激光原理及應(yīng)用復(fù)習(xí)提綱

1、激光原理及應(yīng)用復(fù)習(xí)提綱、名詞解釋1. 光波模式一一光學(xué)上把具有一定頻率、一定偏振狀態(tài)和傳播方向的光波稱作 光波的一種模式。2. 受激輻射一一如果原子系統(tǒng)的兩個(gè)能級(jí) E2和Ei滿足輻射躍遷選擇定則，當(dāng)受 到外來(lái)能量hv =E-Ei的光照射時(shí)，處在 E能級(jí)的原子受到外來(lái)光激勵(lì)作用 躍遷 到較低能級(jí)Ei上并發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子完全相同的光子的過(guò)程。3. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一一當(dāng)高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)(B>B),有ng m>nn/g n的情況叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。4. 激光縱模 諧振腔內(nèi)正反兩列沿軸線 相反方向傳播的同頻率光波 疊加形 成駐波，諧振腔內(nèi)的駐波場(chǎng)稱為激光縱模。5. 激光橫模一一自再

2、現(xiàn)模積分方程的 本征函數(shù)解Umn表示的是在激光諧振腔中 存在的穩(wěn)定的橫向場(chǎng)分布，叫做激光橫模。6. 譜線加寬一一實(shí)際光強(qiáng)分布總在一個(gè) 有限寬度的頻率范圍 內(nèi),每一條譜線都 有一定的寬度，v = v0 只是譜線的中心頻率，這種現(xiàn)象稱為譜線加寬。7. 激活物質(zhì)一一能把處于低能級(jí)上的粒子大量地抽運(yùn)到高能級(jí)上去，造成nJg 2>ni/g i的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)的介質(zhì)。8. 輻射躍遷一一因發(fā)射或吸收光子從而使原子造成 能級(jí)間躍遷的現(xiàn)象。9. 增益飽和一一在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱時(shí)，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)的增大而減小。10. 光譜

3、線型一一表征某一譜線在單位頻率間隔的相對(duì)光強(qiáng)分布線型函數(shù)f(v)。11.咼斯光束基橫模行波輸出 在與光束前進(jìn)方向的垂直平面上的強(qiáng)度分布呈高斯線型，稱為高斯光束。12.自再現(xiàn)模一一對(duì)于兩個(gè)鏡面 完全相同的的諧振腔，光束的橫向場(chǎng)分布在腔 內(nèi)經(jīng)單程渡越后實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)，這個(gè)穩(wěn)定的橫向場(chǎng)分布就是激光諧振腔的自再現(xiàn)模。二、基本公式與概念(第一章1-6 ;第二章7-9 ;第三章10-13;第四章14-19)；-h >1.光子能量與動(dòng)量：2 h 0P = = kc 2 二2.兩能級(jí)上原子數(shù)分布(玻爾茲曼分布)：也血 =e n n©(Em -En)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)指的就是 nm/gm nn/gn03.原

4、子自發(fā)輻射平均壽命，等于原子數(shù)密度由初始降為1/e所用的時(shí)間.=1/A213A218 h4.愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系：二，熱平衡空腔的單色輻射能量密度g1 B12 二 g2B21p _ A211= B2?B12g1eh；1B21g21，受激輻射光功率體密度與自發(fā)輻射光功ekT -1率體密度之比q自 (t)B21 二 A215.譜線的線型函數(shù)f °)二g 匕 -I0Jl(v)dv0，其歸一化條件 f 0 )d =106. 光波在介質(zhì)中的相對(duì)衰減速率A話紫，介質(zhì)的增益系數(shù)1 dI(z)I(z) dz如果測(cè)的增益介質(zhì)光強(qiáng)I。、穿過(guò)增益G = (n2 _g2 n 1)B2/1 f ( )h、=

5、g1 c介質(zhì)后出射的光強(qiáng)I以及增益介質(zhì)長(zhǎng)度L，那么平均增益系數(shù)G*ln+ 07. 共軸球面腔穩(wěn)定條件0 ：（仁丄）（仁丄）：1或0門。常見(jiàn)的穩(wěn)定腔有：雙RR2凹穩(wěn)定腔（1、2、3、4）、平凹穩(wěn)定腔（AC AD、凹凸穩(wěn)定腔（5、6）、共焦腔 （原點(diǎn)）和半共焦腔（E、F）;臨界腔有：平行平面腔（A）、共心腔（兩條雙曲 線）和半共心腔（平凹C D）。圖（2-2）共軸球面腔的穩(wěn)定圖均勻增寬介質(zhì)系數(shù)GO二8. 均勻增寬型介質(zhì)的飽和光強(qiáng)"益土，使介質(zhì)產(chǎn)生飽和作用的頻率范圍G°(' )丄丄QI S f ( o)_! 2G°C ）二衍0B21 h- 0 f C ） ,0

