激光原理考點總結

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上對了課本兩遍，基本覆蓋所有考點，部分小四字體重在輔助理解。有填空、名詞解釋、計算、簡答。計算題四個中出三個。()第一章1、 光的基本性質：波粒二象性；波動性（電磁波），粒子性（光子流）。2、 光與物質的相互作用有：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、 簡答：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收之間關系：A21n2dt+B21n2vdt=B12n1vdt 在光和大量原子系統(tǒng)的相互作用中，三者是同時發(fā)生的。在單位體積中，在dt時間內，由高能級E2通過自發(fā)輻射和受激輻射而躍遷到低能級E1的原子數，應等于低能級E1吸收光子而躍遷

2、到高能級E2的原子數。4、 光譜的（線型）和（寬度）與光的（時間相干性）直接相關。自然增寬的線型函數：fN(v)=A/(42(v-v0)2+(1/2)2)fN(v)表示在頻率v附近單位頻率間隔的相對光強隨頻率的分布。A為比例常數。所得譜線的自然增寬是因為作為電偶極子看待的原子做衰減振動而造成的譜線增寬。5、 （名詞解釋）光的多普勒效應：隨著光源和接收器的相對運動而發(fā)生光源的頻率發(fā)生改變（頻移）稱為多普勒效應。運動對向接受體頻率增高，背向接受體頻率降低。6、 （名詞解釋）均勻增寬與非均勻增寬：均勻增寬：自然增寬和碰撞增寬中每一個原子所發(fā)的光對譜線內任一頻率都有貢獻，而且這個貢獻對每個原子都是等同

3、的，這種增寬為均勻增寬。非均勻增寬：不同粒子對譜線不同頻率部分的貢獻不同, 即可分辨譜線線型哪一頻帶是由哪些特定粒子發(fā)射的(熱運動速度矢量相同的粒子引起的頻移相同) 7、 （簡答）實現光的放大的條件：1） 需要一個激勵能源，用于把介質的粒子不斷地由低能級抽送到高能級上去；2） 需要合適的發(fā)光介質（激光工作物質），它能在激勵能源的作用下形成n2/g2>n1/g1的粒子數密度反成分布狀態(tài)。8、 （簡答）產生激光的條件：1） 有提供放大作用的增益介質作為激光工作物質，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產生受激輻射的能級結構；2） 有外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間

4、產生粒子數反轉；3） 有光學諧振腔，增長激光介質的工作長度，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。9、 計算：已知氫原子第一激發(fā)態(tài)E2與基態(tài)E1之間能量差為1.64*10-18J,火焰(T=2700K)中含有1020個氫原子。設原子按玻爾茲曼分布，且4g1=g2，求：（1）能級E2上的原子數n2為多少；（2）設火源中每秒發(fā)射的光子數為108n2，求光的功率為多少瓦。答：（1）且可求出 （2）功率第二章1、 （名詞解釋）穩(wěn)定腔，不穩(wěn)定腔：在光學諧振腔中，任一束傍軸光線在兩反射鏡之間來回不斷反射，光在腔內來回反射過程中始終不離開諧振腔，使激光器能穩(wěn)定的發(fā)射激光。滿足這一要求的

5、腔稱為穩(wěn)定腔。反之為不穩(wěn)定腔。會畫圖(2-4) 三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)示意圖2、 （大題）三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)（工作原理、示意圖與優(yōu)缺點）：1）實現上下能級之間粒子數反轉產生激光的物理過程：三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)2） 三能級系統(tǒng)：如圖(2-4a)，下能級E1是基態(tài)能級，上能級E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E3為抽運高能級。其主要特征是激光的下能級為基態(tài)，發(fā)光過程中下能級的粒子數一直保存有相當的數量。3） 四能級系統(tǒng)：如圖(2-4b)，下能級E1不是基態(tài)能級，而是一個激發(fā)態(tài)能級，在常溫下基本上是空的。其激勵能量要比三能級系統(tǒng)小得多，產生激光要比三能級系統(tǒng)容易得多。輔助理解：（獲得激光需要激光上下能級形成粒

6、子數反轉，也就是上能級粒子數大于下能級粒子數。泵浦粒子數到上能級是需要消耗能量的。三能級系統(tǒng)的下能級是基級，必須將一半以上的粒子數泵浦到高能級上。而四能級系統(tǒng)的下能級不是基態(tài)，可以很快排空，更容易形成粒子數反轉。） 3、激光器的損耗（鏡面損耗），（內部損耗）。內部損耗：增益介質內部由于成分不均勻、粒子數密度不均勻或有缺陷而使光產生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。鏡面損耗：當強度為I的光波射到鏡面上，其中r1I(或r2I)反射回腔內繼續(xù)放大，其它的部分均為損耗，包括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，用a1I(或a

