长 ,但是由于它有着几个极有价值的特点 :高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等;天线是光学望远镜;接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。
首先明白一下激光雷达，激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与被探测无相互作用的光波信号来遥感测量的.使用振动拉曼技术进行测量的激光雷达技术即为拉曼激光雷达，主要用于大气遥感测量。拉曼激光雷达属于遥感技术的一种。激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近50 年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、全球气候预测、海洋环境监测等。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。而按照不同功能，则可分为跟踪雷达、运动目标指示雷达、流速测量雷达、风剪切探测雷达、目标识别雷达、成像雷达及振动传感雷达。
激光雷达与无线电雷达的工作原理基本相同，且依赖于所采用的探测技术。其中直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。
相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送-接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。
激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等;天线是光学望远镜;接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。
气象雷达是专门用于大气探测的雷达。属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统(如台风和暴雨云系)的主要探测工具之一工作在30～3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1～100公里，所以又称为中层-平流层-对流层雷达 (MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度等大气动力学参数的铅直分布
美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似，即侧重于对目标的监视、捕获、跟踪、毁伤评(SATKA)和导航。然而，由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导航任务，因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上，例如高精度毁伤评估，极精确的导航修正及高分辨率成像。军事上常常希望飞机低空飞行，但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物能力的限制。且不说阻塞气球线这样的对抗设施，在60米以下，各种动力线，高压线铁塔，桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。现有的飞机传感器，从人眼到雷达，均难以事先发现这些危险物，这种情况，在夜间和恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率，故能实时形成这些障碍物有效的影像，提供适当的预警。
激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量 。如对导弹和火箭初始段的跟踪与测量，对飞机和巡航导弹的低仰角跟踪测量 ，对卫星的精密定轨等 。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统，对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光 雷达可以对大气进行监测 ，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。
海用激光雷达对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪的传统方式，是采用体大而重的一般在600千克至几十吨重的声纳。自从发展了海洋激光雷达，即机载蓝绿激光器发射和接收设备后，海洋水下目标探测既简单方便，又准确无误。尤其是20世纪90 年代以后研制成功的第三代激光雷达上，增加了GPS定位、定高功能，实现了航线和高度的自动控制。如美国诺斯罗普公司研制的“ALARMS”机载水雷探测激光雷达，可24小时工作，能准确测得水下水雷等可疑目标。美国卡曼航天公司研制的水下成像激光雷达，更具优势，可以显示水下目标的形状等特征，准确捕获目标，以便采取应急措施，确保航行安全。
此外，激光雷达还可以广泛用于对抗电子战、反辐射导弹、超低空突防、导弹与炮弹制导以及陆地扫雷等。
参考文献
王保成 张卫华 激光雷达工作原理与气象探测 《现代物理知识》 2001年06期 王德志 激光雷达原理 《科协论坛》 2008年05期
一、雷达工作原理
首先，必须先了解雷达的基本原理，因为雷达仍是目前用来监测移动物体最普遍的方法。雷达英文为RADAR，是Radio Detection And Ranging的缩写。所有利用雷达波来监测移动物体速度的原理，其理论基础皆源自于多普勒效应，其应该也是一般常见的多普勒雷达Doppler Radar，此原理是在19世纪一位奥地利物理学家所发现的物理现象，后来世人为了纪念他的贡献，就以他的名字来为该原理命名。多普勒的理论基础为时间。雷达波是由频率及振幅所构成，而无线电波是随着波而前进的。当无线电波在行进的过程中，碰到物体时，该无线电波会被反弹，而且其反弹回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固定不动的，那么所反弹回来的无线电波其频率是不会改变的。然而，若物体是朝着无线电线发射的方向前进时，此时所反弹回来的无线电波会被压缩，因此该电波的频率会随之增加;反之，若物体是朝着远离无线电波方向行进时，则反弹回来的无线电波，其频率则会随之减小。
速度监测装置所应用的原理，就是可以监测到发射出现的无线电波，及反弹回来的无线电波其间的频率变化。由这两个不同频率的差值，便可以有特定的比例关系，而计算是该雷达波所碰撞到物体的速度。当然，此种速度监测装置可以将所监测到的速度，转换为公里/小时或是英哩/小时。也许大家还是无法体会什么是多普勒效应，但每个人在日常生活中应该都有听过多普勒效应。例如：当火车鸣笛或救护车的警报声一直朝着你接近时，会发现声音会一直在变化，这就是所谓的多普勒效应，此例子是生活中最常见的例子，因为当声波一直朝着你接近时，该声波的频率会一直增加，所以听到的声音才会一直变。这跟测速雷达所用到的原理是一样的，只不过测速雷达所使用的不是声波，而是无线电波。
由于警方的测速雷达总是监测到一个较强的反射电波后，才决定该移动物体的速度;而通常体积较大的物体其反弹的电波也较强;另外，离发射电波较近的物体，其所反弹的电波也会较强。根据这个原理，若有两辆大小相同的车辆，同样都是超速时，测速雷达只会监测到开在较前面车辆的速度;若有一辆未超速的大卡车开在前方，而另一辆已超速的小客车开在后方时，测速雷达是无法监测出该小客车已超速，除非该小客车已经超越了大卡车而继续超速。
这告诉我们，利用雷达波来监测车速时，是无法对队列行驶的车辆中监测的。监测到特定车辆的速度，而只能监测到开在队列车辆最前面，且体积较大的车子的速度。
雷达原理详述
下面的文章，将更详细地探讨雷达测速的各种影响因素：
雷达波覆盖的范围
影响雷达波覆盖范围的因素如下：
雷达的功率
电波接收器的灵敏度
天线的特性
欲监测物体的体积大小
雷达与欲监测物体的距离
欲监测物体与雷达天线的相对位置及角度
车辆类型 可测速范围 无法测速范围
小客车(car) 0~200公尺内 200公尺以外 卡车或小货车(truck/van) 0~300公尺内 300公尺以外
联结车(HGV) 0~400公尺内 400公尺以外
由上图可知大型联结车最容易被监测到速度，只要在400公尺的范围，都可以被监测。
Cosine因子
这里所说的Cosine就是以前所学的数学三角函数，像是sin,cos,tan...，所谓的Cosine因子说明如下：
