激光原理名詞解釋

1、學(xué)習(xí)好資料歡迎下載一 名詞解釋1.損耗系數(shù)及振蕩條件: I m ( g o) I S0 ,即 g o。 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, v0 )p(v) ，線型函數(shù)的單位是S，括號(hào)中的 v0 表示線型函數(shù)的中心頻p率，且有 g (v, v0 )1，并在v0 加減 v時(shí)下降至最大值的一半。按上式定義的v 稱為譜線寬度。23. 多普勒加寬 :多普勒加寬是由于做熱運(yùn)動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)效應(yīng) ：在均勻加寬激光器中，幾個(gè)滿足閾值條件的縱模在震蕩過(guò)程中互相競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果總是靠近中心頻率 v0 的一個(gè)縱模得

2、勝，形成穩(wěn)定振蕩，其他縱模都被抑制而熄滅的現(xiàn)象。5.諧振腔的Q 值 :無(wú)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(lái)標(biāo)識(shí)腔的特性。定義Q w2 vp。為儲(chǔ)存在腔內(nèi)的總能量， p 為單位時(shí)間內(nèi)損耗的總能量。v 為腔內(nèi)電磁場(chǎng)的振蕩頻率。P6.蘭姆凹陷 ：?jiǎn)文］敵龉β蔖 與單模頻率 vq 的關(guān)系曲線，在單模頻率等于0 的時(shí)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(gè)縱模，但如果使各個(gè)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(shí)間間隔一定

3、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。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(gè)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(gè)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(E2E1) / 附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。這就叫譜線加寬。11. 頻率牽引 ：在

4、有源腔中，由于增益物質(zhì)的色散，使縱模頻率比無(wú)源腔縱模頻率更靠近中心頻率，這種現(xiàn)象叫頻率牽引。12. 自發(fā)輻射：處于高能級(jí)的一個(gè)原子自發(fā)的向躍遷，并產(chǎn)生一個(gè)能量為的光子13. 受及輻射：處于高能級(jí)的一個(gè)原子在頻率為的輻射場(chǎng)作用下，向躍遷，并產(chǎn)生一個(gè)能量為的光子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(chǎng)的本征態(tài)稱為。16. 光子簡(jiǎn)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

5、好18.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：在外界激勵(lì)下，物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)，使得n2>n119. 增益系數(shù) ：光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)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(shí)，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)的增大而減小。21. Q值：是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)品質(zhì)因數(shù)。22. 縱模：在腔的橫截面內(nèi)場(chǎng)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)由整數(shù) q 所表征的腔內(nèi)縱向場(chǎng)分布稱為縱模q 決定將這種由學(xué)習(xí)好資料歡迎下載23. 橫模：腔內(nèi)垂直于光軸的橫截面內(nèi)的場(chǎng)分布稱為橫模24. 菲涅爾數(shù) ： N,即從一個(gè)鏡面中心

6、看到另一個(gè)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。25. 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(chǎng)分布稱為自在現(xiàn)?；驒M模。26. 損耗系數(shù) ：光通過(guò)單位距離后光強(qiáng)衰減的百分?jǐn)?shù)27.自激振蕩：不管初始光強(qiáng)多微弱，只要放大器足夠長(zhǎng)，就總能形成確定大小的光強(qiáng)Im，滿足振蕩條件。28.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(duì)于接收器以速度vz 運(yùn)動(dòng)時(shí)， 接收器測(cè)得的光波頻率變?yōu)椋裕?9. 多普勒加寬 ：由于作熱運(yùn)動(dòng)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30. 譜線加寬：由于各種因素的影響，自發(fā)輻射并不是單色

7、的，而是分布在中心頻率附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。31. 譜線寬度：線型函數(shù)在0 時(shí)有最大值，下降至最大值的一半，對(duì)應(yīng)得寬度。32. 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(gè)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。33. 均勻加寬：引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是等同的，包括自然加寬、碰撞加寬及晶格振動(dòng)加寬每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)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(lái)，每一發(fā)光原子對(duì)光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。34. 非均勻加寬：原子體系中每個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的表現(xiàn)中心頻率相應(yīng)

