激光原理期末復(fù)習(xí)基本概念

1、激光原理期末復(fù)習(xí)前言1、（I960）年美國加利福尼亞州休斯航空公司實驗室的研究員梅曼（Maiman）制成世界上第一臺激光器一紅寶石激光器。2、激光是利用（光能）、熱能、電能、化學(xué)能或核能等外部能量來激勵物質(zhì)，使其發(fā)生受激 輻射而產(chǎn)生的一種特殊的光。3、根據(jù)激光器工作物質(zhì)分類有：固體激光器；（氣體激光器）；液體激光器；染料激光器；半導(dǎo)體激光器等。4、按激光器運轉(zhuǎn)方式分類有：連續(xù)激光器；單次脈沖激光器；（重復(fù)脈沖激光器）；調(diào)Q激光器；鎖模激光器；單模和穩(wěn)頻激光器；可調(diào)諧激光器等。5、按激光激勵方式分類有：光泵式激光器；（電激勵式激光器）；化學(xué)激勵激光器（又稱化學(xué)激光器）；核泵激光器。6、按激光器輸

2、出激光的波段范圍分類有：遠紅外激光器；（中紅外激光器）；近紅外激光器；可見激光器；近紫外激光器；真空紫外激光器；X射線激光器等。7、激光最突出的特性是：能量集中，（高方向性）；高亮度；單色性好；相干性強。8、激光的方向性表示可以用平面角和（立體角）表示。9、具有單一頻率的光波稱為單色光。單色性：用（/入或）表示。10、激光的輻射范圍在 1xi0-3rad （ 0.06o）左右。氨-速激光器輸出的紅色激光譜線寬度只 有（10-8 ） nm 。11、激光的單色性越好，相干長度越（長）；激光的相干長度可達 105千米。第1章輻射理論概要1、電磁輻射同物質(zhì)相互作用產(chǎn)生吸收和發(fā)射現(xiàn)象時，電磁輻射以（光子

3、或光量子）不連續(xù) 的形式交換能量。2、光量子能量E與波長成反比：E1/入；波長越長；光量子能量 E越?。唬l率越低）；波長越短；光量子能量 E越大；（頻率越高）。3、原子處于最低的能級狀態(tài)稱為（基態(tài)）。能量高于基態(tài)的其它能級狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。4、能級有兩個或兩個以上的不同運動狀態(tài)稱為簡并能級。同一能級所對應(yīng)的不同電子運動 狀態(tài)的數(shù)目稱為（簡并度）。5、在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級分布服從（波爾茲曼定律）。6、原子能級間躍遷發(fā)射或吸收光子的現(xiàn)象稱為輻射躍遷。原子在不同能級躍遷時并不伴隨 光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量的現(xiàn)象 稱為（非輻射躍遷）。7、輻射場

4、中單位體積內(nèi)，（單位頻率間隔）中的輻射能量稱為單色輻射能量密度。8、光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程：伯發(fā)車§射）；受激吸收；受激輻射。9、自發(fā)輻射：高能級的原子自發(fā)地從（高能級E2）向低能級E1躍遷，同時放出能量為 E=hv的 光子的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。10、自發(fā)輻射系數(shù)（A21）:表示單位時間內(nèi)，發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級總粒子數(shù)密度的百分比。即每一個處于E2能級的粒子在單位時間內(nèi)發(fā)生的自發(fā)躍遷幾率。自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身。各個原子自發(fā)輻射的光向空間各個方向傳播，是（非相干光）。11、原子數(shù)密度由起始值降至它的1/e的時間為自發(fā)輻射的（平均壽命）。A

5、21就是原子在能級E2的平均壽命的倒數(shù)。12、當(dāng)受到外來能量為 hv=E2-E1的光照射時，高能級 E2上的原子向低能級 E1躍遷,同時 發(fā)射一個與外來光子完全相同的光子的現(xiàn)象稱為受激輻射。受激輻射的光子與外來光子的特性一樣。頻率、位相、偏振和傳播方向相同稱之為（全同光子）。13、受激輻射的躍遷幾率（ W21）為單位時間內(nèi)，在外來單色能量密度的光照下，E2能級上發(fā)生受激輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級總粒子數(shù)密度的（百分比）。受激輻射的躍遷幾率決定于受激輻射系數(shù)與外來光單色能量密度的乘積。14、處于低能級E1的原子受到外來光子的刺激作用，（完全吸收）外來光子的能量而躍遷到高能級E2的過程稱為受激

