激光原理考試基本概念

1、第一章1、激光與普通光源相比有三個(gè)主要特點(diǎn)：方向性好，相干性好，亮度高。2、激光主要是光的受激輻射，普通光源主要光的自發(fā)輻射。3、光的一個(gè)基本性質(zhì)就是具有波粒二象性。光波是一種電磁波，是一種橫波。4、常用電磁波在可見(jiàn)光或接近可見(jiàn)光的圍，波長(zhǎng)為0.330 m,其相應(yīng)頻率為 10151013。5、具有單一頻率的平面波叫作單色平面波，如果頻率寬度<<v時(shí)，這種波叫作準(zhǔn)單色波。6、原子處于最低的能級(jí)狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)，能量高于基態(tài)的其他能級(jí)狀態(tài)叫作激發(fā)態(tài)。7、兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子可以具有相同的能級(jí)，這樣的能級(jí)叫作 簡(jiǎn)并能級(jí) 。8、同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目，叫作簡(jiǎn)并度，

2、用字母 g 表示。9、輻射躍遷選擇定則（本質(zhì)： 狀態(tài)一定要改變），原子輻射或吸收光子，不是在任意兩能級(jí)之間躍遷，能級(jí)之間必須滿(mǎn)足下述選擇定則：a、躍遷必須改變奇偶態(tài)；b、J=0，±1（J=0J=0 除外）；對(duì)于采用LS 耦合的原子還必須滿(mǎn)足下列選擇定則：c、L=0，±1（L=0L=0 除外）；d、S=0，即躍遷時(shí) S 不能發(fā)生改變。10、大量原子所組成的系統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)下，原子數(shù)按能級(jí)分布服從玻耳茲曼定律。11、處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處在低能態(tài)的粒子數(shù)，這是熱平衡情況的一般規(guī)律。12、因發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級(jí)間躍遷的現(xiàn)象叫作輻射躍遷，必須滿(mǎn)足輻射躍遷選擇定則。

3、13、光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過(guò)程：自發(fā)輻射，受激輻射，和受激吸收。14、普通光源中自發(fā)輻射起主要作用， 激光工作過(guò)程中受激輻射起主要作用。15、與外界無(wú)關(guān)的、 自發(fā)進(jìn)行的輻射稱(chēng)為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的光是非相干光。16、能級(jí)平均壽命等于自發(fā)躍遷幾率的倒數(shù)。17、受激輻射的特點(diǎn)是：a、只有外來(lái)光子的能量hv=E2-E1 時(shí)，才能引起受激輻射。b、受激輻射所發(fā)出的的光子與外來(lái)光子的特性完全相同（頻率相同，相位相同，偏振方向相同，傳播方向相同）。18、受激輻射光子與入射（激勵(lì)）光子屬于同一光子態(tài)；受激輻射與入輻射場(chǎng)具有 相同的頻率、相位、波矢（傳播方向）和偏振，是相干的。19、自發(fā)輻射躍遷

4、幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身，而受激輻射的躍遷幾率決定于受激輻射系數(shù)與外來(lái)單色能量密度乘積。20、 =v2-v1 ，即相對(duì)光強(qiáng)為最大的 1/2 處的頻率間隔， 叫作光譜線(xiàn)的半值寬度（光譜線(xiàn)寬度）21、處于低能級(jí)上的粒子大量地抽運(yùn)到高能級(jí)上，造成一個(gè) n2/g2>n1/g1 的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)狀態(tài)的介質(zhì)叫作 增益介質(zhì)或激活介質(zhì)。簡(jiǎn)答題一：產(chǎn)生激光的三個(gè)條件：1. 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)， 其激活粒子（原子、分子或離子）；（有合適的激光工作物質(zhì)）2. 有外界激勵(lì)源， 將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)， 使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3. 有光學(xué)諧振腔；增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光

