激光原理考點(diǎn)總結(jié)

1、對(duì)了課本兩遍，基本覆蓋所有考點(diǎn)，部分小四字體重在輔助理解。 有填空、名詞解釋、計(jì)算、簡(jiǎn)答。計(jì)算題四個(gè)中出三個(gè)。（八3八）/第一章1、光的基本性質(zhì)：波粒二象性；波動(dòng)性（電磁波）,粒子性（光子 流）。2、光與物質(zhì)的相互作用 有：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收。普通 光源中（自發(fā)輻射）占主要；激光器中（受激輻射）占主要。3、簡(jiǎn)答：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收之間關(guān)系 ：A21n2dt+B21n2 p vdt=Bi2ni p vdt在光和大量原子系統(tǒng)的相互作用中，三者是同時(shí)發(fā)生的。在單位體積中，在dt時(shí)間內(nèi)，由高能級(jí)E2通過(guò)自發(fā)輻射和受激輻射而躍遷 到低能級(jí)Ei的原子數(shù)，應(yīng)等于低能級(jí)Ei吸收光子而躍遷到

2、高能級(jí)E2 的原子數(shù)。4、光譜的（線(xiàn)型）和（寬度）與光的（時(shí)間相干性）直接相關(guān)。自然增寬的線(xiàn)型函數(shù)：fN（v）=A/（4兀2（v-Vo）2+（1/2 t ）2）fN（v）表示在頻率v附近單位頻率間隔的相對(duì)光強(qiáng)隨頻率的分布。 A為 比例常數(shù)。所得譜線(xiàn)的自然增寬是因?yàn)樽鳛殡娕紭O子看待的原子做衰 減振動(dòng)而造成的譜線(xiàn)增寬。5、（名詞解釋?zhuān)┕獾亩嗥绽招?yīng)：隨著光源和接收器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而 發(fā)生光源的頻率發(fā)生改變（頻移）稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)對(duì)向接受體 頻率增高，背向接受體頻率降低。6、 （詞解釋?zhuān)┚鶆蛟?與非均勻增, ：均勻增寬：自然增寬和碰撞增寬中每一個(gè)原子所發(fā)的光對(duì)譜線(xiàn)內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)，而且這個(gè)貢獻(xiàn)對(duì)每

3、個(gè)原子都是等同的， 這種增寬為均 勻增寬。非均勻增寬：不同粒子對(duì)譜線(xiàn)不同頻率部分的貢獻(xiàn)不同，即可分辨譜 線(xiàn)線(xiàn)型哪一頻帶是由哪些特定粒子發(fā)射的 （;熱運(yùn)動(dòng)速度矢量相同的 粒子引起的頻移相同）7、（簡(jiǎn)答）實(shí)現(xiàn)光的放大的條件：1）需要一個(gè)激勵(lì)能源，用于把介質(zhì)的粒子不斷地由低能級(jí)抽送到高能級(jí)上去；2）需要合適的發(fā)光介質(zhì)（激光工作物質(zhì)），它能在激勵(lì)能源的作用 下形成n2/g2>n1/g1的粒子數(shù)密度反成分布狀態(tài)。8、（簡(jiǎn)答）產(chǎn)生激光的條件：1）有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，具激活粒子（原 子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；2）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

4、光上下能級(jí) 之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；3）有光學(xué)諧振腔，增長(zhǎng)激光介質(zhì)的工作長(zhǎng)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、計(jì)算：已知?dú)湓拥谝患ぐl(fā)態(tài)E2與基態(tài)Ei之間能量差為1.64*10-18J,火焰（T=2700K）中含有1020個(gè)氫原子。設(shè)原子按玻爾茲曼 分布，且4g1=% 求：（1）能級(jí)E2上的原子數(shù) 及為多少；（2）設(shè) 火源中每秒發(fā)射的光子數(shù)為108n2,求光的功率為多少瓦。答： 丁-:筌0；。-11*109且 n1 n2 = 1020可求出n2 31（2）功率=108 31 1.64 10 8=5.084 10 W第二章1、（名詞解釋?zhuān)┓€(wěn)定腔，不穩(wěn)定腔：在光學(xué)諧振