8、的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線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。35. 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(lái)表示。36. ：不滿足閾值條件，但處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)對(duì)自發(fā)輻射光具有放大作用。37. 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(gè)駐波場(chǎng) , 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)38. 自選模：設(shè)三個(gè)縱模v1，v2，v3 同時(shí)起振，隨著振蕩的持續(xù)光強(qiáng)I1 ，I2

9、，I3 逐漸增大，當(dāng)光強(qiáng)足夠大，（可與Is比擬時(shí)）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(gè)縱模維持自激振蕩，這一現(xiàn)象稱。39. 模式的空間競(jìng)爭(zhēng) ：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。40. 單模激光器的線寬極限：輸出激光是一個(gè)略有衰減的有限長(zhǎng)波列，具有一定的譜線寬度。由自發(fā)輻射產(chǎn)生的無(wú)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41.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)。

10、物理意義：抽運(yùn)到E3 的例子，一部分無(wú)輻射躍遷到 E2，另一部分通過(guò)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(wú)輻射躍遷至 E1。42.弛豫時(shí)間：某種狀態(tài)的建立或消亡過(guò)程?？v向弛豫時(shí)間T ：反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長(zhǎng)與衰減所需時(shí)間。橫向弛豫1時(shí)間 T ：宏觀感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消亡不是瞬時(shí)的。極化強(qiáng)度P(z, t) 較 E(z, t) 落后的時(shí)間 T 即是橫向弛豫22時(shí)間。43. 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(jí)的短脈沖序列，即所謂尖峰”序列。激勵(lì)越強(qiáng)，則短脈沖之間的時(shí)間間隔越小。稱作。44. 反蘭姆凹陷：在飽和吸收穩(wěn)頻中，

11、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10，購(gòu)正向傳播的行波及反向傳播的行坡分別在吸收曲線的形成兩個(gè)燒孔。若1 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(gè)孔。若作出光強(qiáng)一定時(shí)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(gè)尖銳的尖峰。二 簡(jiǎn)答題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(dòng)加寬），非均勻加寬（多普勒加寬，晶格缺陷加寬），綜合加寬。學(xué)習(xí)好資料歡迎下載均勻加寬及特點(diǎn)：引起加寬的物理因素對(duì)每個(gè)原子都是相同的。特點(diǎn)：每個(gè)發(fā)光原子都以整個(gè)線型發(fā)射，不能把線型函數(shù)上

12、某一特定原子聯(lián)系起來(lái)。每個(gè)發(fā)光原子對(duì)光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。非均勻加寬特點(diǎn)：原子體系中每一個(gè)原子只對(duì)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(duì)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vH1 Iv1的范圍內(nèi)引起反轉(zhuǎn)集聚數(shù)飽I s和，對(duì)表觀中心頻率處在燒孔范圍外的反轉(zhuǎn)集聚數(shù)沒(méi)有影響。若有一頻率V 的弱光同時(shí)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(hào)增益系數(shù)。如果頻率V 在燒孔范圍之外，則弱

13、光增益系數(shù)不受強(qiáng)光的影響，、而仍等于小信號(hào)增益系數(shù)。所以在增益系數(shù)-頻率曲線上，頻率為 v 處產(chǎn)生一個(gè)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1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(dòng)鎖模（振幅調(diào)制鎖模和相位調(diào)制鎖模），被動(dòng)鎖模。4. 簡(jiǎn)述速率方程所說(shuō)明的問(wèn)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(jí)上的原子數(shù)隨時(shí)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(chǎng)的量子起伏有關(guān)的特性。對(duì)于燒孔效應(yīng)、蘭姆

14、凹陷、多模競(jìng)爭(zhēng)等，則只能給出粗略的近似描述。5. 簡(jiǎn)述穩(wěn)定球面腔中橫模形成的過(guò)程及分布特點(diǎn)。設(shè)想一均勻平面波垂直入射到傳輸線的第一個(gè)孔闌上，第一個(gè)孔面波的強(qiáng)度分布應(yīng)該是均勻的。由于衍射，再穿過(guò)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(shuō)，已不再是均勻平面波了。當(dāng)它達(dá)到第二孔時(shí)，其邊緣部分將比中心部分小。而且第二個(gè)孔面將不再是等相位面了。通過(guò)第二個(gè)孔時(shí)，波束又將發(fā)生衍射然后經(jīng)過(guò)第三個(gè)孔 每經(jīng)過(guò)一個(gè)孔波的振幅和相位將發(fā)生一次改變，通過(guò)若干個(gè)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(guò)足夠多的孔闌時(shí)，鏡面上的場(chǎng)的振幅和相位分布將不再發(fā)生變化，即形成橫模。鏡

