激光原理復(fù)習(xí)體第六版(共10頁)

1、1、Laser：light amplification by stimulated emission of radiation2、激光(jgung)的基本特性：方向性好、單色性好、能量集中、相干性好。本質(zhì)原因是光子的簡并度很高。3、激光器的主要(zhyo)組成部分：諧振腔：光波(gungb)的模式選擇，提供軸向光波模的反饋泵浦源：給工作物質(zhì)能量，即將原子有低能級激發(fā)到高能級的外界能量。增益介質(zhì)：能實現(xiàn)能級躍遷的物質(zhì)黑體：某一物質(zhì)能夠完全吸收任何波長的電磁輻射。 黑體輻射：黑體處于某一溫度T的熱平衡情況下黑體所吸收的輻射能量應(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，這種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場，這種輻

2、射場稱為黑體輻射光波模式和光子態(tài)：光波的模式和光子的狀態(tài)是等效的概念。能夠存在腔內(nèi)的駐波（以波矢K為標(biāo)志）稱為腔內(nèi)的電磁波的模式或光波模。不同的模式以不同的K區(qū)分。駐波條件光程差，m為正整數(shù)。光的相干性：在不同的空間點上、在不同的時刻的光波場的某些特性的相關(guān)性。相干長度：光波的相干長度 相干時間：光沿傳播方向通過相干長度所需要的時間。相干時間t與光源頻帶寬度的關(guān)系 相干性的結(jié)論相格空間體積以及一個光波?；蚬庾討B(tài)占有的空間體積都等于相干體積屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的光子簡并度：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

3、一相格內(nèi)的光子數(shù)激光的基本物理基礎(chǔ)是什么9、描述能級的光學(xué)躍遷的三大過程，并寫出它們的特征和躍遷幾率自發(fā)輻射：處于高能級的一個原子自發(fā)地向躍遷并發(fā)射一個能量為hv的光子。有原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光波稱為自發(fā)輻射特征表達(dá)式：單位時間內(nèi)自發(fā)輻射光子數(shù)占能級光子數(shù)的比例。自發(fā)躍遷幾率用描述 表示能級壽命。只與原子本身性質(zhì)有關(guān)。受激吸收：處于低能態(tài)的原子，在頻率為v的輻射場作用下，吸收一個能量為hv的光子并向能態(tài)躍遷受激吸收躍遷概率用描述。與原子性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場的有關(guān)其中稱為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)他與原子的性質(zhì)有關(guān)，泵浦源的能量密度特征(tzhng)受激輻射(fsh)：處于的原子在頻率v的輻射(fs

4、h)場作用下躍遷至低能態(tài)并發(fā)射一個能量為hv的光子受激輻射概率用表示，=受激輻射產(chǎn)生的場應(yīng)于外加輻射場具有相同的頻率，相位，傳播方向10、愛因斯坦系數(shù)：、只與原子的性質(zhì)有關(guān)= =當(dāng)權(quán)重=時=即=什么是熱平衡時能級粒子數(shù)的分布玻爾茲曼分布：產(chǎn)生激光的必要條件：諧振腔，泵浦源，增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級集居數(shù)大于低能級集居數(shù)的狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)集居數(shù)分布滿足玻爾茲曼分布只有當(dāng)外界向物質(zhì)供給能量從而使物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)才能實現(xiàn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)。激光增益：光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)什么是自激震蕩？假設(shè)以微弱光進(jìn)入一無限長放大器。起初，光強(qiáng)慢慢增加，但隨著光強(qiáng)的怎家增益系數(shù)慢慢減小最后當(dāng)增益系數(shù)等

