激光原理及應(yīng)用

1、激光原理及應(yīng)用第1章輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件1光波：光波是一種電磁波，即變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互激發(fā),形成變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播。光波既是電矢量片的振動(dòng)和傳播，同時(shí)又是磁矢量B的振動(dòng)和傳播。在均勻介質(zhì)中，電矢量E的振動(dòng)方向與磁矢量B的振動(dòng)方向互相垂直,且E、B均垂直于光的傳播方向產(chǎn)。（填空）2玻爾茲曼分布：佇二e乎（計(jì)算）ngkTnn3. 光和物質(zhì)的作用：原子、分子或離子輻射光和吸收光的過(guò)程是與原子的能級(jí)之間的躍遷聯(lián)系在一起的。物質(zhì)（原子、分子等）的相互作用有三種不同的過(guò)程，即自發(fā)輻射、受激輻射及受激吸收。對(duì)一個(gè)包含大量原子的系統(tǒng)，這三種過(guò)程總是同時(shí)存在并緊密聯(lián)系的。在不同情況下，各個(gè)

2、過(guò)程所占比例不同，普通光源中自發(fā)輻射起主要作用,激光器工作過(guò)程中受激輻射起主要作用。（填空）自發(fā)輻射：自發(fā)輻射的平均壽命工二1A（A指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自2121發(fā)輻射的粒子數(shù)密度，占處于E能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比）24. 自發(fā)輻射、受激吸收和受激吸收之間的關(guān)系在光和大量原子系統(tǒng)的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種過(guò)程是同時(shí)發(fā)生的，他們之間密切相關(guān)。在單色能量密度為pV的光照射下,dt時(shí)間內(nèi)在光和原子相互作用達(dá)到動(dòng)平衡的條件下有下述關(guān)系：Andt+BnPdt=BnPdt212212v121v即單位體積中，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)E1的原子數(shù)應(yīng)等于低能

3、級(jí)E1吸收光子而躍遷到高能級(jí)E2的原子數(shù)。（簡(jiǎn)答）自發(fā)輻射光子數(shù)）（受激輻射光子數(shù)）受激吸收光子數(shù)）5光譜線增寬：光譜的線型和寬度與光的時(shí)間相干性直接相關(guān)，對(duì)許多激光器的輸出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影響，所以光譜線的線型和寬度在激光的實(shí)際應(yīng)用中是很重要的問(wèn)題。（填空）光譜線增寬的分類：自然增寬、碰撞增寬、多普勒增寬自然增寬:自然增寬的線型函數(shù)的值降至其最大值的1/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率之差稱作原子譜線的半值寬度，也叫作自然增寬。碰撞增寬:是由于發(fā)光原子間的相互作用造成的。多普勒增寬：是由于發(fā)光原子相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)所引起的譜線增寬。當(dāng)光源和接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的光波

4、頻率不等于光源與接收器相對(duì)靜止時(shí)的頻率，叫光的多普勒效應(yīng)。6. 按照譜線增寬的特點(diǎn)可分為均勻增寬和非均勻增寬兩類。7. 要實(shí)現(xiàn)光的放大，第一需要一個(gè)激勵(lì)能源，用于把介質(zhì)的粒子不斷地由低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)上去；第二需要有合適的發(fā)光介質(zhì)（或稱激光工作物質(zhì)），它能在外界激勵(lì)能源的作用下形成njgn/'g的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。8. 要使受激輻射起主要作用而產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)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（原子、分子或者離子）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

5、，增長(zhǎng)激活介質(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.課后答案3.已知氮原子算一激發(fā)畝Ej）3基融已比間堤繪差尙l.fi4X10_lsJp謨火j（T=2700K）''含育I嚴(yán)亍毎原-化孩螳于按玻爾越翌労布且4gl=g2.拾能簸EJT原于5為辦少7（郢設(shè)火焰川每砂發(fā)射的光子數(shù)為1臚叱求光&功舉為寒少TDL64X1018答；Q）巴=百=玉=4呂c密L喬=3.齊】。n,-gTji,1.3KX10x27W且珂+7打=10(.2')R率=10'買31Xl.64xl0_,a=5OJUx1()4.1）曾逍光源変射A=0.6000pj