15、面中心附近的場(chǎng)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)取決于厄米特多項(xiàng)式和高斯分布函數(shù)的乘積。厄米特多項(xiàng)式的零點(diǎn)決定場(chǎng)的節(jié)線，厄米特多項(xiàng)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(chǎng)分布的外形輪廓。由于m 階厄米特多項(xiàng)式有m 個(gè)零點(diǎn)，因此TEMmn 橫模在X 方向有m 條節(jié)線，沿y 方向有n 條節(jié)線。6.簡(jiǎn)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(gè)脈沖，采用 Q 調(diào)制技術(shù)。 它是通過(guò)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(lì)剛開始的時(shí)候，使光腔具有高損耗因子，激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，H于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累

16、到較高的水平。然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，使腔的損耗因子突然降到，閾值也隨之突然降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)集聚數(shù)大大超過(guò)閾值，手機(jī)輻射也迅速的增強(qiáng)。于是在極短的時(shí)間內(nèi)上能級(jí)儲(chǔ)存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?，形成一個(gè)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(dòng)調(diào)Q。學(xué)習(xí)好資料歡迎下載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(duì)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(lái)分析高斯光束的傳輸問(wèn)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)

17、q 開關(guān)注意的問(wèn)題要獲得一高峰值功率的窄脈沖，對(duì)同步電路的要求是：a 給出可靠的觸發(fā)信號(hào)去點(diǎn)燃氙燈。b在點(diǎn)燃氙燈的同時(shí)，給出一脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間后，退去晶體上的電壓，打開Q 開關(guān)。延遲時(shí)間可靠、準(zhǔn)確、可調(diào)。c退電壓要快開關(guān)速度快。d晶體上加四分之一波長(zhǎng)電壓，要求穩(wěn)定可調(diào)。e保證Q 開關(guān)關(guān)的及時(shí)。YAG 激光器開始工作時(shí)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。10.簡(jiǎn)述用掃描干涉儀確定激光器輸出光中縱橫模的原理掃描干涉儀接受的信號(hào)連接到示波器上，拍下示波器上的縱橫

18、模分布圖。根據(jù)干涉序個(gè)數(shù)和頻譜的周期性，確定哪些模式屬于同一個(gè)干涉序。在同一個(gè)干涉序內(nèi)，根據(jù)縱模的定義，測(cè)出縱模頻率間隔確定示波器熒光屏上頻率增加的方向，一遍確定同一個(gè)縱模序數(shù)內(nèi)哪些模是基橫模，哪些是高階橫模。測(cè)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(gè)橫模的序數(shù)，即mn。11.簡(jiǎn)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(jí)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(guò)1000W，每秒 5000 次重

19、復(fù)頻率的輸出峰值功率已達(dá)千瓦以上，每秒幾十次還可以高重復(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. 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(chǔ)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

20、內(nèi)腔式特點(diǎn)： He-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(zhǎng)為632.8nm( 紅光 ),其次是 1.15 m和 3.39 m以及 1.52 m、543.5nm 等。He-Ne 激光器輸出光束質(zhì)量很高,表現(xiàn)為單色性好( <20Hz)和方向性好 (Q<1mrad)。由于增益低,輸出功率一般為毫瓦量級(jí)(0.5100mW) 。器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。應(yīng)用：He-Ne 激光器廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)直、精密計(jì)量、信息處理、醫(yī)療、照排印刷等領(lǐng)域13. co2 激光器學(xué)習(xí)好資料歡迎下載CO2激光器的輸出特性有兩個(gè)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

