激光原理復(fù)習(xí)知識點(diǎn)匯編

1、學(xué)習(xí)-好資料名詞解釋1. 損耗系數(shù)及振蕩條件：|m (go )、 0,即卩go。為包括放大器損耗和諧振腔損耗在內(nèi)的平均損耗系數(shù)。2. 線型函數(shù)：引入譜線的線型函數(shù) g(V,Vo) -p(v)，線型函數(shù)的單位是 S,括號中的Vo表示線型函P數(shù)的中心頻率，且有g(shù)(v,v0) 1，并在v0加減v2時下降至最大值的一半。按上式定義的v稱為譜線寬度。3. 多普勒加寬：多普勒加寬是由于做熱運(yùn)動的發(fā)光原子所發(fā)出的輻射的多普勒頻移所引起的加寬。4. 縱模競爭效應(yīng)：在均勻加寬激光器中，幾個滿足閾值條件的縱模在震蕩過程中互相競爭，結(jié)果總是 靠近中心頻率vo的一個縱模得勝，形成穩(wěn)定振蕩，其他縱模都被抑制而熄滅的現(xiàn)象

2、。5. 諧振腔的Q值:無論是LC振蕩回路，還是光頻諧振腔，都采用品質(zhì)因數(shù)Q值來標(biāo)識腔的特性。定義Q w 2 v 。為儲存在腔內(nèi)的總能量，p為單位時間內(nèi)損耗的總能量。v為腔內(nèi)電磁場P / p的振蕩頻率。6. 蘭姆凹陷：單模輸出功率P與單模頻率vq的關(guān)系曲線，在單模頻率等于0的時候有一凹陷，稱作蘭 姆凹陷。7. 鎖模：一般非均勻加寬激光器如果不采取特殊的選模措施，總是得到多縱模輸出，并且由于空間燒 孔效應(yīng)，均勻加寬激光器的輸出也往往具有多個縱模，但如果使各個振蕩的縱模模式的頻率間隔保 持一定，并具有確定的相位關(guān)系，則激光器輸出的是一列時間間隔一定的超短脈沖。這種使激光器 獲得更窄得脈沖技術(shù)稱為鎖模

3、。8. 光波模：在自由空間具有任意波矢K的單色平面波都可以存在，但在一個有邊界條件限制的空間V內(nèi)，只能存在一系列獨(dú)立的具有特定波矢k的平面單色駐波；這種能夠存在腔內(nèi)的駐波成為光波模。9. 注入鎖定：用一束弱的性能優(yōu)良的激光注入一自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器中，控制一個強(qiáng)激光器輸出光束的光譜特性及空間特性的鎖定現(xiàn)象。(分為連續(xù)激光器的注入鎖定和脈沖激光器的注入鎖定)。10. 譜線加寬：實(shí)際中的譜線加寬由于各種情況的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻率(e2 e1) /附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。這就叫譜線加寬。11. 頻率牽引：在有源腔中，由于增益物質(zhì)的色散，使縱模頻率比無源腔縱模頻率更靠近中心頻率

4、，這 種現(xiàn)象叫頻率牽引。12. 自發(fā)輻射：處于高能級E2的一個原子自發(fā)的向E1躍遷，并產(chǎn)生一個能量為hv的光子13. 受及輻射：處于高能級E2的一個原子在頻率為v的輻射場作用下，向E1躍遷，并產(chǎn)生一個能量 為hv的光子14. 激光器的組成部分：諧振器，工作物質(zhì)，泵浦源15. 腔的模式：將光學(xué)諧振腔內(nèi)肯能存在的電磁場的本征態(tài)稱為。16. 光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。含義：同態(tài)光子數(shù)、同一模式內(nèi)的光子數(shù)、處于相干體積 內(nèi)的光子數(shù)、處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)17. 激光的特性：1.方向性好，最小發(fā)散角約等于衍射極限角2.單色性好3.亮度高4.相干性好18. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：在外界激勵下，物質(zhì)處于非平

5、衡狀態(tài)，使得n2>n119. 增益系數(shù)：光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長的百分?jǐn)?shù)20. 增益飽和：在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱時，增益系數(shù)是一個常數(shù)；當(dāng)入射光的 光強(qiáng)增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增大而減小。21. Q值：是評定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)一一品質(zhì)因數(shù)。22. 縱模：在腔的橫截面內(nèi)場分布是均勻的，而沿腔的軸線方向即縱向形成駐波，駐波的波節(jié)數(shù)由q決定將這種由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向場分布稱為縱模23. 橫模：腔內(nèi)垂直于光軸的橫截面內(nèi)的場分布稱為橫模24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.