5、束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。第二章簡(jiǎn)答題二：腔中任一傍軸光線(xiàn)經(jīng)過(guò)任意多次往返傳播而不逸出腔外的諧振腔能夠使激光器穩(wěn)定地發(fā)出激光，這種諧振腔叫作穩(wěn)定腔。共軸球面腔的穩(wěn)定性條件是： 0<(1-L/R1)(1-L/R2)<11、共軸球面腔的穩(wěn)定性條件： 0<g1g2<1;為穩(wěn)定腔，當(dāng) g1g2=0, 或 g1g2=1 時(shí)為臨界腔。2、穩(wěn)定腔對(duì)光的幾何損耗（因反射而引起的損耗）極小，中、小的氣體激光器（增益系數(shù)G?。┏Ｓ梅€(wěn)定腔，容易產(chǎn)生激光。3、通過(guò)泵浦實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所采用的能級(jí)結(jié)構(gòu)為三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)。4、四能級(jí)系統(tǒng)所需要的激勵(lì)能量要比三

6、能級(jí)系統(tǒng)小得多，產(chǎn)生激光比三能級(jí)系統(tǒng)容易得多。5、在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱，增益系數(shù)是一個(gè)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)度的增大而減小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為增益飽和 。6、激光器產(chǎn)生激光的前提條件是介質(zhì)必須實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的粒子數(shù)密度反正分布，即n>0, 或者說(shuō)增益系數(shù)G>0。7、增益系數(shù)要大于一個(gè)下限值，為激光器的閾值，它的數(shù)值由各種損耗的大小決定。8、激光器的損耗指的是在激光諧振腔的光損耗，分為 部損耗（諧振腔增益介質(zhì)部的損耗，它與增益介質(zhì)的長(zhǎng)度有關(guān)）和 鏡面損耗（可以折合到諧振腔鏡面上的損耗） 。9、形成激光所要求的增益系數(shù)的條件是：G a 總，即總

7、損耗系數(shù)。解釋為：增益不小于總損耗。10、三能級(jí)系統(tǒng)：閾值高，效率低；四能級(jí)系統(tǒng)：閾值條件低，效率高。第三章1、激光諧振腔的自在現(xiàn)模; 當(dāng)兩個(gè)鏡面完全相同時(shí)（對(duì)稱(chēng)開(kāi)腔），穩(wěn)態(tài)場(chǎng)（橫向場(chǎng)）分布應(yīng)在腔經(jīng)單程渡越（傳播）后即實(shí)現(xiàn)“再現(xiàn)”。2、本征函數(shù)解Umn表示的是在激光諧振腔中存在的穩(wěn)定地橫向場(chǎng)分布，就是自再現(xiàn)模，通常叫做“橫?！?。3、諧振腔形成的每一列駐波稱(chēng)為一個(gè)縱模。4、激光諧振腔的諧振頻率主要決定于縱模序數(shù)Vmnq=qc/2L5、腔兩個(gè)相鄰縱模頻率之差q 稱(chēng)為縱模的頻率間隔。6、基橫模（ TEM00）行波場(chǎng)，激光應(yīng)用常常只用它的基橫模輸出。7、基橫模行波輸出在與光束前進(jìn)的垂直平面上的強(qiáng)度呈

8、高斯型分布，通常稱(chēng)為 高斯光束 。注：計(jì)算題有關(guān)高斯光束的相關(guān)計(jì)算。第四章1、激光的基本技術(shù)有：直接對(duì)激光器諧振腔的輸出特性產(chǎn)生作用：選模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù) 等，獨(dú)立應(yīng)用：光束變換技術(shù)、調(diào)制技術(shù)和偏轉(zhuǎn)技術(shù)。2、基橫模（ TEM00）與高階模相比，具有亮度高、發(fā)散角小、徑向光強(qiáng)分布均勻、振蕩頻率單一等特點(diǎn)。3、激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個(gè)部分：對(duì)激光縱模的選取和對(duì)激光 橫模的選取。4、一般來(lái)說(shuō)，均勻增寬的的穩(wěn)定激光器的輸出常常是單縱模的，而且它們的頻率總是在譜線(xiàn)中心附近。5、非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模。6、設(shè)計(jì)單縱模激光器就必須采取選頻的方法。7、激光振蕩的