雷达要正常地发挥测速功能，该雷达必须与被测车辆同一路径
就如同GAS的话，则雷达所监测到的速度将比实际上来的慢。而所减低的速度将正比于偏斜的角度取TO测速照相系统一般，若雷达置放的位置与车辆行经的路径有一个角度，并不平行cosine值，简单地说，就是偏斜的角度越大的话，监测到的速度将比实际速度低的越多。
例如测速雷达置放的位置与车辆路径呈20度的夹角，虽然当时车子实际速度为105公里/小时，但被监测到的时速应为105xcos(20)=98.67公里/小时，本来应是超速的，但在雷达监测上出现误差。
GATSO这类的测速照相系统也会考虑到Cosine，所以会加入一些补偿电路，来修正这样的误差，不过因为每次置放的角度都不同，因此在补偿误差时，必须经过正确的设定才行，该设定值才须经过原厂的调校才能有较精准的表现。因此可以得到一个结论,Cosine因子永远都是偏袒驾驶人的。
测速地点的选择
既然大家已经了解雷达测速的基本原理，其实是藉由车辆所反射回来的电波来计算车速，那么在道路上一些不会动的物体，如路标、路灯等，会不会影响雷达波的反射呢?由于路标、路灯等物体的体积都很小，尚不会对雷达电波产生太多的影响，但如果是一些较大的物体，如建筑物、停在路旁的大卡车，或是高速公路上一些路段的大型路标、广告板等，这些物体就一定会影响到雷达电波的反射，也就是说即使路上没有车辆经过，所使用的测速雷达还是会监测到一些数据，只是这些数据可能速度都是0而已。不过大家也不要以为在路上看到大型路标时就可以尽情超速了，因为一旦车辆位置超过了路标，而离雷达波越近的物体所反射的雷达波会越强，此时还是会被监测到超速的。
然而，理想的测速照相地点，应该位在空旷无阻碍且没有大型反射物的道路上;在开始测速之前，选择地点是相当重要的;操作员在开始前，必须在车流前，选择视线良好的位置，该视线上不能有如大型路标、金属栅栏、防撞护栏等物体 。
确认超速的步骤
使用手持雷达来测速时，刚开始并未开机，先采取目测的方式，等到发现有车辆疑似超速时，再开机以手持雷达来验证是否真的超速。
使用手册中指出在测速雷达的监测范围中，必须只有一辆车子才能立刻监测速度。换句话说，若您的车子正处于车辆的队列中，是无法确定所监测到的车速是哪一辆车。此时必须先追踪某辆车最少3秒的时间，等到雷达出现已锁定的讯息时，才可以开始监测车速。
因此要得到车辆的超速需要花费3秒钟的时间，而且在测速时也会将误差考虑进去，例如，在雷达监测速度时，雷达屏幕上显示的速度为102-101-102-103-101，此时就可以确定车速为101到103公里/小时，然而，若在溜达屏幕上显示的数据为102-101-149-103-101，此时就认定这次的测速有相当大的误差而不采用该数据。
辐射危害
因为雷达在测速时会发射出强大的无线电磁波，当雷达测速仪器接近身体在25公分时，雷达天线所发射出来的电磁波辐射将对人体造成某些程度的伤害。
二、激光测速原理
传统的电波式雷达已行之有年，目前较新的技术是利用激光来测速，称之为激光雷达，英文为 LIDAR这是Light Detection and Ranging的缩写。通常这类的激光都是使用红外线，其精确度和可靠度都远超过传统的电波式雷达。以激光为基础的测速系统如LaserCam II就是一例手持的激光测速系统，当然激光测速系统也可以装载于流动式的三脚架上，例意大利制的Autovelox 105/SE就是最佳写照。
激光测速的原理与雷达电波的多普勒原理不同，而是利用激光的飞行时间的计算，也就是当激光发射出去时，先纪录时间，等到激光被物体反射回来时，再纪录一次时间，接着计算时间差，而LIDAR装置以15Hz的频率运作(每秒15次)，而光速是每秒30万公里，这样就可以算出车子的行进速度，举例如下：
当第一次激光发射出去后，经过0.000001333秒后再反射回来，因为距离=速率x时间，所以第一次激光经反弹来回所走的距离为300,000,000 (m/s)x 0.000001333(s) = 399(m)公尺，所以实际与车子的距离应该要除以2，得399/2=199.5公尺。
经过1/15秒后，第二次激光再发出监测距离，经过0.000001325秒后再被车辆反射回来，所以激光来回走的距离为300,000,000 x 0.000001325 = 397.5，除以2得198.75。
也就是说经过1/15秒后，车子前进了199.5-198.75=0.75公尺，又速率=距离/时间，所以可以得到车速为0.75/(1/15)=11.25 m/s，换算成时速公里的话就是11.25x3600=40.5公里/小时。
现在我们已经知道激光测速的基本原理了，因为激光每秒可以发射出15次的激光，每个间隔距离都可以计算一次时速，而激光测速器必须在连续监测到2到3次相似的速度时，才确定此为该车的速度，这也就是为什么使用激光测速装置，只需要0.3秒的时间来锁定车速的原因了。
由于激光功率很强，所以在测速时，被禁止直接以激光束照射在驾驶座上，必须将光束对准车牌，以免伤害驾驶人的视力。而且也不能在车内使用激光测速仪器，因为激光很容易在车内反射，而伤害了车内的人员，即使将车窗放下也不行。因此在FDA(美国食品药品管理局)严格规范之下，激光枪功率降低，致使激光束扩大，反而给了激光警示器，即俗称的激光测速器可趁之机。
激光测速的原理
LIDAR(Light Detection and Ranging-激光监测及归类)以规律地送出infra-red(红外线)激光来测量光束的反回时间，在这些时间中任取两个就可以计算速度。激光测速器所发射的光束非常狭窄，它随着距离的增加，光束由一公分发散成100公分，就因为光束很窄，所以可以从车流中挑出一辆超速的汽车;尤其当监测物距离愈近，监测范围甚至会大于手持式的雷达测速器。通常激光束的散射角度相当小，造成监测上相当不易;警用的激光测速光束必须在300到500公尺以上的距离，才会扩散到1.5公尺以上的范围，距离越远扩散越大，也较容易监测得到，且当在测附近的车子的车牌时，激光会散射到旁边的车辆上，若车上有装专为接收激光所设计的激光警示器，那么便可能接收得到。
雷达波发射后会逐渐扩散，所以驾驶者容易利用雷达警示器监测到。相对来说，激光测速系统发射的激光束比较窄，扩散范围比雷达系统小，所以一般不会被警示器监测到。还因为激光束比较窄，可以实现对车流里边的单一车辆做监测。
Cosine因子同样也会发生在激光测速装置上，不过有一点要注意的是，有时会在桥上使用手持激光枪来测速，如此一来便可以在道路中央正上方的位置进行测速，这样便可以减少Cosine的影响，此时只要注意桥的高度，必须与车辆的距离保持10倍以上的比例，便可以正常工作，如桥距离路面的高度为10公尺，则被测车辆必须在100公尺以外的距离所测得的速度才正确。
激光测速系统的优点
如果激光系统一直开机，那么激光束就会一直打出去，驾驶人车上若有激光警示器，则较有机会测得警方的激光束。然而事实上却不然，因为通常是先用肉眼或望远镜眺望远方是否有车可能会超速(通常以车阵中跑第一的那辆为目标)，然后再举起激光枪瞄准该车辆进行测速。因此，激光枪的开机时间只在瞄准车辆的那一瞬间，也就是说，激光束并不会一直呈现发射状态，让驾驶人有许多机会能够测得到。像雷达测速仪器，如三脚架、警车、部份固定杆等，持续开机进行测速的时间较久，只要呈现开机状态，雷达波便会一直发散出来，驾驶人车上若有雷达警示器，就可以接收到该雷达波而产生警示声。
综上所述，在两种测速方式的对比中，激光系统有比较明显的优点。该系统的技术领先，测速的准确率高，可以有效的防止测速警示器的应用。所以，激光测速系统是现在测速技术发展的潮流和方向
激光原理与激光技术试卷
姓名__________专业方向__________成绩__________
说明： 1本试卷为2013级研究生2013-2014学年使用;
2本试卷独立完成，考生可参考书及笔记本，要求2014年1月10日前完成。
一、 解释下列名词 (15分)
腔寿命――
纵膜频率间隔――
横膜――
等价共焦腔――
高斯光束焦参数――
二、 简答题 (25分)
1. 简述激光器的构成及各部分的功能;
2. 什么是单程功率损耗?单程功率损耗包括哪些方面?
3. 谐振腔的本征纵膜频率间隔与哪些因素有关，起振模式数指什么?
4. 影响频率稳定的原因是因为哪些参数发生变化?
5. 高斯光束聚焦和准直各有什么特点?与平行光束的聚焦和准直有什么区别?
三、 证明题 (20分)
请用光学变换矩阵的方法证明双凹共焦腔的稳定性。
四、 计算题
1. (15分)一氦氖激光器腔长L = 30 cm，腔内气体折射率 n 1，其非均匀加宽的线宽 D= 1.5×105 MHz，求：
(1) 该激光器的纵膜频率间隔;
(2) 满足域值条件的纵膜个数;
(3) 为使满足域值条件的纵膜数限制为10，腔长应限制在什么范围?