6、42.43.44.菲涅爾數(shù)：N,即從一個鏡面中心看到另一個鏡面上可劃分的菲涅爾半波帶的數(shù)目。表征損耗的大小。衍射損耗與 N 成反比。自在現(xiàn)模：把開腔鏡面上經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)場分布稱為自在現(xiàn)?；驒M模。損耗系數(shù) ：光通過單位距離后光強(qiáng)衰減的百分?jǐn)?shù)自激振蕩：不管初始光強(qiáng)多微弱，只要放大器足夠長，就總能形成確定大小的光強(qiáng)Im，滿足振蕩條件。vz 運(yùn)動時，接收器多普勒效應(yīng)：設(shè)一發(fā)光原子 （ 光源 ）的中心頻率為 0，當(dāng)原子相對于接收器以速度測得的光波頻率變?yōu)椋裕?；多普勒加寬 ：由于作熱運(yùn)動的發(fā)光原子 （分子 ）所發(fā)出的輻射的多普勒頻移引起的加寬譜線加寬：由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色的，

7、而是分布在中心頻率附近一個很小的頻 率范圍內(nèi)。譜線寬度：線型函數(shù)在 0時有最大值，下降至最大值的一半，對應(yīng)得寬度。線性函數(shù)：歸歸一化的自發(fā)輻射光功率，描述單色輻射功率隨頻率變化的規(guī)律，定義為分布在某一頻率附近單位頻率間隔內(nèi)的自發(fā)輻射功率與整個頻率范圍內(nèi)的自發(fā)輻射總功率之比。用于表示譜線的形狀。均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的，包括自然加寬、碰撞加寬及晶格振動加寬 每個發(fā)光原子都以整個線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些特定原子聯(lián)系起來，每一發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非均勻加寬：原子體系中每個原子只對譜線內(nèi)與它的表現(xiàn)中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū) 分譜線

8、上的某一頻率范圍是由哪一部分原子發(fā)射的， 包括氣體工作物質(zhì)中的多普勒加寬和固體工作 物質(zhì)中的晶格缺陷加寬。激光器振蕩閾值：工作物質(zhì)自發(fā)輻射在光腔內(nèi)因不斷獲得受激放大形成振蕩所需要的門限條件，可 用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，閾值增益系數(shù)，閾值泵浦功率來表示。ASE :不滿足閾值條件，但處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)對自發(fā)輻射光具有放大作用。 增益的空間燒孔效應(yīng) :在駐波腔激光器中，腔內(nèi)形成一個駐波場 ,波腹處增益最小，而波節(jié)處增益最 大，沿光腔方向增益系數(shù)的這種非均勻分布稱為空間燒孔效應(yīng)自選模：設(shè)三個縱模 v1， v2， v3 同時起振，隨著振蕩的持續(xù)光強(qiáng) I1 ， I2， I3 逐漸增大，當(dāng)光強(qiáng)足 夠大，（可

9、與 Is 比擬時）由于增益飽和，導(dǎo)致增益曲線在各頻率處整體下降，結(jié)果各縱模由于增益 系數(shù)小于閾值增益系數(shù)，先后熄滅，最后僅剩下最接近中心頻率vo的一個縱模維持自激振蕩，這一現(xiàn)象稱。模式的空間競爭 ：由于空間燒孔效應(yīng)的存在， 不同的縱?？衫每臻g內(nèi)不同的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)獲得增益， 從而實(shí)現(xiàn)多縱模振蕩。稱為。單模激光器的線寬極限：輸出激光是一個略有衰減的有限長波列，具有一定的譜線寬度。由自發(fā)輻 射產(chǎn)生的無法排除譜線寬度稱為極限線寬。實(shí)際激光器中由于各種不穩(wěn)定因素，縱模頻率本身的漂 移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限線寬總量子效率：發(fā)射熒光的光子數(shù) /工作物質(zhì)從光泵吸收的光子數(shù)。物理意義：抽運(yùn)到 E3的例子，一 部分無輻射躍