6、n時(shí).如受槪桶射打白發(fā)福射光功率休密戌之比如2000,求此時(shí)單色能型密堆厲為檸T?2）在HeKc激光髀叩卄=5.0?<W,幾為6他2汕m股求細(xì)為幵?答：AP=畑'2000W/r<6.53xl()-3<6X10)心->=3-K57Xl(_1JJ-.?/w嗨_H,_汩亞呂品/從-畑幾阮x&血xJ05, 在迓寶石Q詢制激光辭山有可能將全部&一僻離于鍛發(fā)到槪光卜朋圾齊產(chǎn)土巨毗也設(shè)紅寶工直輕O.Scm,LC加口骼離于液區(qū)為2X1巨臨沖電度為】血農(nóng)求：輸th0.6?43m#州的最尢能量和脈沖平均功率:口沏上能級(jí)的壽命=】紜問(wèn)我輻射功率為多少瓦7巻：門最人一能

7、拭Ff_r=jV-hy=打"d/?AA=z0.C042-O.OE*-2xlOlhx066.63x10卻-=2.370943X10"6脈沖'丫上31率=少=2-jX10=2.30xlt)aUt10x10'第2章激光器的工作原理1. 激光是在光學(xué)諧振腔中產(chǎn)生的。諧振腔對(duì)激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的主要功能之一是使光在腔內(nèi)來(lái)回反射多次以增長(zhǎng)激活介質(zhì)作用的工作長(zhǎng)度，提高腔內(nèi)的光能密度。兩塊平面鏡就可以使平面鏡垂直的光線在腔內(nèi)來(lái)回反射任意多次，而不會(huì)投射到平面鏡的通光口徑之外。顯而易見(jiàn)的是，不垂直于反射鏡表面的傍軸光線經(jīng)過(guò)有限次的反射，就會(huì)投射到平面鏡的

8、通光口徑之外，使得激活介質(zhì)作用的工作長(zhǎng)度只得到有限的增長(zhǎng)。所以，光線能夠在諧振腔中反射的次數(shù)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。腔中任一束傍軸光線經(jīng)過(guò)任意多次往返傳播而不逸出腔外的諧振腔能夠使激光器穩(wěn)定地發(fā)出激光，這種諧振腔叫做穩(wěn)定腔，反之稱為不穩(wěn)定腔。2共軸球面腔的穩(wěn)定性條件是0<(1-lR)(1-lR)<13. 非穩(wěn)腔：非穩(wěn)腔，因其對(duì)光的幾何損耗大，不宜用于中小功率的激光器。但對(duì)于增益系數(shù)G大的固體激光器，也可用非穩(wěn)腔產(chǎn)生激光，其優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)地改變輸出光的功率，在某些特殊情況下能使光的準(zhǔn)直性、均勻性比較好。（填空）4. 區(qū)分穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔在制造和使用激光器時(shí)有很重要的實(shí)際意義。由于在穩(wěn)定腔內(nèi)傍

9、軸光線能夠往返傳播任意多次而不逸出腔外，因此這種腔的幾何損耗（指因反射而引起的損耗）極小。一般中、小功率的氣體激光器（增益系數(shù)G）常用穩(wěn)定腔，它的優(yōu)點(diǎn)是容易產(chǎn)生激光。（填空）5. 對(duì)稱共焦腔是最重要和最代表性的一種穩(wěn)定腔。（填空）6. 三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)就級(jí)系統(tǒng)中冬峙讖光產(chǎn)生過(guò)稈的有三町：2龐壤來(lái)境一很"U腌絞素境V罔斗統(tǒng)棚卩惟級(jí)系紛尺戰(zhàn)鞘兀如円創(chuàng)年發(fā)明的第一臺(tái)紅宅仃激器5的三能級(jí)系統(tǒng)（見(jiàn)圖W）人產(chǎn)囂光的卜能級(jí)狀是基態(tài)能級(jí)，激光的I-能圾F是亞穆態(tài)能級(jí).忑為抽運(yùn)高能級(jí)。賂實(shí)際；常常不是單一的能級(jí)価是代表比&瘍的些激發(fā)態(tài)陡繩在激勵(lì)源作用下將下能級(jí)的訂產(chǎn)抽運(yùn)到爲(wèi)能

