北理工期末激光原理分析報告

1、內(nèi)部資料，考試前絕密關(guān)鍵詞：激光原理，60分，及格名詞解釋1 自發(fā)輻射，受激躍遷，受激輻射 處于高能級的原子在沒有任何外界作用的情況下，自發(fā)地向低能級躍遷，并發(fā)射光子的過程稱為自發(fā)輻射躍遷，發(fā)出的光輻射是自發(fā)輻射處于低能級的原子在頻率為v的輻射場作用下，吸收一個能量為hv的光子并向高能級躍遷的過程稱為受激吸收躍遷處于高能級的原子在頻率為v的輻射場作用下，向E1能級躍遷并發(fā)射與外來光子能量相同的光子的過程稱為受激輻射躍遷2光子簡并度 處于同一光子態(tài)或同一光波模式的光子數(shù)密度3 增益飽和 由于光強(qiáng)增加導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少，由于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少引起激光器增益系數(shù)下降4 （固體）激光器斜率效率與總體效率

2、固體激光器的斜率效率是指超過閾值部分的輸入能量（的功率）轉(zhuǎn)化為輸出能量（或功率）的效率，表達(dá)式為斜率效率s=EoutEin-Eth P同理總體效率指輸入能量（功率）轉(zhuǎn)化為輸出能量（功率）的效率，表達(dá)式總體效率t=EoutEin P同理5 異質(zhì)結(jié)，禁帶寬度 異質(zhì)結(jié)是由不同的材料構(gòu)成的結(jié)，形成結(jié)的兩種材料有相近的結(jié)構(gòu)以保持晶格的連續(xù)性，但一般要求材料有不同的禁帶寬度與電子親和能，他們是決定結(jié)區(qū)能帶結(jié)構(gòu)及特性的主要因素。禁帶寬度指在直接禁帶半導(dǎo)體材料中，導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量間距。6 主動穩(wěn)頻穩(wěn)頻技術(shù)實(shí)質(zhì)是穩(wěn)定激光諧振腔腔長，主動穩(wěn)頻技術(shù)是指在穩(wěn)定腔長過程中加入人為可控因素、方法是選取一個穩(wěn)定的參

3、考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激光振蕩頻率偏離這個標(biāo)準(zhǔn)頻率，某一系統(tǒng)能鑒別這個誤差信號，并將其反饋給控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長，使激光振蕩頻率回復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)頻率。常用的主動穩(wěn)頻方法有蘭姆凹陷穩(wěn)頻，塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻。分子飽和吸收穩(wěn)頻。7 穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔 穩(wěn)定腔：光線在諧振腔內(nèi)往返任意多次也不會橫向逸出腔外的諧振腔非穩(wěn)腔：光線在諧振腔內(nèi)往返有限次即橫向逸出腔外8 燒孔效應(yīng) 參考下面的計算題橫模縱模選擇8 M因子 M因子:定義為實(shí)際激光束的光束參數(shù)積與理想基模高斯光束的光束參數(shù)積之比，是一個無量綱的數(shù)，用以表征實(shí)際激光束的光束質(zhì)量9 調(diào)Q與Q值 參考計算題10 鎖模 鎖模是將各縱模的相位鎖定，采取適當(dāng)措施，使各個獨(dú)立的

4、縱模在相位上同步，則激光器可輸出脈寬極窄、峰值功率極高的超短脈沖。各振蕩縱模的初相位鎖定，相位差為一常數(shù)各振蕩縱模之間的頻率間隔相等并固定為Dv=c/2nL.11 選基模的機(jī)理 激光器的基模指的是基橫模，諧振腔內(nèi)基橫模對比高階橫模，具有更小的衍射損耗。利用不同橫模間的衍射損耗差異，通過在腔內(nèi)放置小孔光闌，加入透鏡或使用非穩(wěn)腔方法可以抑制高階橫模振蕩，從而選出基橫模。（橫模的選擇：參考基模的選擇，利用損耗選出需要的橫?？v模的選擇：不同縱模間有頻率差別，相鄰縱模頻差為c/2nl，不同縱模有不同小信號增益，利用增益差異，引入與頻率相關(guān)的損耗，使需要的縱模達(dá)到閾值起振。12 振幅調(diào)制使載波振幅隨著信號

