激光基础学习知识原理考试基本概念

第一章1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮 度高。2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的旦发辐射。3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是 一种横波。4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.330回，其相 应频率为10A1510A13。5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Av <<v 时，这种波叫作准单色波。6、原子处于最低的能级状态称为基态，能量高于基态的其他能级状 态叫作激发态。7、两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这 样的能级叫作简并能级8、同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字 母g表示。9、辐射跃迁选择定则（本质：状态一定要改变），原子辐射或吸收光 子，不是在任意两能级之间跃迁，能级之间必须满足下述选择定则：a、跃迁必须改变奇偶态；b、AJ=0，±1 （J=O-J=0除外）；对于采用LS耦合的原子还必须满 足下列选择定则：c、AL=0，±1 （L=0一L=0 除外）；d. AS=0,即跃迁时S不能发生改变。10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从 玻耳兹曼定律。11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡 情况的一般规律。12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射 跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐 射，和受激吸收。14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主 要作用。15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是 非相干光。16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。17、受激辐射的特点是：a、只有外来光子的能量hv=E2-E 1时，才能引起受激辐射。b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同， 相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与 入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干 的。19、自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几 率决定于受激辐射系数与外来单色能量密度乘积。20, Av=v2-v1,即相对光强为最大的1/2处的频率间隔，叫作光谱 线的半值宽度（光谱线宽度）21、处于低能级上的粒子大量地抽运到高能级上，造成一个 n2/g2>n1/g1的粒子数密度反转状态的介质叫作增益介质或激活介 质。简答题一：产生激光的三个条件：1. 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、 分子或离子）；（有合适的激光工作物质）2. 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。3. 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， 选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。第二章简答题二：腔中任一傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的 谐振腔能够使激光器稳定地发出激光，这种谐振腔叫作稳定腔。共轴球面腔的稳定性条件是：0<（1-L/R1）（1-L/R2）<11、共轴球面腔的稳定性条件：0<g1g2<1;为稳定腔，当g1g2=0,或 g1g2=1时为临界腔。2、稳定腔对光的几何损耗（因反射而引起的损耗）极小，中、小的 气体激光器（增益系数G小）常用稳定腔，容易产生激光。3、通过泵浦实现能级间的粒子数反转所采用的能级结构为三能级系 统和四能级系统。4、四能级系统所需要的激励能量要比三能级系统小得多，产生激光 比三能级系统容易得多。5、在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱，增益系数是一 个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强度的增 大而减小，这种现象称为增益饱和6、激光器产生激光的前提条件是介质必须实现能级间的粒子数密度 反正分布，即 n>0,或者说增益系数G>0。7、增益系数要大于一个下限值，为激光器的阈值，它的数值由各种 损耗的大小决定。8、激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，分为内部损耗（谐 振腔内增益介质内部的损耗，它与增益介质的长度有关）和镜面损耗（可以折合到谐振腔镜面上的损耗）。9、形成激光所要求的增益系数的条件是：GNa总，即总损耗系数。解释为：增益不小于总损耗。10、三能级系统：阈值高，效率低；四能级系统：阈值条件低，效率 高。第三章1、激光谐振腔的自在现模；当两个镜面完全相同时（对称开腔），稳 态场（横向场）分布应在腔内经单程渡越（传播）后即实现“再现”2、本征函数解Umn表示的是在激光谐振腔中存在的稳定地横向场分布，就是自再现模，通常叫做“横模”。3、谐振腔形成的每一列驻波称为一个纵模。4、激光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数Vmnq=qc/2兀5、腔内两个相邻纵模频率之差Avq称为纵模的频率间隔。6、基横模（TEM00）行波场，激光应用常常只用它的基横模输出。7、基横模行波输出在与光束前进的垂直平面上的强度呈高斯型分布，通常称为高斯光束注：计算题有关高斯光束的相关计算。第四章1、激光的基本技术有：直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用：选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等，独立应用：光束变换 技术、调制技术和偏转技术。2、基横模（TEM00）与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光 强分布均匀、振荡频率单一等特点。3、激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分：对激光纵模的选 取和对激光横模的选取。4、一般来说，均匀增宽的的稳定激光器的输出常常是单纵模的，而 且它们的频率总是在谱线中心附近。5、非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。6、设计单纵模激光器就必须采取选频的方法。7、激光振荡的条件是增益系数G必须大于损耗系数a总。8、基横模选择的实质是使TEM00模达到振荡条件，而使高阶横模的 振荡受到抑制。一般只要能抑制比基横模高一阶的TEM10模和TEM01 模振荡，也就能抑制其他高阶模的振荡。9、菲涅尔数越大，单程衍射损耗越小，菲涅尔系数是表征谐振腔衍 射损耗的特征参量。10、激光器中，气体激光器的单色性最好。11、频率的稳定包括（频率稳定度和频率复现度），稳频的方法：主 动式稳频和被动式稳频。