21、高。CO2 激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)瓦,是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件;脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦,脈寬可壓縮到納秒量級(jí) ,脈沖功率密度可達(dá)太瓦量級(jí)。其二是輸出波長(zhǎng)分布在9 18m波段 ,已觀察到的激光譜線二百多條。其中 ,911m紅外波段中最重要的輸出波長(zhǎng)10.6 m處于大氣傳輸?shù)拇翱?有利于激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、大氣通信等方面的應(yīng)用,且該波長(zhǎng)對(duì)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(cè)器件的響應(yīng)波長(zhǎng)大多位于可見光區(qū) ,而大多數(shù)稀土元素四能級(jí)系統(tǒng)固體激光器工作波長(zhǎng)則位于近紅外區(qū)域 ,二是對(duì)于全息照相等應(yīng)用 ,需要使用可見光作為光源。缺

22、點(diǎn) :能級(jí)結(jié)構(gòu)屬三能級(jí)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(jià)鈦離子 (Ti3+) ，激光波長(zhǎng)在 660nm1.1m 叫范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)， 峰值波長(zhǎng)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(jí)壽命較短，只有 3.2 s，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)諧范圍最寬和鎖模脈寬最窄兩大特點(diǎn)使得鈦寶石激光器成為目前最重要的激光器之一16.N2 激光器

23、氮分子激光器是一種重要的近紫外相干光源。它的輸出峰值功率高（Peak power_45 kW），脈沖持續(xù)時(shí)間短（ <3.5 ns ），而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，因此受到人們的廣泛重視。它可以作為有機(jī)染料激光器的泵浦光源，可以獲得從近紅外到近紫外的連續(xù)可調(diào)激光輸出，是激光喇曼光譜儀的一種理想光源。此外，氮激光器在激光分離同位素、熒光診斷、超高速攝影、污染檢測(cè)以及醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)育種等方面也得到廣泛應(yīng)用。由于其短波長(zhǎng)更易聚焦得到小光斑，因此被用于加工亞微米量級(jí)的元件了，例如光掩模、復(fù)雜的集成電路、薄膜電阻的生產(chǎn)。17. 影響模式的因素不同的激光器結(jié)構(gòu)輸出模式不同；自發(fā)輻射使得譜線加寬，燒孔效應(yīng)、

24、模式競(jìng)爭(zhēng)等會(huì)使得多縱模輸出；不穩(wěn)定因素的影響使得頻率漂移；振蕩線寬與縱模間隔之間的關(guān)系，縱模間隔大于振蕩線寬，可單模輸出.18. 諧振腔與激光模式之間的關(guān)系，由諧振腔結(jié)構(gòu)確定激光模式的常用方法。腔的模式 : 光學(xué)諧振腔內(nèi)可能存在的電磁場(chǎng)的本征態(tài)稱。場(chǎng)的每一個(gè)本征態(tài)將具有一定的振蕩頻率和一定的空間分布。腔與模的關(guān)系： 腔內(nèi)電磁場(chǎng)的本征態(tài)應(yīng)由麥克斯韋方程組及腔的邊界條件決定。不同類型和結(jié)構(gòu)的諧振腔的模式各不相同。不管是開腔閉腔，一旦給定了腔的具體結(jié)構(gòu)，則其中振蕩模的特征也隨之確定下來(lái)。模的基本特征：模在腔的橫截面內(nèi)的場(chǎng)分布，模的諧振頻率，模在腔內(nèi)往返的相對(duì)功率損耗；模的光束發(fā)散角。常用方法：方形鏡

25、共焦腔：輸出光斑為軸對(duì)稱；圓形鏡共焦腔，輸出的是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的；環(huán)形腔，一般可以實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩；均勻激光器一般為單縱模振蕩。非均勻激光器一般為多模振蕩。學(xué)習(xí)好資料歡迎下載3.何謂光子簡(jiǎn)并度，有幾種相同的含義？激光源的光子簡(jiǎn)并度與它的相干性什么聯(lián)系？答：光子簡(jiǎn)并度(page9)：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡(jiǎn)并度。光子簡(jiǎn)并度有以下幾種相同含義 (page9)：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)。聯(lián)系：激光源的光子簡(jiǎn)并度決定著激光的相干性，光子簡(jiǎn)并度越高，激光源的相干性越好。4.什么是黑體輻射？寫出Planck 公式 , 并說(shuō)明它的物理意義。答：黑體輻射