2. (25分)一台Nd:YAG激光器(波长 = 1.06 m) 采用对称共焦腔结构，腔长L = 1.2m，求：
(1) 求此激光器基膜高斯光束的腰斑半径及镜面上的基膜光斑半径;
(2) 求此激光器基膜高斯光束的远场发散角;
(3) 求此腔产生的高斯光束焦参数;
(4) 求腰处及与腰斑相距2米处的q参数;
(5) 请设计一个与该共焦腔腔长相等的，平凹腔结构的等价球面腔，并画出该共焦腔与等价球面腔的结构示意图。
《中国激光医学杂志》简介
《中国激光医学杂志》创刊于1992年2月，2001年由我院承办。主管单位：中国科学技术协会。主办单位：中国光学学会。承办单位：中国人民解放军总医院激光医学科。 中国工程院院士王大珩先生任名誉顾问，中国光学学会秘书长龚旗煌教授任社长，中国人民解放军总医院激光医学科主任顾瑛教授任主编。
激光医学是一门医学与工程学的交叉学科，其研究领域已覆盖几乎所有的医学学科。中国激光医学杂志稿源分布于全国32个省市的高校和医院等。刊稿率 85%。发表周期3-6个月。
一、国际检索系统收录情况
20044月被AJ《俄罗斯文摘杂志》，2007年1月被CA《美国化学文摘》国际著名检索体系收录。
二、国内主要数据库收录情况
2002至今为“中国科技论文统计源期刊”、“中国科技核心期刊”。为《中国核心期刊(遴选)数据库》《中国科学引文数据库》、《中国科技论文统计源数据库》、《中国期刊全文数据库》、《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》、《中文生物医学期刊文献数据库》、《中文科技期刊数据库》、万方数据资源系统数字化期刊群、中国光学期刊网等国内检索体系收录。
三、期刊获奖情况
本刊曾6次荣获中国科协对“基础性高科技学术期刊”的重点专项基金资助。
四、栏目
包括论著，报道激光医学领域的基础研究和临床试验的最新研究成果;综述，回顾国内外激光医学目前最新的研究进展，此外还有短篇报道，国外期刊摘译，讲座、述评及病例报告等。
五、读者
激光医学临床与基础、光生物医学和医用激光设备与技术研究工作者，涉及基础医学和临床医学各科及理科、工科领域。
我刊发表了大量的激光医学基础研究和在临床医学各科的应用研究论文。促进了激光在医学中的应用，对提高激光医学研究水平起到了积极作用。现已成为国内激光医学学术交流的园地、对外交流的窗口和继续教育的基地。
《2014年激光技术研发中心应用项目部》工作总结 2014年激光技术研发中心注入新鲜血液，促进了应用项目的顺利进展，并如期完成任务。总结主要分成4部分，激光产品、煤矿项目、石油项目、年前计划。
一、 工作内容
1、 激光产品
1.1、 防爆认证合格证3项
1.1.1、 1.1.
2、 1.1.3、
4通道激光甲烷探测系统，防爆标志Ex; 准无源甲烷传感器，防爆标志Ex ib I Mb; 激光甲烷遥测仪，防爆标志Ex ib II B Gb。
1.2、 知识产权注册共10项，放弃发明专利1项
1.2.1、 1.2.
2、
发明专利8项; 实用新型专利2项。
1.3、 企业产品标准3项
1.3.1、
KGJ3-20K4通道激光甲烷检测系统
Q/HDHXQ0003-2014; 1.3.2、
JJB10激光甲烷检测遥测报警仪
Q/HDHXQ0002-2014; 1.3.3、
KGJ3-20K
准无源瓦斯传感器
Q/HDHXQ0001-2014。
1.4、 纯无源光报警装置
1.4.1、反射棱镜灯头对射试验、纯无源对比试验(功率)、纯无源对比试验(照度); 1.4.
2、设计、样机;
1.4.3、纯无源连接主机原理验证。 1.
5、 手持式遥测设备
手持式设备试验共7次，在公司试验，技术文档试验报告4项;半导体所潘老师实验室试验，技术文档试验报告3项。
1)140617手持式棱镜对比试验，数据不规律; 2)140618手持式棱镜对比试验，起不到反射浓度信号增强的作用;
3)20140715准直镜可行性实验报告，无法准确接收;
4)手持式设备发散角测试v1.0，发散角为A设备20度，B设备28度;
5)手持式设备的LP-3C激光功率计测量试验报告; 6)手持式设备的积分球测量试验报告v1.0; 7)手持式遥测法验证试验。
1.6、 自主研发项目
协助黄工处理自主研发项目，半导体所做自主研发激光控制器实验，编写实验方案和实验报告。(控制器的标定实验，控制器灵敏度实验，激光器随温度变化激光波长稳定性试验)。 1.7、 消防甲烷控制器
总结技术文档6项，控制器的设计，国家标准的查找，标准解析;对照消防行业标准改进自主研发控制器的相关设计，国家消防标准与石化标准，在控制器的技术要求条件上的差异，按照其国家标准设计未来航星牌甲烷气体控制器的功能指标。
2、 煤矿项目
2.1、 技术资料
激光瓦斯监测系统应用试验内容报告、用户报告2项，煤矿井下激光在线监测交接文件8项。 2.2、 防爆箱装机
2.2.1、 LL主机装机，防爆箱内的设计，包括电源模
块的安装，接线，光纤的布局，模块的安放，串口线网线的走线铠装光缆的查找。自主协议转换，设计4.3寸屏、7寸屏组态，包括组太屏人机交互界面的设计，宏代码的实现，组太屏和模块主机的通讯，组太屏串口转发协议宏的实现。编写组太屏相关设置和宏代码实现的使用手册;
2.2.2、 模块装机，modbus协议转换，设计4.3寸屏、
7寸屏组态，主机模块和7寸组态屏通讯联调。模拟煤矿井下环境，带载测试。稳定性
测试，灵敏性测试。
2.3、 山东翟镇煤矿矿井安全监控系统平台
在8月份，初步完成了山东翟镇煤矿上位组态界面的设计。
在甲烷激光模块主机完成测试后，根据模块主机的通讯协议，实现了对甲烷激光传感器信号的实时采集、同时实现了信号按周期历史存储、实时报警显示和历史报警查询、实时趋势显示和历史趋势查询、报表查询等功能。
在解决甲烷激光模块主机报警值断电不保存的问题后，在上位组态添加了模块主机的报警限值设置功能。
根据现场需要，在上位组态添加了通道甲烷值浓度调零和浓度校正功能。
我们实现了对现场甲烷模块主机信号的实时采集及显示、历史数据的存储、实时趋势显示和历史趋势的查询、实时报警显示和历史报警查询、报表查询、模块主机的通道浓度报警值设置、上位主机通道浓度报警值设置、通道甲烷值浓度调零和浓度校正功能。
2.4、 翟镇出差2次
2.4.1、 井上演示项目，编写翟镇煤矿演示方案，
激光甲烷在线监测系统带载实验。并预演翟镇煤矿演示过程，拍摄演示流程视频，和翟镇煤矿相关人员沟通确定最终演示方案，煤矿应用汇报PPT并实际现场演示系统;
2.4.2、 井下试验，成功试验。防爆箱下井进行实
际测试。矿井下防爆箱的安装和纯无源准无源报警模块的连接。整套系统的标定和调试，确保整套设备的正常工作，在研发中心同仁的共同努力下，翟镇煤矿井下试验有了前所未有的突破，促使了项目的前进。
2.5、 通防产品改进
硬件方面，增加无源探头光亮度，提高准无源探头声贝;软件方面，修改现有bug，报表的历史数据，报警值显示。
3、 石油项目
3.1、 技术资料
对射式设备调试，模块主机纸产品设计，设备功能指标归纳，设计定型，石油储罐主动安全防护系统产品工艺设计，分析控制池需求，7寸组态屏设计8通道组态软件编写、界面开发，系统集成、调试，形成技术文档5项，丙烷测试系统的丙烷模块测试和调试。
3.2、 石油储罐激光在线监测主动防护系统
在11月份底到12月份初，完成了石油储罐激光在线监测主动防护系统的上位组态。
在其中，用犀牛三维建模软件完成了登录界面、三维石油罐界面。
在石油储罐激光在线监测主动防护系统中，我们做了2项石油储备基地，分别为1#石油储备基地和2#石油储备基地。1#石油储备基地包含4项储油罐，2#石油储备基地包含6项储油罐。每项储油罐都单独有一项监测界面。
实现了对丙烷模块主机信号的实时采集及显示、历史数据的存储、实时趋势显示和历史趋势的查询、实时报警显示和历史报警查询、报表查询、上位主机通道浓度报警值设置、通道丙烷值浓度调零和浓度校正功能。 3.3、 设备试验
3.3.1、半导体所做的激光器油损耗试验，10mw激光器受油污影响不大，可在油污环境下正常工作;
3.3.2、公司做的激光器油损耗试验，分布式激光探测器设备无法在油污环境下正常工作; 3.3.
