激光技術(shù)與應(yīng)用(整理完畢)

1、激光技術(shù)與應(yīng)用一、 名詞解釋 20（4×5）1. 馳豫振蕩一般固體脈沖激光器所輸出的并不是一個平滑的光脈沖，而是一群寬度只有微秒量級的短脈沖序列，即所謂“尖峰”序列。激勵越強，則短脈沖之間的時間間隔越小。這種現(xiàn)象稱為激光器馳豫振蕩。產(chǎn)生馳豫振蕩的主要原因是：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，并發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級粒子數(shù)大量被消耗，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)降低，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r，激光振蕩就停止。這時，由于泵浦光的繼續(xù)抽運，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)重新積累，當(dāng)超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。2.

2、模式競爭在均勻加寬激光介質(zhì)中，通過增益飽和效應(yīng)，某一模式逐漸把其他的模式振蕩抑制下去，最后只剩下一個縱模振蕩的現(xiàn)象，叫做模式競爭。競爭的結(jié)果通常是最靠近中心頻率0的一個縱模取勝，形成穩(wěn)定的激光振蕩，其他縱模都被抑制而熄滅。因此，理想情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出模式是單縱模，單縱模的頻率總是位于譜線中心頻率附近。3. 同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模激光器采用一臺主動鎖模激光器的脈沖序列去泵浦另一臺激光器，通過調(diào)制腔內(nèi)增益的方法獲得鎖模，這種方式就是同步泵浦鎖模。4. 頻率復(fù)現(xiàn)性把在不同地點、時間、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率的比值稱之為頻率的復(fù)現(xiàn)性，表示為R=()式中，為被測激光器系列的

3、平均頻率或同一臺激光器的標(biāo)準(zhǔn)頻率（或原始工作頻率），為頻率的偏差量。5. 鎖模振蕩未經(jīng)鎖模的自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包括若干個超過閾值的縱模，這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則的疊加結(jié)果，是一種時間平均的統(tǒng)計值。如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨立的縱模在時間上同步，即把它們的相位相互關(guān)聯(lián)起來，使之有一確定的關(guān)系（q+1-q=常數(shù)），那么就會出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象：激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖。這就是說，該激光器各模的相位已按照q+1-q=常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。6. 蘭姆凹陷非均勻加寬型

4、譜線的輸出功率P隨頻率的變化曲線上，在中心頻率=0處出現(xiàn)一個凹陷，這就是蘭姆凹陷。（多譜勒加寬的單縱模氣體激光器中，輸出功率總是隨縱模頻率向中心頻率的靠近而增大，但是當(dāng)縱模頻率接近中心頻率時，由于增益曲線上兩個燒孔重疊而使能夠受激輻射的粒子數(shù)減小，因而光強反而下降，在中心頻率0處出現(xiàn)凹陷，稱為蘭姆凹陷。）7. 自鎖模當(dāng)激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系時，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，就可以實現(xiàn)縱模鎖定，這種方法稱為自鎖模。8. 拍頻原理激光的相干性好，當(dāng)兩束光疊加在一起時，初相位的差值是暫時穩(wěn)定的或緩慢變化的，因而會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。兩束光波之間的可

5、相干性，為測量光波頻率穩(wěn)定性提供了一種方法拍頻測量法。二、 簡答 5×101. 實現(xiàn)調(diào)Q激光器的基本要求（1）由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲在激光工作物質(zhì)的高能態(tài)上，然后集中在一個極短的時間內(nèi)釋放出來，因此，要求激光工作物質(zhì)必須能在強泵浦下工作，即抗損傷閾值要高。其次，要求工作物質(zhì)上能級必須有較長的壽命。（2）光泵的泵浦速率必須快于激光上能級的自發(fā)輻射速率，即波形的持續(xù)時間（波形的半寬度）必須小于激光介質(zhì)的上能級壽命；否則，不能夠?qū)崿F(xiàn)足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（3）諧振腔的Q值改變要快，一般應(yīng)與諧振腔建立激光振蕩的時間比擬。如果Q開關(guān)時間太慢，會使脈沖變寬，甚至?xí)a(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象。2.

