激光原理及应用 复习提纲

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1、激光原理及应用复习提纲一、名词解释1.光波模式光学上把具有一定频率、一定偏振状态和传播方向的光波称作 光波的一种模式。2.受激辐射一一如果原子系统的两个能级E和E满足辐射跃迁选择定则，当受2 1到外来能量hv=E -E的光照射时，处在E能级的原子受到外来光激励作用跃迁2 1 2 到较低能级E上并发射一个与外来光子完全相同的光子的过程。1 3粒子数反转 当高能态的粒子数大于低能态的粒子数( EE ),有mnn/g n/g的情况叫做粒子数反转。mmnn4.激光纵模一一谐振腔内正反两列沿轴线相反方向传播的同频率光波叠加形 成驻波，谐振腔内的驻波场称为激光纵模。5激光横模一一自再现模积分方程的本征函数

2、解u表示的是在激光谐振腔中mn存在的稳定的横向场分布，叫做激光横模。6. 谱线加宽一一实际光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都 有一定的宽度，v = vO只是谱线的中心频率，这种现象称为谱线加宽。7. 激活物质能把处于低能级上的粒子大量地抽运到高能级上去，造成n /g n /g的粒子数密度反转分布的状态的介质。22118辐射跃迁一一因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。9. 增益饱和在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数 是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。10. 光谱线型一一表征某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布线

3、型函数f(v)。11.高斯光束基横模行波输出在与光束前进方向的垂直平面上的强度分布 呈高斯线型，称为高斯光束。12.自再现模一一对于两个镜面完全相同的的谐振腔，光束的横向场分布在腔 内经单程渡越后实现再现，这个稳定的横向场分布就是激光谐振腔的自再现模。二、基本公式与概念(第一章1-6；第二章 7-9；第三章 10-13；第四章14-19)8 = hv1.光子能量与动量：hvh 7。P = kc2兀n / g( e e)2两能级上原子数分布(玻尔兹曼分布)：tJ-Lm = e-吕，粒子数反转指的就 n /gnn是 n / g n / g 。m m n n3.原子自发辐射平均寿命，等于原子数密度由

4、初始降为】/e所用的时间.二1/A21A 8兀hv 3 21 _4爱因斯坦系数之间的关系：B c 3 ，热平衡空腔的单色辐射能量密度 21g B _g BA1p _ - v B B g 竝2112 4 ekT 1B g21 2率体密度之比_ Biv q (t)A自 211 12 2 21_竺匕，受激辐射光功率体密度与自发辐射光功 c 3hvekT 1 1hv ekT5谱线的线型函数f (v) _竺_ ，其归一化条件f f (v)dv_ 1。10JI (v )dv0f6光波在介质中的相对衰减速率A_二！如，介质的增益系数 I (z) dz2 g 1 211-f (v )hv _c1 dI (z)

5、 I (z) dz如果测的增益介质光强10、穿过增益1I介质后出射的光强I以及增益介质长度L，那么平均增益系数G _丄In丄L I7共轴球面腔稳定条件0 (1 - )(1) 1或0 gg 1。常见的稳定腔有：双R Ri 21 2凹稳定腔(1、2、3、4)、平凹稳定腔(AC、AD)、凹凸稳定腔(5、6)、共焦腔 (原点)和半共焦腔(E、F)；临界腔有：平行平面腔(A)、共心腔(两条双曲 线)和半共心腔(平凹C、D)。图(2-2)共轴球面腔的稳定图8均匀增宽型介质的饱和光强Is二諾，使介质产生饱和作用的频率范围21 2_丄 L I Avv V 一 1 +go(v)0】s 2 ，均匀增宽介质系数G(

