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文檔簡介
1、激光原理第一章1. 激光器的組成部分及作用(1) 工作物質(激活物質):用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉和產生光的受激發(fā)射作用的 物質體系。(2) 泵浦源:提供能量,實現(xiàn)工作物質的粒子數(shù)反轉。(3) 諧振腔:提供軸向光波模的正反饋 模式選擇,保證激光器單模振蕩,從而提高激光器的相干性。2. 模式數(shù)的計算 單色模密度:計算例:封閉腔在5000 Å處單色模密度。3. 光譜寬度的計算 其中,為波列長度。4. 本征狀態(tài)的定義 給定空間內任一點處光的運動情況,在初始條件和邊界條件確定后,原則上就可求解麥克斯韋方程組,一般可得到很多解,而且這些解的任何一種線性組合都可滿足麥克斯韋方程,每一個特解,代表一種光的
2、分布,即代表光的一種本振振動狀態(tài)。5. 光子簡并度的定義光子簡并度對應于線度光源,在單位時間單位立體角內發(fā)出單位頻寬的光子數(shù)(處于同一個相格中的光子數(shù),處于一個模式中的光子數(shù),處于相干體積內的光子數(shù),處于同一量子態(tài)內的光子數(shù),都有相同的含義,均定義為光子簡并度)。并用表示: 6. 光子簡并度與單色亮度之間的關系 光源的光子簡并度,從微觀上反映出光源的單色亮度。單色亮度:。光子簡并度與單色亮度之間的關系為:7. 光子平均能量的表達 同一種光子運動狀態(tài)(或同一種光波模式)的光子平均能量:8. 光的自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射自發(fā)輻射:處于的原子在無外來光子情況下自發(fā)地向能級躍遷,發(fā)射能量以光輻射形
3、式放出即自發(fā)輻射。特點:自發(fā)輻射是僅與原子自身性質有關的隨機過程,自發(fā)輻射的光在方向、偏振、相位方面都沒有確定的關系,因此是不相干的。 受激吸收:原子在外來光子作用下,若,處于的原子由于吸收該光子而受激躍遷到的過程。特點:受激吸收幾率與外來光的頻率有嚴格的選擇性,與外來光輻射能量密度大小有關。外來光頻率等于、的間隔所對應的頻率時,受激吸收幾率最大。受激輻射:光的受激輻射是受激吸收的反過程。原子系統(tǒng)在外來光子作用下,若,處于的原子躍遷到,并輻射一個與外來光子相同的光子的過程。特點:受激輻射與外來光子有關,輻射的光子與引起受激輻射的外來光子有相同的頻率、位相、偏振以及傳播方向。通過受激輻射,能夠實
4、現(xiàn)同態(tài)光子數(shù)放大,可以得到高光子簡并度的相干光。9. 愛因斯坦三系數(shù)的相互關系 在熱平衡情況下,輻射率和吸收率應相等,即單位時間內物質輻射出的光子數(shù),等于單位時間內被物質吸收的光子數(shù):。 ;為自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù),為受激吸收愛因斯坦系數(shù),為受激輻射愛因斯坦系數(shù)。、分別表示能級和的簡并度,上式稱為愛因斯坦關系式。當簡并度=時,則=,即當其他條件相同時,受激輻射和受激吸收具有相同幾率。正常情況下低能級原子數(shù)高能級原子數(shù),即受激吸收比輻射更頻繁發(fā)生,且波長越短,自發(fā)輻射的幾率越大。10. 速率方程理論的優(yōu)點及局限性 優(yōu)點:速率方程是在不考慮光子的相位特性和光子數(shù)的起伏特性情況下,它是全量子化理論的一
5、種簡化形式。速率方程理論主要用于描述激光的光強特性,近似地描述燒孔效應、蘭姆凹陷與多模競爭等特性。局限性:對于增益介質色散等頻率特性和與量子起伏有關的激光特性研究,這一理論就不能解釋。11. 粒子數(shù)反轉分布的定義在激光器工作物質內部,由于外界能源的激勵,破壞了熱平衡,有可能使得處于高能級上的粒子數(shù)大大增加,達到,這種情況稱為粒子數(shù)反轉分布,也稱為集居數(shù)反轉分布。12. 增益系數(shù)的定義光在激活物質內部將越走越強,使該激光工作物質輸出的光能量超過入射光的能量,這就是光的放大過程,其放大作用的大小通常用增益系數(shù)G來描述。增益系數(shù)相當于光沿著Z軸方向傳播時,在單位距離內所增加光強的百分比,其單位為。1
