激光原理考試基本概念

1、1、激光與普通光源相比有三個(gè)主要特點(diǎn)：方向性好，相干性好，亮 度咼Q 2、激光主要是光的受邀輻射，普通光源主要光的 自發(fā)輻射。3、光的一個(gè)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范圍，波長為30卩m,其相應(yīng) 頻率為10八15-10八13。5、具有單一頻率的平面波叫作單色平面波，如果頻率寬度v<<v 時(shí)，這種波叫作準(zhǔn)單色波。6、原子處于最低的能級狀態(tài)稱為基態(tài)，能量高于基態(tài)的其他能級狀 態(tài)叫作激發(fā)態(tài)。7、兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子可以具有相同的能級，這 樣的能級叫作簡并能級。8同一能級所對應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目叫作簡并

2、度，用字 母g表示。9、輻射躍遷選擇定則（本質(zhì)：狀態(tài)一定要改變），原子輻射或吸收光 子，不是在任意兩能級之間躍遷，能級之間必須滿足下述選擇定則: a、躍遷必須改變奇偶態(tài);b>A J=0, 士 1 （ J=0tJ=O除外）；對于采用LS耦合的原子還必須滿足下列選擇定則: c>A L=0, 士 1 （ L=0t L=O 除外）； d>A S=0,即躍遷時(shí)S不能發(fā)生改變。10、大量原子所組成的系統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)下， 原子數(shù)按能級分布服從 玻耳茲曼定律。11、處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處在低能態(tài)的粒子數(shù)，這是熱平衡 情況的一般規(guī)律。12、因發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現(xiàn)象叫

3、作輻射 躍遷，必須滿足輻射躍遷選擇定則。13、光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程：自發(fā)輻射，受激輻 射，和受激吸收。14、普通光源中自發(fā)輻射起主要作用，激光工作過程中受激輻射起主 要作用。15、與外界無關(guān)的、自發(fā)進(jìn)行的輻射稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的光是 非相干光。16、能級平均壽命等于自發(fā)躍遷幾率的倒數(shù)。17、受激輻射的特點(diǎn)是: a、只有外來光子的能量hv=E2-E1時(shí)，才能引起受激輻射。b受激輻射所發(fā)出的的光子與外來光子的特性完全相同 （頻率相同, 相位相同，偏振方向相同，傳播方向相同）。18、受激輻射光子與入射（激勵(lì)）光子屬于同一光子態(tài)；受激輻射與 入輻射場具有相同的頻率、相位、波矢（傳

4、播方向）和偏振， 是相干 的。19、自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身， 而受激輻射的躍遷幾 率決定于受激輻射系數(shù)與外來單色能量密度乘積。20>Av =v2-v1 ,即相對光強(qiáng)為最大的1/2處的頻率間隔，叫作光譜 線的半值寬度（光譜線寬度）增益介質(zhì)或激活介21、處于低能級上的粒子大量地抽運(yùn)到高能級上， 造成一個(gè) n2/g2>n1/g1 的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)狀態(tài)的介質(zhì)叫作 質(zhì)。簡答題一：產(chǎn)生激光的三個(gè)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、使激光上下能級之分子或離子）；（有合適的激光工作物質(zhì)） 2. 有外界激勵(lì)源， 將下能級的粒子抽運(yùn)到上能級， 間產(chǎn)生粒

5、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。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：0vglg2vl；為穩(wěn)定腔，當(dāng)g1g2=0,或 g1g2=1 時(shí)為臨界腔。2、穩(wěn)定腔對光的幾何損耗（因反射而引起的損耗）極小，中、小的 氣體激光器（增益系數(shù) G?。┏Ｓ梅€(wěn)定腔，容易產(chǎn)生激光。3、通過泵浦實(shí)現(xiàn)能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所采用的能級結(jié)構(gòu)為三能級系

6、統(tǒng)和四能級系統(tǒng)。4、四能級系統(tǒng)所需要的激勵(lì)能量要比三能級系統(tǒng)小得多，產(chǎn)生激光 比三能級系統(tǒng)容易得多。5、在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱，增益系數(shù)是一 個(gè)常數(shù)；當(dāng)入射光的光強(qiáng)增大到一定程度后， 增益系數(shù)隨光強(qiáng)度的增 大而減小，這種現(xiàn)象稱為 增益飽和 。6、激光器產(chǎn)生激光的前提條件是介質(zhì)必須實(shí)現(xiàn)能級間的粒子數(shù)密度 反正分布，即 n>0,或者說增益系數(shù)G>0 7、增益系數(shù)要大于一個(gè)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內(nèi)的光損耗， 分為內(nèi)部損耗（諧 振腔內(nèi)增益介質(zhì)內(nèi)部的損耗， 它與增益介質(zhì)的長度有關(guān)） 和 鏡面損耗可以折合到