6、吸收。15、單位時間內(nèi)，在外來單色能量密度的光照下，由E1能級躍遷到E2能級的粒子數(shù)密度占E1能級上總粒子數(shù)密度的百分比稱為（受激吸收幾率W12）。16、激光介質(zhì)某一譜線在單位頻率間隔的相對光強分布，叫做光譜線的（線型函數(shù)）。即在一定頻率間隔范圍內(nèi)的光強占總光強的百分比。相對光強為最大值的一半處的頻率間隔，稱為光譜線寬度17、作為電偶極子看待的原子作衰減振動而造成的譜線增寬稱為（自然增寬）。18、原子的能級壽命越短，能級寬度越（寬）。亞穩(wěn)態(tài)能級較窄?；鶓B(tài)能級寬度趨于零。19、自然增寬、碰撞增寬和多普勒三種譜線增寬比較，自然增寬遠（小于）碰撞增寬和多普 勒增寬。20、自然增寬和碰撞增寬中每一個原

7、子所發(fā)的光對譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻，這種增寬為均勻增寬。均勻增寬介質(zhì)的線型為（洛侖茲線型）。21、多普勒增寬中，各種不同速度的原子中對（不同頻率）有貢獻。不同原子的作用是不同 的，這種增寬叫非均勻增寬。非均勻增寬介質(zhì)的線型函數(shù)為高斯分布函數(shù)。22、光在介質(zhì)中傳播時， 高能級上的粒子輻射光子躍遷至低能級，介質(zhì)的受激輻射使光子數(shù)密度增加。光能密度隨光波穿過介質(zhì)路程z的增長而（增大）。23、吸收系數(shù) A代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過單位長度路程光強的相對（衰減率）的大小，也代 表介質(zhì)對光波吸收能力的大小。24、增益系數(shù) G（增益的相對速率）代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過單位長度路程（光強）的相對增長 率，也代表介質(zhì)對光

8、波放大能力的大小。25、增益介質(zhì)中傳播的光能密度隨穿過增益介質(zhì)的路程z按（指數(shù)規(guī)律）增長。z越大，增益介質(zhì)中傳播的光能密度也越大。增加增益介質(zhì)的長度 L能增加介質(zhì)中傳播的光能密度。采用光學(xué)諧振腔延長增益介質(zhì)的長度L。26、光學(xué)諧振腔能起（增加增益介質(zhì)）的作用；提高光能密度及控制光束的傳播方向，保證 輸出的激光有極好的方向性。27、產(chǎn)生激光必須具備的三個條件：（1）、有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子有適合產(chǎn)生受激輻射的能 級結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)光放大的基本條件。（2）、有外界激勵能源。（3）、在外部能源的激勵下，使上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（4）、要有激光諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長

9、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2章激光器的工作原理1、激發(fā)態(tài)能級的平均壽命約10-8秒，亞穩(wěn)態(tài)能級平均壽命約（幾毫秒） 。2、依靠泵浦源激發(fā)原子，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)是非熱平衡態(tài)。這種激發(fā)稱為“泵浦”或（抽運）c3、激光工作物質(zhì)四能級系統(tǒng)所需要的激勵能量要比三能級系統(tǒng)（?。┑枚?，產(chǎn)生激光比三 能級系統(tǒng)容易得多。4、大多數(shù)激光工作物質(zhì)是（四）能級系統(tǒng)。5、參數(shù)n0對應(yīng)著諧振腔的單色光能密度為零或者近似為零時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的大 小。是粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值可能達到的（最大值）。通常把這個狀態(tài)叫作小信號工作狀態(tài)，而參數(shù)n0就被稱作是小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布。6

