激光原理復(fù)習(xí)知識點(diǎn)

1、名詞解釋1.損耗系數(shù)及振蕩條件：Im=(g_a)Is芝0,即 g芝0(。為包括放大器損耗和諧振腔損耗在內(nèi)ot的平均損耗系數(shù)。2.線型函數(shù)：引入譜線的線型函數(shù)g(v,V0)=里E1，線型函數(shù)的單位是 括號中的v0表示線型函P-to數(shù)的中心頻率，且有g(shù) (v,v0) =1 ,并在 V0加減%時(shí)下降至最大值的一半。按上式定義的Av稱為譜線寬度。3.多普勒加寬：多普勒加寬是由于做熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原子所發(fā)出的輻射的多普勒頻移所引起的加寬。4.縱模競爭效應(yīng)：在均勻加寬激光器中，幾個(gè)滿足閾值條件的縱模在震蕩過程中互相競爭，結(jié)果總是 靠近中心頻率 v。的一個(gè)縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其他縱模都被抑制而熄滅的現(xiàn)象。5

2、.諧振腔的 Q值:無論是LC振蕩回路，還是光頻諧振腔，都采用品質(zhì)因數(shù)Q值來標(biāo)識腔的特性。定義Q =w 二=2irv*P。為儲存在腔內(nèi)的總能量，p 為單位時(shí)間內(nèi)損耗的總能量。 v為腔內(nèi)電磁場 的振蕩頻率。6.蘭姆凹陷：單模輸出功率P與單模頻率 vq的關(guān)系曲線，在單模頻率等于0的時(shí)候有一凹陷，稱作蘭 姆凹陷。7.鎖模：一般非均勻加寬激光器如果不采取特殊的選模措施，總是得到多縱模輸出，并且由于空間燒 孔效應(yīng)，均勻加寬激光器的輸出也往往具有多個(gè)縱模，但如果使各個(gè)振蕩的縱模模式的頻率間隔保 持一定，并具有確定的相位關(guān)系，則激光器輸出的是一列時(shí)間間隔一定的超短脈沖。這種使激光器 獲得更窄得脈沖技術(shù)稱為鎖模

3、。8.光波模：在自由空間具有任意波矢K的單色平面波都可以存在，但在一個(gè)有邊界條件限制的空間V內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢k的平面單色駐波；這種能夠存在腔內(nèi)的駐波成為光波模。9.注入鎖定：用一束弱的性能優(yōu)良的激光注入一自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器中，控制一個(gè)強(qiáng)激光器輸出光束的光譜特性及空間特性的鎖定現(xiàn)象。(分為連續(xù)激光器的注入鎖定和脈沖激光器的注入鎖定)。10.譜線加寬：實(shí)際中的譜線加寬由于各種情況的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻率(E2-E1)/方附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。這就叫譜線加寬。11.頻率牽引：在有源腔中，由于增益物質(zhì)的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近中心頻率，這 種

4、現(xiàn)象叫頻率牽引。12.自發(fā)輻射：處于高能級 E 2的一個(gè)原子自發(fā)的向 E 1 躍遷，并產(chǎn)生一個(gè)能量為 hv的光子13.受及輻射：處于高能級 E 2的一個(gè)原子在頻率為 v的輻射場作用下，向 E1 躍遷，并產(chǎn)生一個(gè)能量 為 h v的光子14.激光器的組成部分：諧振器，工作物質(zhì)，泵浦源15.腔的模式：將光學(xué)諧振腔內(nèi)肯能存在的電磁場的本征態(tài)稱為。16.光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體積 內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)17.激光的特性：1.方向性好，最小發(fā)散角約等于衍射極限角2.單色性好3.亮度高4.相干性好18.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：在外界激勵(lì)下，物質(zhì)處于

5、非平衡狀態(tài)，使得n2n119.增益系數(shù)：光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)20.增益飽和：在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱時(shí)，增益系數(shù)是一個(gè)常數(shù)；當(dāng)入射光的 光強(qiáng)增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增大而減小。21.Q值：是評定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)一一品質(zhì)因數(shù)。22.縱模：在腔的橫截面內(nèi)場分布是均勻的，而沿腔的軸線方向即縱向形成駐波，駐波的波節(jié)數(shù)由q決定將這種由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向場分布稱為縱模23.橫模：腔內(nèi)垂直于光軸的橫截面內(nèi)的場分布稱為橫模24.菲涅爾數(shù)：N,即從一個(gè)鏡面中心看到另一個(gè)鏡面上可劃分的菲涅爾半波帶的數(shù)目。表征損耗的大小。衍射損耗與N成反比。25.