6、 什么是被動鎖模？在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗，當(dāng)滿足鎖模條件時，就可獲得一系列的鎖模脈沖。3. 解釋橫模測量中的直接觀察法原理不同橫模的光強在橫截面上有不同的分布狀況。對于連續(xù)的可見光波段的中、小功率激光器，這種方法比較適用，只需要在輸出激光的通路上放置一個屏，就可在屏上用眼睛直接觀測激光的橫摸圖樣（光斑）；但這種方法鑒別能力比較差，而且對強光和不可見光不適用。對中等功率的紅外激光，可采用一種燒蝕法，即用木塊、有機玻璃、耐火磚等觀測激光燒蝕出的圖形，以鑒別其橫模圖樣。對于1.06m的近紅外激光，可采用上轉(zhuǎn)換材料（波長由長變短）做成的薄片，將近紅外光轉(zhuǎn)換成可見光，這對觀測橫

7、模光斑圖樣十分方便。對于中、小功率的紅外激光器，還可以采用變像管或CCD攝像機觀測橫模。4. 主動穩(wěn)頻有哪幾種方法？主動穩(wěn)頻的方法大致可以分為兩類：一類是利用原子躍遷譜線中心頻率作為鑒別器進行穩(wěn)頻，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻法；另一類是利用外界參考頻率作為鑒別器標(biāo)準(zhǔn)進行穩(wěn)頻，如飽和吸收穩(wěn)頻法。（1）蘭姆凹陷穩(wěn)頻（2）塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻（3）飽和吸收穩(wěn)頻5. 什么叫做激光散斑現(xiàn)象？當(dāng)一束光照射到具有漫反射特性的粗糙表面上時，在反射光的空間中用觀察屏去接受光總可以看到一些斑點，這就是激光散斑現(xiàn)象。6. 什么是主動鎖模？主動鎖模采用周期性調(diào)制諧振腔的參量的方法，即在激光諧振腔內(nèi)插入一個受外部信號控制的調(diào)制器，用一定的

8、調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當(dāng)選擇的調(diào)制頻率與縱模間隔相等時，對各個模的調(diào)制會產(chǎn)生邊頻，其頻率與兩個相鄰縱模的頻率一致。由于模之間的相互作用，所有的模在足夠的調(diào)制下達(dá)到同步，形成鎖模序列脈沖。7. 模式選擇技術(shù)的基本方法1） 橫模選擇的方法：橫模選擇方法可分為兩類：一類是改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差別，提高諧振腔的選模性能；另一類是在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件來提高選模性能。（1） 諧振腔參數(shù)g和N的選擇法（2） 小孔光闌法選模（3） 腔內(nèi)插入透鏡選橫模（4） 非穩(wěn)腔選模  2） 縱模選擇的方法：（1） 色散腔粗選頻率（2） 短腔法（3）

9、 F-P標(biāo)準(zhǔn)具法（4） 復(fù)合腔法（5） 其他選縱模方法：環(huán)形行波腔選縱模；利用Q開關(guān)選單縱模等8. 影響激光頻率穩(wěn)定的主要因素（1） 溫度變化影響（2） 大氣變化影響（3） 機械振動影響（4） 磁場的影響9. 激光精細(xì)加工的特點（1） 激光功率小：mWW量級；（2） 功率密度高；（3） 加工尺寸小，分辨率高；（4） 脈沖、連續(xù)兩種方式；三、 作圖 101. 穩(wěn)頻技術(shù)中，要測量比較各種激光頻率，試根據(jù)其原理畫出兩臺激光器的拍頻測量裝置的原理示意圖，并給出原理性的解釋。 拍頻測量實驗裝置如圖所示。圖中SL1、SL2是兩臺穩(wěn)頻的激光器，各自通過穩(wěn)頻器穩(wěn)定（鎖定）在參考基準(zhǔn)中心；兩臺激光器輸出的光經(jīng)全