9、條件是增益系數(shù)G必須大于損耗系數(shù)a 總。8、基橫模選擇的 實(shí)質(zhì)是使 TEM00模達(dá)到振蕩條件，而使高階橫模的振蕩受到抑制。一般只要能抑制比基橫模高一階的TEM10模和 TEM01模振蕩，也就能抑制其他高階模的振蕩。9、菲涅爾數(shù)越大，單程衍射損耗越小，菲涅爾系數(shù)是表征諧振腔衍射損耗的特征參量。10、激光器中，氣體激光器的單色性最好。11、頻率的穩(wěn)定包括（頻率穩(wěn)定度和頻率復(fù)現(xiàn)度），穩(wěn)頻的方法：主動(dòng)式穩(wěn)頻和被動(dòng)式穩(wěn)頻。12、主動(dòng)式穩(wěn)頻的例子：蘭姆凹陷法穩(wěn)頻、飽和吸收法穩(wěn)頻。13、高斯光束變換特性：高斯光束的聚焦、擴(kuò)束和準(zhǔn)直。14、高斯光束的準(zhǔn)直就是要改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。P89(公式

10、4-47 和 4-48)15、擴(kuò)束就是擴(kuò)大光束的光斑尺寸。簡(jiǎn)答題三：激光調(diào)制可分為調(diào)制和外調(diào)制。調(diào)制是指在激光生成的震蕩過(guò)程中加載調(diào)制信號(hào)， 通過(guò)改變激光的輸出特性而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制。外調(diào)制是在激光形成以后， 再用調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，他不改變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光束的參數(shù)。16、激光調(diào)制器有：電光強(qiáng)度調(diào)制、電光相位調(diào)制，聲光調(diào)制，磁光調(diào)制，和空間光調(diào)制。17、實(shí)現(xiàn)激光偏振的途徑主要有機(jī)械偏轉(zhuǎn)、電光偏轉(zhuǎn)和聲光偏轉(zhuǎn)。18、調(diào) Q技術(shù)有：電光調(diào)Q、聲光調(diào) Q和染料調(diào) Q。19、用調(diào)節(jié)諧振腔的Q 值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱(chēng)為激光調(diào)Q 技術(shù)。調(diào) Q技術(shù)可以壓縮激光脈沖寬度，得到脈寬為毫微秒量

11、級(jí)、峰值功率為千兆瓦量級(jí)的激光巨脈沖。20、激光鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)是進(jìn)一步對(duì)激光進(jìn)行特殊的調(diào)制，強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個(gè)縱模的相位固定，使各模式相干疊加以得到超短脈沖的技術(shù)。腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，熒光線(xiàn)寬越寬， 則腔的縱模數(shù)目越多，鎖模脈沖的峰值功率就越大。激光鎖模技術(shù)有：主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩種。第五章1、固體激光器主要理解 激光工作的物質(zhì) 激活粒子是什么（是誰(shuí)發(fā)光） 能級(jí)系統(tǒng)（幾能級(jí)） 供能方式（泵浦方式） 輸出方式（脈沖？連續(xù)？）2、固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)的激光器。最常用的固體工作物質(zhì)仍是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石（ Nd3+:YAG）。3、固體激光器基本上是由工作物質(zhì)、泵浦