6、V)- 一丄仝S1+丄 fv)I f (v )S，R、o 兀Av 1R是激励2p2G o(v) = An o Bhv f (v)， An o 一 R t (R + R )t， f (v ) 一21 c o2 2121“能源的抽运速率，T、T是介质能级的寿命。1 28兀v 2 p 2Tac2 f (v)，因为单程总相移的主要部9光在增益介质中的变化规律I -1 exp(G-a )z，激光振荡的增益系数可以改 o总写为G - 内-2Lln(r2 - r1)；阈值条件为An皿阈一10激光振荡模式的谐振频率v二正+ c Amnq2pL2兀pL分是几何相移，纵模序数q的值非常大，另外单程附加相移A有限，

7、因此激 mn光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数V _竺；纵模频率间隔mnq2pLAv _v-v _qq+1q2 pL11. 高斯光束的传播：z处截面内基模的有效截面半径3（z） _与：1 +辛，可得在z处高斯光束的截面半径仅取决于共焦腔的腔长；束腰半径3 _丄3 _丄 空；用束腰表示有效截面半径3（z） _3 .1 + （空）2 ；波阵面 0 J2 s v2 兀0兀32T 0曲率半径Ro T z|1 +（營）2；远场发散角22盒由 R =| z 11 + (厶)2、11z112.稳定球面腔的等价共焦腔：R =1 z 11 + (厶)2和丨 z I +1 z I二 L得到2 2 z 1 222

8、,L(R - L)I z I_1 R +R -2L12,L(R - L)I z I=2 R + R - 2 L12；L( R L)( R L)( R + R L)f =1212R + R - 2 L1213等效共焦腔的束腰半径叮（齐）2九)2 L(RL)(勺-L)(叫+ 于 L) i/421(R + R 2 L)212原球面腔镜面的基模光束有效半径3一匹R12( J L) 1/4 s1兀L(R - L)(R + R - L)1 1 2阪R2(R -L)3 _121/4s1兀L(R - L)(R + R - L)1 1 2、，c1谐振频率：方形镜v_一q + (m + n + 1)arccosf

9、gg mnq pL兀1 2亠c1|圆形镜v_q +(m + 2n +1) arccos ： g g mnqpL兀1 2其中N是“菲涅尔数” N誉,14单纵模选取的方法有：短腔法、法布里-珀罗标准具法和三反射镜法;单横模 的选取方法有：光阑法、聚焦光阑法和腔内望远镜法。15. 腔内单程基横模衍射损耗8D = exp（ -2兀N）,菲涅尔数越大，单程衍射损耗越小。16. 影响激光器频率稳定性的因素是腔长的变化和折射率的变化；稳频的方法有 兰姆凹陷法和饱和吸收法。17. 当一个高斯光束射到焦距为f的薄透镜上时，出射的仍然是高斯光束，其在 透镜处的光斑尺寸w和波阵面曲率半径R符合R R f1 _ 1

10、_ 1r7R由：兀2R _ S1 + (=)2 九S九s _ ,1 + ()20兀22疔）21 0_ R _ s1 + 严推导得到：-一 _ ：1 + (罕)2 0兀2 0s_ Rs (XR)1+()2整理得到：兀2, 22 =0-，兀02、1 + ( )2 九R18. 高斯光束的聚焦：（1）高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦叮_ s 0（2）入射光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的聚焦_ -0 兀019.高 斯 光 束 的 准 直 ：由Q乞和Q f0 兀0 兀那么2”=希罟，可以看出光束发散角压缩比M=晶=洽M专，式0 2 1 0 0中M = f是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。 f12

11、0.第五章、第六章简略方法，例如激光调制方式/类型和激光测距方法等等。三、简答1. 光与物质相互作用的基本过程有哪些？各自有何特点？答：光与物质相互作用的基本过程有：自发辐射、受激辐射和受激吸收。特点：自发辐射一一不受外界影响，自发进行；产生的各列光波频率虽然相同，但各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向。受激辐射只有外来光子的能量hv=E -E，才能引起受激辐射;21受激辐射所发生的光子与外来光子的特性完全相同。受激吸收处于低能级E1的原子受到外来光子（能量hv=E -E ）21的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。2. 光学谐振腔的作用是什么？答： 提供光学正