10、、均勻增寬的介質(zhì)的光譜線型函數(shù)的中心頻率值為：7、一般情況下的能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值與腔內(nèi)光強、（光波的中心頻率）、介質(zhì)的飽和光強、激勵能源的抽運速率R1、R2以及介質(zhì)能級的壽命等參量的有關(guān)。8、當(dāng)腔內(nèi)光強的影響不能忽略時，粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值n將隨光強的增加而（減小），此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值的飽和效應(yīng)。9、當(dāng)激光器介質(zhì)中未發(fā)生光放大時，與小信號工作狀態(tài)時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值n0對應(yīng)的增益系數(shù)定義為（小信號增益系數(shù)）。10、激光增益介質(zhì)中小信號增益系數(shù)與光強無關(guān)，僅是（頻率）的函數(shù)。11、小信號增益系數(shù)與譜線的線型函數(shù)有相似的變化規(guī)律。12、在抽運速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強很弱

11、時，增益系數(shù)是一個（常數(shù)）。當(dāng)入射光的光強增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強的增大而（減?。?。13、激光器增益介質(zhì)傳播的光能量只有在補償損耗后還有剩余時，光波才能被放大。所以要求增益系數(shù)要大于一個下限值，此下限值即為激光器的（閾值）。14、激光器損耗包括增益介質(zhì)內(nèi)部的損耗和鏡面損耗。鏡面損耗包括：鏡面上透射出去的部分t1I（或t2I）;鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴散到反射鏡范圍以外造成的損 耗 a1I（或 a2I）。15、隨著腔內(nèi)光強的增大， 增益系數(shù)不斷下降，當(dāng)它下降到下限值時， 光強也到達最大值IM （平均值），增益系數(shù)的下限值為增益系數(shù)的（閾值） 。16、效率較高的激光器中的絕

12、大多數(shù)都屬于（四）能級系統(tǒng)。即輸出的光能量占激勵能源輸入的總能量的百分比高的激光器大多數(shù)用的是四能級系統(tǒng)。第3章激光器的輸出特性1、在激光諧振腔中存在的穩(wěn)定的橫向場分布，叫做（橫模）。橫膜是垂直于光軸的模式。 m、n稱為橫模序數(shù)。激光束在橫截面上呈現(xiàn)各種光強的（不同花樣）的穩(wěn)定分布而不呈現(xiàn)均勻光強的穩(wěn)定分布。2、用TEMmn表示各種橫模。m, n表示在x軸和y軸方向上光強為零的那些零點的個數(shù)。 M=0,n=0時所對應(yīng)的橫模稱為（基模（橫向單模）?；５膱黾性诜瓷溏R中心，是最簡單結(jié)構(gòu)，其他稱為高價橫模。3、自再現(xiàn)模在腔內(nèi)單程渡越時所引起的損耗包括衍射損耗和幾何損耗，但主要是（衍射損 耗），稱為

13、單程衍射損耗，用 8表示。4、激光器諧振腔內(nèi)頻譜中每一個可以產(chǎn)生振蕩的諧振頻率為一個振蕩（縱模）。諧振頻率決定于縱模序數(shù)q?？v模沿縱向軸向傳播。5、激光器不同的縱模對應(yīng)著不同的穩(wěn)定的駐波場，具有不同的頻率。諧振腔的作用使激光 器內(nèi)出現(xiàn)的振蕩頻率不是任意的，而是有一定間隔的（分立）譜。每個q值對應(yīng)一個駐波，稱之為縱模序數(shù)，等于駐波的波節(jié)數(shù)。6、激光諧振腔內(nèi)原則上有（無限多）個振蕩縱模。7、對同一橫模，腔內(nèi)兩個相鄰縱模頻率之差稱為縱模的頻率間隔。兩個相鄰縱模之間的頻 率間隔的表示式為縱模的頻率間隔與諧振腔的光學(xué)長度（wL ）成反比，與 q無關(guān)，L為常數(shù)，腔內(nèi)的縱模頻率是等距離排列的。8、普通光源發(fā)

