激光原理考点总结

对了课本两遍，基本覆盖所有考点，部分小四字体重在辅助理解。有填空、名词解释、计算、简答。计算题四个中出三个。↖(^ω^)↗第一章1、光的基本性质：波粒二象性；波动性（电磁波），粒子性（光子流）。2、光与物质的相互作用有：自发辐射、受激辐射、受激吸收。普通光源中（自发辐射）占主要；激光器中（受激辐射）占主要。3、简答：自发辐射、受激辐射、受激吸收之间关系：A21n2dt+B21n2ρvdt=B12n1ρvdt在光和大量原子系统的相互作用中，三者是同时发生的。在单位体积中，在dt时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数，应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。4、光谱的（线型）和（宽度）与光的（时间相干性）直接相关。自然增宽的线型函数：fN(v)=A/(4π2(v-v0)2+(1/2τ)2)fN(v)表示在频率v附近单位频率间隔的相对光强随频率的分布。A为比例常数。所得谱线的自然增宽是因为作为电偶极子看待的原子做衰减振动而造成的谱线增宽。5、（名词解释）光的多普勒效应：随着光源和接收器的相对运动而发生光源的频率发生改变（频移）称为多普勒效应。运动对向接受体频率增高，背向接受体频率降低。6、（名词解释）均匀增宽与非均匀增宽：均匀增宽：自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，而且这个贡献对每个原子都是等同的，这种增宽为均匀增宽。非均匀增宽：不同粒子对谱线不同频率部分的贡献不同,即可分辨谱线线型哪一频带是由哪些特定粒子发射的(∵热运动速度矢量相同的粒子引起的频移相同)7、（简答）实现光的放大的条件：1）需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽送到高能级上去；2）需要合适的发光介质（激光工作物质），它能在激励能源的作用下形成n2/g2n1/g1的粒子数密度反成分布状态。8、（简答）产生激光的条件：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）有适合于产生受激辐射的能级结构；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，增长激光介质的工作长度，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。9、计算：已知氢原子第一激发态E2与基态E1之间能量差为1.64*10-18J,火焰(T=2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g1=g2，求：（1）能级E2上的原子数n2为多少；（2）设火源中每秒发射的光子数为108n2，求光的功率为多少瓦。答：（1）1923181221121011.3]27001038.11064.1exp[4nnegngnkTh且202110nn可求出312n（2）功率＝W918810084.51064.13110第二章1、（名词解释）稳定腔，不稳定腔：在光学谐振腔中，任一束傍轴光线在两反射镜之间来回不断反射，光在腔内来回反射过程中始终不离开谐振腔，使激光器能稳定的发射激光。满足这一要求的腔称为稳定腔。反之为不稳定腔。2、（大题）三能级系统与四能级系统（工作原理、示意图与优缺点）：1）实现上下能级之间粒子数反转产生激光的物理过程：三能级系统和四能级系统2）三能级系统：如图(2-4a)，下能级E1是基态能级，上能级E2是亚稳态能级，E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量。会画图(2-4)三能级系统和四能级系统示意图3）四能级系统：如图(2-4b)，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级系统容易得多。辅助理解：（获得激光需要激光上下能级形成粒子数反转，也就是上能级粒子数大于下能级粒子数。泵浦粒子数到上能级是需要消耗能量的。三能级系统的下能级是基级，必须将一半以上的粒子数泵浦到高能级上。而四能级系统的下能级不是基态，可以很快排空，更容易形成粒子数反转。）3、激光器的损耗（镜面损耗），（内部损耗）。内部损耗：增益介质内部由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷而使光产生折射、散射等使部分光波偏离原来的传播方向，造成光能量的损耗。镜面损耗：当强度为I的光波射到镜面上，其中r1I(或r2I)反射回腔内继续放大，其它的部分均为损耗，包括t1I(或t2I)、镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗，用a1I(或a2I)表示。4、（计算）稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R1=40cm,R2=100cm，求腔长L的取值范围。答：cmLcmLLLRLRL1401004001)1001)(401(01)1)(1(021或第三章1、自再现模：当两个镜面完全相同时（对称开腔），这种稳态场分布应在腔内经单程渡（传播）后，即可实现再现，这个稳定的横向场分布，就是激光谐振腔的自再现模。辅助理解：镜1上的场分布，到达镜2时，由于衍射，要经历一次能量的损耗和场分布的变化，中间能量损失小，镜边缘损失大，每单程渡越一次，都会发生类似的能量损耗和场分布变化，多次往返后，从而逐渐形成中间强、边缘弱的基本不受衍射影响的稳态场分布，该稳态场分布一个往返后可“自再现”出发时的场分布，唯一变化是镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点相位发生同样大小的滞后。横向场振幅分布和相位分布都均匀的平面波入射，经过多次孔阑的衍射影响后，二者都变得不再均匀，成为相对场振幅和相对相位分布都不受衍射影响的稳态场分布。2、（简答）输出功率与诸参量之间的关系1）输出功率P与饱和光强Is的关系:两者成正比2）输出功率P与光束截面A的关系:A越大，P越大；而高阶横模的光束截面要比基横的大3）输出功率P与输出反射镜的透射率t1的关系:实际中总是希望输出功率大镜面损耗小，这要求t1大，a1（反射镜镜面损耗系数）小，使t1a1，但①t1过大又使增益系数的阈值G阈升高，而如果介质的双程增益系数2LG0不够大将会导致腔内光强减小，使输出功率降低。严重时使腔内不能形成激光。