26、(page10)：當(dāng)黑體處于某一溫度 T 的熱平衡情況下，它所吸收的輻射能量應(yīng)等于發(fā)出的輻射能量，即黑體與輻射場(chǎng)之間應(yīng)處于能量（熱）平衡狀態(tài)，這種平衡必然導(dǎo)致空腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)，這種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射或平衡輻射。8 h 31Planck 公式 (page10)：c3h1ekbT物理意義 (page10)：在單位體積內(nèi)，頻率處于附近的單位頻率間隔中黑體的電磁輻射能量。5.描述能級(jí)的光學(xué)躍遷的三大過(guò)程，并寫出它們的特征和躍遷幾率。答： (1)自發(fā)輻射過(guò)程描述 (page10)：處于高能級(jí) E2 的一個(gè)原子自發(fā)的向E1 躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為h 的光子，這種過(guò)程稱為自發(fā)躍遷，由原子自發(fā)躍遷發(fā)

27、出的光波稱為自發(fā)輻射。特征： a) 自發(fā)輻射是一種只與原子本身性質(zhì)有關(guān)而與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)過(guò)程 ,無(wú)需外來(lái)光。 b) 每個(gè)發(fā)生輻射的原子都可看作是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)射單元，原子之間毫無(wú)聯(lián)系而且各個(gè)原子開始發(fā)光的時(shí)間參差不一，所以各列光波頻率雖然相同，均為，各列光波之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系，各有不同的偏振方向，而且各個(gè)原子所發(fā)的光將向空間各個(gè)方向傳播，即大量原子的自發(fā)輻射過(guò)程是雜亂無(wú)章的隨機(jī)過(guò)程，所以自發(fā)輻射的光是非相干光。自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)：A21(2)受激吸收1s過(guò)程描述 (page12)處于低能態(tài) E1 的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用（激勵(lì)）下，吸收一個(gè)能量為h的光子并向 E2 能態(tài)躍遷，這種

28、過(guò)程稱為受激吸收躍遷。特征： a) 只有外來(lái)光子能量 hE2E1 時(shí)，才能引起受激輻射。 b)躍遷概率不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場(chǎng)的有關(guān)。受激吸收躍遷概率 (page12)： W12B12v （ B12 為受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，v 為輻射場(chǎng)）(3)受激輻射過(guò)程描述 (page12)：處于上能級(jí) E2 的原子在頻率為 的輻射場(chǎng)作用下， 躍遷至低能態(tài) E1 并輻射一個(gè)能量為 h 的光子。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。學(xué)習(xí)好資料歡迎下載特征： a) 只有外來(lái)光子能量 h E2 E1 時(shí)，才能引起受激輻射； b) 受激輻射所發(fā)出的光子與外來(lái)光子的頻率、傳播方向、偏振方向、相位等性質(zhì)完全相同

29、。受激輻射躍遷概率：W21B21 v （ B21 為受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，v 為輻射場(chǎng)）6. Einstein 系數(shù)有哪些？它們之間的關(guān)系是什么？答：系數(shù) (page11-12)：自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)A21 ，受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)B12 ，受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)B21關(guān)系 (page13)： B21 f1B12 f2， A218 h3c3B21 ， f1, f2 為 E1 , E2 能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重 (簡(jiǎn)并度 )7. 試 證 明 ， 由 于 自 發(fā) 輻 射 ， 原 子 在 E2 能 級(jí) 的 平 均 壽 命 為 s1 。證明：根據(jù)自發(fā)躍遷概率定義A21A21dn211(1)dtsp n2

30、dn21 sp 表示在 dt 時(shí)間內(nèi)由于自發(fā)躍遷引起的由E2 向 E1 躍遷的原子數(shù)。dndndn2A21n2在單位時(shí)間內(nèi)能級(jí)E2 減少的粒子數(shù)為221將 (1)式帶入得dtdtspdt由此式可得 n2 (t )n20e A21 t （ n20 為 t0 時(shí)刻高能級(jí)具有的粒子數(shù)）所以自發(fā)輻射的平均壽命s1n2 (t)dt1n20e A21t dt100A21n20n208.一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收系數(shù)0.01 mm 1,光通過(guò) 10cm 長(zhǎng)的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾？解：設(shè)進(jìn)入材料前的光強(qiáng)為I 0 ，經(jīng)過(guò)距離 z 后的光強(qiáng)為 I (z) ，則 I zI 0 ez所以出射光強(qiáng)與入

