激光原理及應(yīng)用

1、激光原理及應(yīng)用第1章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件1. 光波：光波是一種電磁波，即變化的電場和變化的磁場相互激發(fā)，形成變化的電磁場在空間的傳播。光波既是電矢量的振動和傳播，同時又是磁矢量的振動和傳播。在均勻介質(zhì)中，電矢量的振動方向與磁矢量的振動方向互相垂直，且、均垂直于光的傳播方向。（填空）2. 玻爾茲曼分布：（計(jì)算）3. 光和物質(zhì)的作用：原子、分子或離子輻射光和吸收光的過程是與原子的能級之間的躍遷聯(lián)系在一起的。物質(zhì)（原子、分子等）的相互作用有三種不同的過程，即自發(fā)輻射、受激輻射及受激吸收。對一個包含大量原子的系統(tǒng)，這三種過程總是同時存在并緊密聯(lián)系的。在不同情況下，各個過程所占比例不同，普通光

2、源中自發(fā)輻射起主要作用，激光器工作過程中受激輻射起主要作用。（填空） 自發(fā)輻射：自發(fā)輻射的平均壽命（指單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度，占處于能級總粒子數(shù)密度的百分比）4. 自發(fā)輻射、受激吸收和受激吸收之間的關(guān)系 在光和大量原子系統(tǒng)的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種過程是同時發(fā)生的，他們之間密切相關(guān)。在單色能量密度為的光照射下，dt時間內(nèi)在光和原子相互作用達(dá)到動平衡的條件下有下述關(guān)系：（自發(fā)輻射光子數(shù)） （受激輻射光子數(shù)） （受激吸收光子數(shù)）即單位體積中，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E1的原子數(shù)應(yīng)等于低能級E1吸收光子而躍遷到高能級E2的原子數(shù)。

3、（簡答）5. 光譜線增寬：光譜的線型和寬度與光的時間相干性直接相關(guān)，對許多激光器的輸出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影響，所以光譜線的線型和寬度在激光的實(shí)際應(yīng)用中是很重要的問題。（填空）光譜線增寬的分類：自然增寬、碰撞增寬、多普勒增寬自然增寬：自然增寬的線型函數(shù)的值降至其最大值的1/2時所對應(yīng)的兩個頻率之差稱作原子譜線的半值寬度，也叫作自然增寬。碰撞增寬：是由于發(fā)光原子間的相互作用造成的。多普勒增寬：是由于發(fā)光原子相對于觀察者運(yùn)動所引起的譜線增寬。當(dāng)光源和接收器之間存在相對運(yùn)動時，接收器接收到的光波頻率不等于光源與接收器相對靜止時的頻率，叫光的多普勒效應(yīng)。6. 按照譜線增寬的特點(diǎn)可分為

4、均勻增寬和非均勻增寬兩類。7. 要實(shí)現(xiàn)光的放大，第一需要一個激勵能源，用于把介質(zhì)的粒子不斷地由低能級抽運(yùn)到高能級上去；第二需要有合適的發(fā)光介質(zhì)（或稱激光工作物質(zhì)），它能在外界激勵能源的作用下形成的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。8. 要使受激輻射起主要作用而產(chǎn)生激光，必須具備三個條件：（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、分子或者離子）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。9. 課后答案第2

5、章 激光器的工作原理1. 激光是在光學(xué)諧振腔中產(chǎn)生的。諧振腔對激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的主要功能之一是使光在腔內(nèi)來回反射多次以增長激活介質(zhì)作用的工作長度，提高腔內(nèi)的光能密度。兩塊平面鏡就可以使平面鏡垂直的光線在腔內(nèi)來回反射任意多次，而不會投射到平面鏡的通光口徑之外。顯而易見的是，不垂直于反射鏡表面的傍軸光線經(jīng)過有限次的反射，就會投射到平面鏡的通光口徑之外，使得激活介質(zhì)作用的工作長度只得到有限的增長。所以，光線能夠在諧振腔中反射的次數(shù)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。腔中任一束傍軸光線經(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，這種諧振腔叫做穩(wěn)定腔，反之稱為不穩(wěn)定腔。2.