3、公司做的混合气体试验，多种气体试验数据表格、单一气体试验数据表格，生产技术文档4项。 3.4、 客户来司调研
领导来公司参观调研，协助艾科人员完成丙烷模块的安装调试和带载测试，顺利完成激光丙烷测试系统的演示。
1) 激光甲烷设备的安装和调试，调通; 2) 对射式激光甲烷设备的安装和调试; 3) 协助人员安装丙烷模块，调试;
4) 丙烷测试系统组太屏界面设计和通讯实现。
二、 年前计划
1、 翟镇煤矿产品发布会
1.1、 改进并制作第二台防爆箱设备准备产品鉴定会;
在1月20左右去翟镇煤矿进行的专家产品鉴定会的相关事宜。防爆箱的组装和调试，应煤矿方面的需求，协助技术开发人员完成上位机系统的改进，完成产品鉴定会之前的准备工作，完成整套系统的集成测试和压力测试。
1.2、 准备并实施翟镇煤矿通防系统的相关工作。
2、 防爆、计量认证
2.1. 计量认证，做好相关产品的认证准备，完善产品认证的相关资料，相关设备的组装和改进，认证资料的撰写，企业标准和检测方法;
2.2. 防爆认证，做好相关产品的认证准备，完善产品认证的相关资料，相关设备的组装和改进，将石油示范工程研讨会的准备工作做好。
3、 模型、验证箱
在12月份底完成了储油罐激光在线监测主动防护系统三维演示图，给厂家提供资料制作模型，接下来制作模型技术支持;验证箱器件的设计、选取，工程化1:1制作，将石油示范工程研讨会的准备工作做好。
《激光原理》习题解答第一章习题解答
1
为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM，它的单色性应为多少?
解答：设相干时间为，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即
根据相干时间和谱线宽度的关系
又因为
，，
由以上各关系及数据可以得到如下形式：
单色性===
解答完毕。
2
如果激光器和微波激射器分别在10μm、500nm和输出1瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。
解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt时间内输出的能量为dE，则
功率=dE/dt
激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即
d，其中n为dt时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt时间辐射跃迁到低能级的数目(能级间的频率为ν)。
由以上分析可以得到如下的形式：
每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：
根据题中给出的数据可知：
把三个数据带入，得到如下结果：，，
3
设一对激光能级为E1和E2(f1=f2)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求
(a)当ν=3000兆赫兹，T=300K的时候，n2/n1=?
(b)当λ=1μm，T=300K的时候，n2/n1=?
(c)当λ=1μm，n2/n1=0.1时，温度T=?
解答:在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：
(统计权重)
其中为波尔兹曼常数，T为热力学温度。
(a)
(b)
(c)
4
在红宝石调Q激光器中，有可能将几乎全部离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。设红宝石棒直径为1cm，长度为7.5cm，离子浓度为，巨脉冲宽度为10ns，求激光的最大能量输出和脉冲功率。
解答：红宝石调Q激光器在反转能级间可产生两个频率的受激跃迁，这两个跃迁几率分别是47%和53%，其中几率占53%的跃迁在竞争中可以形成694.3nm的激光，因此，我们可以把激发到高能级上的粒子数看成是整个激发到高能级的粒子数的一半(事实上红宝石激光器只有一半的激发粒子对激光有贡献)。
设红宝石棒长为L，直径为d，体积为V，总数为N，粒子的浓度为n，巨脉冲的时间宽度为，则离子总数为：
根据前面分析部分，只有N/2个粒子能发射激光，因此，整个发出的脉冲能量为：
脉冲功率是单位时间内输出的能量，即
解答完毕。
5
试证明，由于自发辐射，原子在能级的平均寿命为。
证明如下：根据自发辐射的定义可以知道，高能级上单位时间粒子数减少的量，等于低能级在单位时间内粒子数的增加。即：
---------------①
(其中等式左边表示单位时间内高能级上粒子数的变化，高能级粒子数随时间减少。右边的表示低能级上单位时间内接纳的从高能级上自发辐射下来的粒子数。)
再根据自发辐射跃迁几率公式：
，把代入①式，
得到：
对时间进行积分，得到：
(其中随时间变化，为开始时候的高能级具有的粒子数。)
按照能级寿命的定义，当时，定义能量减少到这个程度的时间为能级寿命，用字母表示。
因此，，即：
证明完毕
6
某一分子的能级E4到三个较低能级E1
E2
和E3的自发跃迁几率分别为A43=5*107s-1,
A42=1*107s-1,
A41=3*107s-1，试求该分子E4能级的自发辐射寿命τ4。若τ1=5*10-7s，τ2=6*10-9s，τ3=1*10-8s，在对E4连续激发且达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值n1/n4,
n2/n4和n3/n4，并说明这时候在哪两个能级间实现了集居数
解:
(1)由题意可知E4上的粒子向低能级自发跃迁几率A4为:
-1
则该分子E4能级的自发辐射寿命：
结论:如果能级u发生跃迁的下能级不止1条,能级u向其中第i条自发跃迁的几率为Aui
则能级u的自发辐射寿命为:
(2)对E4连续激发并达到稳态,则有:
,,
(上述三个等式的物理意义是：在只考虑高能级自发辐射和E1能级只与E4能级间有受激吸收过程，见图)
宏观上表现为各能级的粒子数没有变化
由题意可得:
,则
同理：，
进一步可求得:
，
由以上可知:在
E2和E4;E3和E4;E2和E3能级间发生了粒子数反转.
7
证明，当每个模式内的平均光子数(光子简并度)大于1时，辐射光中受激辐射占优势。
证明如下：按照普朗克黑体辐射公式，在热平衡条件下，能量平均分配到每一个可以存在的模上，即
(为频率为γ的模式内的平均光子数)
由上式可以得到：
又根据黑体辐射公式：
根据爱因斯坦辐射系数之间的关系式和受激辐射跃迁几率公式，则可以推导出以下公式：
如果模内的平均光子数()大于1，即
，则受激辐射跃迁几率大于自发辐射跃迁几率，即辐射光中受激辐射占优势。证明完毕
8
一质地均匀的材料对光的吸收系数为，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几?
如果一束光通过长度为1M地均匀激励的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。
解答：设进入材料前的光强为，经过距离后的光强为，根据损耗系数的定义，可以得到：
则出射光强与入射光强的百分比为：
根据小信号增益系数的概念：，在小信号增益的情况下，
上式可通过积分得到
解答完毕。
《激光原理》习题解答第二章习题解答
1
试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限次，而且两次往返即自行闭合.