5、腔中，任一束傍軸 光線(xiàn)在兩反射鏡之間來(lái)回不斷反射，光在腔內(nèi)來(lái)回反射過(guò)程中始終不 離開(kāi)諧振腔，使激光器能穩(wěn)定的發(fā)射激光。滿(mǎn)足這一要求的腔稱(chēng)為穩(wěn) 定腔。反之為不穩(wěn)定腔。GO三能級(jí)系統(tǒng)（b）四俯級(jí)系統(tǒng)會(huì)阿 圖（2-4）三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)示意圖2、（大題）三能級(jí)系統(tǒng)與四能級(jí)系統(tǒng) （工作原理、示意圖與優(yōu)缺點(diǎn)）：1）實(shí)現(xiàn)上下能級(jí)之間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的物理過(guò)程：三能級(jí)系統(tǒng) 和四能級(jí)系統(tǒng)2）三能級(jí)系統(tǒng)：如圖（2-4a）,下能級(jí)E1是基態(tài)能級(jí)，上能級(jí)E2是亞穩(wěn) 態(tài)能級(jí)，E3為抽運(yùn)高能級(jí)。其主要特征是激光的下能級(jí)為基態(tài)，發(fā) 光過(guò)程中下能級(jí)的粒子數(shù)一直保存有相當(dāng)?shù)臄?shù)量。3）四能級(jí)系統(tǒng)：如圖（2-4b）,下能級(jí)

6、Ei不是基態(tài)能級(jí)，而是一個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)，在常溫下基本上是空的。具激勵(lì)能量要比三能級(jí)系統(tǒng)小得多，產(chǎn)生激光要比三能級(jí)系統(tǒng)容易得多。輔助理解：（獲得激光需要激光上下能級(jí)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也就是上能級(jí)粒子數(shù)大于下能級(jí)粒子數(shù)。泵浦粒子數(shù)到上能級(jí)是需要消耗能量的。三能級(jí)系統(tǒng)的下能級(jí)是基級(jí)，必須將一半以上的粒子數(shù)泵浦到高能級(jí)上。而四能級(jí)系統(tǒng)的下能級(jí)不是基態(tài)，可以很快排空，更容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。）3、激光器的損耗（鏡面損耗），（內(nèi)部損耗）。內(nèi)部損耗：增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、 粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來(lái)的傳播方向，造成光能量的損耗。鏡面損耗：當(dāng)強(qiáng)度為I的光波射到鏡面上，其中

7、卬（或3）反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，其它的部分均為損耗，包括til（或t2l）、鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴(kuò)散到反射鏡范圍以外造成的損耗，用ail（或a2l）表示。4、（計(jì)算）穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R1=40cm,R2=100cm,求月$長(zhǎng)L的取值范圍。答：LLLL一0 （1 一）（1一一）1= 0 （1 ）（1 -）E1 3 0 E L E40cm 或 100 E L E140cm R1R240100第三章1、自再現(xiàn)模：當(dāng)兩個(gè)鏡面完全相同時(shí)（對(duì)稱(chēng)開(kāi)腔），這種穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布應(yīng)在腔內(nèi)經(jīng)單程渡（傳播）后，即可實(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。輔助理解：鏡

8、1上的場(chǎng)分布，到達(dá)鏡 2時(shí)，由于衍射，要經(jīng)歷一次能量的損耗和場(chǎng)分布的變化，0 0中間能量損失小，鏡邊緣損失大，每單程渡越一次，都會(huì)發(fā)生類(lèi)似的能量損耗和場(chǎng)分布變化， 多次往返后，從而逐漸形成中間強(qiáng)、 邊緣弱的基本不受衍射影響的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布，該穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布一個(gè)往返后可“自再現(xiàn)”出發(fā)時(shí)的場(chǎng)分布，唯一變化是鏡面上各點(diǎn)的場(chǎng)振幅按同樣的比例 衰減，各點(diǎn)相位發(fā)生同樣大小的滯后。橫向場(chǎng)振幅分布和相位分布都均勻的平面波入射，經(jīng)過(guò)多次孔闌的衍射影響后，二者 都變得不再均勻，成為相對(duì)場(chǎng)振幅和相對(duì)相位分布都不受衍射影響的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布。2、（簡(jiǎn)答）輸出功率與諸參量之間的關(guān)系1）輸出功率P與飽和光強(qiáng)Is的關(guān)系：兩者成正比2）輸

9、出功率P與光束截面A的關(guān)系：A越大，P越大；而高階橫模的光束截面要比基橫的大3）輸出功率P與輸出反射鏡的透射率t1的關(guān)系：實(shí)際中總是希望輸出功率大鏡面損耗小，這要求t1大，al （反射鏡鏡面損耗系數(shù)）小，使 t1>>a1,但t1過(guò)大又使增益系數(shù)的閾值 G閾升高，而如果介質(zhì)的雙程增益系數(shù)2LG0不夠大將會(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)光強(qiáng)減小，使輸出功率降低。嚴(yán)重時(shí)使腔內(nèi)不能形成激光。t1過(guò)小，雖然使G閾降低光強(qiáng)增強(qiáng)，但鏡面損耗 a1I-（2L）也將增大。最佳透射率：為了使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，實(shí)際工作中號(hào)是出LG埼融確需最表限2|3_峋）十鏡面損耗大 小。3、（計(jì)算）