5、變化而變化。13 角度調(diào)制 改變光波的角宗量，使其按照信號變化而變化，為角度調(diào)制。引起角宗量變化的參數(shù)有頻率與相位，角度調(diào)制包括頻率調(diào)制與相位調(diào)制14 光學(xué)倍頻I類II類相位匹配光學(xué)倍頻中的I類相位匹配與II類相位匹配都是角度相位匹配、I類是指入射的基頻光波只有一種偏振態(tài)，II類指入射的基頻光波有兩種相互垂直的偏振態(tài)。（光學(xué)倍頻中的角度相位匹配：使參與非線性相互作用的光波在非線性介質(zhì)的某個特定方向上傳播，該方向上基頻光波與倍頻光波折射率相同） 模擬試題燒孔效應(yīng)分別畫出下面兩種狀況下非均勻加寬介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度分布曲線，解釋燒孔效應(yīng)并標(biāo)出燒孔位置燒孔效應(yīng):對于非均勻加寬工作物質(zhì)，當(dāng)頻率為的強(qiáng)

6、光入射，會使得表觀中心頻率為及其附近的原子由于受激輻射與增益飽和效應(yīng)使得增益曲線在及其附近形成一個凹陷。頻率為的光與速度為vz=c(-0)/ 0的粒子共振相互作用，引起這部分反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少1）=(0+）時，vz=c(-0)/ 0=c /0=(0-）時，vz= - c /02）=(0+）時，vz=c(-0)/ 0=c /0=(0-）時，且反方向入射vz= c /0穩(wěn)定腔與ABCD矩陣如圖光學(xué)諧振腔中，M1，M2為平面鏡，F(xiàn)為薄透鏡，f=L=200mm激光波長=1064nm1）利用ABCD矩陣計算諧振腔是否為穩(wěn)定腔2）若為穩(wěn)定腔，計算腔內(nèi)束腰位置以及束腰大小，并做示意圖。若為非穩(wěn)腔，如何改變平面鏡

7、與薄透鏡的間距得到穩(wěn)定腔？解答1.654321光路2，5 光路1,3,4,6為自由空間 因此矩陣為M=為穩(wěn)定腔顯然符合所以該諧振腔為穩(wěn)定腔2.腔內(nèi)平面鏡位置即為束腰位置，可能存在束腰位置位于第一個平面鏡處q=if=iw0/w0=f/代入f=200mm，=1064nmw0=0.26mmw0=0.26mm補(bǔ)充：A-球面鏡變換矩陣，凹面鏡*凸面鏡為2/RB-共軸球面腔穩(wěn)定性條件補(bǔ)充試題：有一平面鏡與曲率半徑為2m的凹面鏡1）如何擺放能形成基模腰斑半徑最大的穩(wěn)定腔？2）畫出光束腰斑半徑與腔長的關(guān)系曲線解答1）=基模束腰半徑f=z（-z）顯然，Z=R/2時滿足條件，z=1m2）由上一問，f=z（-z）=

8、 圖略補(bǔ)充試題2有一平面鏡與曲率半徑為1m的凹面鏡，若要構(gòu)成穩(wěn)定腔并獲取最小基模遠(yuǎn)場發(fā)散角，該如何設(shè)計？畫出光束發(fā)散角與腔長的關(guān)系曲線。解：0(1-L/R1)(1-L/R2)1平凹腔0 (1-L/R2)10L1f=L（R-L）=/f=代入=1*L（R-L）顯然R=L/2最小增益損耗某激光器工作物質(zhì)的均勻加寬線寬為1200MHz，中心頻率處小信號增益系數(shù)是單位距離諧振腔平均單程損耗的兩倍，如果要獲得單縱模輸出，光學(xué)諧振腔腔長應(yīng)滿足什么條件？增益損耗 =2/L=c/2nL單縱模條件求得L 注意l為紅寶石棒長代入gml 求得T9.15%2）設(shè)振蕩帶寬為求得=1.8708X1011=c/2nl+(L-