证明如下：(共焦腔的定义——两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔。共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔。公共焦点在腔内的共
焦腔是实共焦腔，反之是虚共焦腔。两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔。)
根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明。
设两个凹镜的曲率半径分别是和，腔长为，根据对称共焦腔特点可知：
因此，一次往返转换矩阵为
把条件带入到转换矩阵T，得到：
共轴球面腔的稳定判别式子
如果或者，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中
，因此可以断定是介稳腔(临界腔)，下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔。
经过两个往返的转换矩阵式，
坐标转换公式为：
其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。
2
试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。
解答如下：共轴球面腔的，如果满足，则腔是稳定腔，反之为非稳腔,两者之间存在临界腔，临界腔是否是稳定腔，要具体分析。
下面我们就根据以上的内容来分别求稳定条件。
对于平凹共轴球面腔，
()
所以，如果，则是稳定腔。因为和均大于零，所以不等式的后半部分一定成立，因此，只要满足，就能满足稳定腔的条件，因此，就是平凹腔的稳定条件。
类似的分析可以知道，
凸凹腔的稳定条件是：,且。
双凹腔的稳定条件是：，
(第一种情况)
，且(第二种情况)
(对称双凹腔)
求解完毕。
3
激光腔的谐振腔由一曲率半径为1M的凸和曲率半径为2M的凹面镜构成，工作物质长度为0.5M，其折射率为1.52，求腔长在什么范围内谐振腔是稳定的。
解答如下：设腔长为，腔的光学长度为，已知，，，，，
根据，代入已知的凸凹镜的曲率半径，得到：
因为含有工作物质，已经不是无源腔，因此，这里L应该是光程的大小(或者说是利用光线在均匀介质里传播矩阵)。
即，代入上式，得到：
要达到稳定腔的条件，必须是，按照这个条件，得到腔的几何长度为：
，单位是米。解答完毕。
5
有一方形孔径共焦腔氦氖激光器，腔长L=30CM，方形孔径边长为d=2a=0.12CM，λ=632.8nm，镜的反射率为r1=1，r2=0.96，其他损耗以每程0.003估计。此激光器能否做单模运转?如果想在共焦镜面附近加一个方形小孔光阑来选择TEM00模，小孔的边长应为多大?试根据图2.5.5作一大略的估计。氦氖激光器增益由公式估算，其中的l是放电管长度。
分析：如果其他损耗包括了衍射损耗，则只考虑反射损耗及其他损耗的和是否小于激光器的增益系数，增益大于损耗，则可产生激光振荡。
如果其他损耗不包括衍射损耗，并且菲涅尔数小于一，则还要考虑衍射损耗，衍射损耗的大小可以根据书中的公式δ00=10.9*10-4.94N来确定，其中的N是菲涅尔数。
解答：根据，可以知道单程增益g0L=ln(1+0.0003L/d)=0.0723
由于反射不完全引起的损耗可以用公式2.1.24或者2.1.25来衡量
根据2.1.24得到：
δr≈-0.5lnr1r2=0.0204
根据题意，总的损耗为反射损+其他损耗，因此单程总损耗系数为
δ=0.0204+0.0003
如果考虑到衍射损耗，则还要根据菲涅尔数来确定衍射损系数：
此方形共焦腔氦氖激光器的菲涅尔数为：N=a2/(Lλ)=7.6，菲涅尔数大于一很多倍，因此可以不考虑衍射损耗的影响。
通过以上分析可以断定，此谐振腔可以产生激光振荡。又根据氦氖激光器的多普勒展宽达到1.6GHZ，而纵模及横模间隔根据计算可知很小，在一个大的展宽范围内可以后很多具有不同模式的光波振荡，因此不采取技术措施不可能得到基模振荡。
为了得到基模振荡，可以在腔内加入光阑，达到基模振荡的作用。在腔镜上，基模光斑半径为：
因此，可以在镜面上放置边长为2ω0s的光阑。
解答完毕。
6
试求出方形镜共焦腔面上模的节线位置，这些节线是等距分布吗?
解答如下：
方形镜共焦腔自再现模满足的积分方程式为
经过博伊德—戈登变换，在通过厄密-高斯近似，可以用厄密-高斯函数表示镜面上场的函数
使就可以求出节线的位置。由上式得到：
，这些节线是等距的。解答完毕。
7
求圆形镜共焦腔和模在镜面上光斑的节线位置。
解答如下：圆形镜共焦腔场函数在拉盖尔—高斯近似下，可以写成如下的形式
(这个场对应于，两个三角函数因子可以任意选择，但是当m为零时，只能选余弦，否则整个式子将为零)
对于：
并且，代入上式，得到
，我们取余弦项，根据题中所要求的结果，我们取，就能求出镜面上节线的位置。既
对于，可以做类似的分析。
，代入上式并使光波场为零，得到
显然，只要即满足上式
最后镜面上节线圆的半径分别为：
解答完毕。
8
今有一球面腔，两个曲率半径分别是R1=1.5M，R2=-1M，L=80CM，试证明该腔是稳定腔，求出它的等价共焦腔的参数，在图中画出等价共焦腔的具体位置。
解：共轴球面腔稳定判别的公式是，这个公式具有普适性(教材36页中间文字部分)，对于简单共轴球面腔，可以利用上边式子的变换形式判断稳定性，其中。
题中，
，在稳定腔的判别范围内，所以是稳定腔。
任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价，一个一般稳定球面腔唯一对应一个共焦腔，他们的行波场是相同的。
等价共焦腔的参数包括：以等价共焦腔的腔中心为坐标原点，从坐标原点到一般稳定球面两个腔镜面的坐标和，再加上它的共焦腔的镜面焦距，这三个参数就能完全确定等价共焦腔。
根据公式(激光原理p66-2.8.4)得到：
因此
等价共焦腔示意图略。
9
某二氧化碳激光器采用平-凹腔，L=50CM，R=2M，2a=1CM，波长λ=10.6μm，试计算镜面上的光斑半径、束腰半径及两个镜面上的损耗。
解：此二氧化碳激光器是稳定腔，其中平面镜的曲率半径可以看作是无穷大。
根据公式(激光原理p67-2.8.6或2.8.7)得到：
其中第一个腰斑半径对应平面镜。上式中是这个平凹腔的等价共焦腔镜面上的腰斑半径，并且根据一般稳定球面腔与等价共焦腔的性质，他们具有同一个束腰。
根据共焦腔束腰光斑半径与镜面上光斑半径的关系可知：
作为稳定腔，损耗主要是衍射损，衍射损耗与镜面上的菲涅尔数有关，在损耗不大的情况下，是倒数关系。
即：
根据公式(激光原理p69-2.8.18或2.8.19)分别求出两个镜面的菲涅尔数
根据衍射损耗定义，可以分别求出：
，
10
证明在所有菲涅尔数相同而曲率半径R不同的对称稳定球面腔中，共焦腔的衍射损耗最低。这里L表示腔长，a是镜面的半径。
证明：
在对称共焦腔中，
11
今有一平面镜和一个曲率半径为R=1M的凹面镜，问：应该如何构成一个平—凹稳定腔以获得最小的基模远场发散角，画出光束发散角与腔长的关系。
解答：
我们知道，远场发散角不仅和模式(频率)有关，还和腔的结构有关。根据公式2.6.14得到：，如果平面镜和凹面镜构成的谐振腔所对应的等价共焦腔焦距最大，则可以获得最小的基模光束发散角。
代入发散角公式，就得到最小发散角为：
发散角与腔长的关系式：
13
某二氧化碳激光器材永平凹腔，凹面镜的R=2M，腔长L=1M，试给出它所产生的高斯光束的束腰腰斑半径的大小和位置，该高斯光束的焦参数和基模发散角。
解答：
14
某高斯光束束腰光斑半径为1.14MM，波长λ=10.6μM。求与束腰相距30厘米、100厘米、1000米远处的光斑半径及相应的曲率半径。
解答：根据公式(激光原理p71-2.9.4,