14、出線寬為（的光，而在光學(xué)諧振腔中，只留下 （中滿足諧振條件及（閾值）條 件的那些頻率，其它的頻率都被諧振腔抑制掉了。9、實現(xiàn)橫向單?？刹捎闷叫衅矫媲换蚯粌?nèi)（加小孔）以限制高階模的產(chǎn)生。10、實現(xiàn)縱向單?？桑s短）腔長或增大損耗。11、激光距離鏡中心處的場振幅下降為鏡中心振幅值的（）倍時的范圍稱為鏡面上基模的光斑有效截面半徑。對稱共焦腔的光斑非常小。12、對同一縱模，兩個相鄰橫模之間的頻率間隔的表示式為13、激光應(yīng)用中基橫模行波輸出在于光束前進方向的垂直平面上的強度呈（高斯型）分布。14、在激光器的各種模式輸出的光強中，只有基模的強度中心沿（直線）傳播。15基模在高斯光束的傳播過程中，除了光軸外

15、，高斯光束的光線沿（雙曲線）傳播。16、激光腔中心處的波陣面是個平面。無窮遠處的波陣面對應(yīng)的發(fā)光點是腔中心，波陣面的曲率半徑為無窮大，波陣面變成平面。17、激光器的輸出功率 P與激光器的飽和光強Is成（正比）。18、譜線線型是自然寬度、碰撞寬度或壓力寬度、多普勒寬度三者共同作用的結(jié)果，這種譜線叫做發(fā)光物質(zhì)的（熒光譜線）。19、當(dāng)激光器穩(wěn)定工作時，其增益正好（等于）總損耗。20、激光線寬與激光器輸出功率成（反比） 。21、造成激光線寬的影響因素：自發(fā)輻射，（溫度的波動），機械振動，大氣壓力，損損耗的波動,增益的波動，熒光中心頻率漂移等。22、自發(fā)輻射因素造成的線寬是消除了其他各種使激光線寬增加的

16、因素后，最終可以達到的（最小）線寬，叫做（線寬極限）。激光的基本技術(shù)1、在激光技術(shù)中，直接作用激光器諧振腔內(nèi)光束的激光技術(shù)有：（選模技術(shù)）、穩(wěn)頻技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)等。2、在激光技術(shù)中，作用激光器諧振腔外光束的激光技術(shù)有：光束變換技術(shù)、（調(diào)制技術(shù)）和偏轉(zhuǎn)技術(shù)等。3、當(dāng)強度很大的光通過均勻增益型介質(zhì)時，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值下降，增益系數(shù)相應(yīng)下降， 但光譜的線型并不改變。增益曲線按（同一比例）降低，而線寬和頻率分布都不發(fā)生變化。4、通過增益的飽和效應(yīng)，使某個縱模逐漸將別的縱模的振蕩抑制下去，最后只剩下該縱模 的振蕩的現(xiàn)象叫做（縱模的競爭）?？v模競爭的結(jié)果總是最靠近譜線中心頻率的那個縱模被 保持下來

17、。5、單縱模激光器通常采取的選頻方法有：短腔法；（法布里-珀羅標準具法）；三反射鏡法。6、要想得到單一縱模的輸出，只要（縮短）腔長，使的寬度大于增益曲線閾值以上所對應(yīng) 的寬度即可。7、在激光諧振腔內(nèi)振蕩的基橫模是高斯光束。由于反射鏡的有限尺寸的限制，每一次反射都會有一部分光能衍射到鏡面之外，造成能量損失。這種由于衍射效應(yīng)形成的光能量（損失） 稱為衍射損耗。8、在諧振腔內(nèi)插入一個適當(dāng)大小的（小孔光闌），實現(xiàn)選取單橫模的基本方法。9、激光器通過選模獲得單一頻率振蕩后，由于內(nèi)部和外部條件的變化，諧振頻率仍然會在整個線型寬度內(nèi)移動。這種現(xiàn)象稱為（頻率的漂移）。13、激光器頻率的變化取決于腔長的變化和（

