激光課件原理復(fù)習

1、第一章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件1.1 光的波粒二象性光波是一種電磁波，是E和B的振動和傳播。1、線偏振光2、光速、頻率和波長三者的關(guān)系3、單色平面波二. 光子。1.2 原子能級和輻射躍遷一. 原子能級、簡并度三. 波爾茲曼分布 (原子數(shù)按能級分布服從波爾茲曼定律)四. 輻射躍遷和非輻射躍遷(概念)二. 原子狀態(tài)標記11.3 光的受激輻射一. 黑體輻射二. 光和物質(zhì)相互作用1、自發(fā)輻射2、受激輻射3、受激吸收4、自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收之間的關(guān)系 （在光和原子相互作用達到動平衡的條件下，三者關(guān)系；熱平衡空腔 的單色輻射能量密度 ；愛因斯坦系數(shù)間的基本關(guān)系）5、自發(fā)輻射光功率與受激輻射光

2、功率21.4 光譜線增寬一. 譜線加寬1、由來（理解）2、線性函數(shù)（涵義、性質(zhì)：歸一化，線寬）3、光譜線型對光與物質(zhì)的作用的影響二. 自然增寬、碰撞增寬、多普勒增寬1. 概念2. 機理 （引起的原因）3. 線性函數(shù)及相關(guān)性質(zhì)三. 均勻增寬和非均勻增寬線型1. 特點3. 兩者區(qū)別2. 線性函數(shù)及相關(guān)性質(zhì)四. 綜合增寬31.5 激光形成的條件一. 介質(zhì)中光的受激輻射放大1. 產(chǎn)生激光的基本條件受激輻射占優(yōu)勢2. 光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律3.介質(zhì)中產(chǎn)生受激光放大的條件、增益介質(zhì)與增益系數(shù)。二. 光學(xué)諧振腔和閾值條件 (產(chǎn)生激光的三個基本條件：增益介質(zhì)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，光 學(xué)諧振腔)4第二章 激光器的工作原

3、理2.1 光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性*一. 共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件 ( )二. 共軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖及其分類 1. 穩(wěn)定腔、臨界腔、非穩(wěn) (穩(wěn)定圖，包含種類)2.穩(wěn)定圖的應(yīng)用（1）制作一個腔長為L的對稱穩(wěn)定腔，反射鏡曲率半徑的取值范圍如何確定 （2）給定穩(wěn)定腔的一塊反射鏡，要選配另一塊反射鏡的曲率半徑，其取值范圍何確定（3）如果已有兩塊反射鏡，曲率半徑分別為R1、R2，欲用它們組成穩(wěn)定腔，腔長范 圍如何確定 52.2 速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一. 三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)*二. 速率方程組三. 穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布四. 小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布五. 均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反

4、轉(zhuǎn)分布*六. 均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)6三能級系統(tǒng)圖:其中 E1基態(tài)能級, 又是激光下能級, 也是抽運能級。 E2激光上能級, 是亞穩(wěn)能級( 21小)。 E3抽運能級, 非輻射躍遷幾率大(32大(!) 其主要特征是激光的下能級為基態(tài)，極易積累粒子(幾乎聚集了所有粒子),發(fā)光過程中下能級的粒子數(shù)一直保存有相當?shù)臄?shù)量,對抽運的要求很高。所以不易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)*7 由圖可見:四能級系統(tǒng)要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 只要求n2n1而不必令n2 n0,而n0則是極易積累的基態(tài)粒子數(shù)。E0:基能級/光抽運能級E1:不是基態(tài)能級，而是一個激發(fā)態(tài)能級,是激光下能級, 10小 而

5、10大(迅速弛豫到E0, 抽空E1, 減少n1)在常溫下基本上是空的。E2: 激光上能級/亞穩(wěn)能級(易積累n2)E3: 光抽運能級, 32小而32 大(迅速弛豫到E2) 四能級系統(tǒng)圖:8均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布* 飽和光強：粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布：這就是均勻增寬型介質(zhì)E2、E1能級之間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的表達式。它給出能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值與腔內(nèi)光強、光波的中心頻率、介質(zhì)的飽和光強、激勵能源的抽運速率以及介質(zhì)能級的壽命等參量的關(guān)系。92.3 均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和一. 均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)二. 均勻增寬介質(zhì)的增益飽和*10 增益飽和：在抽運速率一定的條件下，當入射光的光強很弱時，

6、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。 均勻增寬介質(zhì)的增益飽和* 介質(zhì)對頻率為v0、光強為I的光波的增益系數(shù): 介質(zhì)對頻率為v、光強為I的光波的增益系數(shù): 均勻增寬型增益飽和曲線：11 頻率增益系數(shù) 幾種特殊頻率下的增益系數(shù)：2.均勻增寬型增益飽和曲線性質(zhì)： 線寬、物理意義.122.4 非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和一. 介質(zhì)在小信號時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值二. 非均勻增寬型介質(zhì)在小信號時的增益系數(shù)*三. 非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布*四. 非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和13非均勻增寬型介質(zhì)在小信號時的增益系數(shù)*系數(shù)表達：中心頻率處的小訊號增