10、反射鏡R和部分反射、透射鏡S后完全重合，并射到光電探測器上得到一差頻電信號，進而進行放大輸入到拍頻測量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過頻譜分析儀可直接進行觀察，另外通過頻率計數(shù)器可讀取拍頻頻率值。設(shè)SL1作為參考頻率，0=4.74×1014Hz(0=632.99142nm)，SL2為各待測激光器。在相同的運轉(zhuǎn)條件下，先后測得各激光器相對于參考激光器的拍頻頻率，如其中某一激光器相對于參考激光器的1，2，N等，N為取樣測量次數(shù)。由于頻率起伏是隨機的，所以頻率穩(wěn)定度常采用統(tǒng)計的阿倫方差進行處理。這是因為在觀測平均時間內(nèi)，任何時刻都可能出現(xiàn)大的頻率變化，若把最大的頻率變化值簡單地取算術(shù)平均值作為頻率變化

11、值，就會產(chǎn)生很大的誤差，因此，一般都采用統(tǒng)計的方法。激光頻率偏差的雙取樣阿倫方差為22,=1Ni=1N2i-2i-122式中，2i、2i-1為平均取樣時間內(nèi)連續(xù)連續(xù)測量兩個相鄰的差頻信號的頻率。激光頻率穩(wěn)定度的雙取樣阿倫方差為：S=22,=112i=1N2i-2i-1222N式中，為激光平均頻率，1/2是假定每一臺激光器對差頻頻率起伏具有相同作用的因子。因此，只在數(shù)字頻率計上測出N組相鄰差頻頻率序列，用上式即可計算出取樣時間內(nèi)每臺激光器的頻率穩(wěn)定性。2. 激光放大中有一個主要的技術(shù)問題，是消除不同放大器之間的耦合，電光隔離器常常有其用處，試畫出電光隔離器在放大器中的應(yīng)用示意圖，并解釋其工作原理

12、。電光隔離器主要利用大功率脈沖時間短的特點，即在放大器之間插入電光開關(guān)隔離元件，在光脈沖信號到來之前的時間內(nèi)，電光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)光脈沖到來的一瞬間，開關(guān)才迅速打開，使脈沖通過而進入下級放大器。電光隔離器的結(jié)構(gòu)如圖所示，由兩個偏振棱鏡P1、P2（成正交放置），KD*P泡克耳斯盒K，放電火花隙G，聚光鏡L等組成。在光脈沖信號到來之前，光路處于斷開狀態(tài)；當(dāng)光脈沖到來時，經(jīng)分光鏡M1反射的小部分光束被透鏡L聚焦在放電火花隙上將球隙空氣擊穿，此時電路導(dǎo)通將半波電壓立即加到KD*P晶體上，使入射光束偏振面旋轉(zhuǎn)90°，與P2的偏振軸平行。這時，光脈沖就可以通過開關(guān)而進入下級放大器。由于開

13、關(guān)時間非常短（上升時間約數(shù)納秒），所以光脈沖通過后開關(guān)立即關(guān)閉，起到了只允許光束單向?qū)ǖ淖饔?。四?綜合題 5,5,101. （1）鎖模技術(shù)中，被動鎖模的工作原理是什么？ 產(chǎn)生超短脈沖的另一種有效方法是被動鎖模。此方法是把可飽和吸收體放在激光諧振腔內(nèi)實現(xiàn)的?？娠柡臀阵w是一種非線性吸收介質(zhì)，對腔內(nèi)激光的吸收是隨光場強度而變化的，當(dāng)光場較弱時對光吸收很強，因此光透過率很低；隨著激光強度增加，吸收減少，當(dāng)達(dá)到一特定值時吸收飽和，光透過率達(dá)100%，使強度最大的激光脈沖經(jīng)受最小的損耗，從而得到很強的鎖模脈沖。它類似于被動Q開關(guān)，但又有區(qū)別，被動鎖模要求可飽和吸收體的上能級壽命特別短，同時放在腔內(nèi)必