10、級(jí)&能級(jí)上粒子壽命很短,僉通過(guò)非輻射慣遷轉(zhuǎn)移到徼比附I,能級(jí)禺上口辿J仍能級(jí)I的樸比較格定，壽命較嵐肖下能級(jí)&的粒子多于半械抽運(yùn)到I能皺E''就九杓血之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布.三能級(jí)系統(tǒng)的主要特征是激朮的下能說(shuō)為垂卷通常估況卜崔態(tài)墾充滿粒千的陽(yáng)11厲澈光的發(fā)光過(guò)袴中，F(xiàn)能級(jí)的粒子數(shù)直保存有相卄的;鈕網(wǎng)能級(jí)系統(tǒng)所需四能級(jí)荼統(tǒng)（見(jiàn)圖2-4（h）屮產(chǎn)牛激光的卜能級(jí)占不是基態(tài)能如粒子袖運(yùn)是從比下語(yǔ)i£O他賦態(tài)隧級(jí)為上進(jìn)孑丁的擷帥運(yùn)到吸收帶©上以后.同樣由于非廟歸脈遷轉(zhuǎn):狗川免態(tài)的耿肥上能般爲(wèi)±o激光的卜一能級(jí)d肚個(gè)微發(fā)態(tài)能級(jí)"在常溫

11、下甚本是空的粒子庫(kù)能級(jí)薊上的壽命扱短，很容舄在血上】之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布©I+£的激勵(lì)能駐羈比:.能級(jí)系統(tǒng)小得埶產(chǎn)空激光比三能級(jí)系統(tǒng)容易得多2.2.2速率方釋組血皿少.廣氐暢居一電他細(xì)玉輔詠岡詵績(jī)至饒掬例東崖立沙1:現(xiàn)州7. 激光器的損耗指的是在激光諧振腔內(nèi)的光損耗。激光損耗的分類：內(nèi)部損耗和鏡面損耗。內(nèi)部損耗是諧振腔內(nèi)增益介質(zhì)內(nèi)部的損耗，與增益介質(zhì)的長(zhǎng)度有關(guān)；鏡面損耗指可以折合到諧振腔鏡面上的損耗。8. 課后答案3. 宴制柞一卩腔怪兇対稱穩(wěn)過(guò)，険反射鏡的曲率半徑取覽范闈如門丫（h）穩(wěn)宦腔的一塊反射鏡的fh率半處Ri=4L,求豹一商徂的曲宰半禪取憤范答：ta）R=比=貫;

12、0（I-一）（1一）<I>30cm<b>0總（1->（1-E1片0<-（I-）<1=>J?2>L或尺“玄-3L用尺，4Rr4. 聽(tīng)宦諧振腔的兩址反射鏡，其曲率半性廿丿為Ri=4CmsRWftcm,求腔直L的取何范亂答：（-XI-）l=>o<fl-）0-乞n0蘭L<4（>h!cI（H）L<40tw&&40!<）'第3章激光器的輸出特性1. 自再現(xiàn)模概念：光學(xué)諧振腔是一種“開(kāi)式”的諧振腔。所謂開(kāi)式是指，諧振腔只靠?jī)啥说姆瓷溏R來(lái)實(shí)現(xiàn)光束在腔內(nèi)的往返傳播，對(duì)于光波沒(méi)有任何其他限制。由于反射