12、反馈作用 ：使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损 耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量 的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡;产生对振荡光束的控制作用：有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得 单色性好、方向性强的相干光，可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、 谐振频率及光束发散角，可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制 激光束的输出功率。PS.倍增激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度；提高了光源 发光的方向性;由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激 光的单色性，实现了高度的相干性，改变了

13、输出激光的光束结构及其传输特性。3. 激光器的基本结构包括哪些？答：泵浦源、激活介质和谐振腔反射镜4. 激光的特性有哪些？答：高亮度、方向性好、相干性好。5. 光谱线增宽的主要原因有哪些？各自机理如何？线型函数如何？答：自然增宽一一作为电偶极子看待的原子作衰减振动而造成的谱线增宽。 自然增宽线型分布函数：洛仑兹线型。自然增宽的大小:0.1100MHz 碰撞增宽由气体粒子间或气体粒子与器壁间的碰撞、或固体粒子间的 偶极相互作用引起的谱线增宽。碰撞增宽线型分布函数:洛仑兹线型。碰撞增宽的大小：100200MHz 多普勒增宽一一由于原子运动速度各不相同，不同速度的原子所发出的 光被接收时的频率也各不

14、相同，因此引起谱线频率增宽。多普勒增宽线型分布函数：高斯线型。6. 受激辐射产生激光必须具备哪些条件？答：有提供放大作用的壇益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生 受激辐射的能级结构； 有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生 粒子数反转； 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被 放大的辐射光频率以提高单色性。7. 激光横模选择的依据是什么？答：选横模的实质是使需要的横模（一般为基模TEM0）满足激光振荡条件，而 使不需要的横模（一般为高阶模）不满足振荡条件而被00抑制，从而达到滤去高阶 模的目的。8. 单模激光器的纵模频率与哪些因素有

15、关？答：由谐振频率公式v =C + - A可以看出，影响纵模频率的因素是纵模序 mnq 2吐 2兀吐 mn数q、谐振腔的单程附加相移，以及各物理常数，其中单程附加相移取决于横模序数m、n。9. 与普通球面光波相比，基模高斯光束有何特点？答：高斯光束不像球面波那样在波阵面上具有均匀的振幅分布，而是呈现出高 斯型的振幅分布，在光束中心处光能十分集中； 不像球面波那样在所有的波阵面具有一个共同的球心，而是不同的波阵面 具有不同的曲率中心； 不像球面波那样向空间均匀地辐射,而是局限在十分微小的发散角内输出 光能，具有极好的方向性。10. 高斯光束通过薄透镜变换时遵守什么原则？答：=0R R f11.

16、当高斯光束束腰处于薄透镜前焦点时，出射光的束腰在何处？答：当入射高斯光束的腰处于透镜的焦点上时，出射光束正好聚焦在透镜另一侧 的焦点上。12. 用公式表示出射光束的腰粗与入射光束的腰粗的关系。答：兀013. 激光调Q的目的是什么？答：为了获得峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。14. 半导体激光器输出光的光强分布有何特点？ 答：由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面 内，发散角很大，可达20。-30。在结的水平面内，发散角约为几度。15. 什么是小信号工作状态？答：激光上下能级粒子数密度反转分布的表达式为：An二n -n二211+t B pf (y)2 21参数Ano对应着激光谐振腔尚未发出激光时的状态，通常把这个状态叫作小信号 工作状态，而参数Ano就被称作是小信号工作时的粒子数密度反转分布。四、激光最新应用激光品酒用投射激光束穿透盛酒的试管，酒中离子散射的强弱和方向便在图像上显示 出来。由于各种酒各有不同的漂浮离 子，因而图像上构成独特的曲线。含有大 离子的酒散射出大量的光并呈现出升降急剧的曲线，这种酒的味道是低劣的。好 味道的酒显示出的曲线是平滑的，即酒中所 含离子的大小是均匀的，因而酒味 亦特别醇。