激光原理及應(yīng)用

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.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 E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 k（填空）g （EmEn）.玻爾茲曼分布： nmgmekT（計(jì)算）nngne.光和物質(zhì)的作用： 原子、分子或離子輻射光和吸收光的過程是與原子的能級(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)， 這三種過程總是同時(shí)存在并緊密聯(lián)系的。 在不同情況下，各個(gè)過程所占比例 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 1A21（ A21指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度，占處于 E2能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比）.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 V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： A21n2dtB21n2vdt B12n1 vdt（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)）即單位體積中，在 dt時(shí)間內(nèi)，由高能級(jí) E2通過自發(fā)輻射和受激輻射而躍遷到低能級(jí) E1的原子數(shù)應(yīng)等于低能級(jí) E1吸收光子而躍遷到高能級(jí)E2的原子數(shù)。 （簡(jiǎn)答）.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)。.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。.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 n2g2n1g1的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。.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)；級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；3）有光學(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方.課后答案

第 2章 激光器的工作原理.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)來回反射多次以 增長激活介質(zhì)作用的工作長度， 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。 顯而易見的是， 不垂直于反射鏡表面的傍軸光線經(jīng)過有限次的反射， 就會(huì)投射到平面鏡的通光口徑之外， 使得激活介質(zhì)作用的工作長度只得到有限的增長。 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。.共軸球面腔的穩(wěn)定性條件是 0(1LR1)(1LR2)1

.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）.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）.對(duì)稱共焦腔 是最重要和最代表性的一種穩(wěn)定腔。 （填空）.三能級(jí)系統(tǒng) 四能級(jí)系統(tǒng)的原理、優(yōu)缺點(diǎn).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)的長度有關(guān)；鏡面損耗指可以折合到諧振腔鏡面上的損耗。.課后答案第 3章 激光器的輸出特性.自再現(xiàn)模概念 ：光學(xué)諧振腔是一種“開式”的諧振腔。所謂開式是指，諧振腔只靠兩端的反射鏡來實(shí)現(xiàn)光束在腔內(nèi)的往返傳播， 對(duì)于光波沒有任何其他限制。 由于反射鏡的有限大小， 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， 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，就是激光諧振腔的自再現(xiàn)模。.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) Is成正比；（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 t1的選取對(duì)激光器輸出功率的影響很大。為了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。.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。.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 L=1m，單程損耗 1%，每端輸出 1mW的He-Ne激光器發(fā)出a總的0.6328m譜線的寬度約為 5104Hz，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法排除。 也就是說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）.課后答案第4章激光的基本技術(shù).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，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)。.單縱模的選?。?選頻方法（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】.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)聚焦后才能夠通過小孔往返振蕩。腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡： 優(yōu)點(diǎn)：①能充分利用激光工作物質(zhì)，獲得較大功率的基模輸出。 ②可通過調(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。.激光器通過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” 。出現(xiàn)了激光器頻率穩(wěn)定性問題。 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。.影響頻率穩(wěn)定的因素：①腔長變化；②折射率變化.穩(wěn)頻方法：被動(dòng)式穩(wěn)頻和主動(dòng)式穩(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)放大后又通過反饋系統(tǒng)返回來控制腔長，使振蕩頻率回到標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。.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)上是無線電波調(diào)制向光頻段的拓展。.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程中加載調(diào)制信號(hào)，通過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)。.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)。.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)。.電光偏轉(zhuǎn)原理：利用泡克爾斯效應(yīng)，通過施加在電光晶體上的電場(chǎng)來改變晶體的折射率，使光束偏轉(zhuǎn)。.調(diào) Q原理：采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時(shí)處于高損耗低 Q指狀態(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)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，突然使腔的 Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。這時(shí)儲(chǔ)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，激光器便可輸出一個(gè)峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。 用調(diào)節(jié)諧振腔的 Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱為激光調(diào) Q技術(shù)。.調(diào) Q技術(shù)方式：電光調(diào) Q、聲光調(diào) Q、染料調(diào) Q。.激光鎖模技術(shù) 定義：調(diào)Q技術(shù)可以壓縮激光脈沖寬度，得到脈寬為毫微秒量級(jí)、 峰值功率為千兆瓦量級(jí)的激光巨脈沖。 鎖模技術(shù)是進(jìn)一步對(duì)激光進(jìn)行特殊的調(diào)制， 強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個(gè)縱模的相位固定，使各模式相干疊