6、 共軸球面腔的穩(wěn)定性條件是3. 非穩(wěn)腔：非穩(wěn)腔，因其對光的幾何損耗大，不宜用于中小功率的激光器。但對于增益系數(shù)G大的固體激光器，也可用非穩(wěn)腔產(chǎn)生激光，其優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)地改變輸出光的功率，在某些特殊情況下能使光的準(zhǔn)直性、均勻性比較好。（填空）4. 區(qū)分穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔在制造和使用激光器時有很重要的實(shí)際意義。由于在穩(wěn)定腔內(nèi)傍軸光線能夠往返傳播任意多次而不逸出腔外，因此這種腔的幾何損耗（指因反射而引起的損耗）極小。一般中、小功率的氣體激光器（增益系數(shù)G）常用穩(wěn)定腔，它的優(yōu)點(diǎn)是容易產(chǎn)生激光。（填空）5. 對稱共焦腔是最重要和最代表性的一種穩(wěn)定腔。（填空）6. 三能級系統(tǒng) 四能級系統(tǒng)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)7. 激

7、光器的損耗指的是在激光諧振腔內(nèi)的光損耗。激光損耗的分類：內(nèi)部損耗和鏡面損耗。內(nèi)部損耗是諧振腔內(nèi)增益介質(zhì)內(nèi)部的損耗，與增益介質(zhì)的長度有關(guān)；鏡面損耗指可以折合到諧振腔鏡面上的損耗。8. 課后答案第3章 激光器的輸出特性1. 自再現(xiàn)模概念：光學(xué)諧振腔是一種“開式”的諧振腔。所謂開式是指，諧振腔只靠兩端的反射鏡來實(shí)現(xiàn)光束在腔內(nèi)的往返傳播，對于光波沒有任何其他限制。由于反射鏡的有限大小，它在對光束起反射作用的同時，還會引起光波的衍射效應(yīng)。腔內(nèi)的光束每經(jīng)過一次反射鏡的作用，就使光束的一部分不能再次被反射回腔內(nèi)。因而，反射回來的光束的強(qiáng)度要減弱，同時光強(qiáng)部分也將發(fā)生變化。當(dāng)反射次數(shù)做多時（大概三百多次反射）

8、，光束的橫向場分布便趨于穩(wěn)定，不再受衍射的影響。場分布在腔內(nèi)往返傳播一次后能夠再現(xiàn)出來，反射只改變光的強(qiáng)度大小，而不改變光的強(qiáng)度分布。這種穩(wěn)態(tài)場將一次往返后，唯一的變化是，鏡面上個點(diǎn)的場振幅按同樣的比例衰減，各點(diǎn)的相位發(fā)生同樣大小的滯后。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)單程渡越（傳播）后即實(shí)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。2. 輸出功率與諸參量之間的關(guān)系：（1） 輸出功率與飽和光強(qiáng)的關(guān)系： 激光器的輸出功率P與飽和光強(qiáng)成正比；（2） 輸出功率與光束截面的關(guān)系： 光束截面A大的激光器，其輸出功率P也大；（3） 輸出功率與輸出反射鏡的透射率的關(guān)

9、系： 部分反射鏡的透射率的選取對激光器輸出功率的影響很大。為了讓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。3. 普通光源發(fā)光的譜線是具有一定的寬度的。造成線寬的原因很多，其中還主要有：能級的有限壽命造成了譜線的自然寬度；發(fā)生光粒子之間的碰撞造成了譜線的碰撞寬度（或壓力寬度）；發(fā)光粒子的熱運(yùn)動造成了譜線的多普勒寬度。這三種原因一般同時起作用的，實(shí)際的譜線線型是它們共同作用的結(jié)果。這種譜線叫做發(fā)光物質(zhì)的熒光譜線，其線寬叫做熒光線寬。4. 單純由于腔內(nèi)自發(fā)輻射而引起的激光譜線寬度遠(yuǎn)小于1Hz。例如，腔長L=1m，單程損耗，每端輸出1mW的He-Ne激光器發(fā)出的0.6328譜線的寬度約

10、為，這是個極微小的線寬。實(shí)驗(yàn)測得的激光器線寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個數(shù)值。這說明造成激光線寬還有其他較自發(fā)輻射影響更大的因素。盡管如此，對于自發(fā)輻射造成激光線寬的分析還是十分有意義的。因?yàn)樽园l(fā)輻射在任何激光器中都存在，所以這種因素造成的激光線寬無法排除。也就是說這種線寬是消除了其他各種使激光線寬增加的因素后，最終可以達(dá)到的最小線寬，所以叫做線寬極限。 影響激光穩(wěn)定性的一些因素，諸如溫度的波動、機(jī)械的振動、大氣壓力和濕度的變化、空氣的對流、損耗的波動、增益的波動，以及熒光中心頻率漂移等，是產(chǎn)生激光線寬的外部原因。因?yàn)楫?dāng)激光的頻率不穩(wěn)定而發(fā)生變化和漂移時，激光振蕩就不會是等幅的連續(xù)的正弦振蕩，它必然會形成一定