9、l)N=/+1=363.3長度l=120mm的紅寶石激光器棒置于長度為L=200mm的諧振腔中,紅寶石694.3nm自發(fā)輻射壽命為=4X10-4s，均勻加寬線寬為4X105Mhz，光腔單程損耗0.2，紅寶石折射率1.761）計算閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nt2）當(dāng)光泵浦產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n=1.5nt，有多少縱?？梢哉袷?？解1）nt=l=0.2/=1/ V=C/n =c/ =4X105Mhz代入得到nt=6.67X10232）L=L-l+nl=c/2L=n/nt=-1N=/+1 N=550電光調(diào)Q說明激光器Q值的物理意義，并回答:1）畫出帶偏振器的KDP電光調(diào)Q激光器裝置示意圖2）說明退壓式調(diào)Q工作原理3）

10、若改為加壓式調(diào)Q，應(yīng)怎樣修改裝置？解：Q值物理意義：激光器的Q值是諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q值表征諧振腔的損耗大??；Q值?。褐C振腔損耗大，不容易形成振蕩,Q值大：諧振腔損耗小，容易形成振蕩1) 2）1-泵浦開始，腔內(nèi)光子通過偏振器后變?yōu)檠豿軸的線偏光，電光晶體不加電壓，偏振不變，經(jīng)全反鏡后再次通過偏振器，腔低損耗，Q開關(guān)處于“打開”狀態(tài)；2-加1/4波電壓，沿x方向的線偏光通過晶體后，其o光和e光產(chǎn)生p/2相位差，從晶體出射后變?yōu)閳A偏光；經(jīng)全反鏡后再次通過晶體，又產(chǎn)生p/2相位差，合成后得到沿y方向振動的線偏光，不能再次通過偏振器，腔高損耗，Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)；3-當(dāng)工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大時

11、，迅速撤去晶體上的1/4波電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，Q開關(guān)打開，輸出激光巨脈沖。1/4玻片3)補(bǔ)充簡述加壓式調(diào)Q原理（略，即未加壓前Q開關(guān)關(guān)閉，第2步說明略作修改）簡述調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)的異同相同點(diǎn)：均為壓縮激光脈寬，提高峰值功率；可利用電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)，飽和吸收效應(yīng)實(shí)現(xiàn)不同點(diǎn)：調(diào)Q與鎖模壓縮脈寬機(jī)理不同。調(diào)Q是控制腔內(nèi)損耗，可將脈寬壓縮至ns量級，峰值功率到Mw。調(diào)Q技術(shù)不受腔內(nèi)振蕩模式數(shù)限制。鎖模技術(shù)通過保持各振蕩縱模間相位差恒定產(chǎn)生干涉，滿足干涉條件的振蕩模式數(shù)越多鎖模脈寬越窄，鎖模技術(shù)可將脈寬壓縮至ps/fs量級He-Ne激光器1）畫出內(nèi)腔式He-Ne激光器結(jié)構(gòu)示意圖2）說明

12、激光器主要組成部分及功能3）什么是He-Ne激光器的譜線競爭答1）2)激光器三大組成部分：工作物質(zhì)，泵浦源，光學(xué)諧振腔。工作物質(zhì)就是放電管中的He-Ne氣體泵浦源為高壓直流電源光學(xué)諧振腔為平凹腔He-Ne氣體為增益介質(zhì)（Ne為工作氣體,He為輔助氣體），泵浦源為在增益介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供能量，光學(xué)諧振腔提供光學(xué)正反饋，同時有選模作用3）譜線競爭指的是3.39um與632.8nm譜線間的競爭，二者具有相同的激光上能級，一條譜線振蕩后會抑制另一條譜線的振蕩，為保證He-Ne激光器632.8nm譜線震蕩并提高其輸出功率，需采取措施抑制3.39um譜線振蕩鎖模的計算一鎖模釹玻璃激光器，釹玻璃的熒光