6、3. 閾值條件的概念及定義閾值條件(起振條件):激光器實現(xiàn)振蕩所需要的最低條件。定義式:,式中,為增益系數(shù),L為諧振腔腔長,和分別為量反射鏡面的反射率,為除反射鏡透射外的每單位長度上平均損耗系數(shù)。14. 能量的共振轉移的定義當激發(fā)態(tài)He原子和基態(tài)Ne原子發(fā)生非彈性碰撞并交換能量而將Ne原子激勵到Ne的3s和2s能級,這個過程稱為能量的共振轉移。15. 激光的特性(解釋why)(1)方向性:激光束好的方向性主要是由于激光器受激輻射的機理和光學諧振腔對光束的方向限制所決定。(2)單色性:原子的激發(fā)態(tài)總有一定的能級寬度,也總有一定的頻率寬度。譜線寬度和頻率寬度越窄,光的單色性越好,激光的譜線寬度可窄
7、到微米。(3)高亮度:普通光源由于定向性很差,因此亮度極低;對于激光器來說,由于諧振腔對光束的方向有限制作用,輸出光束的發(fā)散角很小,因此定向亮度值很高。(4)相干性:相干性分為空間相干性和時間相干性。激光源的光子簡并度決定著激光的相干性,光子簡并度越高,激光源的相干性越好。第二章1、 光學諧振腔的作用(1) 提供光學正反饋作用(放大):使激活介質中產生的輻射能多次通過介質,當受激輻射提供的增益超過損耗時,在腔內得到放大,建立并維持自激振蕩。光學反饋作用取決于:腔鏡反射率和幾何形狀。(2) 產生對振蕩光束的控制作用:表現(xiàn)為對腔內振蕩光束的方向和頻率的限制。 A、控制腔內振蕩光束縱向分布(縱模):
8、使腔內建立的振蕩被限制在腔所決定的少數(shù)本征模式中,從而提高單個模式內的光子數(shù),獲得單色性好、方向性好的強相干光。B、控制光束的橫向分布持性、光斑大小及發(fā)散角等。C、改變腔內光束損耗 2、 光學諧振腔的模式通常將諧振腔內可能存在的電磁場本征狀態(tài)稱為腔的模式。腔的模式就是腔內可區(qū)分的光子狀態(tài),不同的模對應不同的場分布和振蕩頻率。光學諧振腔的模式可分為縱模和橫模。3、 諧振腔的諧振頻率,其中為均勻介質折射率,為諧振腔腔長,為正整數(shù)。4、 縱模(整個一節(jié))(1) 定義:通常把由整數(shù)q所表征的腔內縱向穩(wěn)定場分布稱為激光的縱模。(2) 縱模頻率間隔:腔內兩相鄰縱模頻率之差:5、 橫模(自再現(xiàn)模)(1) 橫
9、模定義:腔內電磁場在垂直于其傳播方向的橫向面內存在穩(wěn)定的場分布,通常稱為橫模。(2) 自再現(xiàn)模定義:光束在腔內多次往返傳播后形成一種振幅和相位分布不再變化的穩(wěn)態(tài)場,它的相對分布不再受衍射影響,在腔內往返一次能夠“自再現(xiàn)”出發(fā)時的場分布,這種穩(wěn)定場分布稱為自再現(xiàn)模或橫模。(3) 自再現(xiàn)模形成過程:入射光在進入第一個光闌之前,唱的振幅分布沿光闌是均勻的,經第一個光闌后,由于衍射作用將使波陣面發(fā)生畸變,部分光偏離原來的傳播方向,產生一些衍射瓣,使光波的振幅和相位分布均發(fā)生一些變化。射到光闌以外的光將被黑體屏所完全吸收。每通過一次光闌,邊緣部分的衍射波又被光闌所擋,使邊緣強度比中心部分小,且振幅和相位
10、分布又發(fā)生新的變化。通過一系列的光闌后,鏡面上來回反射光波的相對振幅和相位分布不再發(fā)生變化,由此形成自再現(xiàn)模。6、 光學諧振腔的損耗有哪些類型?(1) 選擇性損耗(隨不同橫模而異):幾何損耗、衍射損耗(2) 非選擇性損耗:腔鏡反射不完全引起的損耗(吸收損耗、散射損耗、透射損耗)、非激活吸收散射等其他損耗。(3) 損耗:幾何偏折損耗:與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關。 衍射損耗:與腔的菲涅爾數(shù)、腔的幾何參數(shù)、橫模階次有關。 腔鏡反射不完全損耗:與腔鏡的透射率、反射率有關。 材料中的非激活吸收、散射、腔內插入物所引起的損耗: 與介質材料的加工工藝有關。7、 光子的平均壽命定義:腔內的光強衰減為初
