激光原理考點(diǎn)總結(jié)

1、對了課本兩遍，基本覆蓋所有考點(diǎn)，部分小四字體重在輔助理解。 有填空、名詞解釋、計算、簡答。計算題四個中出三個。（八3八）/第一章1、光的基本性質(zhì)：波粒二象性；波動性（電磁波）,粒子性（光子 流）。2、光與物質(zhì)的相互作用 有：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收。普通 光源中（自發(fā)輻射）占主要；激光器中（受激輻射）占主要。3、簡答：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收之間關(guān)系 ：A21n2dt+B21n2 p vdt=Bi2ni p vdt在光和大量原子系統(tǒng)的相互作用中，三者是同時發(fā)生的。在單位體積中，在dt時間內(nèi)，由高能級E2通過自發(fā)輻射和受激輻射而躍遷 到低能級Ei的原子數(shù)，應(yīng)等于低能級Ei吸收光子而躍遷到

2、高能級E2 的原子數(shù)。4、光譜的（線型）和（寬度）與光的（時間相干性）直接相關(guān)。自然增寬的線型函數(shù)：fN（v）=A/（4兀2（v-Vo）2+（1/2 t ）2）fN（v）表示在頻率v附近單位頻率間隔的相對光強(qiáng)隨頻率的分布。 A為 比例常數(shù)。所得譜線的自然增寬是因為作為電偶極子看待的原子做衰 減振動而造成的譜線增寬。5、（名詞解釋）光的多普勒效應(yīng)：隨著光源和接收器的相對運(yùn)動而 發(fā)生光源的頻率發(fā)生改變（頻移）稱為多普勒效應(yīng)。運(yùn)動對向接受體 頻率增高，背向接受體頻率降低。6、 （詞解釋）均勻增,與非均勻增, ：均勻增寬：自然增寬和碰撞增寬中每一個原子所發(fā)的光對譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)，而且這個貢獻(xiàn)對每

3、個原子都是等同的， 這種增寬為均 勻增寬。非均勻增寬：不同粒子對譜線不同頻率部分的貢獻(xiàn)不同，即可分辨譜 線線型哪一頻帶是由哪些特定粒子發(fā)射的 （;熱運(yùn)動速度矢量相同的 粒子引起的頻移相同）7、（簡答）實現(xiàn)光的放大的條件：1）需要一個激勵能源，用于把介質(zhì)的粒子不斷地由低能級抽送到高能級上去；2）需要合適的發(fā)光介質(zhì)（激光工作物質(zhì)），它能在激勵能源的作用 下形成n2/g2>n1/g1的粒子數(shù)密度反成分布狀態(tài)。8、（簡答）產(chǎn)生激光的條件：1）有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，具激活粒子（原 子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；2）有外界激勵源，將下能級的粒子抽運(yùn)到上能級，使激

4、光上下能級 之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；3）有光學(xué)諧振腔，增長激光介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方向， 選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。9、計算：已知?dú)湓拥谝患ぐl(fā)態(tài)E2與基態(tài)Ei之間能量差為1.64*10-18J,火焰（T=2700K）中含有1020個氫原子。設(shè)原子按玻爾茲曼 分布，且4g1=% 求：（1）能級E2上的原子數(shù) 及為多少；（2）設(shè) 火源中每秒發(fā)射的光子數(shù)為108n2,求光的功率為多少瓦。答： 丁-:筌0；。-11*109且 n1 n2 = 1020可求出n2 31（2）功率=108 31 1.64 10 8=5.084 10 W第二章1、（名詞解釋）穩(wěn)定腔，不穩(wěn)定腔：在光學(xué)諧振

5、腔中，任一束傍軸 光線在兩反射鏡之間來回不斷反射，光在腔內(nèi)來回反射過程中始終不 離開諧振腔，使激光器能穩(wěn)定的發(fā)射激光。滿足這一要求的腔稱為穩(wěn) 定腔。反之為不穩(wěn)定腔。GO三能級系統(tǒng)（b）四俯級系統(tǒng)會阿 圖（2-4）三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)示意圖2、（大題）三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng) （工作原理、示意圖與優(yōu)缺點(diǎn)）：1）實現(xiàn)上下能級之間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的物理過程：三能級系統(tǒng) 和四能級系統(tǒng)2）三能級系統(tǒng)：如圖（2-4a）,下能級E1是基態(tài)能級，上能級E2是亞穩(wěn) 態(tài)能級，E3為抽運(yùn)高能級。其主要特征是激光的下能級為基態(tài)，發(fā) 光過程中下能級的粒子數(shù)一直保存有相當(dāng)?shù)臄?shù)量。3）四能級系統(tǒng)：如圖（2-4b）,下能級

