激光原理及應(yīng)用復習提綱

1、激光原理及應(yīng)用復習提綱、名詞解釋1. 光波模式一一光學上把具有一定頻率、一定偏振狀態(tài)和傳播方向的光波稱作 光波的一種模式。2. 受激輻射一一如果原子系統(tǒng)的兩個能級 E2和Ei滿足輻射躍遷選擇定則，當受 到外來能量hv =E-Ei的光照射時，處在 E能級的原子受到外來光激勵作用 躍遷 到較低能級Ei上并發(fā)射一個與外來光子完全相同的光子的過程。3. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一一當高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)(B>B),有ng m>nn/g n的情況叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。4. 激光縱模 諧振腔內(nèi)正反兩列沿軸線 相反方向傳播的同頻率光波 疊加形 成駐波，諧振腔內(nèi)的駐波場稱為激光縱模。5. 激光橫模一一自再

2、現(xiàn)模積分方程的 本征函數(shù)解Umn表示的是在激光諧振腔中 存在的穩(wěn)定的橫向場分布，叫做激光橫模。6. 譜線加寬一一實際光強分布總在一個 有限寬度的頻率范圍 內(nèi),每一條譜線都 有一定的寬度，v = v0 只是譜線的中心頻率，這種現(xiàn)象稱為譜線加寬。7. 激活物質(zhì)一一能把處于低能級上的粒子大量地抽運到高能級上去，造成nJg 2>ni/g i的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)的介質(zhì)。8. 輻射躍遷一一因發(fā)射或吸收光子從而使原子造成 能級間躍遷的現(xiàn)象。9. 增益飽和一一在抽運速率一定的條件下，當入射光的光強很弱時，增益系數(shù) 是一個常數(shù)；當入射光的光強增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強的增大而減小。10. 光譜

3、線型一一表征某一譜線在單位頻率間隔的相對光強分布線型函數(shù)f(v)。11.咼斯光束基橫模行波輸出 在與光束前進方向的垂直平面上的強度分布呈高斯線型，稱為高斯光束。12.自再現(xiàn)模一一對于兩個鏡面 完全相同的的諧振腔，光束的橫向場分布在腔 內(nèi)經(jīng)單程渡越后實現(xiàn)再現(xiàn)，這個穩(wěn)定的橫向場分布就是激光諧振腔的自再現(xiàn)模。二、基本公式與概念(第一章1-6 ;第二章7-9 ;第三章10-13;第四章14-19)；-h >1.光子能量與動量：2 h 0P = = kc 2 二2.兩能級上原子數(shù)分布(玻爾茲曼分布)：也血 =e n n©(Em -En)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)指的就是 nm/gm nn/gn03.原

4、子自發(fā)輻射平均壽命，等于原子數(shù)密度由初始降為1/e所用的時間.=1/A213A218 h4.愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系：二，熱平衡空腔的單色輻射能量密度g1 B12 二 g2B21p _ A211= B2?B12g1eh；1B21g21，受激輻射光功率體密度與自發(fā)輻射光功ekT -1率體密度之比q自 (t)B21 二 A215.譜線的線型函數(shù)f °)二g 匕 -I0Jl(v)dv0，其歸一化條件 f 0 )d =106. 光波在介質(zhì)中的相對衰減速率A話紫，介質(zhì)的增益系數(shù)1 dI(z)I(z) dz如果測的增益介質(zhì)光強I。、穿過增益G = (n2 _g2 n 1)B2/1 f ( )h、=

5、g1 c介質(zhì)后出射的光強I以及增益介質(zhì)長度L，那么平均增益系數(shù)G*ln+ 07. 共軸球面腔穩(wěn)定條件0 ：（仁丄）（仁丄）：1或0門。常見的穩(wěn)定腔有：雙RR2凹穩(wěn)定腔（1、2、3、4）、平凹穩(wěn)定腔（AC AD、凹凸穩(wěn)定腔（5、6）、共焦腔 （原點）和半共焦腔（E、F）;臨界腔有：平行平面腔（A）、共心腔（兩條雙曲 線）和半共心腔（平凹C D）。圖（2-2）共軸球面腔的穩(wěn)定圖均勻增寬介質(zhì)系數(shù)GO二8. 均勻增寬型介質(zhì)的飽和光強"益土，使介質(zhì)產(chǎn)生飽和作用的頻率范圍G°(' )丄丄QI S f ( o)_! 2G°C ）二衍0B21 h- 0 f C ） ,0