14、須緊靠反射鏡。（2）被動鎖模的物理過程有幾個階段，分別是什么？ 線性放大階段：在閃光燈泵浦開始時自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生，當(dāng)超過激光閾值時，初始的激光脈沖具有熒光帶寬的光譜含量，并且具有隨機相位關(guān)系的激光膜之間的干涉，因而導(dǎo)致光強度的起伏，脈沖總量很大。在一個周期2L/c時間內(nèi)，光脈沖通過有機染料和激光介質(zhì)各一次，在吸收體燃料中，對強脈沖吸收得少而對弱脈沖吸收得多。在激光介質(zhì)中，產(chǎn)生線性放大，其結(jié)果就發(fā)生自然選模作用。線性放大過程使頻譜變窄，被放大后的信號起伏得到平滑和加寬。線性放大的持續(xù)時間比較長，例如，在諧振腔長度為1m并且有效增益為百分之幾時，線性放大階段大約為2000個循環(huán)。 非線性吸收階段：

15、此階段內(nèi)激光介質(zhì)的增益雖然是線性的，但激光輻射場的最強脈沖使飽和吸收染料呈非線性吸收。該階段的主要特點是強脈沖使染料吸收飽和，“漂白”了染料，從而使脈沖強度得到了很快的增長，而大量的弱脈沖受到染料的吸收而被抑制掉，使發(fā)射脈沖變窄，頻譜增寬。 非線性放大階段：由于選擇出的強脈沖不但能使染料吸收飽和，而且使激光工作物質(zhì)的增益達(dá)到飽和，所有工作物質(zhì)的放大進入非線性階段。當(dāng)強脈沖經(jīng)過激活介質(zhì)時，前沿及中心部位放大得多，由于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的消耗，增益下降，致使脈沖后沿放大的少，甚至得不到放大，其結(jié)果使后沿變陡，脈沖變窄，小脈沖幾乎被完全抑制，最后輸出一個高強度、窄脈寬的脈沖序列。此階段脈沖壓縮，頻譜進一步加

16、寬。（3）請畫出被動鎖模激光器的諧振腔的基本結(jié)構(gòu)。2. （1）調(diào)Q技術(shù)中，聲光調(diào)Q的原理是什么？ 把聲光Q開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時，所形成的超聲波振動在聲光介質(zhì)中使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對于0級光有2角的偏離（如當(dāng)超聲頻率在20-50MHz范圍時，石英對1.06m的光波的衍射角為0.3°-0.5°），這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說Q開關(guān)將激光“關(guān)斷”。當(dāng)高頻信號的作用突然停止，則聲光介質(zhì)中的超聲場消失，

17、于是諧振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開關(guān)打“打開”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個調(diào)Q脈沖。（2）試根據(jù)其技術(shù)原理，畫出聲光調(diào)Q激光器的示意圖。（3）簡要解釋一下普通聲光調(diào)Q器件的設(shè)計要點，畫出聲光器件兩種工作方式的示意圖。 材料的選擇 對聲光介質(zhì)材料的選擇應(yīng)綜合考慮如下要求：介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)M2要大，對光的吸收要?。磳獾耐高^率要高），對超聲波的吸收要小，有良好的熱穩(wěn)定性，介質(zhì)在光學(xué)上是均勻的，有足夠大的尺寸。對功率大的調(diào)Q器件，還要考慮采用抗激光損傷閾值高的材料。 器件的設(shè)計 聲光器件設(shè)計的關(guān)鍵是合理地確定超聲柱的尺寸；換能器與聲光介質(zhì)的粘接工藝也是十分重要的問題。 器件的結(jié)構(gòu)形式 換能器的電-聲能轉(zhuǎn)換過程及超聲波被吸收后都會產(chǎn)生熱量，如不及時散掉，就會在聲光介質(zhì)中形成