6、Ei不是基態(tài)能級，而是一個激發(fā)態(tài)能級，在常溫下基本上是空的。具激勵能量要比三能級系統(tǒng)小得多，產(chǎn)生激光要比三能級系統(tǒng)容易得多。輔助理解：（獲得激光需要激光上下能級形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也就是上能級粒子數(shù)大于下能級粒子數(shù)。泵浦粒子數(shù)到上能級是需要消耗能量的。三能級系統(tǒng)的下能級是基級，必須將一半以上的粒子數(shù)泵浦到高能級上。而四能級系統(tǒng)的下能級不是基態(tài)，可以很快排空，更容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。）3、激光器的損耗（鏡面損耗），（內(nèi)部損耗）。內(nèi)部損耗：增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、 粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。鏡面損耗：當(dāng)強(qiáng)度為I的光波射到鏡面上，其中

7、卬（或3）反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，其它的部分均為損耗，包括til（或t2l）、鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴(kuò)散到反射鏡范圍以外造成的損耗，用ail（或a2l）表示。4、（計算）穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R1=40cm,R2=100cm,求月$長L的取值范圍。答：LLLL一0 （1 一）（1一一）1= 0 （1 ）（1 -）E1 3 0 E L E40cm 或 100 E L E140cm R1R240100第三章1、自再現(xiàn)模：當(dāng)兩個鏡面完全相同時（對稱開腔），這種穩(wěn)態(tài)場分布應(yīng)在腔內(nèi)經(jīng)單程渡（傳播）后，即可實現(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。輔助理解：鏡

8、1上的場分布，到達(dá)鏡 2時，由于衍射，要經(jīng)歷一次能量的損耗和場分布的變化，0 0中間能量損失小，鏡邊緣損失大，每單程渡越一次，都會發(fā)生類似的能量損耗和場分布變化， 多次往返后，從而逐漸形成中間強(qiáng)、 邊緣弱的基本不受衍射影響的穩(wěn)態(tài)場分布，該穩(wěn)態(tài)場分布一個往返后可“自再現(xiàn)”出發(fā)時的場分布，唯一變化是鏡面上各點(diǎn)的場振幅按同樣的比例 衰減，各點(diǎn)相位發(fā)生同樣大小的滯后。橫向場振幅分布和相位分布都均勻的平面波入射，經(jīng)過多次孔闌的衍射影響后，二者 都變得不再均勻，成為相對場振幅和相對相位分布都不受衍射影響的穩(wěn)態(tài)場分布。2、（簡答）輸出功率與諸參量之間的關(guān)系1）輸出功率P與飽和光強(qiáng)Is的關(guān)系：兩者成正比2）輸

9、出功率P與光束截面A的關(guān)系：A越大，P越大；而高階橫模的光束截面要比基橫的大3）輸出功率P與輸出反射鏡的透射率t1的關(guān)系：實際中總是希望輸出功率大鏡面損耗小，這要求t1大，al （反射鏡鏡面損耗系數(shù)）小，使 t1>>a1,但t1過大又使增益系數(shù)的閾值 G閾升高，而如果介質(zhì)的雙程增益系數(shù)2LG0不夠大將會導(dǎo)致腔內(nèi)光強(qiáng)減小，使輸出功率降低。嚴(yán)重時使腔內(nèi)不能形成激光。t1過小，雖然使G閾降低光強(qiáng)增強(qiáng)，但鏡面損耗 a1I-（2L）也將增大。最佳透射率：為了使激光器有最大的輸出功率，必須使部分反射鏡的透射率取最佳值，實際工作中號是出LG埼融確需最表限2|3_峋）十鏡面損耗大 小。3、（計算）

