激光原理作业-深大

1、激光与普通光源的本质区别是什么？请详细描述。激光是受激辐射的光放大，由特定的发光物质及特殊的结构部件所组成，而普通光源则随处可见。普通光源是自发的原子和光子的跃迁。而他们的发光的微观机制是共同的，都是在外界条件的激励下，光源中的原子、分子吸收能量而处于一种不稳定的激发态，在没有任何外界的作用的情况下，他能自发的跃迁回低的激发态或基态，并发射出一定频率的电磁波。普通光源的从四面八方发光的，而激光发射的光线是朝一个方向传播的。激光的亮度极高，是普通光源的几百万倍。激光的颜色极纯，而普通的光源，例如太阳光是由很种颜色的光组成。激光的颜色取决于激光的波长，而波长取决于发出激光的活性物质，即被刺激后能够产生激光的那种材料。普通光源大多应用于照明，而激光应用甚广。其中激光分离技术，包括激光切割、激光打孔。激光分离技术是将能量聚焦到微小的空间，可获得极高的辐照功率密度，利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。激光打孔方法作为在固体材料上加工孔方法之一，已成为一项拥有特定应用的加工技术，主要运用在航空、航天与微电子行业中。普通光源即使能够聚焦到很小的空间上，功率也远不如激光，故不能够利用普通光源达到切割打孔的目的。2、一台激光器由哪几部分组成，它们的作用是什么？激光器一般主要由三部分组成，包括工作物质、激励源、谐振腔。工作物质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。激励源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。谐振腔：有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。3、你理解的激光模式/光子态是什么？你如何理解激光的相干性？描写光的模式有两种方式，从波动观点出发，称为光波的模式；从光子的观点出发，称为光子的状态即光子态。光子的基本性质：光子的能量与光波频率对应；光子具有运动质量；光子的动量与单色平面光波的波矢对应；光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向；光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。纵模：我们知道，受激辐射也不是绝对的单一波长，而是有一个很窄的频宽的（虽然电子的能级是一个定值，但因为热运动等各种原因，能级会展宽）。当激光器工作物质被激发，发出受激辐射光的时候，在这个频宽范围内的各种波长的光子都有，其数量是以中心频率为对称轴的正态分布。这些所有波长的光子都试图在谐振腔中得到谐振从而成为优势波长。如果谐振腔足够短，它仅仅是这所有波长中某一特定波长的整数倍，那么就只有这一特定波长的光子得以谐振成为优势波长，激光器会输出真正的单色光，这就是单纵模。但实际的谐振腔通常都比较长，在受激辐射的波长范围内，它可能同时是好几个波长的整数倍，因此会有好几种波长都得到谐振，这样的激光器就会输出好几种波长的光（由于受激辐射带宽本身很窄，所以这几个波长也非常接近），这就是多纵模。总的来说，纵模越多，单色性、相干性越差。谐振腔越短，纵模越少，因此在要求高单色性的时候，应尽量减小谐振腔长度。横模：如果激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面，就不会有除了基模以外的其它横模输出。这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。因为此时只有基模状态下的光才能形成多次反射谐振的条件。但是事实上反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固体激光器中，工作物质受热发生凸透镜效应，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模。减少横模的主要途径有：改善谐振腔反射镜与工作物质端面所形成的光路的等效平面性，如果产生了凸透镜效应则要想办法补偿；减小谐振腔和工作物质直径。激光的相干性：只要是两个频率相同、相位差恒定的光就称之为相干光，其光源就叫相干光光源。因为激光器产生的激光是频率相同，相位相同的光，它当然与其它是激光频率相同、相位差恒定，所有激光就是相干光。相干性越好，激光质量越好。4、激光的基本物理基础是什么？激光的基本特性是什么？激光的基本物理基础包括激光的特性，光波模式和光子状态，原子的能级、分布和跃迁，激光产生的必要条件，激光产生的充分条件。其中光波模式的广义定义为：能代表光波场本征振动状态的场分布称为光波模式，一种光波模式代表具有一定的频率、一定偏振方向、一定传播方向和一定寿命的光波。侠义定义为：能够存在于腔内的驻波称为光波模式。光子简并度是指处于同一光子态的光子数称为光子简并度。二能级系统中的三种跃迁：自发辐射、受激辐射、受激吸收。自发辐射是指：处于高能级的原子在没有任何外界作用的情况下，自发地向低能级跃迁，并发射光子的过程称为自发辐射跃迁，发出的光辐射称为自发辐射。受激辐射是指处于低能级的原子在频率为V的辐射场作用下，吸收一个能量为hv光子并像更高的能级跃迁的过程称为受激吸收跃迁。受激辐射是指处于高能级的原子在频率为V的辐射场的作用下，向低能级跃迁并发射与外来光子能量相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。产生激光的必要条件是工作物质处于粒子数反转分布状态。激光产生的充分条件有，光放大物质的增益系数大于衰减，光在腔内能够产生自激振荡。激光的基本特性：单色性、方向性、相干性、高亮度。单色性与时间相干，方向性与空间相干。5、重要的激光特征参量有哪些？请说明它的意义。激光特征参量有激光频谱特性场、激光频谱特性、激光时域特性等。激光频谱特性参数测量包括波长、谱线宽度和轮廓、频率稳定性和相干性等参数的测量。激光波长测量使用光谱仪和干涉仪。大多数激光波长计的主体部分是干涉仪。