10、He-Ne激光器的中心頻率 v0=4.74*1014Hz,熒光線(xiàn)寬4v=1.5*109Hz,腔長(zhǎng)L=1m。問(wèn)可能輸出的縱模數(shù)為多少？為獲得單 縱模輸出，腔長(zhǎng)最長(zhǎng)為多少？答：q3 1082 1 1= 1.5 108 HzAvn 二1.5 1091.5 108二10即可能輸出的縱模數(shù)為 n +1 =11個(gè)，要想獲得單縱模輸出，則:L ：cI1 Av3 1081.5 109= 0.2m故腔長(zhǎng)最長(zhǎng)不得大于 0.2m。第四章1、激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個(gè)部分：1）激光縱模的選 取，2）激光橫模的選取。前者對(duì)激光輸出頻率影響較大，能夠大大 提高激光的相干性，常常叫做激光的選頻技術(shù)；后者主要影響激

11、光輸 出的光強(qiáng)均勻性，提高激光的亮度，一般稱(chēng)為選模技術(shù)。2、縱模的競(jìng)爭(zhēng)：通過(guò)增益的飽和效應(yīng)，使某個(gè)縱模逐漸把別的縱模 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(jìng) 爭(zhēng)”。3、空間競(jìng)爭(zhēng)：在均勻增寬激光器中，當(dāng)受激輻射比較強(qiáng)時(shí)，也可能 有比較弱的其它縱模出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為模式的“空間競(jìng)爭(zhēng)”。4、（填空/簡(jiǎn)答）單縱模的選取（方法及優(yōu)缺點(diǎn) （這個(gè)總結(jié)的不好）： 短腔法、法布里一珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法、三反射鏡法1）短腔法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單?？v模頻率間隔和諧振腔的腔長(zhǎng)是成反比的， 要想得到單一縱模的輸 出，只要縮短腔長(zhǎng)，使&%的寬度大于增益曲線(xiàn)閾值以上所對(duì)應(yīng)的寬度即可。對(duì) He-Ne激光器，只要做到

12、腔長(zhǎng)小于10cm,就會(huì)得到單縱模的輸出。缺點(diǎn)：首先，由于腔長(zhǎng)受到限制，激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度也相應(yīng)受到限制，激光的 輸出功率必然受到限制。這對(duì)于那些需要大功率單縱模輸出的應(yīng)用場(chǎng)合是不適合的。其二，有些激光輸出譜線(xiàn)熒光寬度很寬，若要加大到足夠的縱模間寬度，勢(shì) 必要使腔長(zhǎng)縮到很短，以致難于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而不能輸出激光。2）法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法這種方法就是在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。這種標(biāo)準(zhǔn)具是用透射率很高的材料制成的， 兩個(gè)端面研磨得高度 平行，且鍍有高反射率的反射膜。這種反射膜由于多光束干涉的結(jié)果， 對(duì)于滿(mǎn)足 條件的光具有極高的透射率。把這樣的標(biāo)準(zhǔn)具插入到激

13、光器的腔內(nèi)時(shí)， 就可以起 到選頻的作用。缺點(diǎn)：由于高選模性的標(biāo)準(zhǔn)具總要帶來(lái)百分之幾的透射損失， 因此這種方法對(duì)于 低增益的激光器（如He-Ne激光器）不大合適，但對(duì)于高增益的激光器（如CO2激 光器）則是十分有效的。（3）三反射鏡法激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中鏡M3與M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡，這個(gè)組合相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦 合，一個(gè)諧振腔是由M1與M3組成，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1 + L2,另一個(gè)諧振腔由M3與M4 組成，其腔長(zhǎng)是L2+L3。如果L2、L3較短，就形成了一個(gè)短諧振腔和一個(gè)長(zhǎng) 諧振腔的耦合。. c 11/1 I 1短諧振腔的縱模頻率間隔是2

14、 TL2+ L3）刈長(zhǎng)=c長(zhǎng)諧振腔的縱模頻率間隔是2 JQ +5只有同時(shí)滿(mǎn)足上面兩個(gè)諧振條件的光才能形成振蕩， 故只要選取L2 + L3足夠小， 就可以獲得單縱橫輸出。5、激光單橫模的選?。?）光闌法2）聚焦光闌法3）腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法6、（名詞解釋?zhuān)┭苌鋼p耗： 通過(guò)求解激光諧振腔的自再現(xiàn)模積分方 程得到，在激光諧振腔內(nèi)振蕩的基橫模是高斯光束，其光振幅和光強(qiáng) 分布在與光軸垂直的平面上呈高斯函數(shù)形式，一直延伸到離光軸無(wú)限 遠(yuǎn)處。因此，由于反射鏡的有限尺寸的限制，每一次反射都會(huì)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(chēng)為衍射損耗。7、腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法優(yōu)點(diǎn)：（1）能充分利