6、自在現(xiàn)模：把開腔鏡面上經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)場分布稱為自在現(xiàn)?；驒M模。26.損耗系數(shù)：光通過單位距離后光強(qiáng)衰減的百分?jǐn)?shù)27.自激振蕩：不管初始光強(qiáng)多微弱，只要放大器足夠長，就總能形成確定大小的光強(qiáng)Im,滿足振蕩條件。28.多普勒效應(yīng)：設(shè)一發(fā)光原子 （光源）的中心頻率為v，當(dāng)原子相對于接收器以速度Vz運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器 測得的光波頻率變?yōu)椋裕?9.多普勒加寬：由于作熱運(yùn)動(dòng)的發(fā)光原子 （分子）所發(fā)出的輻射的多普勒頻移引起的加寬30.譜線加寬：由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻率附近一個(gè)很小的頻 率范圍內(nèi)。31.譜線寬度：線型函數(shù)在v時(shí)有最大值，下降至最大值的一半，對應(yīng)得寬度

7、。32.線性函數(shù)：歸歸一化的自發(fā)輻射光功率，描述單色輻射功率隨頻率變化的規(guī)律，定義為分布在某一頻率附近單位頻率間隔內(nèi)的自發(fā)輻射功率與整個(gè)頻率范圍內(nèi)的自發(fā)輻射總功率之比。用于表示譜線的形狀。33.均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個(gè)原子都是等同的，包括自然加寬、碰撞加寬及晶格振動(dòng)加寬每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，每一發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。34.非均勻加寬：原子體系中每個(gè)原子只對譜線內(nèi)與它的表現(xiàn)中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的，包括氣體工作物質(zhì)中的多普勒加寬和固體工作物質(zhì)中的晶格缺陷加

8、寬。35.激光器振蕩閾值：工作物質(zhì)自發(fā)輻射在光腔內(nèi)因不斷獲得受激放大形成振蕩所需要的門限條件，可 用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，閾值增益系數(shù)，閾值泵浦功率來表示。36. ASE:不滿足閾值條件，但處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)對自發(fā)輻射光具有放大作用。37.增益的空間燒孔效應(yīng)：在駐波腔激光器中，腔內(nèi)形成一個(gè)駐波場，波腹處增益最小，而波節(jié)處增益最 大，沿光腔方向增益系數(shù)的這種非均勻分布稱為空間燒孔效應(yīng)38.自選模：設(shè)三個(gè)縱模v1 , v2, v3同時(shí)起振，隨著振蕩的持續(xù)光強(qiáng)11,12,13逐漸增大，當(dāng)光強(qiáng)足 夠大，（可與Is比擬時(shí)）由于增益飽和，導(dǎo)致增益曲線在各頻率處整體下降，結(jié)果各縱模由于增益系數(shù)小于閾值增益系

9、數(shù)，先后熄滅，最后僅剩下最接近中心頻率vo的一個(gè)縱模維持自激振蕩，這一現(xiàn)象稱。39.模式的空間競爭：由于空間燒孔效應(yīng)的存在， 不同的縱?？衫每臻g內(nèi)不同的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)獲得增益， 從而實(shí)現(xiàn)多縱模振蕩。稱為。40.單模激光器的線寬極限：輸出激光是一個(gè)略有衰減的有限長波列，具有一定的譜線寬度。由自發(fā)輻 射產(chǎn)生的無法排除譜線寬度稱為極限線寬。實(shí)際激光器中由于各種不穩(wěn)定因素，縱模頻率本身的漂 移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限線寬41.總量子效率：發(fā)射熒光的光子數(shù) /工作物質(zhì)從光泵吸收的光子數(shù)。物理意義：抽運(yùn)到E3的例子，一部分無輻射躍遷到E2,另一部分通過其他途徑返回基態(tài)。到達(dá)E2的粒子，一部分自發(fā)輻射躍遷至E1發(fā)射熒光，