13、鏡的有限大小，它在對(duì)光束起反射作用的同時(shí)，還會(huì)引起光波的衍射效應(yīng)。腔內(nèi)的光束每經(jīng)過(guò)一次反射鏡的作用，就使光束的一部分不能再次被反射回腔內(nèi)。因而，反射回來(lái)的光束的強(qiáng)度要減弱，同時(shí)光強(qiáng)部分也將發(fā)生變化。當(dāng)反射次數(shù)做多時(shí)（大概三百多次反射），光束的橫向場(chǎng)分布便趨于穩(wěn)定，不再受衍射的影響。場(chǎng)分布在腔內(nèi)往返傳播一次后能夠再現(xiàn)出來(lái)，反射只改變光的強(qiáng)度大小，而不改變光的強(qiáng)度分布。這種穩(wěn)態(tài)場(chǎng)將一次往返后，唯一的變化是，鏡面上個(gè)點(diǎn)的場(chǎng)振幅按同樣的比例衰減，各點(diǎn)的相位發(fā)生同樣大小的滯后。當(dāng)兩個(gè)鏡面完全相同時(shí)（對(duì)稱開(kāi)腔），這種穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布應(yīng)在腔內(nèi)經(jīng)單程渡越（傳播）后即實(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

14、的自再現(xiàn)模。2. 輸出功率與諸參量之間的關(guān)系：（1）輸出功率與飽和光強(qiáng)的關(guān)系：激光器的輸出功率P與飽和光強(qiáng)I成正比；s（2）輸出功率與光束截面的關(guān)系：光束截面A大的激光器，其輸出功率P也大；（3）輸出功率與輸出反射鏡的透射率的關(guān)系：部分反射鏡的透射率t的選取對(duì)激光器輸出功率的影響很大。為了1讓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。3. 普通光源發(fā)光的譜線是具有一定的寬度的。造成線寬的原因很多，其中還主要有：能級(jí)的有限壽命造成了譜線的自然寬度；發(fā)生光粒子之間的碰撞造成了譜線的碰撞寬度（或壓力寬度）；發(fā)光粒子的熱運(yùn)動(dòng)造成了譜線的多普勒寬度。這三種原因一般同時(shí)起作用的，實(shí)際的譜線

15、線型是它們共同作用的結(jié)果。這種譜線叫做發(fā)光物質(zhì)的熒光譜線其線寬叫做熒光線寬。4單純由于腔內(nèi)自發(fā)輻射而引起的激光譜線寬度遠(yuǎn)小于1Hz。例如，腔長(zhǎng)L=1m，單程損耗a沁1%，每端輸出1mW的He-Ne激光器發(fā)出總的0.6328帥譜線的寬度約為5xio-4Hz，這是個(gè)極微小的線寬。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激光器線寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值。這說(shuō)明造成激光線寬還有其他較自發(fā)輻射影響更大的因素。盡管如此，對(duì)于自發(fā)輻射造成激光線寬的分析還是十分有意義的。因?yàn)樽园l(fā)輻射在任何激光器中都存在，所以這種因素造成的激光線寬無(wú)法排除。也就是說(shuō)這種線寬是消除了其他各種使激光線寬增加的因素后，最終可以達(dá)到的最小線寬，所以叫做線寬極限。影響激光

16、穩(wěn)定性的一些因素，諸如溫度的波動(dòng)、機(jī)械的振動(dòng)、大氣壓力和濕度的變化、空氣的對(duì)流、損耗的波動(dòng)、增益的波動(dòng)，以及熒光中心頻率漂移等，是產(chǎn)生激光線寬的外部原因。因?yàn)楫?dāng)激光的頻率不穩(wěn)定而發(fā)生變化和漂移時(shí)，激光振蕩就不會(huì)是等幅的連續(xù)的正弦振蕩，它必然會(huì)形成一定的頻率分布，因而出現(xiàn)一定的譜線寬度。實(shí)驗(yàn)證明，穩(wěn)頻度較高的He-Ne激光器輸出的譜線寬度大約為幾十Hz的數(shù)量級(jí)，而固體激光器和半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更寬，一般都在106Hz以上。（概念、填空、簡(jiǎn)答、名詞解釋）5.課后答案I.腔任為5m的齟離子激光器，發(fā)射中心潁率葉=5.朋：d屮氐，熒光圾盒也卩=弘1臚用間它稈龍心血幾個(gè)纏模'?相應(yīng)的芋怕為毎