15、用激光工作物質(zhì)，獲得較大功 率的基模輸出。（2）可通過(guò)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的離焦量得到熱穩(wěn)定性很好的 激光輸出。（3）輸出光斑大小適當(dāng)，不致?lián)p傷光學(xué)元件。8、頻率的漂移：一個(gè)激光器通過(guò)選模獲得單頻振蕩后，由于內(nèi)部和 外界條件的變化，諧振頻率仍然會(huì)在整個(gè)線(xiàn)型寬度內(nèi)移動(dòng)。 這種現(xiàn)象 叫做“頻率的漂移”。9、頻率的穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面： 一是頻率穩(wěn)定度；二是頻率復(fù)現(xiàn)性。 10、影響頻率穩(wěn)定的因素：1）腔長(zhǎng)L變化的影響2）折射率變化的 影響。11、穩(wěn)頻方法：1）被動(dòng)式穩(wěn)頻2）主動(dòng)式穩(wěn)頻。1）被動(dòng)式穩(wěn)頻：利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器；或 用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長(zhǎng)度配合， 以使

16、熱膨脹互相抵消，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。2）主動(dòng)式穩(wěn)頻：目前采用的主動(dòng)穩(wěn)頻方法基本原理大體相同，即把單頻激光器的頻率與某個(gè)穩(wěn)定的參考頻率相比較， 當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時(shí)，鑒別器就產(chǎn)生一個(gè)正比于偏離量的誤差信號(hào)。 這個(gè)誤差信 號(hào)經(jīng)放大后又通過(guò)反饋系統(tǒng)返回來(lái)控制腔長(zhǎng)， 使振蕩頻率回到標(biāo)準(zhǔn)的 參考頻率上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。12、（填空+簡(jiǎn)答）實(shí)現(xiàn)激光偏轉(zhuǎn)的途徑： 主要有機(jī)械偏轉(zhuǎn)、電光偏 轉(zhuǎn)和聲光偏轉(zhuǎn)等?；驹砼c優(yōu)缺點(diǎn)1）機(jī)械偏轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。優(yōu)點(diǎn)：偏轉(zhuǎn)角大、分辨率高、光損失少且可適應(yīng)光譜范圍大的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：掃描速度受到驅(qū)動(dòng)器（如馬達(dá)）角速度的限制難以實(shí)現(xiàn)快速、高精

17、度的可控偏轉(zhuǎn)，使其應(yīng) 用范圍受到限制。2）電光偏轉(zhuǎn)電光偏轉(zhuǎn)是利用泡克耳斯效應(yīng)，通過(guò)施加在電光晶體上的電場(chǎng)改變晶體的折射 率，使光束偏轉(zhuǎn)。因而出射光偏轉(zhuǎn)角的改變量與折射率變化成線(xiàn)性關(guān)系。缺點(diǎn)：不能形成大的折射率梯度，即使采用多級(jí)電光棱鏡的偏轉(zhuǎn)器，偏轉(zhuǎn)角也 不會(huì)很大。3）聲光偏轉(zhuǎn)聲光效應(yīng)也提供了一種方便地控制光的強(qiáng)度、 頻率和傳播方向的手段，和電光效 應(yīng)一樣得到了廣泛的應(yīng)用。13、調(diào)Q原理與方法：激光調(diào)Q技術(shù)：用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)。調(diào)Q原理：采用某種辦法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使積累到很高水平 也不會(huì)產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度

18、反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí)， 突然使腔的Q值 增大，導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益將大大超過(guò)閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。 這時(shí)貯存在亞穩(wěn)態(tài)上的粒子所具有的能量會(huì)很快轉(zhuǎn)換為光子的能量， 光子像雪崩一樣以極高的速率增長(zhǎng)，激光器便可輸出一個(gè)峰值功率 高、寬度窄的激光巨脈沖。14、調(diào)Q技術(shù)類(lèi)型：因?yàn)橹C振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍 射損耗、散射損耗和透射損耗，因而用不同方法控制不同類(lèi)型的損耗， 就形成了不同的調(diào) Q技術(shù)。捽制反射損耗的有（機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q技術(shù)）、（電光調(diào)Q技術(shù)），控制吸收損耗的有（可飽和吸收染料調(diào) Q技術(shù)）， 捽制衍射損耗的有（聲光調(diào) Q技術(shù)）等等。15、各種調(diào)Q原理1）電光調(diào)Q電光調(diào)Q是利用晶體的電光效應(yīng)來(lái)作為 Q開(kāi)關(guān)的元件 2）聲光調(diào)Q在激光諧振腔內(nèi)放置聲光偏