31、射光強(qiáng)之比I oute le 0.01 100e 10.368 。所以出射光強(qiáng)占入射光強(qiáng)的 36.8% 。I 09. 激光器主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？答：激光工作物質(zhì)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用的物質(zhì)體系。接收來(lái)自泵浦源的能量，對(duì)外發(fā)射光波并能夠強(qiáng)烈發(fā)光的活躍狀態(tài)，也稱為激活物質(zhì)。泵浦源：提供能量，實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光學(xué)諧振腔：a)提供軸向光波模的正反饋；b)模式選擇，保證激光器單模振蕩，從而提高激光器的相干性。10. 什么是熱平衡時(shí)能級(jí)粒子數(shù)的分布？什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？答：熱平衡時(shí)能級(jí)粒子數(shù)的分布(page15)：在物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，

32、各能級(jí)上的原子數(shù)（或集居數(shù)）服從玻爾茲學(xué)習(xí)好資料歡迎下載曼分布 n2f2E2 E1ekb T。n1f1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：使高能級(jí)粒子數(shù)密度大于低能級(jí)粒子數(shù)密度。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(page15)：外界向物質(zhì)供給能量（稱為激勵(lì)或泵浦過(guò)程），從而使物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)。11. 如何定義激光增益？什么是小信號(hào)增益？大信號(hào)增益？增益飽和？答：激光增益定義(p15)：設(shè)在光傳播方向上z 處的光強(qiáng)為 I ( z) ，則增益系數(shù)定義為dI ( z)1g，表示光通過(guò)dzI ( z)單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。小信號(hào)增益 (p16)：當(dāng)光強(qiáng)很弱時(shí)，集居數(shù)差值(n2n1 ) 不隨 z 變化，增益系數(shù)為一常數(shù)g 0

33、 ，稱為線性增益或小信號(hào)增益。大信號(hào)增益 (p17)：在放大器中入射光強(qiáng)I 與 I s ( I sg0，為大信號(hào)增益。為飽和光強(qiáng) )相比擬時(shí)， g (I )I1I s增益飽和 (p16)：當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，增益系數(shù)g 也隨著光強(qiáng)的增加而減小，這一現(xiàn)象稱為增益飽和效應(yīng)。12. 什么是自激振蕩？產(chǎn)生激光振蕩的條件是什么？答：自激振蕩 (p18)：不管初始光強(qiáng)I 0 多么微弱，只要放大器足夠長(zhǎng)，就總是形成確定大小的光強(qiáng)I m ，這就是自激振蕩的概念。產(chǎn)生條件 (p18)： g 0， g 0 為小信號(hào)增益系數(shù)，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)。13. 激光的基本特性是什么？答：激光四性：?jiǎn)?/p>

34、色性、相干性、方向性和高亮度。這四性可歸結(jié)為激光具有很高的光子簡(jiǎn)并度。14如何理解激光的空間相干性與方向性？如何理解激光的時(shí)間相干性？如何理解激光的相干光強(qiáng)?答： (1)激光的方向性越好，它的空間相干性程度越高。(p19)(2)激光的相干時(shí)間c 和單色性存在著簡(jiǎn)單關(guān)系c1 ，即單色越好，相干時(shí)間越長(zhǎng)。(p21)(3)激光具有很高的亮度，激光的單色亮度B2h2 n ，由于激光具有極好的方向性和單色性，因而具有極高的光子簡(jiǎn)并度和單色亮度。 (p22)15. 什么是諧振腔的諧振條件？如何計(jì)算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目？答： (1)諧振條件 (p27)：諧振腔內(nèi)的光要滿足相長(zhǎng)干涉條件（也稱為駐波

