激光原理及應用

1、激光原理及應用第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：（計算）3. 光和物質的作用：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（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。在單色能量密度為的光照射下，dt時間內在光和原子相互作用達到動平衡的條件下有下述關系：（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，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，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際應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動所引起的譜線增寬。當光源和接收器之間存在相對運動時，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。6. 按照譜線增寬的特點可分為

4、均勻增寬和非均勻增寬兩類。7. 要實現(xiàn)光的放大，第一需要一個激勵能源，用于把介質的粒子不斷地由低能級抽運到高能級上去；第二需要有合適的發(fā)光介質（或稱激光工作物質），它能在外界激勵能源的作用下形成的粒子數(shù)密度反轉分布狀態(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作為激光工作物質，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構；（2） 有外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉；（3） 有光學諧振腔，增長激活介質的工作長度，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來回反射多次以增長激活介質作用的工作長度，提高腔內的光能密度。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)與其結構密切相關。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際意義。由于在穩(wěn)定腔內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7. 激

7、光器的損耗指的是在激光諧振腔內的光損耗。激光損耗的分類：內部損耗和鏡面損耗。內部損耗是諧振腔內增益介質內部的損耗，與增益介質的長度有關；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現(xiàn)光束在腔內的往返傳播，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。腔內的光束每經(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。因而，反射回來的光束的強度要減弱，同時光強部分也將發(fā)生變化。當反射次數(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。場分布在腔內往返傳播一次后能夠再現(xiàn)出來，反射只改變光的強度大小，而不改變光的強度分布。這種穩(wěn)態(tài)場將一次往返后，唯一的變化是，鏡面上個點的場振幅按同樣的比例衰減，各點的相位發(fā)生同樣大小的滯后。當兩個鏡面完全相同時（對稱開腔），這種穩(wěn)態(tài)場分布應在腔內經(jīng)單程渡越（傳播）后即實現(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。2. 輸出功率與諸參量之間的關系：（1） 輸出功率與飽和光強的關系： 激光器的輸出功率P與飽和光強成正比；（2） 輸出功率與光束截面的關系： 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

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，實際的譜線線型是它們共同作用的結果。這種譜線叫做發(fā)光物質的熒光譜線，其線寬叫做熒光線寬。4. 單純由于腔內自發(fā)輻射而引起的激光譜線寬度遠小于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。實驗測得的激光器線寬遠遠大于這個數(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。因為自發(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。因為當激光的頻率不穩(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。實驗證明，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1. 激光器輸出的選模（選頻）技術分為兩個部分，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；后者主要影響激光輸出的光強均勻性，提高激光的亮度，一般稱為選模技術。2. 單縱模的選取：選頻方法（短腔法、法布里-珀羅標準具法、三反射鏡法）【簡答、名詞解釋】3. 激光單橫模的選取：

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

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)頻的任務就是設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；或將熱膨脹系數(shù)為負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，使振蕩頻率回到標準的參考頻率上，實現(xiàn)穩(wěn)頻。4. 激光調制的基本概念：激光調制就是把激光作為載波攜帶低頻信號，本質上是無線電波調制向光頻段的拓展。5. 激光調制分為內調制和外調制。內調制：指在激光生成的振蕩過程中加載調制信號，通過改變激光的輸出特性而實現(xiàn)的調制。外調制：在激光形成以后，再用調制信號對激光進行調制，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. 激光偏轉技術的分類：機械偏轉、電光偏轉、聲光偏轉。7. 機械偏轉原理：利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉

15、，或者利用反射鏡的振動實現(xiàn)光束掃描；優(yōu)點：偏轉角大、分辨率高、光損失小、可適應光譜范圍大；缺點：受驅動器角速度的限制、難以實現(xiàn)快速、高精度的可控偏轉。8. 電光偏轉原理：利用泡克爾斯效應，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。9. 調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，粒子密度反轉數(shù)即使積累到很高水平也不會產(chǎn)生振蕩；當粒子反轉數(shù)達到峰值時，突然使腔的Q值增大，將導致激光介質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。用調節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術稱為激光調Q技術。10. 調Q技術方式：電光調Q、聲光調Q、染料調Q。11. 激光鎖模技術定義：調Q技術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。鎖模技術是進一步對激光進行特殊的調制，強迫激光器中振蕩的各個縱模的相位固定，使各模式相干疊加得到超短脈