10、He-Ne激光器的中心頻率 v0=4.74*1014Hz,熒光線寬4v=1.5*109Hz,腔長L=1m。問可能輸出的縱模數(shù)為多少？為獲得單 縱模輸出，腔長最長為多少？答：q3 1082 1 1= 1.5 108 HzAvn 二1.5 1091.5 108二10即可能輸出的縱模數(shù)為 n +1 =11個，要想獲得單縱模輸出，則:L ：cI1 Av3 1081.5 109= 0.2m故腔長最長不得大于 0.2m。第四章1、激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個部分：1）激光縱模的選 取，2）激光橫模的選取。前者對激光輸出頻率影響較大，能夠大大 提高激光的相干性，常常叫做激光的選頻技術(shù)；后者主要影響激

11、光輸 出的光強(qiáng)均勻性，提高激光的亮度，一般稱為選模技術(shù)。2、縱模的競爭：通過增益的飽和效應(yīng)，使某個縱模逐漸把別的縱模 的振蕩抑制下去，最后只剩下該縱模的振蕩的現(xiàn)象叫做“縱模的競 爭”。3、空間競爭：在均勻增寬激光器中，當(dāng)受激輻射比較強(qiáng)時，也可能 有比較弱的其它縱模出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為模式的“空間競爭”。4、（填空/簡答）單縱模的選?。ǚ椒皟?yōu)缺點(diǎn) （這個總結(jié)的不好）： 短腔法、法布里一珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法、三反射鏡法1）短腔法優(yōu)點(diǎn)：簡單。縱模頻率間隔和諧振腔的腔長是成反比的， 要想得到單一縱模的輸 出，只要縮短腔長，使&%的寬度大于增益曲線閾值以上所對應(yīng)的寬度即可。對 He-Ne激光器，只要做到

12、腔長小于10cm,就會得到單縱模的輸出。缺點(diǎn)：首先，由于腔長受到限制，激活介質(zhì)的工作長度也相應(yīng)受到限制，激光的 輸出功率必然受到限制。這對于那些需要大功率單縱模輸出的應(yīng)用場合是不適合的。其二，有些激光輸出譜線熒光寬度很寬，若要加大到足夠的縱模間寬度，勢 必要使腔長縮到很短，以致難于實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而不能輸出激光。2）法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法這種方法就是在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。這種標(biāo)準(zhǔn)具是用透射率很高的材料制成的， 兩個端面研磨得高度 平行，且鍍有高反射率的反射膜。這種反射膜由于多光束干涉的結(jié)果， 對于滿足 條件的光具有極高的透射率。把這樣的標(biāo)準(zhǔn)具插入到激

13、光器的腔內(nèi)時， 就可以起 到選頻的作用。缺點(diǎn)：由于高選模性的標(biāo)準(zhǔn)具總要帶來百分之幾的透射損失， 因此這種方法對于 低增益的激光器（如He-Ne激光器）不大合適，但對于高增益的激光器（如CO2激 光器）則是十分有效的。（3）三反射鏡法激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中鏡M3與M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡，這個組合相當(dāng)于兩個諧振腔的耦 合，一個諧振腔是由M1與M3組成，其腔長為L1 + L2,另一個諧振腔由M3與M4 組成，其腔長是L2+L3。如果L2、L3較短，就形成了一個短諧振腔和一個長 諧振腔的耦合。. c 11/1 I 1短諧振腔的縱模頻率間隔是2

14、 TL2+ L3）刈長=c長諧振腔的縱模頻率間隔是2 JQ +5只有同時滿足上面兩個諧振條件的光才能形成振蕩， 故只要選取L2 + L3足夠小， 就可以獲得單縱橫輸出。5、激光單橫模的選?。?）光闌法2）聚焦光闌法3）腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法6、（名詞解釋）衍射損耗： 通過求解激光諧振腔的自再現(xiàn)模積分方 程得到，在激光諧振腔內(nèi)振蕩的基橫模是高斯光束，其光振幅和光強(qiáng) 分布在與光軸垂直的平面上呈高斯函數(shù)形式，一直延伸到離光軸無限 遠(yuǎn)處。因此，由于反射鏡的有限尺寸的限制，每一次反射都會有一部 分光能衍射到鏡面之外，造成能量損失。這種由于衍射效應(yīng)形成的光 能量損失稱為衍射損耗。7、腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法優(yōu)點(diǎn)：（1）能充分利