也可用差拍和外差的方法测量激光波长。激光空域特性参数测量包括测量激光光束直径、发散角、椭圆度、横模式、近场和远场花样等。这些参数是通过测量激光功率或能量的相对空间分布得到的。激光时域特性参数测量包括脉冲波形和宽度、峰值功率、重复功率、瞬时功率、功率稳定性等的测量。峰值功率是较为重要的时域特性参数，但是它要通过激光能量和脉冲宽度或波形测量才能求出。激光时域参数测量需要配备响应速度足够快的线性探测器和记录、存储、显示系统。6、实现激光振荡的基本条件是什么？你能简单描述激光振荡的产生过程吗？实现激光的振荡要有工作物质，还要能实现粒子数反转，在腔内还要能够形成驻波。腔内长远远大于波长，故腔内有无穷多个驻波，即腔内存在很多波长的光波，但是腔内的光波不是全部都能够放大，有很少一部分的光波能够使增益大于衰减，而存活下来，其余的大部分都衰减消亡。能够被放大的光波，一开始是由工作物质自发辐射产生的一个光子，当光子经过工作物质时，一个光子激发成为两个完全相同的光子，这样经过多次激发后，就会产出无穷多个完全相同的光子完全相同，故相干性极好，发射出来就是激光。7、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？激光增益就是表示通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。小信号增益，当光强很弱时，增益系数随着光强的增大而迅速增大。饱和增益，当光强增大到一定的程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。增益饱和有利于减少激光模数，提高激光质量。激光的饱和增益是由工作物质决定的，故激光的放大倍数与工作物质密切相关。增益系数随光强的增强而减小是因为光的受激辐射对介质的粒子数密度反转分布有着强烈的影响造成的。当谐振腔中光强很弱时，介质的受激辐射几率很小，粒子数密度反转分布几乎不随光强变化，介质对光波的增益系数也不随光强改变。此时，光波在介质中以最大的相对增长率不断的获得放大。当腔内光强逐渐增强，介质中的粒子数密度反转分布值将因受激辐射的消耗而明显下降，光强越强，受激辐射几率越大，上能级粒子数密度减少的越多，这就使得粒子数密度反转分布值也下降的越多，进而使增益系数也同样下降，这就是增益饱和的实质。8、请简要描述能级的辐射跃迁三大过程，它们的特征和跃迁几率是什么?能级的辐射跃迁包括：自发辐射，受激吸收，受激辐射。自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。特征：自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。自发跃迁几率只与原子本身性质有关，与辐射场无关。受激吸收：处于低能态的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。特征：只有外来光子能量时，才能引起受激辐射。跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的有关。受激辐射：处于上能级的原子在频率为的辐射场作用下，跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。特征：只有外来光子能量时，才能引起受激辐射；受激辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全相同。受激辐射跃迁概率：为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场。9、什么是热平衡时能级粒子数的分布？什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？热平衡时能级粒子数的分布：在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔兹曼分布。粒子数反转：使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度。如何实现粒子数反转：外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。10、激光器有哪些类型？你知道哪些激光器并简单说说？激光器有固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、准分子激光器、自由电子激光器、化学激光器等。气体激光器：在气体激光器中，最常见的是氦氖激光器。世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久，于1960年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。由于氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好，可以连续工作，所以这种激光器是当今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密测量、准直定位上。气体激光器中另一种典型代表是氩离子激光器。它可以发出鲜艳的蓝绿色光，可连续工作，输出功率达100多瓦。这种激光器是在可见光区域内输出功率最高的一种激光器。由于它发出的激光是蓝绿色的，所以在眼科上用得最多，因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏，眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光。因此，用氩离子激光器进行眼科手术时，能迅速形成局部加热，将视网膜上蛋白质变成凝胶状态，它是焊接视网膜的理想光源。氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层，而不被海水吸收，因而可广泛用于水下勘测作业。液体、化学和半导体激光器：液体激光器也称染料激光器，因为这