35、條件）再回到原來(lái)位置時(shí)，應(yīng)與初始出發(fā)波同相（即相差為2的整數(shù)倍）。如果以。波從某一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周表示均勻平面波在腔內(nèi)往返一周學(xué)習(xí)好資料歡迎下載2。 q 為光在真空中的波長(zhǎng)，L 為腔的光學(xué)長(zhǎng)度，q 為正整數(shù)。時(shí)的相位滯后， 則可以表示為2L q 2q(2)如何計(jì)算縱模的頻率、縱模間隔和縱模的數(shù)目：縱模的頻率 : qqc ；縱模間隔 :qc2L2L縱模的數(shù)目 :對(duì)于滿足諧振條件頻率為q 的波，其縱模數(shù)目 N值增益系數(shù) Gt 的那部分曲線所對(duì)應(yīng)的頻率范圍(振蕩帶寬 )。osc1,osc 為小信號(hào)增益曲線中大于閾q16. 在激光諧振腔中一般有哪些損耗因素，分別與哪些因素有關(guān)？答：損耗因素(p2

36、8)幾何偏折損耗：與腔的類型、腔的幾何尺寸、模式有關(guān)。衍射損耗：與腔的菲涅爾數(shù)、腔的幾何參數(shù)、橫模階次有關(guān)。腔鏡反射不完全引起的損耗：與腔鏡的透射率、反射率有關(guān)。材料中的非激活吸收、散射、腔內(nèi)插入物所引起的損耗：與介質(zhì)材料的加工工藝有關(guān)。17. 哪些參數(shù)可以描述諧振腔的損耗？它們的關(guān)系如何？答： (1)描述參數(shù) (p28-p39)a)平均單程損耗因子：1lnI 0（ I 0 為初始光強(qiáng)，I1 為往返一周后光強(qiáng)）2I1b)腔內(nèi)光子的平均壽命：RLc品質(zhì)因數(shù)： Q2 R2Lc)c(2)關(guān)系：腔的損耗越小，平均單程損耗因子越小，腔內(nèi)光子的平均壽命越長(zhǎng)，品質(zhì)因數(shù)越大。18. 什么是腔的菲涅爾數(shù)？它與腔

37、的損耗有什么關(guān)系？答 ： 菲涅爾數(shù) (p32)： Na2a 為孔半徑， L 腔長(zhǎng)）。即從一個(gè)鏡面中心看到另一個(gè)鏡面上可稱為腔的菲涅爾數(shù)（L以劃分的菲涅爾半周期帶的數(shù)目（對(duì)平面波陣面而言）。與腔的損耗關(guān)系(p32):衍射損耗隨腔的菲涅爾數(shù)的減小而增大。19. 什么是共軸球面腔的穩(wěn)定性條件？(p 35)學(xué)習(xí)好資料歡迎下載0 g1 g21g1 1L, g21L ，R1R2L 為兩球面鏡 M 1, M 2 的距離， R1 , R2 分別為 M 1 , M 2 的曲率半徑，當(dāng)凹面鏡向著腔內(nèi)時(shí)，R 取正值，當(dāng)凸面鏡向著腔內(nèi)時(shí)， R 取負(fù)值。20.激光器的諧振腔由一面曲率半徑為1 m 的凸面鏡和曲率半徑為2

38、 m 的凹面鏡組成， 工作物質(zhì)長(zhǎng)0.5 m ，其折射率1.52，求腔長(zhǎng) L 在什么范圍內(nèi)是穩(wěn)定腔？解：設(shè)兩腔鏡 M 1 和 M 2 的曲率半徑分別為R1和 R2 ， R11m, R22m,工作物質(zhì)長(zhǎng) l 0.5m ，折射率1.52根據(jù)穩(wěn)定條件判據(jù) :0 (1L )(1L) 1即0(1L )(1L )1(1)其中 L(Ll )l(2)R1R212由 (1)式解得 1m L2m，由 (2)式得 LL 0.5(11)L0.171.52結(jié)合 (1)(2)式得 1.17mL2.17m21. 試?yán)猛稻仃囎C明共焦腔為穩(wěn)定腔，即任意傍軸光線在其中可以往返無(wú)限多次，而且兩次往返即自行閉合。證明：設(shè)光線在球面