7、益系數(shù)：14非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布*非均勻增寬型粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和作用：“燒孔”效應(yīng)性質(zhì)：孔的深度、寬度和面積152.5 激光器的損耗與閾值條件*一. 激光器的損耗二. 激光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程三. 閾值條件四. 對介質(zhì)能級選取的討論16激光器的損耗內(nèi)部損耗鏡面損耗激光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程諧振腔光放大過程 腔內(nèi)光放大倍數(shù)諧振腔穩(wěn)定出光過程17閾值條件獲得激光所要求的雙程放大倍數(shù)：形成激光所要求的增益系數(shù)的條件：均勻介質(zhì)增益系數(shù)閾值：粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值的閾值 ：總閾aIIGGSMD=+=210)1(總閾aIIGGSM=+=01 非均勻介質(zhì)增益系數(shù)閾值：對介質(zhì)能

8、級選取的討論三能級系統(tǒng)閾值輸運功率：四能級系統(tǒng)閾值輸運功率：18第三章 激光器的輸出特性3.1 光學(xué)諧振腔的衍射理論一.菲涅耳-基爾霍夫衍射公式二. 自再現(xiàn)模概念三. 激光諧振腔的諧振頻率和激光縱模*19激光諧振腔的諧振頻率和激光縱模*共焦腔鏡面上的場分布1.方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解 ：本征值近似解：Hm(X)和Hn(Y)均為厄密多項式，其表示式為：202. 鏡面上自再現(xiàn)模場的特征 振幅分布： 單程衍射損耗 單程相移與諧振頻率：（縱模間隔、激光器中出現(xiàn)的縱模數(shù)、橫模間隔） 相位分布高階模的光斑尺寸與基模的關(guān)系：213.3 高斯光束傳播特性* （高斯光束各特征參量）束腰半徑：波陣面

9、曲率半徑：光束有效截面半徑：鏡面光束半徑：遠場發(fā)散角：223.4 穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性*一. 穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔二. 穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性23任意一個滿足穩(wěn)定性條件的球面腔只可唯一地與一個共焦腔等價穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔假設(shè)雙凹腔兩鏡面M1與M2的曲率半徑分別為R1和R2，腔長為L，而所要求的等價共焦腔的共焦參數(shù)為f。以等價共焦腔中點為z坐標的原點。M1、M2兩鏡的z坐標為z1和z2。如圖(3-10)所示。則有：圖(3-10) 球面腔的等價共焦腔24穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性等效共焦腔的束腰半徑和原球面腔鏡面的基橫模光束有效截面半徑 等效共焦腔的束腰半徑2.原球面腔鏡面的基橫模光束有

10、效截面半徑 251.方形腔的諧振頻率：諧振頻率 2.圓形腔的諧振頻率：263.5 激光器的輸出功率一. 均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率二.非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率*27非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率* 激光器的輸出功率 單頻激光器的輸出功率若腔內(nèi)只允許一個諧振頻率，且 ，激光器在理想的情況下，仍有：此時腔內(nèi)的平均光強為：激光器的輸出光強為：若 光束的截面為A，則激光器的輸出功率為：激光器輸出光強為：若腔內(nèi)單縱模的頻率為 ，激光器腔內(nèi)平均光強為：若 光束的截面為A，激光器的輸出功率為：28第四章 激光的基本技術(shù)4.1 激光器輸出的選模一. 激光單縱模的選取*（選取機理，及用何種方法）二

11、. 激光單橫模的選取29激光單縱模的選取*（選取機理，及用何種方法）均勻增寬型譜線的縱模競爭 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，其頻 率在增益曲線中心頻率附近，其它縱模被抑制而熄滅。在模的競爭過程中，頻率越遠離中心頻率的光越先熄滅。競爭的結(jié)果總是最靠近譜線中心頻率的那個縱模被保持下來。非均勻增寬型譜線的縱模競爭非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個縱模。 單縱模選取短腔法、法布里-珀羅便準具法、三反射鏡法304.3 激光束的變換一. 高斯光束通過薄透鏡時的變換*二. 高斯光束的聚焦*三. 高斯光束的準直*四. 高斯光束的擴束31用薄透鏡假設(shè)和計算公式，計算透過薄透鏡生成的新的高斯光

12、 束的波陣面曲率半徑R和光束有效截面半徑高斯光束通過薄透鏡時的變換*高斯光束傳播到薄透鏡處的波陣面曲率半徑R 和光束有效截面 半徑：薄透鏡變換出的高斯光束的束腰位置s和束腰半徑32高斯光束的聚焦*高斯光束入射到短焦距透鏡時的聚焦情形1.象方腰斑位置:2.象方束腰半徑:高斯光束入射到短焦距透鏡時的聚焦情形1.象方腰斑位置:2.象方束腰半徑:33高斯光束的準直*核心問題：改善光束的方向性，即壓縮光束的發(fā)散角用單透鏡用望遠鏡：定義： 高斯光束通過透鏡系統(tǒng)后光束發(fā)散角的壓縮比。 倒置望遠鏡對普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。344.5 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)一. 機械偏轉(zhuǎn)二. 電光偏轉(zhuǎn)三. 聲光偏轉(zhuǎn)*35原理：聲波對光波的衍射效應(yīng)。 控制：光的強度、頻率和傳播方向聲光偏轉(zhuǎn)*當聲頻改變時 ，偏轉(zhuǎn)角的改變量為：364.7 激光鎖模技術(shù)一. 鎖模原理*二. 主動鎖模三. 被動鎖模37鎖模原理*輸出脈沖的峰值(最大光強) 周期 (T) 相鄰脈沖峰值間的時間間隔 注意：如果各模式相位未被鎖定,則各模式是不相干的,輸出功率為各模功率