15、用激光工作物質(zhì)，獲得較大功 率的基模輸出。（2）可通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的離焦量得到熱穩(wěn)定性很好的 激光輸出。（3）輸出光斑大小適當(dāng)，不致?lián)p傷光學(xué)元件。8、頻率的漂移：一個激光器通過選模獲得單頻振蕩后，由于內(nèi)部和 外界條件的變化，諧振頻率仍然會在整個線型寬度內(nèi)移動。 這種現(xiàn)象 叫做“頻率的漂移”。9、頻率的穩(wěn)定性包括兩個方面： 一是頻率穩(wěn)定度；二是頻率復(fù)現(xiàn)性。 10、影響頻率穩(wěn)定的因素：1）腔長L變化的影響2）折射率變化的 影響。11、穩(wěn)頻方法：1）被動式穩(wěn)頻2）主動式穩(wěn)頻。1）被動式穩(wěn)頻：利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器；或 用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合， 以使

16、熱膨脹互相抵消，實現(xiàn)穩(wěn)頻。2）主動式穩(wěn)頻：目前采用的主動穩(wěn)頻方法基本原理大體相同，即把單頻激光器的頻率與某個穩(wěn)定的參考頻率相比較， 當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時，鑒別器就產(chǎn)生一個正比于偏離量的誤差信號。 這個誤差信 號經(jīng)放大后又通過反饋系統(tǒng)返回來控制腔長， 使振蕩頻率回到標(biāo)準(zhǔn)的 參考頻率上，實現(xiàn)穩(wěn)頻。12、（填空+簡答）實現(xiàn)激光偏轉(zhuǎn)的途徑： 主要有機(jī)械偏轉(zhuǎn)、電光偏 轉(zhuǎn)和聲光偏轉(zhuǎn)等?；驹砼c優(yōu)缺點(diǎn)1）機(jī)械偏轉(zhuǎn)機(jī)械偏轉(zhuǎn)是利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)或反射鏡的振動實現(xiàn)光束掃描。優(yōu)點(diǎn)：偏轉(zhuǎn)角大、分辨率高、光損失少且可適應(yīng)光譜范圍大的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：掃描速度受到驅(qū)動器（如馬達(dá)）角速度的限制難以實現(xiàn)快速、高精

17、度的可控偏轉(zhuǎn)，使其應(yīng) 用范圍受到限制。2）電光偏轉(zhuǎn)電光偏轉(zhuǎn)是利用泡克耳斯效應(yīng)，通過施加在電光晶體上的電場改變晶體的折射 率，使光束偏轉(zhuǎn)。因而出射光偏轉(zhuǎn)角的改變量與折射率變化成線性關(guān)系。缺點(diǎn)：不能形成大的折射率梯度，即使采用多級電光棱鏡的偏轉(zhuǎn)器，偏轉(zhuǎn)角也 不會很大。3）聲光偏轉(zhuǎn)聲光效應(yīng)也提供了一種方便地控制光的強(qiáng)度、 頻率和傳播方向的手段，和電光效 應(yīng)一樣得到了廣泛的應(yīng)用。13、調(diào)Q原理與方法：激光調(diào)Q技術(shù)：用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)。調(diào)Q原理：采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使積累到很高水平 也不會產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度

18、反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時， 突然使腔的Q值 增大，導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益將大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。 這時貯存在亞穩(wěn)態(tài)上的粒子所具有的能量會很快轉(zhuǎn)換為光子的能量， 光子像雪崩一樣以極高的速率增長，激光器便可輸出一個峰值功率 高、寬度窄的激光巨脈沖。14、調(diào)Q技術(shù)類型：因為諧振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍 射損耗、散射損耗和透射損耗，因而用不同方法控制不同類型的損耗， 就形成了不同的調(diào) Q技術(shù)。捽制反射損耗的有（機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q技術(shù)）、（電光調(diào)Q技術(shù)），控制吸收損耗的有（可飽和吸收染料調(diào) Q技術(shù)）， 捽制衍射損耗的有（聲光調(diào) Q技術(shù)）等等。15、各種調(diào)Q原理1）電光調(diào)Q電光調(diào)Q是利用晶體的電光效應(yīng)來作為 Q開關(guān)的元件 2）聲光調(diào)Q在激光諧振腔內(nèi)放置聲光偏