6、= R 2 -（R，R2）r， f C 0），R、R是激勵c兀Av能源的抽運速率，T 1、T 2是介質(zhì)能級的壽命。9. 光在增益介質(zhì)中的變化規(guī)律I = I。exp（G - a總）z，激光振蕩的增益系數(shù)可以改18 兀斗2 P 2a、寫為Ga內(nèi)-丄In億-門；閾值條件為 衍F閾二一2Lc f（+）10. 激光振蕩模式的諧振頻率*=2氏，因為單程總相移的主要部分是幾何相移，縱模序數(shù)q的值非常大，另外單程附加相移mn有限，因此激光諧振腔的諧振頻率主要決定于縱模序數(shù)mnq二妊；縱模頻率間隔借，可得ii. 高斯光束的傳播：z處截面內(nèi)基模的有效截面半徑 (z) s . IQ2L在z處高斯光束的截面半徑僅取決

7、于共焦腔的腔長；束腰半徑國° =亠軋=丄、邑;用束腰表示有效截面半徑 國(z)=% 中-)2 ；波陣面<2<2 F 兀Yw0曲率半徑x|z|(¥)2；遠場發(fā)散角22l& 012.穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔:由 R =|zi |1 - (-)2、R2 =|Z21 ()2和|Zi | - ZIL 得到 乙Z2,L(R -L)(R2 -L)(R R, -L)R R2-2L2(Ri R2 -2L)原球面腔鏡面的基模光束有效半徑si2R (R2 _ L)I/4L(R -L)(RR2-L)si戌(只2 _ L)i/4L(R -L)(RR2-L)13.等效共焦腔的束腰半徑

8、二(_嚴(尺-L)(R2-L)(Ri R2 -)1/4TL諧振頻率：方形鏡'mnq圓形鏡mnqciq(m n "arccos . g©ciq (m - 2n i)arccos . g© -L"：14.單縱模選取的方法有：短腔法、法布里-珀羅標準具法和三反射鏡法; 的選取方法有：光闌法、聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠鏡法。單橫模15.腔內(nèi)單程基橫模衍射損耗=exp(_2二N),其中N是“菲涅爾數(shù)” N菲涅爾數(shù)越大，單程衍射損耗越小。16. 影響激光器頻率穩(wěn)定性的因素是腔長的變化和折射率的變化；穩(wěn)頻的方法有 蘭姆凹陷法和飽和吸收法17. 當一個高斯光束射到焦距

9、為f的薄透鏡上時，出射的仍然是高斯光束，其在 透鏡處的光斑尺寸w'和波陣面曲率半徑R'符合-' nR'由： '0 2R詔1 (0)2九s兀時0'22-R、s'1 ()2推導得到：.-As' 2'八八1 (. °，2)整理得到：%2s -R'R' 21)2.：爲':鳥'221 ( )2 R'18.高斯光束的聚焦:(1)高斯光束入射到短焦距透鏡時的聚焦(2)入射光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的聚焦' 叫19.高斯光束的準直：由工和甘、弋得到0'-，那么12

10、護二2'fl 2、，可以看出光束發(fā)散角壓縮比m' = 2空二M，式二 'o''f22''f< 0. '0中M =上是倒置望遠鏡對普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。fi20.第五章、第六章簡略方法，例如激光調(diào)制方式 /類型和激光測距方法等等。三、簡答1. 光與物質(zhì)相互作用的基本過程有哪些？各自有何特點？答：光與物質(zhì)相互作用的基本過程有：自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。特點：自發(fā)輻射一一 不受外界影響，自發(fā)進行；產(chǎn)生的各列光波頻率雖然相同，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，各有不同的偏振方向。受激輻射 只有外來光子的能量h v =E-Ei，