10、一部分無輻射躍遷至E1o42.弛豫時(shí)間：某種狀態(tài)的建立或消亡過程?？v向弛豫時(shí)間T1：反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長與衰減所需時(shí)間。橫向弛豫時(shí)間E:宏觀感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消亡不是瞬時(shí)的。極化強(qiáng)度P（z, t）較E（z, t）落后的時(shí)間T2即是橫向弛豫時(shí)間。43.馳豫振蕩：固體脈沖激光器所輸出的并不是平滑的光脈沖，而是一群寬度只有微秒量級的短脈沖序 列，即所謂尖峰”序列。激勵(lì)越強(qiáng)，則短脈沖之間的時(shí)間間隔越小。稱作。44.反蘭姆凹陷：在飽和吸收穩(wěn)頻中，把吸收管放在諧振腔內(nèi)，并且腔內(nèi)有一頻率為V1的模式振蕩，若V，購正向傳播的行波及反向傳播的行坡分別在吸收曲線的形成兩個(gè)燒孔。若V1 = M,剛正反向傳播的行波共同在

11、吸收曲線的中心頻率處燒一個(gè)孔。若作出光強(qiáng)一定時(shí)吸收系數(shù)和振蕩頻率的關(guān)系曲線，則曲線出現(xiàn)凹陷，激光器輸出功率出現(xiàn)一個(gè)尖銳的尖峰。二簡答題1.譜線加寬的類型？什么是均勻加寬，非均勻加寬？他們各自的特點(diǎn)是什么？類型:均勻加寬（自然加寬，碰撞加寬，晶格振動(dòng)加寬），非均勻加寬（多普勒加寬，晶格缺陷加寬）， 綜合加寬。均勻加寬及特點(diǎn)：引起加寬的物理因素對每個(gè)原子都是相同的。特點(diǎn)：每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型 發(fā)射，不能把線型函數(shù)上某一特定原子聯(lián)系起來。每個(gè)發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非均勻加寬特點(diǎn)：原子體系中每一個(gè)原子只對譜線內(nèi)與他的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而 可以區(qū)分譜線中的某一頻率范圍是哪

12、一部分原子發(fā)射的。2.什么是激光工作物質(zhì)的縱模和橫模燒孔效應(yīng)？他們對激光器工作模式的影響。在非均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率為入的強(qiáng)光只在入附近寬度約為A1+Iv。/的范圍內(nèi)引起v1v1vHi - i反轉(zhuǎn)集聚數(shù)飽和，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集聚數(shù)沒有影響。若有一頻率V的弱光同時(shí)入射，如果頻率V處在強(qiáng)光造成的燒孔范圍之內(nèi)，則由于集聚數(shù)反轉(zhuǎn)的減少，弱光增益系數(shù)將小 于小信號增益系數(shù)。如果頻率V在燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響，、而仍等于小信號增益系數(shù)。所以在增益系數(shù) -頻率曲線上，頻率為v1處產(chǎn)生一個(gè)凹陷。此現(xiàn)象稱為增益曲線的 燒孔效應(yīng)。燒孔效應(yīng)一般使激光器工作于多縱模和多橫模的情

13、況，不利于提高光的相干性但有利于 增加光的能量或功率。3.鎖模的目的和意義及其方法。目的是為了得到更窄的脈沖。方法：主動(dòng)鎖模（振幅調(diào)制鎖模和相位調(diào)制鎖模），被動(dòng)鎖模。4.簡述速率方程所說明的問題及應(yīng)用情況。速率方程表征激光器腔內(nèi)光子數(shù)和工作物質(zhì)各有關(guān)能級上的原子數(shù)隨時(shí)間變化的微分方程組。它只能給出激光的強(qiáng)度特性，而不能揭示出色散（頻率牽引）效應(yīng)，也不能給出與激光場的量子起伏有關(guān)的特性。對于燒孔效應(yīng)、蘭姆凹陷、多模競爭等，則只能給出粗略的近似描述。5.簡述穩(wěn)定球面腔中橫模形成的過程及分布特點(diǎn)。設(shè)想一均勻平面波垂直入射到傳輸線的第一個(gè)孔闌上，第一個(gè)孔面波的強(qiáng)度分布應(yīng)該是均勻的。由 于衍射，再穿過該