13、線寬vf=7.51012Hz，釹玻璃的折射率為1.52，激光棒長l=10cm，激光諧振腔長L=50cm，若位于熒光線寬內(nèi)的縱模均被鎖定，求該激光器鎖模激光功率是自由振蕩時的多少倍？解：L=L+（n-1）l=55.2cm縱模間隔vq=C/2L=272MhzN=vf/vq=27600一鎖模釹玻璃激光器，工作波長=1.064um，釹 玻璃的熒光線寬vf=7.51012Hz，釹玻璃的折射率為1.52，激光棒長l=20cm，激光諧振腔長L=45cm，若位于熒光線寬內(nèi)的縱模均被鎖定，求該激光器鎖模激光功率是自由振蕩時的多少倍？1）求被鎖定的縱模個數(shù)，鎖模脈寬及周期2）畫出鎖模激光器裝置圖并說明工作機(jī)理及特

14、點(diǎn)解：1）L=L+（n-1）l=0.554m縱模間隔vq=C/2L=271MHz被鎖定縱模個數(shù) 2N+1=vf/vq+1=27701鎖模脈寬=1（2N+1）vq=1.33X10-13s鎖模周期T=2L/C=3.693ns2）圖為振幅調(diào)制鎖模激光器利用調(diào)制頻率為fm=c/2L聲光或電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模，調(diào)制周期等于激光在腔內(nèi)往返一次的時間，腔內(nèi)的激光束通過調(diào)制器時總處于相同的調(diào)制周期部分。在t1時刻通過調(diào)制器的光信號受到的損耗為a, 光脈沖在腔內(nèi)往返一周后通過調(diào)制器時受到同樣的損耗。如果t1時刻通過調(diào)制器的脈沖受到的損耗不為0，則以后每次經(jīng)過此處都會受到損耗而逐漸停止振蕩；如果t1時刻通過

15、調(diào)制器的脈沖受到的損耗為0，則會不斷得到增大，最后輸出周期為2L/c的超短脈沖聲光調(diào)制*一個PbMnO4聲光調(diào)制器，對Nd：YAG（=1.064um）激光進(jìn)行調(diào)制，聲功率Ps=20W聲光相互作用強(qiáng)度L=2.4mm，換能器厚度H=1mm，M2=3.63X10-14s3/kg，求其布拉格衍射效率解：=14.15%線寬半導(dǎo)體激光器腔長為l=0.1mm，折射率為3.5，激光器線寬為104MHz，將此半導(dǎo)體激光器與距離激光器輸出面L=100mm的平面反射鏡（輸出鏡透過率0.1）構(gòu)成外腔半導(dǎo)體激光器，估算激光線寬的量級。解：=c/2l=2l/c=0.0733= c/2L=c（+T/2）（nl+L）=58.7MHz量級為107四能級666 試證明一個四能級激光系統(tǒng)均勻加寬工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)居集數(shù)密度速率方程可表示為略，有能力的同學(xué)去推一下，我們這道題建議寫出四能級公式后再補(bǔ)幾個結(jié)論拿10-15分走人計算咱不費(fèi)那腦子，直接寫結(jié)論，混個15分，剩下5分咱不要了有能力多背一點(diǎn)，拿14分寫到這里拿8分走人光的相干性如果一臺激光器輸出光線寬為v=30kHz，如果用它作為精密測量距離相干光源，理論上相干探測最大可測距離為多少？激發(fā)態(tài)壽命=1/v相干長度l=c=104m可測距離L=l/2=5000m不全之處敬請諒解，固體激光器可參考編者的話：整體試卷結(jié)構(gòu)一、6道