11、才能引起受激輻射； 受激輻射所發(fā)生的光子與外來光子的特性完全相同。受激吸收一一處于低能級E1的原子受到外來光子（能量hv =E2-Ei） 的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級 E2的過程。2. 光學諧振腔的作用是什么？答： 提供光學正反饋作用：使得振蕩光束在腔內(nèi)行進一次時，除了由腔內(nèi)損 耗和通過反射鏡輸出激光束等因素引起的光束能量減少外，還能保證有足夠能量 的光束在腔內(nèi)多次往返經(jīng)受激活介質(zhì)的受激輻射放大而維持繼續(xù)振蕩；產(chǎn)生對振蕩光束的控制作用：有效地控制腔內(nèi)實際振蕩的模式數(shù)目， 獲得 單色性好、方向性強的相干光，可以直接控制激光束的橫向分布特性、 光斑大小、 諧振頻率及光束發(fā)散角，可以

12、控制腔內(nèi)光束的損耗，在增益一定的情況下能控制 激光束的輸出功率。PS.倍增激光增益介質(zhì)的受激放大作用長度以形成光的高亮度；提高了光源 發(fā)光的方向性；由于激光器諧振腔中分立的振蕩模式的存在， 大大提高了輸出激 光的單色性，實現(xiàn)了高度的相干性，改變了輸出激光的光束結(jié)構(gòu)及其傳輸特性。3. 激光器的基本結(jié)構(gòu)包括哪些？答：泵浦源、激活介質(zhì)和諧振腔反射鏡。4. 激光的特性有哪些？答：高亮度、方向性好、相干性好。5. 光譜線增寬的主要原因有哪些？各自機理如何？線型函數(shù)如何?答：自然增寬一一作為電偶極子看待的原子作衰減振動而造成的譜線增寬。自然增寬線型分布函數(shù)：洛侖茲線型。自然增寬的大小：0.1 100MHZ

13、 碰撞增寬由氣體粒子間或氣體粒子與器壁間的碰撞、或固體粒子間的偶極相互作用引起的譜線增寬。碰撞增寬線型分布函數(shù)：洛侖茲線型。碰撞增寬的大小：100 200MHZ 多普勒增寬由于原子運動速度各不相同，不同速度的原子所發(fā)出的光被接收時的頻率也各不相同，因此引起譜線頻率增寬。 多普勒增寬線型分布函數(shù)：高斯線型。6. 受激輻射產(chǎn)生激光必須具備哪些條件？答： 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì),其激活粒子有適合于產(chǎn)生 受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；有外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產(chǎn)生 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；有光學諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被 放大的輻射光頻率以

14、提高單色性。7. 激光橫模選擇的依據(jù)是什么？答：選橫模的實質(zhì)是使需要的橫模（一般為基模 TEM）滿足激光振蕩條件，而 使不需要的橫模（一般為高階模）不滿足振蕩條件而被抑制，從而達到濾去高階 模的目的。8. 單模激光器的縱模頻率與哪些因素有關(guān)？答:由諧振頻率公式mnqCmn可以看出，影響縱模頻率的因素是縱模序2#L 2 兀數(shù)q、諧振腔的單程附加相移，以及各物理常數(shù)，其中單程附加相移取決于橫模序數(shù)m、no9. 與普通球面光波相比，基模高斯光束有何特點？答： 高斯光束不像球面波那樣在波陣面上具有均勻的振幅分布，而是呈現(xiàn)出高斯型的振幅分布，在光束中心處光能十分集中；不像球面波那樣在所有的波陣面具有一個

15、共同的球心，而是不同的波陣面具有不同的曲率中心；不像球面波那樣向空間均勻地輻射， 而是局限在十分微小的發(fā)散角 內(nèi)輸出 光能，具有極好的方向性。10. 高斯光束通過薄透鏡變換時遵守什么原則？答：；.-； : ；.-?'1 1 1=R R' f11當高斯光束束腰處于薄透鏡前焦點時，出射光的束腰在何處？答：當入射高斯光束的腰處于透鏡的焦點上時，出射光束正好聚焦在透鏡另一側(cè)的焦點上。12. 用公式表示出射光束的腰粗與入射光束的腰粗的關(guān)系。答：o' = f13. 激光調(diào)Q的目的是什么？答：為了獲得峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。14. 半導體激光器輸出光的光強分布有何特點？答：由于半導體激光器的諧振腔短小， 激光方向性較差，特別是在結(jié)的垂直平面 內(nèi)，發(fā)散角很大，可達20o-30o。在結(jié)的水平面內(nèi)，發(fā)散角約為幾度。15. 什么是小信號工作狀態(tài)？. 0答：激光上下能級粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的表達式為：5二n2 - n