2.9.6)
把不同距离的数据代入，得到：
，，
曲率半径
与不同距离对应的曲率半径为：
，，
15
若已知某高斯光束的束腰半径为0.3毫米，波长为632.8纳米。求束腰处的q参数值，与束腰距离30厘米处的q参数值，与束腰相距无限远处的q值。
解答：
束腰处的q参数值实际上就是书中的公交参量(激光原理p73-2.9.12)：
根据公式(激光原理p75-2.10.8)
，可以得到30厘米和无穷远处的q参数值分别为
无穷远处的参数值为无穷大。
16
某高斯光束束腰半径为1.2毫米，波长为10.6微米。现在用焦距F=2cm的锗透镜聚焦，当束腰与透镜距离分别为10米，1米，10厘米和0时，求焦斑大小和位置，并分析结果。
解答：
根据公式(激光原理p78-2.10.17和2.10.18)
当束腰与透镜距离10米时
同理可得到：
解答完毕
17
二氧化碳激光器输出波长为10.6微米的激光，束腰半径为3毫米，用一个焦距为2厘米的凸透镜聚焦，求欲得到焦斑半径为20微米及2.5微米时，透镜应该放在什么位置。
解答：根据公式(激光原理p78-2.10.18)
上式中束腰到透镜的距离l就是我们要求的参数，其他各个参数都为已知，代入题中给出的数据，并对上式进行变换，得到
当焦斑等于20微米时，(透镜距束腰的距离)
当焦斑等于2.5微米时，
此提要验证
18
如图2.2所示，入射光波厂为10.6微米，求及。
解答：经过第一个透镜后的焦斑参数为：
经过第二个透镜后的焦参数为：
解方程可以求出题中所求。
19
某高斯光束束腰腰斑半径为1.2毫米，波长为10.6微米。现在用一个望远镜将其准直。主镜用曲率半径为1米的镀金反射镜，口径为20厘米;副镜为一个焦距为2.5厘米，口径为1.5厘米的锗透镜;高斯光束束腰与透镜相距1米，如图所示。求该望远镜系统对高斯光束的准直倍率。
解答：
根据公式(激光原理p84-2.11.19)
，其中，为望远镜主镜与副镜的焦距比。题中的反射镜，相当于透镜，且曲率半径的一半就是透镜的焦距。
已知：，，，，
，
(经过验证，光斑在第一个透镜表面形成的光斑半径小于透镜镜面尺寸，衍射效应很小，因此可以用准直倍率公式)
代入准直倍率公式得到：
解答完毕。
20
激光器的谐振腔有两个相同的凹面镜组成，它出射波长为λ的基模高斯光束，今给定功率计，卷尺以及半径为a的小孔光阑，试叙述测量该高斯光束焦参数f的实验原理及步骤。
设计如下：
首先明确焦参数的构成元素为腰斑半径，波长λ及参数，根据提供的数据，激光器的波长为已知，我们不可能直接测量腔内的腰斑半径(因为是对称腔，束腰在腔内)，只能通过技术手段测量发射出来的光波场的腰斑半径，然后利用这里的z是由激光器腔中心到光功率计的距离，用卷尺可以测量。光功率计放置在紧贴小孔光阑的后面，沿着光场横向移动，测量出。把测量的和z代入公式，可以求出焦参数。
设计完毕(以上只是在理论上的分析，实际中的测量要复杂得多，实验室测量中会用透镜扩束及平面镜反射出射光，增加距离进而增加测量精度)
21
二氧化碳激光谐振腔由两个凹面镜构成，两个镜面的曲率半径分别是1米和两米，光腔长度为0.5米。
问：如何选择高斯光束腰斑的大小和位置，才能使它构成该谐振腔的自再现光束。
解答：
高斯光束的自再现条件是(激光原理p84-2.12.1及2.12.2)：
根据公式(激光原理p78-2.10.17及2.10.18)
经过曲率半径为1米的反射镜后，为了保证自再现条件成立，腔内的束腰半径应该与经过反射镜的高斯光束的束腰相同，因此得到：
1
同理，经过第二个反射镜面也可以得到：
2
3
根据以上三个式子可以求出，，
，，
解答完毕。
22
(1)用焦距为F的薄透镜对波长为λ、束腰半径为的高斯光束进行变换，并使变换后的高斯光束的束腰半径(此称为高斯光束的聚焦)，在和两种情况下，如何选择薄透镜到该高斯光束束腰的距离?(2)在聚焦过程中，如果薄透镜到高斯光束束腰的距离不变，如何选择透镜的焦距F?
解答：
(1)
根据可知
，即
通过运算可得到：
或者(舍去)
(2)
参考《激光原理》p81-2.
一定时，随焦距变化的情况。
23
试用自变换公式的定义式(激光原理p84-2.12.2)，利用q参数来推导出自变换条件式
证明：
设高斯光束腰斑的q参数为，腰斑到透镜的距离为，透镜前表面和后表面的q参数分别为、，经过透镜后的焦斑处q参数用表示，焦斑到透镜的距离是=，透镜的焦距为F。
根据q参数变换，可以求出前表面、后表面、及焦斑处的q参数，分别是：
透镜前表面：
透镜后表面：
焦斑的位置：
把经过变换的代入到焦斑位置的q参数公式，并根据自再现的条件，得到：
由此可以推导出
证明完毕。
24
试证明在一般稳定腔中，其高斯模在腔镜面处的两个等相位面的曲率半径必分别等于各镜面的曲率半径。
证明
设一般稳定腔的曲率半径分别是、，腔长为，坐标取在这个稳定腔的等价共焦腔中心上，并且坐标原点到镜面的距离分别是和，等价共焦腔的焦距为。
根据
25
试从式和导出，其中的，，并证明对双凸腔
解答：略
26
试计算，，，的虚共焦腔的和.若想保持不变并从凹面镜端单端输出，应如何选择?反之，若想保持不变并从凸面镜输出，如何选择?在这两种情况下，和各为多大?
解答：
虚共焦腔的特点：激光原理p91,96
激光原理p97-2.1511,2.15.12
根据，
同理：
单端输出：如果要从虚共焦非稳定腔的凸面镜单端输出平面波，并使腔内振荡光束全部通过激活物质，则凹面镜和凸透镜的选区要满足：，，其中的a分别代表(按角标顺序)工作物质的半径、凹面镜半径、凸面镜半径
1
实施意义上的单面输出(从凸面镜端输出)：按照图(激光原理p96-图2.15.2a)为了保证从凸面镜到凹面镜不发生能量损失，则根据图要满足：
因为凸面镜的尺寸不变，所以在曲率半径给定的条件下，凹面镜的半径应该为：
2
从凹面镜端输出，只要保证有虚焦点发出的光到达凹面镜后的反射光(平行光)正好在凸面镜的限度范围内，则可保证从凹面镜单端输出。
因此，此时只要满足即可，因此
这两种情况下的单程和往返损耗略。
解答完毕。
第三章习题
1.
试由式(3.3.5)导出式(3.3.7),说明波导模的传输损耗与哪些因素有关。在其他条件不变时，若波导半径增大一倍，损耗将如何变化?若减小到原来的，损耗又将如何变化?在什么条件下才能获得低的传输损耗?
解：由及可得：
波导模的传输损耗与波导横向尺寸,波长，波导材料的折射率实部以及不同波导模对应得不同值有关。
(a)波导半径增大一倍，损耗减为原来的。
(b)波长减小到原来的一半，损耗减为原来的。
获得低的传输损耗应增大波导横向尺寸，选择折射率实部小的介质材料和小的波导模。
2.试证明，当为实数时，若，最低损耗模为模，而当时，为模，并证明模的损耗永远比模低。
证明：
(3.3.8)
对于以上三种不同模，参看书中表3.1，对于同一种模式，越小，损耗越小，因此以下考虑，，模之间谁最小(中最小)题中设为实数，显然，
所以,只需考虑与:
当时，小
当时，小
3.在波长时，试求在内径为的波导管中模和模的损耗和，分别以，以及来表示损耗的大小。当通过长的这种波导时，模的振幅和强度各衰减了多少(以百分数表示)?
解：由
，
，。
当时，
，
4.试计算用于波长的矩形波导的值，以及表示，波导由制成，，，计算由制成的同样的波导的值，计算中取。
解：
:
:
。
5.某二氧化碳激光器用作波导管，管内径，取，管长10cm,两端对称地各放一面平面镜作腔镜。试问：为了模能产生振荡，反射镜与波导口距离最大不得超过多少?计算中激活介质增益系数。
解：，
时，，
而平面反射镜所产生的耦合损耗为：，其中。
为使模能产生振荡则要求，得：
，即反射镜与波导口距离不得超过1.66cm.
第四章
1
静止氖原子的谱线中心波长为632.8纳米，设氖原子分别以0.1C、O.4C、O.8C的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少?