18、平均折射率）的變化。14、：利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數(shù)為負值的材料和膨脹系 數(shù)為正值的材料按一定長度配合。（減?。┣婚L的變化實現(xiàn)穩(wěn)頻的方法稱為被動式穩(wěn)頻方法。15、把單頻激光器的頻率與某個穩(wěn)定的（參考頻率相比較），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。 誤差信號經(jīng)放大后通過反饋系統(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)頻的方法稱為主動式穩(wěn)頻。16、主動式穩(wěn)頻方法有：（蘭姆凹陷法）。17、激光調(diào)制就是把（信息）加載到激光束上去，激光作為載波攜帶低頻信號。18、激光調(diào)制的方法：（振幅調(diào)制卜強度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制以及脈沖調(diào)制

19、等形式。19、在激光形成的振蕩過程中加載調(diào)制信號，通過改變激光的（輸出）特性實 現(xiàn)調(diào)制的方法稱為內(nèi)調(diào)制。20、在激光形成以后，用調(diào)制信號對激光進行調(diào)制，調(diào)制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)，稱為外調(diào)制。21、利用晶體（電光效應(yīng)）控制光在傳播過程中的強度稱為電光強度調(diào)制。22、激光偏轉(zhuǎn)依據(jù)使用目的分成兩類：模擬式偏轉(zhuǎn)和（數(shù)字式）偏轉(zhuǎn)。23、機械偏轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)：機械偏轉(zhuǎn)是利用反射鏡或多面反射棱鏡的（旋轉(zhuǎn)）或反射鏡的振動實現(xiàn)光束掃描。機械偏轉(zhuǎn)具有偏轉(zhuǎn)角大、分辨率高、光損失小且可適應(yīng)光譜范圍大。 多用于各種顯示技術(shù)及微型圖案的激光加工裝置中。24、激光器諧振腔的損耗大，Q值（低）

20、，振蕩閾值高；諧振腔的損耗小，Q值（高），振蕩閾值低。25、用調(diào)節(jié)激光器諧振腔的 Q值以獲得激光（巨脈沖）的技術(shù)稱為激光調(diào) Q技術(shù)。26、激光調(diào)Q技術(shù)的類型有：電光調(diào) Q技術(shù)、染料調(diào) Q技、術(shù)、（聲光調(diào)Q）技術(shù)等。27、電光調(diào)Q是利用電光效應(yīng)作為（Q開關(guān)）元件，實現(xiàn)調(diào) Q的技術(shù)。28、染料調(diào)Q技術(shù)是利用某種有機染料材料對光的吸收系數(shù)隨（光強）變化的特性，實現(xiàn)調(diào) Q的技術(shù)。這種調(diào) Q方式中，Q開關(guān)的延遲時間由材料本身決定，不受人控制，故又稱為被 動調(diào)Q技術(shù)。第5章典型激光器介紹1、固體激光器用（固體材料）作為激光器的工作物質(zhì)。工作物質(zhì)有紅寶石、鉉玻璃、鈕鋁 石榴石（YAG等2、氣體激光器的工作物

21、質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。氣體激光的特點是激光輸出波長范圍（較寬）。常用的氨-速激光器，是通過氣體放電使Ne原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸出激光的波長為632.8nm （紅光）。3、氣體激光器能長時間較穩(wěn)定（連續(xù)）工作的特點，能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作。4、半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，產(chǎn)生激光的方法有p-n結(jié)注入式、（電子束）激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。5、液體激光器（染料激光器）常用有機染料作工作物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機染料溶于乙 醇、丙酮、水等，也有以蒸汽狀工作的。 液體激光器的輸出波長 （連續(xù)可調(diào)），且覆蓋面寬。波長分布在 0.321.3微米.6、自由電子激光器以自由電子為工作物質(zhì)。把凡是利用自由電子與電磁波相互作用所產(chǎn)生 的從微波到X射線的受激輻射均稱為自由電子激光。其峰值功率和平均功率高且可調(diào)，相干性好，可獲得（偏振）輸出，因此具有很誘人的前景。特點是：輸出功率高，因此而成為戰(zhàn) 略激光武器的首選器件。7、化學(xué)激光器通過化學(xué)反應(yīng)提供能量，形成受激輻射的激光器。其特點是：頻率高，光子 能量大，穿透力強，破壞效能高。8、固體激光器基本上都是由絕緣晶體工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和（冷卻系統(tǒng)）、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。一般都采用光泵浦激勵。9、紅寶石激光