12、系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成。固體激光工作物質(zhì)是固體激光器的核心。4、紅寶石激光器 ( 激活粒子 : 鉻離子 Cr3+) 屬于三能級(jí)系統(tǒng)， YAG（摻釹釔鋁石榴石 ( 激活粒子釹離子Nd3+)）激光器屬于四能級(jí)系統(tǒng)。5、氣體激光器 （氦氖激光器屬于四能級(jí)系統(tǒng)，激活粒子為 Ne原子），（CO2激光器既能連續(xù)工作，又能脈沖，輸出功率大，效率高，為四能級(jí)系統(tǒng)，工作物質(zhì)為CO2氣體分子）計(jì)算題第一章： 1,121 試計(jì)算連續(xù)功率均為 1W的兩光源，分別發(fā)射 0.5000m，=3000MHz的光，每秒從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)的粒子數(shù)各為多少？答： 粒子數(shù)分別為：q10.510 62.51381018n1

13、34c6.63 10 343 108h6.6310n2q6.63131095.0277 10 23h10 3412設(shè)氖原子靜止時(shí)發(fā)出0.6328m紅光的中心頻率為144.74 ×10 Hz，室溫下氖原子的平均速率設(shè)為 560m/s。求此時(shí)接收器接收頻率與中心頻率相差若干？答：0 (1)0(15608)(1 1.8667106) 0c3101.86671064.7410148.848108 Hz第二章： 3,43.(a) 要制作一個(gè)腔長(zhǎng) L 60cm的對(duì)稱(chēng)穩(wěn)定腔， 反射鏡的曲率半徑取值圍如何？ (b) 穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑 R1 4L，求另一面鏡的曲率半徑取值圍。答：（ a）

14、R1R2R ； 0(1L )(1L ) 1R30cmRR（ b） 0LL)1 03L1 R2 L或R23L(1)(1(1)R1R24R24. 穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡， 其曲率半徑分別為 R1 40cm，R2 100cm，求腔長(zhǎng) L 的取值圍。答：LL)10(1LL0 (1)(1)(1) 1 0 L 40cm或100 L 140cmR1R240100第三章： 1,2,5,6,71腔長(zhǎng)為 0.5m 的氬離子激光器， 發(fā)射中心頻率0 5.85 l014 6 l08Hz，熒光線(xiàn)寬Hz，問(wèn)它可能存在幾個(gè)縱模 ?相應(yīng)的 q 值為多少？(設(shè) =1)答：qc31083 108 Hz ，2L2 10.5n610

15、82，則可能存在的縱模數(shù)有三個(gè)，它們對(duì)應(yīng)的q 值分別為：3108qqcq2 L5.8510141.95 106 ， q 1=1950001， q 119499992 Lc310 82 He Ne 激光器的中心頻率14 1.5904.74×Hz，熒光線(xiàn)寬l0 Hz。今腔長(zhǎng) L lm，10問(wèn)可能輸出的縱模數(shù)為若干？為獲得單縱模輸出，腔長(zhǎng)最長(zhǎng)為多少？答：qc31081.5108 Hz ， n1.5109102 L21 1q1.5108即可能輸出的縱模數(shù)為10 個(gè)，要想獲得單縱模輸出，則：2cLc31080.2mq1.5 109L故腔長(zhǎng)最長(zhǎng)不得大于0.2m 。5 (a) 計(jì)算腔長(zhǎng)為1m的共焦

16、腔基橫模的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，設(shè) 6328?， 10km 處的光斑面積多大。 (b) 有一普通探照燈，設(shè)發(fā)散角為2，則 1km 遠(yuǎn)處的光斑面積多大？答：（ 1）基橫模的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角222L226328 10 101.26910 3 rad（2）10km處的光斑尺寸z 10L 1(2z) 2 632810 101 4108 6.347m2L210km處的光斑面積 S26.347 2126.5572m 2（ 3） 1km處的光斑尺寸1km 處的光斑面積r1000 tg1o17.455mSr 217.4552957.1711m26激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角( 半角 ) 還受到衍射效應(yīng)的限制。它不能小于激光通過(guò)輸出孔時(shí)的衍射極限角衍 ( 半角 ) 1.22 /d 。在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角常用愛(ài)里斑衍射極限角來(lái)近似。