39、鏡腔內(nèi)的往返情況如下圖所示其往返矩陣為：AB101L101LT22CD011 011R2R112L2L(1L )R2R2222L2L2L)(12L)R1(1)R1(1R2R2R1R1由于是共焦腔，有 R1R21010L 往返矩陣變?yōu)?T，若光線在腔內(nèi)往返兩次，有 T 20101可以看出，光線在腔內(nèi)往返兩次的變換矩陣為單位陣，所以光線兩次往返即自行閉合，即共焦腔為穩(wěn)定腔。22. 如何理解激光諧振腔衍射理論的自再現(xiàn)模？答： (p38)開腔鏡面上，經(jīng)過(guò)足夠多次往返后，能形成這樣一種穩(wěn)恒場(chǎng)，其分布不再受衍射的影響，在腔內(nèi)往返一次能夠再現(xiàn)出發(fā)時(shí)的場(chǎng)分布。這種穩(wěn)恒場(chǎng)經(jīng)一次往返后，唯一可能的變化是，鏡面上各

40、點(diǎn)的場(chǎng)分布按同樣的比例衰減，各點(diǎn)的相位發(fā)生同樣大小的滯后。把這種開腔鏡面上的經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)恒場(chǎng)分布稱為開腔的自再現(xiàn)模。學(xué)習(xí)好資料歡迎下載23. 求解菲涅爾 - 基爾霍夫衍射積分方程得到的本征函數(shù)和本征值各代表什么?答：本征函數(shù) (p42):描述腔的一個(gè)自再現(xiàn)模式或橫模。其模描述鏡面上場(chǎng)的振幅分布，幅角描述鏡面上場(chǎng)的相位分布。本征值值 (p43):表示自再現(xiàn)模在渡越一次時(shí)的幅值衰減和相位滯后。其模值量度自再現(xiàn)模在腔內(nèi)往返一次的功率損耗，幅角量度自再現(xiàn)模的單程相移，從而也決定模的諧振頻率。24. 什么是一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價(jià)性？答： (p65)(1)任意一個(gè)共焦球面腔與無(wú)窮多個(gè)穩(wěn)定球面

41、腔等價(jià);(2)任一滿足穩(wěn)定條件的球面腔唯一地等價(jià)于某一個(gè)共焦腔。即如果某一個(gè)球面腔滿足穩(wěn)定性條件，則必定可以找到而且也只能找到一個(gè)共焦腔，其行波場(chǎng)的某兩個(gè)等相位面與給定球面腔的兩個(gè)反射鏡面相重合25.今有一球面腔， R1 1.5m, R2 1m, L 80cm 。試證明該腔為穩(wěn)定腔；求出它的等價(jià)共焦腔的參數(shù)；在圖中畫出等價(jià)共焦腔的具體位置。解： (1)該球面腔的g 參數(shù)g1 1L187 g2 1L10.81.8R11515R21由此 g1g20.85 滿足諧振腔的穩(wěn)定性條件0g1 g2 1，因此該腔為穩(wěn)定腔。(2)兩反射鏡距離等效共焦腔中心O 點(diǎn)的距離和等價(jià)共焦腔的焦距分別為L(zhǎng)(R2 L)L(

42、 R1L)z11.31m z20.51m(L R1) (L R2)(L R1) (L R2)L(R1 L)(R2 L)(R1R2L)f0.50m(L R1) (L R2)2?(3)等價(jià)共焦腔的具體位置如下圖26. 如何計(jì)算基模高斯光束的主要參量，腰斑的位置、鏡面上光斑的大小、任意位置處激光光斑的大小、等相位面曲率半徑、光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角、模體積。答：設(shè)穩(wěn)定腔腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩腔鏡 M 1 和 M 2 的曲率半徑分別為R1 和 R2L(R2L )L(R1L)則： (1)腰斑位置距 M1 的距離為 ( L R )(L R)，距 M2 的距離為(L R)(L R)12121R1L(R2L )4(2)M1 鏡面上光斑的大?。簑s(R1L)( R1R2 L)1學(xué)習(xí)好資料歡迎下載1M1 鏡面上光斑的大小： ws2R2L(R1L)4( R2L)(R1R2L )(3)任意位置處激光激光光斑大?。簑( z)w1( z ) 20f( f 2L( R1L)( R2L)( R1R2L )， w0f)(R1 R2 2L)2(4)等相位面曲率半徑：R(z)z 1 ( f ) 2zf 2zz(