14、孔后波前將發(fā)生變化，并且波束將產(chǎn)生若干旁瓣，也就是說，已不再是均勻平面 波了。當(dāng)它達(dá)到第二孔時(shí)，其邊緣部分將比中心部分小。而且第二個(gè)孔面將不再是等相位面了。通 過第二個(gè)孔時(shí)，波束又將發(fā)生衍射然后經(jīng)過第三個(gè)孔每經(jīng)過一個(gè)孔波的振幅和相位將發(fā)生一次改變，通過若干個(gè)孔后，波的振幅和相位分布被改變成這樣的形狀，以至于他們不再受衍射的影響。當(dāng)通過足夠多的孔闌時(shí)，鏡面上的場的振幅和相位分布將不再發(fā)生變化，即形成橫模。鏡面中心附 近的場振幅和相位分布可以用厄米特-高斯函數(shù)描述。橫模在鏡面上振幅分布的特點(diǎn)取決于厄米特多 項(xiàng)式和高斯分布函數(shù)的乘積。厄米特多項(xiàng)式的零點(diǎn)決定場的節(jié)線，厄米特多項(xiàng)式的正負(fù)交替變化與 高斯

15、函數(shù)隨X,Y的增大而單調(diào)下降的特性決定場分布的外形輪廓。由于m階厄米特多項(xiàng)式有m個(gè)零點(diǎn)，因此TEMmn橫模在X方向有m條節(jié)線，沿y方向有n條節(jié)線。6.簡述Q調(diào)制技術(shù)原理。為了得到更高的峰值功率和窄的單個(gè)脈沖，采用Q調(diào)制技術(shù)。它是通過某種方法是諧振腔的損耗因子5按照規(guī)定的程序變化，在泵浦激勵(lì)剛開始的時(shí)候，使光腔具有高損耗因子H,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(dāng)?shù)臅r(shí)刻， 使腔的損耗因子突然降到5,閾值也隨之突然降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)集聚數(shù)大大超過閾值，手機(jī)輻射也迅速的增 強(qiáng)。于是在極短的時(shí)間內(nèi)上能級儲存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰浚纬梢粋€(gè)很

16、強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。方法：電光調(diào)Q,聲光調(diào)Q,被動(dòng)調(diào)Q。7.激光器的組成部分及作用。激光器應(yīng)該包括光放大器和光諧振腔兩部分，但對光腔的作用歸結(jié)為兩點(diǎn)：(1)模式選擇。保證激光器的單模振蕩，從而提高激光器的相干性。(2)提供軸向光波模的反饋。8.q參數(shù)的定義及應(yīng)用q參數(shù)可以用來分析高斯光束的傳輸問題；用于分析高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直；分析高斯光束的自再現(xiàn)變換。9.電光調(diào)節(jié)q開關(guān)注意的問題要獲得一高峰值功率的窄脈沖，對同步電路的要求是:a.給出可靠的觸發(fā)信號去點(diǎn)燃麻燈。b.在點(diǎn)燃麻燈的同時(shí)， 給出一脈沖信號經(jīng)過一段延遲時(shí)間后，退去晶體上的電壓，打開Q開關(guān)。延遲時(shí)間可靠、準(zhǔn)確、可調(diào)。c.退電壓要快一一開

17、關(guān)速度快。d.晶 體上加四分之一波長電壓，要求穩(wěn)定可調(diào)。e.保證Q開關(guān)關(guān)的及時(shí)。YAG激光器開始工作時(shí)泵浦等上有高壓，調(diào)制是不要碰及 ，實(shí)驗(yàn)中激光器輸出的光能量高、功率密度大，應(yīng)避免直射到眼睛。特別是532nm綠光。避免用手接觸激光器的輸出鏡，晶體的鍍膜面，膜片應(yīng)防潮。10.簡述用掃描干涉儀確定激光器輸出光中縱橫模的原理掃描干涉儀接受的信號連接到示波器上，拍下示波器上的縱橫模分布圖。根據(jù)干涉序個(gè)數(shù)和頻譜的周期性，確定哪些模式屬于同一個(gè)干涉序。在同一個(gè)干涉序內(nèi)，根據(jù)縱模的定義，測出縱模頻率間隔確定示波器熒光屏上頻率增加的方向，一遍確定同一個(gè)縱模序數(shù)內(nèi)哪些模是基橫模，哪些是高階橫模。測出不同橫模的