解答：
根据公式(激光原理P136)
由以上两个式子联立可得：
代入不同速度，分别得到表观中心波长为：
，，
解答完毕(验证过)
2
设有一台麦克尔逊干涉仪，其光源波长为，试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L时，接收屏上的干涉光强周期性的变化次。
证明：
对于迈氏干涉仪的两个臂对应两个光路，其中一个光路上的镜是不变的，因此在这个光路中不存在多普勒效应，另一个光路的镜是以速度移动，存在多普勒效应。在经过两个光路返回到半透镜后，这两路光分别保持本来频率和多普勒效应后的频率被观察者观察到(从半透境到观察者两个频率都不变)，观察者感受的是光强的变化，光强和振幅有关。以上是分析内容，具体解答如下：
无多普勒效应的光场：
产生多普勒效应光场：
在产生多普勒效应的光路中，光从半透经到动镜产生一次多普勒效应，从动镜回到半透镜又产生一次多普勒效应(是在第一次多普勒效应的基础上)
第一次多普勒效应：
第二次多普勒效应：
在观察者处：
观察者感受到的光强：
显然，光强是以频率为频率周期变化的。
因此，在移动的范围内，光强变化的次数为：
证明完毕。(验证过)
3
在激光出现以前，Kr86低气压放电灯是最好的单色光源。如果忽略自然加宽和碰撞加宽，试估计在77K温度下它的605.7纳米谱线的相干长度是多少?并与一个单色性Δλ/λ=10-8的He-Ne激光器比较。
解：根据相干长度的定义可知，。其中分母中的是谱线加宽项。从气体物质的加宽类型看，因为忽略自然和碰撞加宽，所以加宽因素只剩下多普勒加宽的影响。
根据P138页的公式4.3.26可知，多普勒加宽：
因此，相干长度为：
根据题中给出的氦氖激光器单色性及氦氖激光器的波长632.8纳米，可根据下述公式得到氦氖激光器的相干长度：
可见，即使以前最好的单色光源，与现在的激光光源相比，相干长度相差2个数量级。说明激光的相干性很好。
4
估算CO2气体在300K下的多普勒线宽ΔνD，若碰撞线宽系数α=49MHZ/Pa，讨论在什么气压范围内从非均匀加宽过渡到均匀加宽。
解：根据P138页的公式4.3.26可知，多普勒加宽：
因为均匀加宽过渡到非均匀加宽，就是的过程，据此得到：
，得出
结论：气压P为1.08×103Pa时,是非均匀加宽与均匀加宽的过渡阈值，.当气压远远大于1.08×103Pa
的情况下,加宽主要表现为均匀加宽。
(验证过)
5
氦氖激光器有下列三种跃迁，即3S2-2P4的632.8纳米，2S2-2P4的1.1523微米和3S2-3P4的3.39微米的跃迁。求400K时他们的多普勒线宽，并对结果进行分析。
解：根据P138页的公式4.3.26，可分别求出不同跃迁的谱线加宽情况。
3S2-2P4的632.8纳米的多普勒加宽：
2S2-2P4的1.1523微米的多普勒加宽：
3S2-3P4的3.39微米的多普勒加宽：
由以上各个跃迁的多普勒线宽可见，按照结题结果顺序，线宽是顺次减少，由于题中线宽是用频率进行描述，因此频率线宽越大，则单色性越好。
(验证过)
6
考虑二能级工作系统，若E2能级的自发辐射寿命为τS，无辐射跃迁寿命为τnr。假设t=0时激光上能级E2的粒子数密度为n2(0)，工作物质的体积为V，发射频率为ν，求：
(1)自发辐射功率随时间的变化规律。(2)E2能级的原子在其衰减过程中发出的自发辐射光子数。(3)自发辐射光子数与初始时刻E2能级上的粒子数之比η2。
解：
(1)根据P11相关内容，考虑到E2的能级寿命不仅仅是自发辐射寿命，还包括无辐射跃迁寿命，因此，E2能级的粒子数变化规律修正为：
，其中的τ与τS、τnr的关系为，为E2能级的寿命。
在时刻t，E2能级由于自发和无辐射跃迁而到达下能级的总粒子数为：
由于自发辐射跃迁而跃迁到激光下能级的粒子数为，因此由于自发辐射而发射的功率随时间的变化规律可以写成如下形式：
(2)由上式可知，在t-t+dt时间内，E2能级自发辐射的光子数为：
则在0-∞的时间内，E2能级自发辐射的光子总数为：
(3)自发辐射光子数与初始时刻能级上的粒子数之比为:
此题有待确认
7
根据激光原理4.4节所列红宝石的跃迁几率数据，估算抽运几率等于多少时红宝石对波长694.3纳米的光透是明的(对红宝石，激光上、下能级的统计权重为，且计算中可不考虑光的各种损耗)
解答：已知红宝石的，，，，
分析如下：增益介质对某一频率的光透明，说明介质对外界光场的吸收和增益相等，或者吸收极其微弱，以至于对进入的光场强度不会产生损耗。对于本题中的红宝石激光器，透明的含义应该属于前者。
根据公式：
(激光原理P146-4.4.22)
由上边的第二项和第四项，可以得到：
--------------------------------------1
又因为小信号下(粒子数翻转刚刚达到阈值)，因此，且
由此，方程组的第一个式子可以转变为：，代入1式，得到：
既然对入射光场是透明的，所以上式中激光能级发射和吸收相抵，即激光上能级的粒子数密度变化应该与光场无关，并且小信号时激光上能级的粒子数密度变化率为零，得到
最后得到：
解答完毕。(验证过)
11
短波长(真空紫外、软X射线)谱线的主要加宽是自然加宽。试证明峰值吸收截面为。
证明：根据P144页吸收截面公式4.4.14可知，在两个能级的统计权重f1=f2的条件下，在自然加宽的情况下，中心频率ν0处吸收截面可表示为：
-
-------------------------------------------------1
上式(P133页公式4.3.9)
又因为，把A21和ΔνN的表达式代入1式，得到：
证毕。(验证过)
12
已知红宝石的密度为3.98g/cm3，其中Cr2O3所占比例为0.05%(质量比)，在波长为694.3nm附近的峰值吸收系数为0.4cm-1，试求其峰值吸收截面(T=300K)。
解：
分析：红宝石激光器的Cr3+是工作物质，因此，所求峰值吸收截面就是求Cr3+的吸收截面。
根据题中所给资料可知：
Cr2O3的质量密度为3.98g/cm3×0.05%=1.99×10-3g/cm3,摩尔质量为52×2+16×3=152g/mol
设Cr3+的粒子数密度为n，则n=2×(1.99×10-3
/152)×6.02×1023=1.576×1019/cm3
根据可知，
根据n≈n1+n2，Δn=n1-n2,且，其中，可知E2能级粒子数密度接近于零，可求出Δn=n1=1.756×1019/cm3
，代入到，可求出：
解答完毕。
13
略
14
在均匀加宽工作物质中，频率为ν1、强度为Iν1的强光增益系数为gH(ν1,Iν1),
gH(ν1,Iν1)---
ν1关系曲线称为大信号增益曲线，试求大信号增益曲线的宽度ΔνH。
解：
大信号增益系数表达式为P153-4.5.17：
根据谱线宽度的定义：增益下降到增益最大值的一半时，所对应的频率宽度，叫做大信号增益线宽。
根据大信号增益曲线表达式可知，其中心频率处具有最大增益，即ν1=ν0时。在此条件下，增益最大值为：
根据，可求出当时满足增益线宽条件，因此，线宽位：
解答完毕。
15
有频率为ν1、ν2的两强光入射，试求在均匀加宽情况下：
(1)
频率为ν的弱光的增益系数。
(2)
频率为ν1的强光增益系数表达式。
(设频率为ν1和ν2的光在介质里的平均光强为Iν1、Iν2)
解：在腔内多模振荡条件下，P151-4.5.7应修正为：
根据P150-4.5.5可知，增益系数与反转粒子数成正比，即：
把修正后的反转粒子数表达式代入上式，得到：
因此，所求第一问“频率为ν的弱光的增益系数”为：
第二问“频率为ν1的强光增益系数表达式”为：
解答完毕。
17
激光上下能级的粒子数密度速率方程表达式为P147-4.4.28所示。
(1)
试证明在稳态情况下，在具有洛伦兹线型的均匀加宽介质中，反转粒子数表达式具有如下形式：
，其中，，Δn0是小信号反转粒子数密度。
(2)
写出中心频率处饱和光强Is的表达式。
(3)
证明时，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示。
解：1
稳态工作时,由激光上、下能级的粒子数密度速率方程
(4.4.28)可得:
----------------------------------------------
1