10、遷到 E2,另一部分通過其他途徑返回基態(tài)。到達(dá)E2的粒子，一部分自發(fā)輻射躍遷至E1 發(fā)射熒光，一部分無輻射躍遷至E1。弛豫時間：某種狀態(tài)的建立或消亡過程?？v向弛豫時間 Ti：反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長與衰減所需時間。橫向弛豫時間 T2:宏觀感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消亡不是瞬時的。極化強(qiáng)度P（z, t）較E（z, t）落后的時間T2即是橫向弛豫時間。馳豫振蕩 ：固體脈沖激光器所輸出的并不是平滑的光脈沖，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(qiáng)，則短脈沖之間的時間間隔越小。稱作。反蘭姆凹陷：在飽和吸收穩(wěn)頻中，把吸收管放在諧振腔內(nèi)，并且腔內(nèi)有一頻率為1的模式振蕩， 若i 1 0,購正向傳播

11、的行波及反向傳播的行坡分別在吸收曲線的形成兩個燒孔。若i = 0，剛正反向傳播的行波共同在吸收曲線的中心頻率處燒一個孔。若作出光強(qiáng)一定時吸收系數(shù)和振蕩頻率的關(guān)系曲線,則曲線出現(xiàn)凹陷,激光器輸出功率出現(xiàn)一個尖銳的尖峰。簡答題學(xué)習(xí)-好資料1. 譜線加寬的類型？什么是均勻加寬，非均勻加寬？他們各自的特點(diǎn)是什么？類型:均勻加寬（自然加寬，碰撞加寬，晶格振動加寬），非均勻加寬（多普勒加寬，晶格缺陷加寬） 綜合加寬。均勻加寬及特點(diǎn)：引起加寬的物理因素對每個原子都是相同的。特點(diǎn)：每個發(fā)光原子都以整個線型 發(fā)射，不能把線型函數(shù)上某一特定原子聯(lián)系起來。每個發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非均勻加寬特點(diǎn)：原子

12、體系中每一個原子只對譜線內(nèi)與他的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而 可以區(qū)分譜線中的某一頻率范圍是哪一部分原子發(fā)射的。2. 什么是激光工作物質(zhì)的縱模和橫模燒孔效應(yīng)？他們對激光器工作模式的影響。在非均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率為V1的強(qiáng)光只在 v1附近寬度約為 VhJi '片 的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集聚數(shù)飽和，對表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集聚數(shù)沒有影響。若有一頻率V的弱光同時入射，如果頻率 V處在強(qiáng)光造成的燒孔范圍之內(nèi)，則由于集聚數(shù)反轉(zhuǎn)的減少，弱光增益系數(shù)將小 于小信號增益系數(shù)。如果頻率V在燒孔范圍之外，則弱光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響，、而仍等于小信號增益系數(shù)。所以在增益系數(shù) -頻率曲線上，頻

13、率為 V1處產(chǎn)生一個凹陷。此現(xiàn)象稱為增益曲線的 燒孔效應(yīng)。燒孔效應(yīng)一般使激光器工作于多縱模和多橫模的情況，不利于提高光的相干性但有利于 增加光的能量或功率。3. 鎖模的目的和意義及其方法。目的是為了得到更窄的脈沖。方法：主動鎖模（振幅調(diào)制鎖模和相位調(diào)制鎖模），被動鎖模。4. 簡述速率方程所說明的問題及應(yīng)用情況。速率方程表征激光器腔內(nèi)光子數(shù)和工作物質(zhì)各有關(guān)能級上的原子數(shù)隨時間變化的微分方程組。它只能給出激光的強(qiáng)度特性，而不能揭示出色散（頻率牽引）效應(yīng)，也不能給出與激光場的量子起伏有關(guān)的特性。對于燒孔效應(yīng)、蘭姆凹陷、多模競爭等，則只能給出粗略的近似描述。5. 簡述穩(wěn)定球面腔中橫模形成的過程及分布特