7、2I)表示。4、 （計算）穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R1=40cm,R2=100cm，求腔長L的取值范圍。答：第三章1、自再現模：當兩個鏡面完全相同時（對稱開腔），這種穩(wěn)態(tài)場分布應在腔內經單程渡（傳播）后，即可實現再現，這個穩(wěn)定的橫向場分布，就是激光諧振腔的自再現模。輔助理解： 鏡1上的場分布，到達鏡2時，由于衍射，要經歷一次能量的損耗和場分布的變化，中間能量損失小，鏡邊緣損失大，每單程渡越一次，都會發(fā)生類似的能量損耗和場分布變化，多次往返后，從而逐漸形成中間強、邊緣弱的基本不受衍射影響的穩(wěn)態(tài)場分布，該穩(wěn)態(tài)場分布一個往返后可“自再現”出發(fā)時的場分布，唯一變化是鏡面上各點的場振幅按

8、同樣的比例衰減，各點相位發(fā)生同樣大小的滯后。橫向場振幅分布和相位分布都均勻的平面波入射，經過多次孔闌的衍射影響后，二者都變得不再均勻，成為相對場振幅和相對相位分布都不受衍射影響的穩(wěn)態(tài)場分布。2、 （簡答）輸出功率與諸參量之間的關系1） 輸出功率P與飽和光強Is的關系: 兩者成正比2） 輸出功率P與光束截面A的關系: 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的關系: 實際中總是希望輸出功率大鏡面損耗小，這要求t1大，a1（反射鏡鏡面損耗系數）小，使t1>>a1，但1 t1過大又使增益系數的閾值G閾升高，而如果介質的雙程增益系數2LG0不

9、夠大將會導致腔內光強減小，使輸出功率降低。嚴重時使腔內不能形成激光。2 t1過小，雖然使G閾降低光強增強，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，實際工作中總是用實驗方法確定最佳透射率，再估計鏡面損耗大小。3、 （計算）He-Ne激光器的中心頻率v0=4.74*1014Hz，熒光線寬v=1.5*109Hz，腔長L=1m。問可能輸出的縱模數為多少？為獲得單縱模輸出，腔長最長為多少？答：，即可能輸出的縱模數為11個，要想獲得單縱模輸出，則：故腔長最長不得大于。第四章1、 激光器輸出的選模（選頻）技術分為兩個部分：1）激光縱模的

10、選取，2）激光橫模的選取。前者對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；后者主要影響激光輸出的光強均勻性，提高激光的亮度，一般稱為選模技術。2、 縱模的競爭：通過增益的飽和效應，使某個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象叫做“縱模的競爭”。3、 空間競爭：在均勻增寬激光器中，當受激輻射比較強時，也可能有比較弱的其它縱模出現，這種現象稱為模式的“空間競爭”。4、（填空/簡答）單縱模的選?。ǚ椒皟?yōu)缺點（這個總結的不好）：短腔法、法布里一珀羅標準具法、三反射鏡法1）短腔法優(yōu)點：簡單?？v模頻率間隔和諧振腔的腔長是成反比的，要想得到單一縱模的輸

11、出，只要縮短腔長，使的寬度大于增益曲線閾值以上所對應的寬度即可。對He-Ne激光器，只要做到腔長小于10cm，就會得到單縱模的輸出。缺點：首先，由于腔長受到限制，激活介質的工作長度也相應受到限制，激光的輸出功率必然受到限制。這對于那些需要大功率單縱模輸出的應用場合是不適合的。其二，有些激光輸出譜線熒光寬度很寬，若要加大到足夠的縱模間寬度，勢必要使腔長縮到很短，以致難于實現粒子數反轉而不能輸出激光。2）法布里一珀羅標準具法這種方法就是在外腔激光器的諧振腔內，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個法布里珀羅標準具。這種標準具是用透射率很高的材料制成的，兩個端面研磨得高度平行，且鍍有高反射率的反射膜。這種反射

12、膜由于多光束干涉的結果，對于滿足條件的光具有極高的透射率。把這樣的標準具插入到激光器的腔內時，就可以起到選頻的作用。缺點：由于高選模性的標準具總要帶來百分之幾的透射損失，因此這種方法對于低增益的激光器(如He-Ne激光器)不大合適，但對于高增益的激光器(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，其中鏡與為全反射鏡，是具有適當透射率的部分透射部分反射鏡，這個組合相當于兩個諧振腔的耦合，一個諧振腔是由與組成，其腔長為L1L2，另一個諧振腔由與組成，其腔長是L2L3。如果L2、L3 較短，就形成了一個短諧振腔和一個長諧振腔的耦合。短諧振腔的縱模頻率間