11、的頻率分布，因而出現(xiàn)一定的譜線寬度。實(shí)驗(yàn)證明，穩(wěn)頻度較高的He-Ne激光器輸出的譜線寬度大約為幾十Hz的數(shù)量級，而固體激光器和半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更寬，一般都在以上。（概念、填空、簡答、名詞解釋）5. 課后答案第4章 激光的基本技術(shù)1. 激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個部分，一部分是對激光縱模的選取，另一部分是對激光橫模的選取。前者對激光的輸出頻率影響較大，能夠大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的選頻技術(shù)；后者主要影響激光輸出的光強(qiáng)均勻性，提高激光的亮度，一般稱為選模技術(shù)。2. 單縱模的選?。哼x頻方法（短腔法、法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法、三反射鏡法）【簡答、名詞解釋】3. 激光單橫模的選?。?/p>

12、衍射損耗（由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗）、光闌法選取單橫模、聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡選取橫模。 聚焦光闌法：為了充分利用激光工作物質(zhì)，可以在腔內(nèi)插入一個透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率，這種方法叫做聚焦光闌法。優(yōu)點(diǎn)：既保持了小孔光闌的選模特性，又提高了激活介質(zhì)的利用率，增大了激光的輸出功率；缺點(diǎn)：只有沿軸向行進(jìn)的平行光束，經(jīng)聚焦后才能夠通過小孔往返振蕩。 腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡：優(yōu)點(diǎn)：能充分利用激光工作物質(zhì)，獲得較大功率的基模輸出?？赏ㄟ^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。輸出光斑大小適當(dāng)，不致?lián)p傷光學(xué)元件。4. 激光器通過選模獲得單頻震蕩后，由于內(nèi)部和外界

13、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”。由于漂移的存在，出現(xiàn)了激光器頻率穩(wěn)定性問題。穩(wěn)頻的任務(wù)就是設(shè)法控制那些可以控制的因素，使其對振蕩頻率的干擾減至最小限度，從而提高激光頻率的穩(wěn)定性，減小頻率的漂移。 頻率的穩(wěn)定性包括兩個方面：1.頻率穩(wěn)定度；2.頻率復(fù)現(xiàn)度。2. 影響頻率穩(wěn)定的因素：腔長變化；折射率變化3. 穩(wěn)頻方法：被動式穩(wěn)頻和主動式穩(wěn)頻。被動式穩(wěn)頻原理：利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器；或?qū)崤蛎浵禂?shù)為負(fù)值的材料與熱噴腹脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合，以使熱膨脹互相抵消，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。（簡答）主動式穩(wěn)頻原理：把單頻激光器的頻率與某個穩(wěn)定的參考頻

14、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(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。4. 激光調(diào)制的基本概念：激光調(diào)制就是把激光作為載波攜帶低頻信號，本質(zhì)上是無線電波調(diào)制向光頻段的拓展。5. 激光調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制：指在激光生成的振蕩過程中加載調(diào)制信號，通過改變激光的輸出特性而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制。外調(diào)制：在激光形成以后，再用調(diào)制信號對激光進(jìn)行調(diào)制，它并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)。6. 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的分類：機(jī)械偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn)。7. 機(jī)械偏轉(zhuǎn)原理：利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)

15、，或者利用反射鏡的振動實(shí)現(xiàn)光束掃描；優(yōu)點(diǎn)：偏轉(zhuǎn)角大、分辨率高、光損失小、可適應(yīng)光譜范圍大；缺點(diǎn)：受驅(qū)動器角速度的限制、難以實(shí)現(xiàn)快速、高精度的可控偏轉(zhuǎn)。8. 電光偏轉(zhuǎn)原理：利用泡克爾斯效應(yīng)，通過施加在電光晶體上的電場來改變晶體的折射率，使光束偏轉(zhuǎn)。9. 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指狀態(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)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到峰值時，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。這時儲存在亞穩(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。用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱為激光調(diào)Q技術(shù)。10. 調(diào)Q技術(shù)方式：電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、染料調(diào)Q。11. 激光鎖模技術(shù)定義：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。鎖模技術(shù)是進(jìn)一步對激光進(jìn)行特殊的調(diào)制，強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個縱模的相位固定，使各模式相干疊加得到超短脈