18、頻率間隔觀察激光器在遠(yuǎn)處屏上的光斑形狀，辨認(rèn)出每個(gè)橫模的序數(shù)，即mn。11.簡述Nd: YAGa光器的結(jié)構(gòu)和輸出特性Nd: YAG激光器以Nd:YAG晶體為工作物質(zhì)，它屬四能級系統(tǒng)，并具有量子效率高、受激輻射 面大的優(yōu)點(diǎn)。其閾值非常小，而且鈕鋁石榴石晶體還具有較高的熱導(dǎo)率，易于散熱，因此Nd : YAG激光器不僅可以單次脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，出功率已超過1000W,每秒5000次重復(fù)頻率的輸出峰值功率已達(dá)千瓦以上，每秒幾十次還可以高重復(fù)率或者聯(lián)系運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，Nd: YAG激光器的最大輸重復(fù)頻率的調(diào)Q激光器的峰值功率可達(dá)幾百瓦.。Nd: YAG激光器的應(yīng)用非常廣泛，它主要用在加工方面，用于打孔、切割、劃片、

19、焊接、阻值微調(diào)、打標(biāo)和表面改性等。12. H e Ne激光器的結(jié)構(gòu)和輸出特性He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)由激光管和電源兩部分組成，其中，激光管主要包括放電管、電極和諧振腔三部分，放電管是He-Ne激光器的核心。放電管通常由毛細(xì)管和儲氣室構(gòu)成。當(dāng)在電極上施加高壓后，毛細(xì)管中的氣體開始放電，使氧原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。按照諧振腔與放電管的放置方式不同，可分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式特點(diǎn)：He-Ne激光器輸出連續(xù)光， 主要工作波段在可見光到近紅外區(qū)域 ， 其中， 最常用的工作波長為632.8nm(紅光),其次是1.15和3.39以及1.52餌543.5nm等。He-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很 高,表現(xiàn)為單色

20、性好E 20HZ防向性好(Q1mrad)。由于增益低，輸出功率一般為毫瓦量級(0.5 100mW)。器件結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉。應(yīng)用：He-Ne激光器廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)直、精密計(jì)量、信息處理、 醫(yī)療、照排印刷等領(lǐng)域13. co2激光器CO2激光器的輸出特性有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：其一是輸出功率或能量相當(dāng)大，能量轉(zhuǎn)換效率高。CO2激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬瓦，是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件；脈沖輸出能量 可達(dá)數(shù)萬焦，脈寬可壓縮到納秒量級，脈沖功率密度可達(dá)太瓦量級。其二是輸出波長分布在918 pm波段，已觀察到的激光譜線二百多條。 其中，911 pm紅外波段中最重要的輸出波長10.6處于大氣傳輸?shù)拇翱?，

21、有利于激光測距、激光制導(dǎo)、大氣通信等方面的應(yīng)用，且該波長對人眼安全。14.紅寶石激光器從應(yīng)用觀點(diǎn)看，紅寶石激光器輸出可見光極具吸引力，一是因?yàn)楣怆娞綔y器件的響應(yīng)波長大多位于可見光區(qū)，而大多數(shù)稀土元素四能級系統(tǒng)固體激光器工作波長則位于近紅外區(qū)域，二是對于全息照相等應(yīng)用，需要使用可見光作為光源。缺點(diǎn)：能級結(jié)構(gòu)屬三能級系統(tǒng)，器件閾值高；晶體性能隨溫度變化明顯，室溫下不適于做連續(xù)和高重頻器件。15.鈦寶石激光器激活離子為三 價(jià)鈦離子(Ti3+)，激光波長在660nm1.1叩 叫范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，峰值波長在800nm附近，是目前調(diào)諧范圍最寬的激光器之一。鈦寶石激光器的激光上能級壽命較短，只有3.2用燈泵較困難，通常用氯離子激光、Nd:YAG倍頻 激光泵浦。采用自鎖模技術(shù)，欽寶石激光器可直接輸 出脈寬短至6.5fs的激光脈沖，這是所有激光器中從諧振腔直接輸出的最窄激光脈沖。調(diào)諧范圍最寬和鎖模脈寬最窄兩大特點(diǎn)使得鈦