5、于損耗系數(shù)是可求得腔內(nèi)最大光強(qiáng)，這種不管初始光強(qiáng)多么微弱，只要放大器足夠長，就總可形成確定的最大光強(qiáng)振蕩條件：單程小信號增益系數(shù)大于單程損耗系數(shù)。諧振腔的諧振條件：波從某一出發(fā)點經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來位置時，與初始出發(fā)波同相（及相差為2的整數(shù)倍）即，為腔光學(xué)長度縱模的頻率，縱模間隔，縱模的數(shù)目q=諧振腔的損耗：幾何偏折損耗，衍射損耗，腔鏡反射不完全引起的損耗，材料中的非激活吸收散射損耗。其中前兩項為選擇損耗，后兩項稱為非選擇損耗單程損耗因子。在無源腔初始光強(qiáng)往返一次光強(qiáng)衰減為則=光腔內(nèi)的光子(gungz)平均壽命 經(jīng)過(jnggu)時間后腔內(nèi)光強(qiáng)衰減(shui jin)為初始值的1/e看出越

6、大，越小腔內(nèi)的損耗越大腔內(nèi)光強(qiáng)衰減的越快。無源諧振腔的Q值Q= v為腔內(nèi)的諧振頻率，l表示光腔長度。Q值越大表明損耗越小5、熟悉射線矩陣光學(xué)，會進(jìn)行推導(dǎo)。傍軸光線在腔內(nèi)完成一次往返總的變化矩陣為當(dāng)凹面鏡向著腔內(nèi)時，R取正值；當(dāng)凸面鏡向著腔內(nèi)時，R取負(fù)值6、激光諧振腔的穩(wěn)定性條件，其中當(dāng)凹面鏡向著腔內(nèi)時，R取正值，當(dāng)凸面鏡向著腔內(nèi)時，R取負(fù)值7、自在現(xiàn)模當(dāng)通過的孔闌數(shù)足夠多的時候，鏡面上唱的相對振幅和相位分布將不再發(fā)生變化。在孔闌傳輸線中形成的這種穩(wěn)態(tài)場分布就是自在現(xiàn)模。自再現(xiàn)模經(jīng)一次往返所發(fā)生的相移稱為往返相移，該相移等于2的整數(shù)倍，這就是模的諧振條件的面8、本征函數(shù)為復(fù)數(shù)函數(shù)，它的模|描述鏡

7、面上場的振幅分布，二期輻角arg描述鏡面上場的相位分布本征值：模描述自在現(xiàn)摸的單程損耗，它的輻角描述了自在現(xiàn)模的單程相移方形鏡花斑圖樣 圓形鏡橫模的花斑圖樣腰斑的大小=、腰斑位置在共焦腔的焦平面處，鏡面上的光斑大小=，腔內(nèi)光斑尺寸大小。等相位面分布的公式光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角：基模體積高階的高斯(o s)光束一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價性：任何一個(y )共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價。而任何一個穩(wěn)定球面腔唯一地等價與一個共焦腔。他們具有相同的行波場。計算(j sun)一般穩(wěn)定球面腔的主要參數(shù)：腰斑的光斑尺寸這里的f是等效后的焦距。一般穩(wěn)定腔鏡面上的光斑尺寸利用等價共焦腔的腔場分布去求帶入后結(jié)果基模

8、模體積。在一般穩(wěn)定腔中腔的菲涅爾數(shù)：定義穩(wěn)定球面腔的有效菲涅耳數(shù) 對一般穩(wěn)定球面腔，每一個反射鏡對應(yīng)著一個有效菲涅耳數(shù)，然后按共焦腔的單程衍射損耗曲線查得一般穩(wěn)定球面腔的損耗值。高斯光束的表征方法有哪些？什么是q參數(shù)？參數(shù)(z)和R(z)表征高斯光束高斯光束的q參數(shù): 參數(shù)(cnsh)q將(z)和R(z)統(tǒng)一在一個表達(dá)式中，知道了高斯光束(gungsh)在某位置處的q參數(shù)值，可由下式求出該位置(wi zhi)處(z)和R(z)的數(shù)值17、高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律是什么？q參數(shù)的變換規(guī)律可統(tǒng)一表示為: q參數(shù)也稱為高斯束復(fù)曲率半徑。結(jié)論：高斯光束經(jīng)任何光學(xué)系統(tǒng)變換時服從ABCD公式，由光學(xué)系統(tǒng)對