11、始值的1/e所需要的時間。計算: ;為腔的光學長度,C為真空中的光速,為腔損耗。8、 Q值的定義Q值:衡量諧振腔的損耗大小。普通定義式:;其中為腔內電磁場的振蕩頻率。光頻諧振腔的一般表達式:;腔的損耗越小,Q值越高。9、 簡單光學元件的光線傳播矩陣符號規(guī)則:(1)X-軸線上方為“+”,q-光線指向光軸上方為“+”; (2)折射面/反射面曲率半徑R:凹面R>0,凸面R<0; (3)球面波波面曲率半徑R:發(fā)散R>0,匯聚R<0。(1) 自由空間光線矩陣: (2) 薄透鏡變換矩陣: (3) 球面反射鏡: 10、 諧振腔的穩(wěn)定性圖,穩(wěn)定腔:。11、 非穩(wěn)定腔的一般特點優(yōu)點:(1
12、) 大的可控模體積(2) 可控的衍射耦合輸出(3) 易鑒別和控制橫模(4) 易于得到單端輸出和準直的平行光缺點:輸出光束截面呈環(huán)狀,遠場暗斑將消失,光強分布不均而顯示衍射環(huán)。12、 選模技術定義:為了使輸出的激光有很好的單色性和相干性,獲得基橫模、單縱模激光束的技術。13、 橫模的選擇方法(1) 物理基礎:不同橫模有不同的衍射損耗。(2) 選模原則:在各個橫模增益大體相同的條件下,不同橫模間衍射損耗有差別,在穩(wěn)定腔中,基膜的衍射損耗最低,隨著橫模階次的增高,衍射損耗將迅速增加。如果降低基膜的衍射損耗,使之滿足閾值條件(基膜的單程增益至少能補償它在腔內的單程損耗),則其它模因損耗高而不能起振被抑
13、制。(3) 選模方法:A、g參數(shù)選模 ,R增大,諧振腔向臨界腔靠近,則 高階模損耗增大速度加快; B、菲涅耳數(shù)N選模 ,a-腔鏡口徑,a減小則高階模的 損耗增大速度加快; C、小孔光闌法; D、腔內置入透鏡法; E、聚焦光闌法; F、望遠鏡腔選模法; G、非穩(wěn)腔選模法;14、 縱模的選擇方法(了解)(1) 選模原則:一般諧振腔中有著相同的損耗,但由于頻率的差異而具有不同的小信號增益系數(shù)。因此,擴大相鄰縱模的增益差或人為引入損耗差是進行縱模選擇的有效途徑。(2) 縱模選擇方法:色散腔:腔內置入棱鏡、光柵、薄透鏡。 短腔法:頻率間隔與腔長成反比。 F-P標準具:對不同波長的光束具有不同的透過率環(huán)形
14、行 波腔。 Q開關法第三章1、 瑞利長度的定義+計算定義:當時,;即光斑從最小半徑增大到,這個范圍為瑞利范圍。常取范圍為高斯光束的準直范圍,從最小光斑處算起的這個長度即瑞利長度。2、 遠場發(fā)散角的定義+計算定義:時(遠場處)高斯光束振幅減小到中心最大值1/e處與z軸的交角(半角)。(理論上為雙曲線的漸近線與光軸的夾角)計算:;為光斑最小半徑,f為共焦參數(shù)。3、 高斯光束的傳輸規(guī)律(1) 球面波在自由空間的傳輸規(guī)律:規(guī)定:沿光傳輸方向的發(fā)散球面波的曲率半徑為正,會聚球面波的曲率半徑為負。 , (2) 高斯光束的傳輸規(guī)律:高斯光束可由波前曲率半徑R(z)、光斑半徑和位置z中任意兩個量來描述。高斯光
15、束傳輸變化規(guī)律:光斑和曲率半徑如下: 光斑半徑: 波前曲率半徑: 已知波前曲率半徑R(z)和該位置光斑,可確定束腰位置和大小如下: 束腰位置: 束腰半徑:高斯光束傳輸規(guī)律:高斯光束的復數(shù)曲率半徑與普通球面波的曲率半徑遵循相同的傳輸規(guī)律。 第四章1、 線型函數(shù)的定義定義:自發(fā)輻射躍遷幾率按頻率的分布函數(shù)。2、 線寬的定義定義:線型函數(shù)的半極值點間對應的頻譜寬度,記作。3、 光譜線的加寬機制和類型(1) 均勻加寬: 自然加寬(壽命加寬):僅由自發(fā)輻射躍遷幾率所決定的 光譜線加寬。可以看做是介質中 一個孤立、靜止的原子在自發(fā)輻 射時所產生的光譜線加寬,它是 自發(fā)輻射過程所固有的。光譜線 自然加寬的線