6、= R 2 -（R，R2）r， f C 0），R、R是激勵(lì)c兀Av能源的抽運(yùn)速率，T 1、T 2是介質(zhì)能級(jí)的壽命。9. 光在增益介質(zhì)中的變化規(guī)律I = I。exp（G - a總）z，激光振蕩的增益系數(shù)可以改18 兀斗2 P 2a、寫為Ga內(nèi)-丄In億-門；閾值條件為 衍F閾二一2Lc f（+）10. 激光振蕩模式的諧振頻率*=2氏，因?yàn)閱纬炭傁嘁频闹饕糠质菐缀蜗嘁?，縱模序數(shù)q的值非常大，另外單程附加相移mn有限，因此激光諧振腔的諧振頻率主要決定于縱模序數(shù)mnq二妊；縱模頻率間隔借，可得ii. 高斯光束的傳播：z處截面內(nèi)基模的有效截面半徑 (z) s . IQ2L在z處高斯光束的截面半徑僅取決

7、于共焦腔的腔長(zhǎng)；束腰半徑國(guó)° =亠軋=丄、邑;用束腰表示有效截面半徑 國(guó)(z)=% 中-)2 ；波陣面<2<2 F 兀Yw0曲率半徑x|z|(¥)2；遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角22l& 012.穩(wěn)定球面腔的等價(jià)共焦腔:由 R =|zi |1 - (-)2、R2 =|Z21 ()2和|Zi | - ZIL 得到 乙Z2,L(R -L)(R2 -L)(R R, -L)R R2-2L2(Ri R2 -2L)原球面腔鏡面的基模光束有效半徑si2R (R2 _ L)I/4L(R -L)(RR2-L)si戌(只2 _ L)i/4L(R -L)(RR2-L)13.等效共焦腔的束腰半徑

8、二(_嚴(yán)(尺-L)(R2-L)(Ri R2 -)1/4TL諧振頻率：方形鏡'mnq圓形鏡mnqciq(m n "arccos . g©ciq (m - 2n i)arccos . g© -L"：14.單縱模選取的方法有：短腔法、法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法和三反射鏡法; 的選取方法有：光闌法、聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法。單橫模15.腔內(nèi)單程基橫模衍射損耗=exp(_2二N),其中N是“菲涅爾數(shù)” N菲涅爾數(shù)越大，單程衍射損耗越小。16. 影響激光器頻率穩(wěn)定性的因素是腔長(zhǎng)的變化和折射率的變化；穩(wěn)頻的方法有 蘭姆凹陷法和飽和吸收法17. 當(dāng)一個(gè)高斯光束射到焦距

9、為f的薄透鏡上時(shí)，出射的仍然是高斯光束，其在 透鏡處的光斑尺寸w'和波陣面曲率半徑R'符合-' nR'由： '0 2R詔1 (0)2九s兀時(shí)0'22-R、s'1 ()2推導(dǎo)得到：.-As' 2'八八1 (. °，2)整理得到：%2s -R'R' 21)2.：爲(wèi)':鳥(niǎo)'221 ( )2 R'18.高斯光束的聚焦:(1)高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦(2)入射光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的聚焦' 叫19.高斯光束的準(zhǔn)直：由工和甘、弋得到0'-，那么12

10、護(hù)二2'fl 2、，可以看出光束發(fā)散角壓縮比m' = 2空二M，式二 'o''f22''f< 0. '0中M =上是倒置望遠(yuǎn)鏡對(duì)普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。fi20.第五章、第六章簡(jiǎn)略方法，例如激光調(diào)制方式 /類型和激光測(cè)距方法等等。三、簡(jiǎn)答1. 光與物質(zhì)相互作用的基本過(guò)程有哪些？各自有何特點(diǎn)？答：光與物質(zhì)相互作用的基本過(guò)程有：自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。特點(diǎn)：自發(fā)輻射一一 不受外界影響，自發(fā)進(jìn)行；產(chǎn)生的各列光波頻率雖然相同，但各列光波之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系，各有不同的偏振方向。受激輻射 只有外來(lái)光子的能量h v =E-Ei，