9、傍軸光線的變換矩陣所決定。什么是高斯光束的自在現(xiàn)變換如果一個高斯光束通過透鏡后器結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，即參數(shù)或不變則陳這種變換為自再現(xiàn)變化19、高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔有什么關(guān)系？20、非穩(wěn)腔與穩(wěn)定腔的區(qū)別是什么？舉例說明哪些是非穩(wěn)腔？穩(wěn)定腔（無幾何偏折損耗）非穩(wěn)腔（具有較高的幾何損耗）21高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直第四章1,激光器的理論有哪些？經(jīng)典理論：用麥克斯韋方程組描述電磁場將原子中運動的電子視為服從經(jīng)典力學(xué)的貞子成功解釋了物質(zhì)對光的吸收和色散現(xiàn)象定性的說明了原子的自發(fā)輻射及譜線寬度半經(jīng)典理論：采用麥克斯韋方程組描述光頻電磁場用量子力學(xué)描述原子它能較好的揭示激光器中大部分物理現(xiàn)象（反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

10、，燒孔效應(yīng)，振蕩光強(qiáng)的蘭姆凹陷）量子理論：對光頻電磁場和物質(zhì)原子都做量子化處理并將二者作為一個統(tǒng)一的物理體系加以描述只有嚴(yán)格確定激光相干性和噪聲以及線寬極限的性才是必要的什么是譜線加寬？有哪些加寬類型？加寬機(jī)制是什么？由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，即光譜不是單一頻率的光波，而包含有一個頻率范圍，稱為譜線加寬。加寬類型有均勻加寬，非均勻加寬，綜合加寬。如果引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，則這種加寬稱作均勻加寬。非均勻加寬的特點：原子體系中不同原子向譜線的不同頻率發(fā)射。一般情況下，固體激光工作物質(zhì)的譜線加寬主要是晶格熱振動引起的均勻加寬和晶格缺陷引起的非均勻加寬，對于氣體工作物

11、質(zhì)，主要的加寬類型就是由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。3、如何定義(dngy)線型函數(shù)和譜線寬度？P()是描述自發(fā)輻射功率按頻率分布(fnb)的函數(shù)。在總功率P中，分布(fnb)在+d范圍內(nèi)的光功率為P()d ，數(shù)學(xué)表示為 引入譜線的線型函數(shù) 線型函數(shù)在=0時有最大值，并在 時下降到最大值的一半，即 按上式定義的稱為譜線寬度4、如何理解均勻加寬和非均勻加寬？如果引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，則這種加寬稱作均勻加寬。每個原子都以整個線型發(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，即每一發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。自然加寬、碰撞加寬和晶格振動加寬屬于均勻加

12、寬。非均勻加寬的特點：原子體系中不同原子向譜線的不同頻率發(fā)射，或者說，每個原子只對譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的?；蛘哒f，多普勒加寬并沒有加寬每個原子的譜線，而僅僅使各原子譜線的中心位置有了移動，由于不同速率原子的譜線位置移動不同，從總的效果來看也加寬了譜線，每一發(fā)光原子只對譜線的某些頻率有貢獻(xiàn)5、如何求自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬的線寬？自然加寬碰撞加寬多普勒加寬6、如何理解受激發(fā)射截面？與哪些因素有關(guān)？發(fā)射截面只具有面積的量綱隨線性函數(shù)受激輻射概率發(fā)生變化的函數(shù) 發(fā)射截面 吸收截面分析三能級和四能級系統(tǒng)中粒子在各能級之間的