14、點(diǎn)。設(shè)想一均勻平面波垂直入射到傳輸線的第一個孔闌上，第一個孔面波的強(qiáng)度分布應(yīng)該是均勻的。由 于衍射，再穿過該孔后波前將發(fā)生變化，并且波束將產(chǎn)生若干旁瓣，也就是說，已不再是均勻平面 波了。當(dāng)它達(dá)到第二孔時，其邊緣部分將比中心部分小。而且第二個孔面將不再是等相位面了。通 過第二個孔時，波束又將發(fā)生衍射然后經(jīng)過第三個孔每經(jīng)過一個孔波的振幅和相位將發(fā)生一次改變，通過若干個孔后，波的振幅和相位分布被改變成這樣的形狀，以至于他們不再受衍射的影響。當(dāng)通過足夠多的孔闌時，鏡面上的場的振幅和相位分布將不再發(fā)生變化，即形成橫模。鏡面中心附 近的場振幅和相位分布可以用厄米特-高斯函數(shù)描述。橫模在鏡面上振幅分布的特點(diǎn)

15、取決于厄米特多 項式和高斯分布函數(shù)的乘積。厄米特多項式的零點(diǎn)決定場的節(jié)線，厄米特多項式的正負(fù)交替變化與 高斯函數(shù)隨X,Y的增大而單調(diào)下降的特性決定場分布的外形輪廓。由于m階厄米特多項式有 m個零點(diǎn)，因此TEM mn橫模在X方向有m條節(jié)線，沿y方向有n條節(jié)線。6. 簡述Q調(diào)制技術(shù)原理。為了得到更高的峰值功率和窄的單個脈沖，采用Q調(diào)制技術(shù)。它是通過某種方法是諧振腔的損耗因子 按照規(guī)定的程序變化，在泵浦激勵剛開始的時候，使光腔具有高損耗因子 ，激光器由于閾 H值高而不能產(chǎn)生激光振蕩， 于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較高的水平。 然后在適當(dāng)?shù)臅r刻， 使腔 的損耗因子突然降到 ，閾值也隨之突然降低，此

16、時反轉(zhuǎn)集聚數(shù)大大超過閾值，手機(jī)輻射也迅速的增 強(qiáng)。于是在極短的時間內(nèi)上能級儲存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰浚?形成一個很強(qiáng)的激光巨脈沖 輸出。方法：電光調(diào) Q,聲光調(diào)Q,被動調(diào)Q。7. 激光器的組成部分及作用。激光器應(yīng)該包括光放大器和光諧振腔兩部分，但對光腔的作用歸結(jié)為兩點(diǎn)：（ 1） 模式選擇。保證激光器的單模振蕩，從而提高激光器的相干性。（ 2） 提供軸向光波模的反饋。8. q 參數(shù)的定義及應(yīng)用q 參數(shù)可以用來分析高斯光束的傳輸問題； 用于分析高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直；分析高斯光束的自再 現(xiàn)變換。9. 電光調(diào)節(jié) q 開關(guān)注意的問題要獲得一高峰值功率的窄脈沖，對同步電路的要求是：a 給出可靠的

17、觸發(fā)信號去點(diǎn)燃氙燈。b 在點(diǎn)燃氙燈的同時， 給出一脈沖信號經(jīng)過一段延遲時間后，退去晶體上的電壓，打開Q開關(guān)。延遲時間可靠、準(zhǔn)確、可調(diào)。c.退電壓要快一一開關(guān)速度快。d.晶 體上加四分之一波長電壓，要求穩(wěn)定可調(diào)。e.保證Q開關(guān)關(guān)的及時。YAG激光器開始工作時泵浦等上有高壓，調(diào)制是不要碰及 , 實(shí)驗(yàn)中激光器輸出的光能量高、功率密度大，應(yīng)避免直射到眼睛。特別是 532nm 綠光。避免用手接觸激光器的輸出鏡，晶體的鍍膜面，膜片應(yīng)防潮。掃描干涉儀接受的信號連接到示波器上， 的周期性， 確定哪些模式屬于同一個干涉序。 隔確定示波器熒光屏上頻率增加的方向，10. 簡述用掃描干涉儀確定激光器輸出光中縱橫模的原