11、才能引起受激輻射； 受激輻射所發(fā)生的光子與外來(lái)光子的特性完全相同。受激吸收一一處于低能級(jí)E1的原子受到外來(lái)光子（能量hv =E2-Ei） 的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí) E2的過(guò)程。2. 光學(xué)諧振腔的作用是什么？答： 提供光學(xué)正反饋?zhàn)饔茫菏沟谜袷幑馐谇粌?nèi)行進(jìn)一次時(shí)，除了由腔內(nèi)損 耗和通過(guò)反射鏡輸出激光束等因素引起的光束能量減少外，還能保證有足夠能量 的光束在腔內(nèi)多次往返經(jīng)受激活介質(zhì)的受激輻射放大而維持繼續(xù)振蕩；產(chǎn)生對(duì)振蕩光束的控制作用：有效地控制腔內(nèi)實(shí)際振蕩的模式數(shù)目， 獲得 單色性好、方向性強(qiáng)的相干光，可以直接控制激光束的橫向分布特性、 光斑大小、 諧振頻率及光束發(fā)散角，可以

12、控制腔內(nèi)光束的損耗，在增益一定的情況下能控制 激光束的輸出功率。PS.倍增激光增益介質(zhì)的受激放大作用長(zhǎng)度以形成光的高亮度；提高了光源 發(fā)光的方向性；由于激光器諧振腔中分立的振蕩模式的存在， 大大提高了輸出激 光的單色性，實(shí)現(xiàn)了高度的相干性，改變了輸出激光的光束結(jié)構(gòu)及其傳輸特性。3. 激光器的基本結(jié)構(gòu)包括哪些？答：泵浦源、激活介質(zhì)和諧振腔反射鏡。4. 激光的特性有哪些？答：高亮度、方向性好、相干性好。5. 光譜線增寬的主要原因有哪些？各自機(jī)理如何？線型函數(shù)如何?答：自然增寬一一作為電偶極子看待的原子作衰減振動(dòng)而造成的譜線增寬。自然增寬線型分布函數(shù)：洛侖茲線型。自然增寬的大?。?.1 100MHZ

13、 碰撞增寬由氣體粒子間或氣體粒子與器壁間的碰撞、或固體粒子間的偶極相互作用引起的譜線增寬。碰撞增寬線型分布函數(shù)：洛侖茲線型。碰撞增寬的大?。?00 200MHZ 多普勒增寬由于原子運(yùn)動(dòng)速度各不相同，不同速度的原子所發(fā)出的光被接收時(shí)的頻率也各不相同，因此引起譜線頻率增寬。 多普勒增寬線型分布函數(shù)：高斯線型。6. 受激輻射產(chǎn)生激光必須具備哪些條件？答： 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì),其激活粒子有適合于產(chǎn)生 受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向，選擇被 放大的輻射光頻率以

14、提高單色性。7. 激光橫模選擇的依據(jù)是什么？答：選橫模的實(shí)質(zhì)是使需要的橫模（一般為基模 TEM）滿足激光振蕩條件，而 使不需要的橫模（一般為高階模）不滿足振蕩條件而被抑制，從而達(dá)到濾去高階 模的目的。8. 單模激光器的縱模頻率與哪些因素有關(guān)？答:由諧振頻率公式mnqCmn可以看出，影響縱模頻率的因素是縱模序2#L 2 兀數(shù)q、諧振腔的單程附加相移，以及各物理常數(shù)，其中單程附加相移取決于橫模序數(shù)m、no9. 與普通球面光波相比，基模高斯光束有何特點(diǎn)？答： 高斯光束不像球面波那樣在波陣面上具有均勻的振幅分布，而是呈現(xiàn)出高斯型的振幅分布，在光束中心處光能十分集中；不像球面波那樣在所有的波陣面具有一個(gè)

15、共同的球心，而是不同的波陣面具有不同的曲率中心；不像球面波那樣向空間均勻地輻射， 而是局限在十分微小的發(fā)散角 內(nèi)輸出 光能，具有極好的方向性。10. 高斯光束通過(guò)薄透鏡變換時(shí)遵守什么原則？答：；.-； : ；.-?'1 1 1=R R' f11當(dāng)高斯光束束腰處于薄透鏡前焦點(diǎn)時(shí)，出射光的束腰在何處？答：當(dāng)入射高斯光束的腰處于透鏡的焦點(diǎn)上時(shí)，出射光束正好聚焦在透鏡另一側(cè)的焦點(diǎn)上。12. 用公式表示出射光束的腰粗與入射光束的腰粗的關(guān)系。答：o' = f13. 激光調(diào)Q的目的是什么？答：為了獲得峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。14. 半導(dǎo)體激光器輸出光的光強(qiáng)分布有何特點(diǎn)？答：由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小， 激光方向性較差，特別是在結(jié)的垂直平面 內(nèi)，發(fā)散角很大，可達(dá)20o-30o。在結(jié)的水平面內(nèi)，發(fā)散角約為幾度。15. 什么是小信號(hào)工作狀態(tài)？. 0答：激光上下能級(jí)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的表達(dá)式為：5二n2 - n