16、型函數(shù)為洛侖茲函 數(shù)。 碰撞加寬:大量原子(分子)間的無規(guī)則碰撞導致自身運 動狀態(tài)的改變,從而引起的譜線加寬。 晶格振動加寬:晶格熱振動,晶體中激活離子的能級所對 應的能量在某一范圍內變化而引起譜線加 寬。(2) 非均勻加寬:多普勒加寬(氣體):由做熱運動的發(fā)光原子/分子所發(fā)出 的輻射存在多普勒頻移引起。 晶格缺陷加寬(固體):晶格缺陷部位激活離子的能級發(fā) 生位移,處于晶體不同部位的激 活離子的發(fā)光中心頻率不同即產 生非均勻加寬。標準答案:譜線加寬:由于各種因素的影響,自發(fā)輻射并不是單色的,而是分布在中心頻率 附近一個很小的頻率范圍內,這就叫譜線加寬。 加寬類型及機制: 均勻加寬自然加寬機制:
17、原子的自發(fā)輻射引起的。碰撞加寬機制:大量原子(分子、離子)之間的無規(guī)則碰撞。晶格振動加寬機制:晶格振動使激活離子處于隨周期變化的晶格場,激活離子的 能級所對應的能量在某一范圍內變化。 非均勻加寬多普勒加寬機制:由于作熱運動的發(fā)光原子(分子所發(fā)出)輻射的多普勒頻移引 起的。 晶格缺陷加寬機制:晶格缺陷部位的晶格場將和無缺陷部位的理想晶格場不同, 因而處于缺陷部位的激活離子的能級將發(fā)生位移,導致處于 鏡體不同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同。 綜合加寬氣體工作物質的綜合加寬機制:由碰撞引起的均勻加寬和多普勒非均勻加寬。固體激光工作物質綜合加寬機制:由晶格熱振動引起的均勻加寬和晶格缺陷引起 的非均勻
18、加寬。液體工作物質的綜合加寬機制:溶于液體中的發(fā)光分子與其它分子碰撞而導致自 發(fā)輻射的碰撞加寬。第五章1、 吸收截面、發(fā)射截面的定義吸收截面:下能級的每個原子對入射光波吸收功率所具有的有效俘獲截面積。發(fā)射截面:上能級的每個原子由于負吸收或受激發(fā)射所具有的有效俘獲截面積 。2、 穩(wěn)態(tài)增益、增益飽和的定義穩(wěn)態(tài)增益:增益飽和:當光強足夠強時,增益系數(shù)g也隨著光強的增加而減小,這一現(xiàn)象稱 為增益飽和效應。3、 非均勻加寬介質“燒孔”效應的解釋燒孔效應:由于介質的強非均勻加寬躍遷特點,入射光僅與介質中表觀中心頻率的原子產生強的共振互作用,且使其發(fā)生受激躍遷,結果使介質中原子數(shù)反轉密度按表觀中心頻率的分布
19、,在與飽和光頻率相應處產生局部飽和,小信號增益曲線在飽和光作用下呈現(xiàn)“燒孔”效應。飽和信號愈強,燒孔愈深且愈寬。4、 蘭姆下陷的定義定義:激光器振蕩模的頻率被調諧至介質躍遷中心頻率時,即輸出功率呈現(xiàn) 出某種程度的降低 即蘭姆下陷(或拉姆下陷)。下陷寬度大致等于介質 中均勻加寬的線寬。5、 頻率牽引的定義定義:激光器振蕩模的精確諧振頻率總是偏離無源腔相應模的頻率,且較后者更靠近激活介質原子躍遷的中心頻率的現(xiàn)象。原因:振蕩模與介質原子相互作用引起的介質極化。第六章1、 尖峰的定義定義:激光器開啟時發(fā)生的不連續(xù)的、尖銳的、大振幅脈沖為“尖峰”。2、 馳豫振蕩的定義定義:連續(xù)運轉時發(fā)生在穩(wěn)態(tài)振蕩附近的小振幅、準正弦阻尼振蕩即“弛豫振蕩”。3、 調Q及巨脈沖形成過程的描述 調Q:即調制諧振腔的損耗/閾值。 在泵浦激勵開始時,諧振腔處于低Q值狀態(tài),此時激光器具有高的閾值,使激光振蕩不能形成,上能級反轉粒子數(shù)和腔內儲能大量積累(儲存時間決定于上能級壽命)。當積累到飽和值時,突然降低腔的損耗到正常值,Q值突增,激光器的振蕩閾值降低到正常水平,此時激光振蕩迅速建立,在極短時間內上能級的反轉粒子數(shù)以單一脈沖形式釋放出來。介質的增益迅速下降,繼而由于介質
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