7、諧振腔鏡面上的損耗） 。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(dāng)兩個(gè)鏡面完全相同時(shí)（對稱開腔） ，穩(wěn) 態(tài)場（橫向場）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)” 。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(gè)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/2a L5、腔內(nèi)兩個(gè)相鄰縱模頻率之差v q稱為縱模的頻率間隔。6、基橫模

8、（TEMO0行波場，激光應(yīng)用常常只用它的基橫模輸出。7、基橫模行波輸出在與光束前進(jìn)的垂直平面上的強(qiáng)度呈高斯型分布，通常稱為 高斯光束 。注：計(jì)算題有關(guān)高斯光束的相關(guān)計(jì)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(dú)立應(yīng)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（ TEM0）0 與高階模相比，具有亮度高、發(fā)散角小、徑向光強(qiáng)分布均勻、振蕩頻率單一等特點(diǎn)。3、激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個(gè)部分：對激光 縱模的選取和對激光 橫模的選取。4、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

9、。5、非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模。6、設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)是使TEM00模達(dá)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(fù)現(xiàn)度），穩(wěn)頻的方法：主 動(dòng)式穩(wěn)頻和被動(dòng)式穩(wěn)頻。12、主動(dòng)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

10、：高斯光束的聚焦、擴(kuò)束和準(zhǔn)直。14、高斯光束的準(zhǔn)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(kuò)束就是擴(kuò)大光束的光斑尺寸。簡答題三：激攵光調(diào)制可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。 內(nèi)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(shí)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(jìn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)激光偏振的途徑主要有機(jī)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

11、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(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(gè) 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，則腔內(nèi)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(dòng)鎖模和被動(dòng)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

12、固體工作物質(zhì)仍是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(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+）屬于二能級系統(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）1腔長為的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率0 = ?10 14Hz,熒光線寬=6?108 Hz，問它可第一章：1,12計(jì)算題1.試計(jì)

13、算連續(xù)功率均為 1W勺兩光源，分別發(fā)射 躍遷到下能級的粒子數(shù)各為多少？=?m=3000MHz的光，每秒從上能級答：粒子數(shù)分別為:niq h0.5 10 66.63 10 34 -6.63 10 34 3 1082.5138 10q13496.63 10 34 3 1095.0277 1023?m紅光的中心頻率為X 1014H Z,室溫下氖原子的平均速率設(shè)為答:0(1 c)0(11.866710 65608 )(11.8667 10 6) 03 1081484.74 108.848 10 Hz第二章：3,43.(a)要制作一個(gè)腔長 L = 60cm的對稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？(b

14、)穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑答：(a) R1 R2 R ;R1= 4L,求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。0 (1 L)(11R 30cm(b) 0(1)(1R1R2L) 1R2R2 L 或 R23L4.穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為 圍。答：R = 40cmRa= 100cm求腔長L的取值范0 (1 t)(1 十)1 0 (1 i)(1 盤R2L 40c m 或 100 L 140 cm12設(shè)氖原子靜止時(shí)發(fā)出560m/s。求此時(shí)接收器接收頻率與中心頻率相差若干?第三章：125,6,7能存在幾個(gè)縱模？相應(yīng)的q值為多少？（設(shè) =1）答:2 昇 3 108Hz，6 108沽2，則可能存在的

15、縱模數(shù)有"它們對應(yīng)的q值分別為:qc2 L145.85 103 1081.95 106 ,q + 1=1950001, q 1 = 19499992. He Ne激光器的中心頻率140 = x 10 Hz,熒光線寬9=?10 Hz。今腔長L= lm，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:c 3 108q 2 L 21 八5 108 Hz，n即可能輸出的縱模數(shù)為10個(gè)，要想獲得單縱模輸出,則:3 1081.5 1090.2m故腔長最長不得大于 0.2m。5. （a）計(jì)算腔長為1m的共焦腔基橫模的遠(yuǎn)場發(fā)散角，設(shè)入=6328?, 10km處的光斑面積多大。（b）有一普通探照燈，設(shè)發(fā)散角為2?，則1km遠(yuǎn)處的光斑面積多大？答：（1）基橫模的遠(yuǎn)場發(fā)散角 22任 2# 6328 101.269 10 3 rad（2） 10km處的光斑尺寸z 107( J63282_1021 4 108 6.347m10km處的光斑面積2 26.347126.5572m（3） 1km處的光斑尺寸1000tg1o 17.455m1km處的光斑面積2 217.455957.1711m6.激光的遠(yuǎn)場發(fā)散角（半角）還受到衍射效應(yīng)的限制。它不能小于激光通過輸出孔時(shí)的衍射極限角衍（半角）=入/d。在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)場發(fā)散角常用愛里斑衍射極