17、少亍設(shè)尹=1）則可能特左刑縱槌數(shù)有化它劉應(yīng)的4世分加沏1.95Xl(r,q+1=150001,q-l=94TO-92.HeNck光器的叩心vfl=4.74XlOHz,裁芳戟寬吐卩=丨上汨璉1喬今腔反£=lmn口可能軸H的縱棋數(shù)為活丁十為叢得屮縱模駒川，腔W嵐隹力皇少卞答：山-=-=3°=l.5xl()R/?2xIxl即可能輸出的縱模獨(dú)衙用十1=11個(gè).要想茯得巾縱棋輸山.則:.'.L<=0.21.5f<10第4章激光的基本技術(shù)1.激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個(gè)部分，一部分是對(duì)激光縱模的選取，另一部分是對(duì)激光橫模的選取。前者對(duì)激光的輸出頻率影響較大，

18、能夠大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的選頻技術(shù)；后者主要影響激光輸出的光強(qiáng)均勻性，提高激光的亮度，一般稱為選模技術(shù)。2. 單縱模的選?。哼x頻方法（短腔法、法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法、三反射鏡法【簡(jiǎn)答、名詞解釋】3. 激光單橫模的選?。貉苌鋼p耗（由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗）、光闌法選取單橫模、聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡選取橫模。聚焦光闌法：為了充分利用激光工作物質(zhì)，可以在腔內(nèi)插入一個(gè)透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時(shí)盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率，這種方法叫做聚焦光闌法。優(yōu)點(diǎn)：既保持了小孔光闌的選模特性，又提高了激活介質(zhì)的利用率，增大了激光的輸出功率；缺點(diǎn)：只有沿軸向行進(jìn)的平行光束，經(jīng)聚焦后

19、才能夠通過(guò)小孔往返振蕩。腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡：優(yōu)點(diǎn)：能充分利用激光工作物質(zhì)，獲得較大功率的基模輸出?？赏ㄟ^(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。輸出光斑大小適當(dāng)，不致?lián)p傷光學(xué)元件。4. 激光器通過(guò)選模獲得單頻震蕩后，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)線型寬度內(nèi)移動(dòng)。這種現(xiàn)象叫做“頻率的漂移”。由于漂移的存在，出現(xiàn)了激光器頻率穩(wěn)定性問(wèn)題。穩(wěn)頻的任務(wù)就是設(shè)法控制那些可以控制的因素，使其對(duì)振蕩頻率的干擾減至最小限度，從而提高激光頻率的穩(wěn)定性，減小頻率的漂移。頻率的穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面：1.頻率穩(wěn)定度；2.頻率復(fù)現(xiàn)度。2影響頻率穩(wěn)定的因素：腔長(zhǎng)變化；折射率變化3. 穩(wěn)頻方法：被動(dòng)式穩(wěn)頻和主動(dòng)式

20、穩(wěn)頻。被動(dòng)式穩(wěn)頻原理：利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器或?qū)崤蛎浵禂?shù)為負(fù)值的材料與熱噴腹脹系數(shù)為正值的材料按一定長(zhǎng)度配合，以使熱膨脹互相抵消，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。（簡(jiǎn)答）主動(dòng)式穩(wěn)頻原理：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。4. 激光調(diào)制的基本概念：激光調(diào)制就是把激光作為載波攜帶低頻信號(hào)本質(zhì)上是無(wú)線電波調(diào)制向光頻段的拓展。5. 激光調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制：指在激光生成的振蕩過(guò)程中加載調(diào)制信號(hào)，通過(guò)改變激光的輸出特性而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制。外調(diào)制：在激光形成以后，再用調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，它并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)。6. 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的分類：機(jī)械偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn)。7. 機(jī)械偏轉(zhuǎn)原理：利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)，或者利用反射鏡的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描；優(yōu)點(diǎn)：偏轉(zhuǎn)角大、分辨率高、光損失小、可適應(yīng)光譜范圍大；缺點(diǎn)：受驅(qū)動(dòng)器角速度的限制、難以實(shí)現(xiàn)快速、高精度的可控偏轉(zhuǎn)。8. 電光偏轉(zhuǎn)原理：利用泡克爾斯效應(yīng)，通過(guò)施加在電光晶體上的電場(chǎng)來(lái)改變晶體的折射率，使光束偏轉(zhuǎn)。9調(diào)