13、躍遷過程，并寫出速率方程。三能級系統(tǒng)速率方程組：各能級集居數(shù)隨時間變化(binhu)的方程和激光器腔內(nèi)的光子數(shù)密度隨時間變化的規(guī)律四能級系統(tǒng)(xtng)速率方程組說明均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的機(jī)理(j l)，并寫出激光增益的表達(dá)式。通常用增益系數(shù)來描述經(jīng)過單位距離后光強(qiáng)的增長率。設(shè)在z處光強(qiáng)為I(z)，z+dz處光強(qiáng)為I(z)+dI(z)，則增益系數(shù)定義為 增益系數(shù)的表達(dá)式為非均勻加寬增益的表達(dá)式飽和光強(qiáng)的含義？怎么定義的？飽和光強(qiáng)的物理意義：當(dāng)入射光強(qiáng)度 可以與 Is(1)比擬時，受激輻射造成的上能級集居數(shù)衰減率就可以與其它弛豫過程（自發(fā)輻射及無輻射躍遷）造成的衰減相比擬。因此

14、當(dāng) 時， n 與光強(qiáng)無關(guān)；當(dāng) 可與Is(1)比擬時， n隨 的增加而減小。當(dāng) Is(1)時，什么是小信號(xnho)增益、大信號增益？在 時的增益(zngy)是小信號增益。當(dāng) 可與Is(1)比擬時是大信號(xnho)增益在強(qiáng)光入射下，均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)中，弱光的增益系數(shù)如何變化？對均勻加寬工作物質(zhì)，強(qiáng)光入射會引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度n的下降，而n的下降又導(dǎo)致弱光增益系數(shù)的下降在非均勻加寬工作物質(zhì)中， 頻率1的強(qiáng)光只在1附近寬度約為的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集居數(shù)的飽和，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集居數(shù)沒有影響。若有一頻率為的弱光同時入射，如果頻率處在強(qiáng)光造成的燒孔范圍之內(nèi)，則由于反轉(zhuǎn)集居數(shù)密

15、度的減少，弱光增益系數(shù)將小于小信號增益系數(shù)；如果頻率處于燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響而仍然等于小信號增益系數(shù)。在增益系數(shù)的曲線上，在頻率1處產(chǎn)生一個凹陷，凹陷的寬度由表示。頻率1處的凹陷最低點下降到小信號增益系數(shù)的 倍描述非均勻加寬工作物質(zhì)中增益飽和的“燒孔效應(yīng)”，并說明原理。當(dāng)頻率為1、強(qiáng)度為 的光入射時，將使表觀中心頻率大致在范圍內(nèi)的粒子有飽和作用。因此在n()曲線上形成一個以1為中心的孔，孔的深度為 孔的寬度為孔的面積S為 通常把以上現(xiàn)象稱為反轉(zhuǎn)集居數(shù)的“燒孔”效應(yīng)第五章：激光振蕩特性1、激光器有哪些類型？激光器按泵浦方式可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器兩大類2、激光器的振蕩條

16、件是什么？穩(wěn)定工作條件又是什么？如果(rgu)脈沖泵浦持續(xù)時間t02（長脈沖），脈沖激光器也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此長脈沖激光器也可看成一個(y )連續(xù)激光器3、激光器的閾值(y zh)參數(shù)怎么計算？閾值增益系數(shù)：激光自激振蕩時，小信號增益系數(shù)滿足4、在均勻加寬和非均勻加寬激光器中模式競爭有什么不同？在均勻加寬激光器中，幾個滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中互相競爭，結(jié)果總是靠近中心頻率0的一個縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其它縱模都被抑制而熄滅。理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出應(yīng)是單縱模的，其頻率總是落在譜線中心附近非均勻加寬激光器的多縱模振蕩：由于某一縱模光強(qiáng)的增加，并不會使整個增益曲線均勻下降，而只是在增益曲線上造成對稱的兩個燒孔，只要縱模間隔足夠大，各縱?；旧匣ゲ魂P(guān)心，所有小信號增益系數(shù)大于gt的縱模都能穩(wěn)定振蕩。當(dāng)相鄰縱模所形成的燒孔重疊