13、隔是長諧振腔的縱模頻率間隔是只有同時滿足上面兩個諧振條件的光才能形成振蕩，故只要選取L2L3足夠小，就可以獲得單縱橫輸出。5、激光單橫模的選取：1）光闌法2）聚焦光闌法3）腔內望遠鏡法6、（名詞解釋）衍射損耗：通過求解激光諧振腔的自再現模積分方程得到，在激光諧振腔內振蕩的基橫模是高斯光束，其光振幅和光強分布在與光軸垂直的平面上呈高斯函數形式，一直延伸到離光軸無限遠處。因此，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。這種由于衍射效應形成的光能量損失稱為衍射損耗。7、腔內望遠鏡法優(yōu)點： (1)能充分利用激光工作物質，獲得較大功率的基模輸出。(2)可通過調節(jié)

14、望遠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，不致?lián)p傷光學元件。8、頻率的漂移：一個激光器通過選模獲得單頻振蕩后，由于內部和外界條件的變化，諧振頻率仍然會在整個線型寬度內移動。這種現象叫做“頻率的漂移”。9、頻率的穩(wěn)定性包括兩個方面：一是頻率穩(wěn)定度；二是頻率復現性。10、 影響頻率穩(wěn)定的因素：1）腔長變化的影響2）折射率變化的影響。11、穩(wěn)頻方法：1）被動式穩(wěn)頻2）主動式穩(wěn)頻。1）被動式穩(wěn)頻：利用熱膨脹系數低的材料制作諧振腔的間隔器；或用膨脹系數為負值的材料和膨脹系數為正值的材料按一定長度配合，以使熱膨脹互相抵消，實現穩(wěn)頻。2）主動式穩(wěn)頻：目前采用的主動穩(wěn)頻方法基本原理大體

15、相同，即把單頻激光器的頻率與某個穩(wěn)定的參考頻率相比較，當振蕩頻率偏離參考頻率時，鑒別器就產生一個正比于偏離量的誤差信號。這個誤差信號經放大后又通過反饋系統(tǒng)返回來控制腔長，使振蕩頻率回到標準的參考頻率上，實現穩(wěn)頻。12、（填空+簡答）實現激光偏轉的途徑：主要有機械偏轉、電光偏轉和聲光偏轉等?；驹砼c優(yōu)缺點1）機械偏轉機械偏轉是利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉或反射鏡的振動實現光束掃描。優(yōu)點：偏轉角大、分辨率高、光損失少且可適應光譜范圍大的優(yōu)點。缺點：掃描速度受到驅動器(如馬達)角速度的限制難以實現快速、高精度的可控偏轉，使其應用范圍受到限制。2）電光偏轉電光偏轉是利用泡克耳斯效應，通過施加在電光

16、晶體上的電場改變晶體的折射率，使光束偏轉。因而出射光偏轉角的改變量與折射率變化成線性關系。 缺點：不能形成大的折射率梯度，即使采用多級電光棱鏡的偏轉器，偏轉角也不會很大。3）聲光偏轉聲光效應也提供了一種方便地控制光的強度、頻率和傳播方向的手段，和電光效應一樣得到了廣泛的應用。13、調Q原理與方法：激光調Q技術：用調節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術。調Q原理：采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉數即使積累到很高水平也不會產生振蕩；當粒子密度反轉數達到其峰值時，突然使腔的Q值增大，導致激光介質的增益將大大超過閾值，極其快速地產生振蕩。這時貯

17、存在亞穩(wěn)態(tài)上的粒子所具有的能量會很快轉換為光子的能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長，激光器便可輸出一個峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。14、 調Q技術類型：因為諧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型的損耗，就形成了不同的調Q技術?？刂品瓷鋼p耗的有（機械轉鏡調Q技術）、（電光調Q技術），控制吸收損耗的有（可飽和吸收染料調Q技術），控制衍射損耗的有（聲光調Q技術）等等。15、 各種調Q原理1）電光調Q電光調Q是利用晶體的電光效應來作為Q開關的元件。2）聲光調Q在激光諧振腔內放置聲光偏轉器，當光通過介質中的超聲場時，由于衍射造成光的偏折，就會增加損耗而改變腔的Q值。這種方法具有重復頻率高和輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，目前，多用于獲得中等功率的高重復頻率的脈沖激光器中。3）染料調Q利用某種材料(通常是用有機染料)對光的吸收系數會隨光強變化的特性來達到調Q的目的。15、（名詞解釋）主動鎖模：在諧振腔內插入一個調制頻率為調制器，對激光輸出進行振幅或位相調制，實現各個縱模振動同步，叫做主動鎖模。16、鎖模類型：1）損耗內調制鎖模2）位相內調制鎖模17、（計算）腔長30 cm的氦氖激光器