---------------------------------------------2
------------------------------------------------------------------3
其中，
由(3)式和(2)式可得:
整理得:
将(4)代入(1)式:
整理得：
其中，，Δn0是小信号反转粒子数密度。
(2)
当ν1=ν0时，
(3)
高功率的激光系统中
当时，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示
22
设有两束频率分别为和，光强为和的强光沿相同方向或者相反方向通过中心频率为的非均匀加宽增益介质，。试分别划出两种情况下反转粒子数按速度分布曲线，并标出烧孔位置。
分析:
非均匀加宽的特点是增益曲线按频率分布，当有外界入射光以一定速度入射时，增益曲线对入射光频率敏感，且产生饱和效应的地方恰好是外界光场频率对应处，而其他地方则不会产生增益饱和现象。当然，产生增益饱和的频率两边一定频谱范围内也会产生饱和现象，但是与外界光场对应的频率出饱和现象最大最明显。
设外界光场以速度入射，作为增益介质，感受到的表观频率为：
，当增益介质的固有频率时，产生激光(发生粒子数反转)
而发生粒子数翻转所对应的速度为：
正方向：
负方向：
一、当都是正方向入射时，两束光对应的速度分别为：
也就是说在反转粒子数按速度分布图上，在速度等于和处形成反转粒子数饱和效应。
根据公式(激光原理p156-4.6.7)
对于，孔的深度为：
对于，孔的深度为：
又因为线型函数以为对称形式，且两个入射光产生烧孔的位置也以为中心对称分布，因此，产生烧孔的两个对称位置处的小信号反转粒子数相等，即，因此，两个烧孔的深度相比，因为，所以两个孔的深度入射光强大的反转粒子数深度大。
即：
两孔深度比：
二、两束光相对进入增益介质
类似上面的分析可得到：
，可见烧孔位置重合，烧一个孔
因为两个光强不同的外场同时作用于某一品率处而产生增益饱和(反转粒子数饱和)，因此，次品率处的光强是两个光强的和，因此，烧孔深度为
解答完毕。
第五章
激光振荡特性
2.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，均匀加宽线宽为。光腔单程损耗。求
(1)阈值反转粒子数;
(2)当光泵激励产生反转粒子数时，有多少个纵模可以振荡?(红宝石折射率为1.76)
解：(1)
阈值反转粒子数为：
(2)
按照题意，若振荡带宽为，则应该有
由上式可以得到
相邻纵模频率间隔为
所以
所以有164~165个纵模可以起振。
3.在一理想的三能级系统如红宝石中，令泵浦激励几率在t=0瞬间达到一定值，[为长脉冲激励时的阈值泵浦激励几率]。经时间后系统达到反转状态并产生振荡。试求的函数关系，并画出归一化的示意关系曲线(令)。
解：根据速率方程(忽略受激跃迁)，可以知道在达到阈值之前，在t时刻上能级的粒子数密度与时间t的关系为
当时，，即
由(1)可知，当时间t足够长的时候
由上式可知
由(2)式可得
所以
所以归一化的示意关系曲线为
4.脉冲掺钕钇屡石榴石激光器的两个反射镜透过率、分别为0和0.5。工作物质直径d=0.8cm，折射率=1.836，总量子效率为1，荧光线宽，自发辐射寿命。假设光泵吸收带的平均波长。试估算此激光器所需吸收的阈值泵浦能量。
解：
5.测出半导体激光器的一个解理端面不镀膜与镀全反射膜时的阈值电流分分别为J1与J2。试由此计算激光器的分布损耗系数(解理面的反射率)。
解：不镀膜的时候，激光器端面的反射率即为r，镀了全发射膜之后的反射率为R=1，设激光器的长度为l，则有
由这两式可以解得
即得到了激光器的分布损耗系数。
7.如图5.1所示环形激光器中顺时针模式及逆时针模的频率为，输出光强为及。
(1)如果环形激光器中充以单一氖同位素气体，其中心频率为，试画出及时的增益曲线及反转粒子数密度的轴向速度分布曲线。
(2)当时激光器可输出两束稳定的光，而当时出现一束光变强，另一束光熄灭的现象，试解释其原因。
(3)环形激光器中充以适当比例的及的混合气体，当时，并无上述一束光变强，另一束光变弱的现象，试说明其原因(图5.2为、及混合气体的增益曲线)，、及分别为、及混合气体增益曲线的中心频率，。
图5.1
图5.2
(4)为了使混合气体的增益曲线对称，两种氖同位素中哪一种应多一些。
解：(1)
时
时
(2)
时，及分别使用不同速度的反转原子，使用速度为的高能级原子，使用速度为的高能级原子，这样和不会彼此的争夺高能级原子，所以激光器可以输出两束稳定的激光。
的时候，和均使用速度为0的高能级原子，两个模式剧烈竞争，竞争的结果是一束光变强，另一束光熄灭。
(3)
使用的原子以及的原子。使用的原子以及的原子，因此两个模式使用不同高能级原子，没有了模式竞争效应，因此两个模式均可以稳定的存在，没有了上面所说的一束光变强，另一束光熄灭的现象。
(4)
要是混合气体的增益曲线对称，必须使得和的增益曲线高度相等，即要满足：
而
欲使得，应使
因此，应该多一些。
8.考虑氦氖激光器的632.8nm跃迁，其上能级3S2的寿命，下能级2P4的寿命，设管内气压p=266Pa：
(1)计算T=300K时的多普勒线宽;
(2)计算均匀线宽及;
(3)当腔内光强为(1)接近0;(2)10W/cm2时谐振腔需多长才能使烧孔重叠。
(计算所需参数可查阅附录一)
解：(1)
T=300K时的多普勒线宽为
(2)
均匀线宽包括自然线宽和碰撞线宽两部分，，其中
所以
(3)
设腔内光强为I，则激光器烧孔重叠的条件为
取进行计算。
当腔内光强接近0的时候
当腔内光强为的时候
9.某单模632.8nm氦氖激光器，腔长10cm，而反射镜的反射率分别为100%及98%，腔内损耗可忽略不计，稳态功率输出是0.5mW，输出光束直径为0.5mm(粗略地将输出光束看成横向均匀分布的)。试求腔内光子数，并假设反转原子数在t0时刻突然从0增加到阈值的1.1倍，试粗略估算腔内光子数自1噪声光子/腔模增至计算所得之稳态腔内光子数须经多长时间。
解：稳态时的功率输出可以表示为
稳态时的光子数为
下面来计算所需要的时间：
根据题意有，则
所以
因为，所以，所以有
10.腔内均匀加宽增益介质具有最佳增益系数gm及饱和光强ISG，同时腔内存在一均匀加宽吸收介质，其最大吸收系数为，饱和光腔为。假设二介质中心频率均为，，，试问：
(1)此激光能否起振?
(2)如果瞬时输入一足够强的频率为的光信号，此激光能否起振?写出其起振条件;讨论在何种情况下能获得稳态振荡，并写出稳态振荡时腔内光强。
解：(1)
若增益介质和吸收介质的线宽分别为和，若，则在任何频率下，均小于，因此不能起振。如果(如下图所示)，则当时不能振荡，当或者才能振荡。
(2)
若入射光强为，则增益介质的增益系数为
吸收介质的吸收系数为
假设增益介质的长度跟吸收介质的长度相等，则当满足的时候激光器起振，所以激光器起振的条件为
即
当两个介质的参量满足(2)式，入射光强满足(1)式的时候，激光器就可以起振，腔内光强不断增加，当腔内光强增加到
时去掉入射信号，此时可得稳定光强
11.低增益均匀加宽单模激光器中，输出镜最佳透射率Tm及阈值透射率Tt可由实验测出，试求往返净损耗及中心频率小信号增益系数(假设振荡频率)。
解：输出光强
阈值时有：
时，
由(1)、(2)式可得：
12.有一氪灯激励的连续掺钕钇铝石榴石激光器(如图5.3所示)。由实验测出氪灯输入电功率的阈值为2.2kW，斜效率(P为激光器输出功率，为氪灯输入电功率)。掺钕钇铝石榴石棒内损耗系数。试求：
(1)
为10kW时激光器的输出功率;
图5.3
(2)
反射镜1换成平面镜时的斜效率(更换反射镜引起的衍射损耗变化忽略不计;假设激光器振荡于TEM00模);
(3)
图5.3所示激光器中换成0.1时的斜效率和=10kW时的输出功率。
解：均匀加宽连续激光器输出功率可以表示为
(1)为10kW时激光器的输出功率为：
(2)
图5.3所示的激光器
反射镜1换成平面镜之后
斜效率应为
(3)
图5.3所示激光器的单程损耗为
反射镜1的透过率改成之后，单程损耗变为
阈值泵浦功率为
当时，输出功率为
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