12、主动式稳频的例子：兰姆凹陷法稳频、饱和吸收法稳频。13、高斯光束变换特性：高斯光束的聚焦、扩束和准直。14、高斯光束的准直就是要改善光束的方向性，压缩光束的发散角。P89（公式 4-47 和 4-48）15、扩束就是扩大光束的光斑尺寸。简答题三：激光调制可分为内调制和外调制。内调制是指在激光生成 的震荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输出特性而实现的调 制。外调制是在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，他不 改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。16、激光调制器有：电光强度调制、电光相位调制，声光调制，磁光 调制，和空间光调制。17、实现激光偏振的途径主要有机械偏转、电光偏转和声光偏转。18、调Q技术有：电光调Q、声光调Q和染料调Q。19、用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技 术。调Q技术可以压缩激光脉冲宽度，得到脉宽为毫微秒量级、峰值 功率为千兆瓦量级的激光巨脉冲。20、激光锁模技术锁模技术是进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各个 纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。腔长越长，荧光线宽越宽，则腔内的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值 功率就越大。激光锁模技术有：主动锁模和被动锁模两种。第五章1、固体激光器主要理解激光工作的物质激活粒子是什么（是谁发 光）能级系统（几能级）供能方式（泵浦方式）输出方式（脉 冲？连续？）2、固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质的激光器。最常用的固体工作物质仍是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 （Nd3+:YAG）。3、固体激光器基本上是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤 光系统构成。固体激光工作物质是固体激光器的核心。4、红宝石激光器（激活粒子:铭离子Cr3+）属于三能级系统，YAG（掺 钕钇铝石榴石（激活粒子钕离子Nd3+）激光器属于四能级系统。5、气体激光器（氦氖激光器属于四能级系统，激活粒子为Ne原子）， （CO2激光器既能连续工作，又能脉冲，输出功率大，效率高，为四能级系统，工作物质为CO2气体分子)计算题第一章：1,121.试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射人=0.5000口m, v =3000MHz的光，每秒 从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？答：粒子数分别为:_ q _1_0.5 x 10-6hV 6.63 x 10-34 x 3 x 1086.63 x 10-34 x 入=2.5138 x 1018% = hV 6.63 x 10-34 x 3 x 109 = 5.0277 x 102312.设氖原子静止时发出0.6328pm红光的中心频率为4.74X 1014Hz,室温下氖原子的平均 速率设为560m/s。求此时接收器接收频率与中心频率相差若干？v =v (1 + -) =v (1 + 560 ) = (1 +1.8667 x 10-6)v n答： 0 c 03 x 1080Av = 1.8667 x 10-6 x 4.74 x 1014 = 8.848 x 108 Hz第二章：3,43.(a)要制作一个腔长L=60cm的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围如何？(b)稳定腔 的一块反射镜的曲率半径R1=4L，求另一面镜的曲率半径取值范围。答：(a) R = R2 = R ； 0 < (1 - R)(1 - R) < 1 n R > 30cmL L3 L,、(b) 0 < (1 - )(1 - ) < 1 n 0 < 云-(1 - ) < 1 n R2 > L或R2 <-3L 1224.稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R=40cm，R2= 100cm，求腔长L的取值 范围。答：0 < (1 -L)(1 -L) < 1 n 0 < (1 - )(1 -) < 1 n 0 < L < 40cm或 100 < L < 140cm%R240100第三章：1,2,5,6,71.腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率V。=5. 85x1014Hz,荧光线宽Av =6x108 Hz, 问它可能存在几个纵模?相应的q值为多少？（设R =1）答：Av =二=3 X108 = 3 x 108 Hz，q 2 L 2 x 1 x 0.5Av6 x 108 八n = =2，则可能存在的纵模数有三个，它们对应的q值分别为：Av3 x 108qqc2 pL5.85 x 1014V=n q =xv = 1.95 x 106 , q+1=1950001, q-1 = 19499992pLc3 x 108442. HeNe激光器的中心频率v° =4. 74X 1014Hz,荧光线宽Av =1. 5x109Hz。今腔长L=1m, 问可能输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？A c3 x 108Av1.5 x 109 m答：Av = 2L = 2 11 = 1.5 x 108 Hz , n = 一 =】.的=10q即可能输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则：cT c3 x 108Av < 2Av = L <= 0.2mpLpAv1.5 x 109故腔长最长不得大于0.2m。5. （a）计算腔长为1m的共焦腔基横模的远场发散角，设入=6328A，10km处的光斑面积多 大。（b）有一普通探照灯，设发散角为2。，则1km远处的光斑面积多大？2 人 "2 x 6328 x 10-10答：（1）基横模的远场发散角20= 2' = 2'=1，269 x10-3 rad兀L丸（2） 10km 处的光斑尺寸=生1 + （炎）2 = ：6328x10-10 1 + 4x 108 = 6.347mz=10 2兀L2兀10km 处的光斑面积S =相2 =兀 x 6.3472 = 126.5572m2（3）1km 处的光斑尺寸 r = 1000 x tg1o = 17.455m1km 处的光斑面积S =k x r2 =k x 17.4552 = 957.1711m26. 激光的远场发散角Q （半角）还受到衍射效应的限制。它不能小于激光通过输出孔时的衍射极限角。'厂（半角）=1. 22Md。在实际应用中远场发散角常用爱里斑衍射极限角来近似。衍试计算腔长为30cm的氦氖激光器，所发波长入=6328A的远场发散角和以放电管直径d= 2mm为输出孔的衍射极限角。答（1）远场发散角0 =兰;2 X 6328 X10-10 = 1.1588 x 10-3 a 杯L 兀 x 30 x 10-2n 1.22 人1.22 x 6328 x 10-10衍射极限角°=K = 3.86 X10-47.一共焦腔（对称比=0.40m,入=0. 6328pm，束腰半径 = 0.2mm，求离腰56cm处的光束有效截面半径。答：2 '1 + (-)2 = 0.2 X10一3 ：1 +(6328 乂 10T° 乂 0.56)2 = 0.6mmZ=0.560 Y 冗2冗 X (2 X10-4)2*0L