②t1过小，虽然使G阈降低光强增强，但镜面损耗a1I-(2L)也将增大。最佳透射率：为了使激光器有最大的输出功率，必须使部分反射镜的透射率取最佳值，实际工作中总是用实验方法确定最佳透射率，再估计镜面损耗大小。3、（计算）He-Ne激光器的中心频率v0=4.74*1014Hz，荧光线宽△)2()2(101121101aLGaaaLGtv=1.5*109Hz，腔长L=1m。问可能输出的纵模数为多少？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？答：HzLcq88105.11121032，10105.1105.189qn即可能输出的纵模数为1n11个，要想获得单纵模输出，则：mcLLcq2.0105.1103298故腔长最长不得大于m2.0。第四章1、激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分：1）激光纵模的选取，2）激光横模的选取。前者对激光输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常叫做激光的选频技术；后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。2、纵模的竞争：通过增益的饱和效应，使某个纵模逐渐把别的纵模的振荡抑制下去，最后只剩下该纵模的振荡的现象叫做“纵模的竞争”。3、空间竞争：在均匀增宽激光器中，当受激辐射比较强时，也可能有比较弱的其它纵模出现，这种现象称为模式的“空间竞争”。4、（填空/简答）单纵模的选取（方法及优缺点（这个总结的不好））：短腔法、法布里一珀罗标准具法、三反射镜法1）短腔法优点：简单。纵模频率间隔和谐振腔的腔长是成反比的，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使q的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度即可。对He-Ne激光器，只要做到腔长小于10cm，就会得到单纵模的输出。缺点：首先，由于腔长受到限制，激活介质的工作长度也相应受到限制，激光的输出功率必然受到限制。这对于那些需要大功率单纵模输出的应用场合是不适合的。其二，有些激光输出谱线荧光宽度很宽，若要加大到足够的纵模间宽度，势必要使腔长缩到很短，以致难于实现粒子数反转而不能输出激光。2）法布里一珀罗标准具法这种方法就是在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里－珀罗标准具。这种标准具是用透射率很高的材料制成的，两个端面研磨得高度平行，且镀有高反射率的反射膜。这种反射膜由于多光束干涉的结果，对于满足条件的光具有极高的透射率。把这样的标准具插入到激光器的腔内时，就可以起到选频的作用。缺点：由于高选模性的标准具总要带来百分之几的透射损失，因此这种方法对于低增益的激光器(如He-Ne激光器)不大合适，但对于高增益的激光器(如CO2激光器)则是十分有效的。（3）三反射镜法激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中镜3M与4M为全反射镜，2M是具有适当透射率的部分透射部分反射镜，这个组合相当于两个谐振腔的耦合，一个谐振腔是由1M与3M组成，其腔长为L1＋L2，另一个谐振腔由3M与4M组成，其腔长是L2＋L3。如果L2、L3较短，就形成了一个短谐振腔和一个长谐振腔的耦合。短谐振腔的纵模频率间隔是232()cLL短＝＋长谐振腔的纵模频率间隔是122()cLL长＝＋只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要选取L2＋L3足够小，就可以获得单纵横输出。5、激光单横模的选取：1）光阑法2）聚焦光阑法3）腔内望远镜法6、（名词解释）衍射损耗：通过求解激光谐振腔的自再现模积分方程得到，在激光谐振腔内振荡的基横模是高斯光束，其光振幅和光强分布在与光轴垂直的平面上呈高斯函数形式，一直延伸到离光轴无限远处。因此，由于反射镜的有限尺寸的限制，每一次反射都会有一部分光能衍射到镜面之外，造成能量损失。这种由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。7、腔内望远镜法优点：(1)能充分利用激光工作物质，获得较大功率的基模输出。(2)可通过调节望远镜的离焦量得到热稳定性很好的激光输出。(3)输出光斑大小适当，不致损伤光学元件。8、频率的漂移：一个激光器通过选模获得单频振荡后，由于内部和外界条件的变化，谐振频率仍然会在整个线型宽度内移动。这种现象叫做“频率的漂移”。9、频率的稳定性包括两个方面：一是频率稳定度；二是频率复现性。10、影响频率稳定的因素：1）腔长L变化的影响2）折射率变化的影响。11、稳频方法：1）被动式稳频2）主动式稳频。1）被动式稳频：利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以使热膨胀互相抵消，实现稳频。2）主动式稳频：目前采用的主动稳频方法基本原理大体相同，即把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈系统返回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，实现稳频。12、（填空+简答）实现激光偏转的途径：主要有机械偏转、电光偏转和声光偏转等。基本原理与优缺点1）机械偏转机械偏转是利用反射镜或多面反射棱镜的旋转或反射镜的振动实现光束扫描。优点：偏转角大、分辨率高、光损失少且可适应光谱范围大的优点。缺点：扫描速度受到驱动器(如马达)角速度的限制难以实现快速、高精度的可控偏转，使其应用范围受到限制。2）电光偏转电光偏转是利用泡克耳斯效应，通过施加在电光晶体上的电场改变晶体的折射率，使光束偏转。因而出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系。缺点：不能形成大的折射率梯度，即使采用多级电光棱镜的偏转器，偏转角也不会很大。3）声光偏转声光效应也提供了一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段，和电光效应一样得到了广泛的应用。13、调Q原理与方法：激光调Q技术：用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术。调Q原理：采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值