18、理拍下示波器上的縱橫模分布圖。 根據(jù)干涉序個數(shù)和頻譜在同一個干涉序內(nèi)，根據(jù)縱模的定義，測出縱模頻率間一遍確定同一個縱模序數(shù)內(nèi)哪些模是基橫模， 哪些是高階橫模。測出不同橫模的頻率間隔觀察激光器在遠(yuǎn)處屏上的光斑形狀，辨認(rèn)出每個橫模的序數(shù)，即mn。11. 簡述Nd : YAG激光器的結(jié)構(gòu)和輸出特性Nd : YAG激光器以Nd:YAG晶體為工作物質(zhì)，它屬四能級系統(tǒng)，并具有量子效率高、受激輻射 面大的優(yōu)點(diǎn)。其閾值非常小，而且釔鋁石榴石晶體還具有較高的熱導(dǎo)率，易于散熱，因此Nd： YAG激光器不僅可以單次脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)， 出功率已超過 1000W ，每秒 5000 次重復(fù)頻率的輸出峰值功率已達(dá)千 瓦以上，每秒幾

19、十次還可以高重復(fù)率或者聯(lián)系運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，Nd : YAG激光器的最大輸重復(fù)頻率的調(diào)Q激光器的峰值功率可達(dá)幾百瓦 .。Nd : YAG激光器的應(yīng)用非常廣泛，它主要用在加工方面，用于打孔、 切割、劃片、焊接、阻值微調(diào)、打標(biāo)和表面改性等。12. He- Ne激光器的結(jié)構(gòu)和輸出特性He-Ne 激光器的基本結(jié)構(gòu)由激光管和電源兩部分組成,其中 ,激光管主要包括放電管、電極和諧振腔三部分 ,放電管是 He-Ne 激光器的核心。放電管通常由毛細(xì)管和儲氣室構(gòu)成。當(dāng)在電極上施加高壓后,毛細(xì)管中的氣體開始放電 ,使氖原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 按照諧振腔與放電管的放置方式不同 ,可分為內(nèi)腔式、 外腔式和半內(nèi)腔式特點(diǎn)： He

20、-Ne 激光器輸出連續(xù)光 ,主要工作波段在可見光到近紅外區(qū)域,其中 ,最常用的工作波長為632.8nm（紅光）,其次是1.15 和3.39 以及1.52543.5nm等。He-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很高,表現(xiàn)為單色性好（<20H和方向性好（Q<1mrad）。由于增益低，輸出功率一般為毫瓦量級 （0.5100mW）。器件結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉。應(yīng)用：He-Ne激光器廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)直、精密計量、信息處理、 醫(yī)療、照排印刷等領(lǐng)域13. co2 激光器CO2激光器的輸出特性有兩個顯著的特點(diǎn)：其一是輸出功率或能量相當(dāng)大，能量轉(zhuǎn)換效率高。CO2 激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬瓦,是所有激光器中連續(xù)輸出

21、功率最高的器件;脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬焦，脈寬可壓縮到納秒量級，脈沖功率密度可達(dá)太瓦量級。其二是輸出波長分布在 918 ym波段，已觀察到的激光譜線二百多條。其中，911 ym紅外波段中最重要的輸出波長10.6 m處于大氣傳輸?shù)拇翱?，有利于激光測距、激光制導(dǎo)、大氣通信等方面的應(yīng)用，且該波長對人眼安全。14. 紅寶石激光器從應(yīng)用觀點(diǎn)看 ，紅寶石激光器輸出可見光極具吸引力 ，一是因?yàn)楣怆娞綔y器件的響應(yīng)波長大多位于可 見光區(qū) ，而大多數(shù)稀土元素四能級系統(tǒng)固體激光器工作波長則位于近紅外區(qū)域，二是對于全息照相等應(yīng)用需要使用可見光作為光源。 缺點(diǎn) ：能級結(jié)構(gòu)屬三能級系統(tǒng) ，器件閾值高 ;晶體性能隨溫度變化明顯 ，室溫下 不適于做連續(xù)和高重頻器件。15. 鈦寶石激光器激活離子為三價鈦離子 （Ti3+） ，激光波長在 660nm1.1ym 叫范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，峰值波長在 800nm 附近，是目前調(diào)諧范圍最寬的激光器之一。鈦寶石激光器的激光上能級壽命較短，只有 3.2 y ,用燈泵較困難，通常用氬離子激光、Nd:YAG倍頻激光泵浦。采用自鎖模技術(shù)，欽寶石激光器可直接輸出脈寬短至 6.5fs 的激光脈沖，這是所有激光器中從諧振腔直接輸出的最窄激光脈 沖。調(diào)諧范圍最寬和鎖模