激光原理考試基本概念.doc

1、第一章1、激光與普通光源相比有三個主要特點：方向性好，相干性好，亮度高。2、激光主要是光的受激輻射，普通光源主要光的自發(fā)輻射。3、光的一個基本性質(zhì)就是具有波粒二象性。光波是一種電磁波，是一種橫波。4、常用電磁波在可見光或接近可見光的圍，波長為0.330 m,其相應頻率為 10151013。5、具有單一頻率的平面波叫作單色平面波，如果頻率寬度n1/g1 的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)狀態(tài)的介質(zhì)叫作 增益介質(zhì)或激活介質(zhì)。簡答題一：產(chǎn)生激光的三個條件：1. 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)， 其激活粒子（原子、分子或離子）；（有合適的激光工作物質(zhì)）2. 有外界激勵源， 將下能級的粒子抽運到上能級， 使激光

2、上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3. 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，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。第二章簡答題二：腔中任一傍軸光線經(jīng)過任意多次往返傳播而不逸出腔外的諧振腔能夠使激光器穩(wěn)定地發(fā)出激光，這種諧振腔叫作穩(wěn)定腔。共軸球面腔的穩(wěn)定性條件是： 0(1-L/R1)(1-L/R2)11、共軸球面腔的穩(wěn)定性條件： 0g1g20, 或者說增益系數(shù)G0。7、增益系數(shù)要大于一個下限值，為激光器的閾值，它的數(shù)值由各種損耗的大小決定。8、激光器的損耗指的是在激光諧振腔的光損耗，分為 部損耗（諧振腔增益介質(zhì)部的損耗，它與增益介質(zhì)的長度有關）和 鏡面損耗（可以折合到諧振腔鏡面

3、上的損耗） 。9、形成激光所要求的增益系數(shù)的條件是：G a 總，即總損耗系數(shù)。解釋為：增益不小于總損耗。10、三能級系統(tǒng)：閾值高，效率低；四能級系統(tǒng)：閾值條件低，效率高。第三章1、激光諧振腔的自在現(xiàn)模; 當兩個鏡面完全相同時（對稱開腔），穩(wěn)態(tài)場（橫向場）分布應在腔經(jīng)單程渡越（傳播）后即實現(xiàn)“再現(xiàn)”。2、本征函數(shù)解Umn表示的是在激光諧振腔中存在的穩(wěn)定地橫向場分布，就是自再現(xiàn)模，通常叫做“橫?！?。3、諧振腔形成的每一列駐波稱為一個縱模。4、激光諧振腔的諧振頻率主要決定于縱模序數(shù)Vmnq=qc/2L5、腔兩個相鄰縱模頻率之差q 稱為縱模的頻率間隔。6、基橫模（ TEM00）行波場，激光應用常常只

4、用它的基橫模輸出。7、基橫模行波輸出在與光束前進的垂直平面上的強度呈高斯型分布，通常稱為 高斯光束 。注：計算題有關高斯光束的相關計算。第四章1、激光的基本技術(shù)有：直接對激光器諧振腔的輸出特性產(chǎn)生作用：選模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù) 等，獨立應用：光束變換技術(shù)、調(diào)制技術(shù)和偏轉(zhuǎn)技術(shù)。2、基橫模（ TEM00）與高階模相比，具有亮度高、發(fā)散角小、徑向光強分布均勻、振蕩頻率單一等特點。3、激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個部分：對激光縱模的選取和對激光 橫模的選取。4、一般來說，均勻增寬的的穩(wěn)定激光器的輸出常常是單縱模的，而且它們的頻率總是在譜線中心附近。5、非均勻增寬激光器的輸出一般都具

5、有多個縱模。6、設計單縱模激光器就必須采取選頻的方法。7、激光振蕩的條件是增益系數(shù)G必須大于損耗系數(shù)a 總。8、基橫模選擇的 實質(zhì)是使 TEM00模達到振蕩條件，而使高階橫模的振蕩受到抑制。一般只要能抑制比基橫模高一階的TEM10模和 TEM01模振蕩，也就能抑制其他高階模的振蕩。9、菲涅爾數(shù)越大，單程衍射損耗越小，菲涅爾系數(shù)是表征諧振腔衍射損耗的特征參量。10、激光器中，氣體激光器的單色性最好。11、頻率的穩(wěn)定包括（頻率穩(wěn)定度和頻率復現(xiàn)度），穩(wěn)頻的方法：主動式穩(wěn)頻和被動式穩(wěn)頻。12、主動式穩(wěn)頻的例子：蘭姆凹陷法穩(wěn)頻、飽和吸收法穩(wěn)頻。13、高斯光束變換特性：高斯光束的聚焦、擴束和準直。14、高

6、斯光束的準直就是要改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。P89(公式 4-47 和 4-48)15、擴束就是擴大光束的光斑尺寸。簡答題三：激光調(diào)制可分為調(diào)制和外調(diào)制。調(diào)制是指在激光生成的震蕩過程中加載調(diào)制信號， 通過改變激光的輸出特性而實現(xiàn)的調(diào)制。外調(diào)制是在激光形成以后， 再用調(diào)制信號對激光進行調(diào)制，他不改變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光束的參數(shù)。16、激光調(diào)制器有：電光強度調(diào)制、電光相位調(diào)制，聲光調(diào)制，磁光調(diào)制，和空間光調(diào)制。17、實現(xiàn)激光偏振的途徑主要有機械偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)和聲光偏轉(zhuǎn)。18、調(diào) Q技術(shù)有：電光調(diào)Q、聲光調(diào) Q和染料調(diào) Q。19、用調(diào)節(jié)諧振腔的Q 值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱

7、為激光調(diào)Q 技術(shù)。調(diào) Q技術(shù)可以壓縮激光脈沖寬度，得到脈寬為毫微秒量級、峰值功率為千兆瓦量級的激光巨脈沖。20、激光鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)是進一步對激光進行特殊的調(diào)制，強迫激光器中振蕩的各個縱模的相位固定，使各模式相干疊加以得到超短脈沖的技術(shù)。腔長越長，熒光線寬越寬， 則腔的縱模數(shù)目越多，鎖模脈沖的峰值功率就越大。激光鎖模技術(shù)有：主動鎖模和被動鎖模兩種。第五章1、固體激光器主要理解 激光工作的物質(zhì) 激活粒子是什么（是誰發(fā)光） 能級系統(tǒng)（幾能級） 供能方式（泵浦方式） 輸出方式（脈沖？連續(xù)？）2、固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)的激光器。最常用的固體工作物質(zhì)仍是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁

8、石榴石（ Nd3+:YAG）。3、固體激光器基本上是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成。固體激光工作物質(zhì)是固體激光器的核心。4、紅寶石激光器 ( 激活粒子 : 鉻離子 Cr3+) 屬于三能級系統(tǒng)， YAG（摻釹釔鋁石榴石 ( 激活粒子釹離子Nd3+)）激光器屬于四能級系統(tǒng)。5、氣體激光器 （氦氖激光器屬于四能級系統(tǒng)，激活粒子為 Ne原子），（CO2激光器既能連續(xù)工作，又能脈沖，輸出功率大，效率高，為四能級系統(tǒng)，工作物質(zhì)為CO2氣體分子）計算題第一章： 1,121 試計算連續(xù)功率均為 1W的兩光源，分別發(fā)射 0.5000m，=3000MHz的光，每秒從上能級躍遷到下能級的粒子數(shù)各為

9、多少？答： 粒子數(shù)分別為：q10.510 62.51381018n134c6.63 10 343 108h6.6310n2q6.63131095.0277 10 23h10 3412設氖原子靜止時發(fā)出0.6328m紅光的中心頻率為144.74 10 Hz，室溫下氖原子的平均速率設為 560m/s。求此時接收器接收頻率與中心頻率相差若干？答：0 (1)0(15608)(1 1.8667106) 0c3101.86671064.7410148.848108 Hz第二章： 3,43.(a) 要制作一個腔長 L 60cm的對稱穩(wěn)定腔， 反射鏡的曲率半徑取值圍如何？ (b) 穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑

10、 R1 4L，求另一面鏡的曲率半徑取值圍。答：（ a） R1R2R ； 0(1L )(1L ) 1R30cmRR（ b） 0LL)1 03L1 R2 L或R23L(1)(1(1)R1R24R24. 穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡， 其曲率半徑分別為 R1 40cm，R2 100cm，求腔長 L 的取值圍。答：LL)10(1LL0 (1)(1)(1) 1 0 L 40cm或100 L 140cmR1R240100第三章： 1,2,5,6,71腔長為 0.5m 的氬離子激光器， 發(fā)射中心頻率0 5.85 l014 6 l08Hz，熒光線寬Hz，問它可能存在幾個縱模 ?相應的 q 值為多少？(設 =1)答：

11、qc31083 108 Hz ，2L2 10.5n61082，則可能存在的縱模數(shù)有三個，它們對應的q 值分別為：3108qqcq2 L5.8510141.95 106 ， q 1=1950001， q 119499992 Lc310 82 He Ne 激光器的中心頻率14 1.5904.74Hz，熒光線寬l0 Hz。今腔長 L lm，10問可能輸出的縱模數(shù)為若干？為獲得單縱模輸出，腔長最長為多少？答：qc31081.5108 Hz ， n1.5109102 L21 1q1.5108即可能輸出的縱模數(shù)為10 個，要想獲得單縱模輸出，則：2cLc31080.2mq1.5 109L故腔長最長不得大于

12、0.2m 。5 (a) 計算腔長為1m的共焦腔基橫模的遠場發(fā)散角，設 6328?， 10km 處的光斑面積多大。 (b) 有一普通探照燈，設發(fā)散角為2，則 1km 遠處的光斑面積多大？答：（ 1）基橫模的遠場發(fā)散角222L226328 10 101.26910 3 rad（2）10km處的光斑尺寸z 10L 1(2z) 2 632810 101 4108 6.347m2L210km處的光斑面積 S26.347 2126.5572m 2（ 3） 1km處的光斑尺寸1km 處的光斑面積r1000 tg1o17.455mSr 217.4552957.1711m26激光的遠場發(fā)散角( 半角 ) 還受到衍射效應的限制。它不能小于激光通過輸出孔時的衍射極限角衍 ( 半角 ) 1.22 /d 。在實際應用中遠場發(fā)散角常用愛里斑衍射極限角來近似。試計算腔長為30cm的氦氖激光器，所發(fā)波長 6328? 的遠場發(fā)散角和以放電管直徑d2mm為輸出孔的衍射極限角。答：（