激光原理重點

1、期末復習1 1、考試題型、考試題型2 2、知識重點回顧、知識重點回顧3 3、習題分析、習題分析 1 1、考試題型、考試題型1）選擇題10分2）填空題40分3）名詞解釋12分4）計算題38分10%40%12%38%題型分布題型分布選擇題填空題名詞解釋計算題2 2、知識重點回顧、知識重點回顧第一章1、激光激光與普通光源的相比有三三個主要特點個主要特點，即方向性好、相干性好、高亮度。2、輻射躍遷輻射躍遷：因發(fā)射或吸收光子從而使原子的能級間發(fā)生躍遷的現(xiàn)象。3、非輻射躍遷非輻射躍遷：原子在不同能級躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或者吸收別的原子傳遞給他的能量。4、 單色輻射

2、能量密度單色輻射能量密度：輻射場中單位體積內(nèi)，頻率在 附近的單位頻率間隔中輻射的能量。5、普朗克黑體輻射普朗克黑體輻射的單色輻射能量密度公式。6、光與物質(zhì)相互作用光與物質(zhì)相互作用的三種基本過程：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收。2 2、知識重點回顧、知識重點回顧第一章7、受激輻射所發(fā)出的光子與外來光子的特性完全相同：頻率頻率相同、相位相位相同、偏振方向偏振方向相同、傳播方向傳播方向相同。8、愛因斯坦系數(shù)愛因斯坦系數(shù)之間的基本關(guān)系。9、均勻增寬均勻增寬（碰撞增寬、自然增寬）的線型函數(shù)為洛倫茲線型函數(shù)；非均勻增寬非均勻增寬（多普勒增寬）的線型函數(shù)為高斯線型函數(shù)。10、產(chǎn)生激光的三個必要條件：增益介質(zhì)增

3、益介質(zhì)、外界激勵源外界激勵源、光學光學諧振腔諧振腔。 11、光學諧振腔光學諧振腔的作用：（1）延長增益介質(zhì)（2）控制光束的傳播方向（3）選擇激光振蕩頻率。2 2、知識重點回顧、知識重點回顧第二章1、穩(wěn)定腔穩(wěn)定腔：腔中任一束旁軸光線經(jīng)過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，稱為穩(wěn)定腔。2、共軸球面腔的穩(wěn)定性條件穩(wěn)定性條件3、穩(wěn)定圖穩(wěn)定圖的應(yīng)用4、三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)的特點與四能級系統(tǒng)的特點5、速率方程組速率方程組6、粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布及其飽和效應(yīng)7、增益飽和增益飽和8、激光諧振腔內(nèi)的光損耗光損耗分為兩類：內(nèi)部損耗、鏡面損耗 111021RL

4、RL2 2、知識重點回顧、知識重點回顧第三章1、自再現(xiàn)模積分方程自再現(xiàn)模積分方程的本征函數(shù)解本征函數(shù)解的模模代表對稱開腔任意鏡面上的光場振幅分布，輻角輻角則代表鏡面上光場的相位分布。2、自再現(xiàn)模積分方程的本征值本征值的模模反映了自再現(xiàn)模在腔內(nèi)單程渡越時所引起的功率損耗。本征值輻角本征值輻角與自再現(xiàn)模腔內(nèi)單程渡越后所引起的總相移有關(guān)。3、橫模橫模：自再現(xiàn)模積分方程的本征函數(shù)解表示激光諧振腔中存在的穩(wěn)定的橫向場分布，就是自再現(xiàn)模，通常叫作橫模。4、縱?？v模：激光諧振腔中形成的每一列駐波稱為一個縱模，5、縱模頻率間隔縱模頻率間隔：6、高斯光束高斯光束基膜半徑隨傳播距離按雙曲線規(guī)律變化。7、共焦腔共焦

5、腔鏡面上的光場分布。8、高斯光束高斯光束的特征參量特征參量：束腰半徑和遠場發(fā)散角。 2 2、知識重點回顧、知識重點回顧第三章9、穩(wěn)定球面腔的等價對稱共焦腔穩(wěn)定球面腔的等價對稱共焦腔 任意一個對稱共焦腔場有無窮多個等相位面，因為存在無窮多個等價的球面腔。 任意一個滿足穩(wěn)定性條件的球面腔只可唯一地與一個對稱共焦腔等價。10、線寬極限線寬極限：由自發(fā)輻射因素造成的激光線寬。11、激光光束質(zhì)量的品質(zhì)因子品質(zhì)因子基橫模高斯光束的品質(zhì)因子等于1是品質(zhì)因子的極小值。2 2、知識重點回顧、知識重點回顧第四章1、縱模競爭縱模競爭：通過增益飽和效應(yīng)，使某個縱模逐漸把別的縱模振蕩抑制下去，最后只剩下該縱模振蕩的現(xiàn)象

6、。2、縱模的選取縱模的選取方法方法：短腔法；F-P標準具法；三反射鏡法。3、橫模的選取方法橫模的選取方法：光闌法、聚焦光闌法、腔內(nèi)望遠鏡法。4、激光頻率的穩(wěn)定性包括兩個方面：一是頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度；二是頻率復現(xiàn)度頻率復現(xiàn)度。根據(jù)實際需要和現(xiàn)實技術(shù)水平，一般希望穩(wěn)定度和復現(xiàn)度都能在10-8以上。5、主動穩(wěn)頻的方法主動穩(wěn)頻的方法：蘭姆凹陷法、飽和吸收法。6、激光束的透鏡變換和普通光束透鏡變換的異同。7、激光調(diào)Q技術(shù)2 2、知識重點回顧、知識重點回顧第四章8、鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)：鎖模技術(shù)強迫激光器中振蕩的各個縱模的相位固定，使各模式相干疊加以得到超短激光脈沖的技術(shù)。采用鎖模技術(shù)可以將激光脈沖壓縮到飛

7、秒飛秒量級。第五章1、激光器的泵補方式泵補方式有哪些？固體、氣體、染料、半導體激光器為什么采取各自不同的泵浦方式？2、譜線競爭譜線競爭：在同一個激光器中，可能有多條激光譜線，而這些譜線可能對應(yīng)同一個激光上能級，其中一條譜線產(chǎn)生振蕩以后，用于其他譜線的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少，將使其他譜線的增益和輸出功率降低，甚至完全被抑制。這就是譜線的競爭效應(yīng)。激光器的泵補方式泵補方式有哪些？固體、氣體、染料、半導體激光器為什么采取各自不同的泵浦方式？ 激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。 固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。 氣體激光器則主

8、要通過高壓放電進行泵浦，此方法易于操作且效果甚好。 染料分子的光輻射特殊性及其三重態(tài)“陷阱”，故采用激光脈沖泵浦或閃光燈泵浦。 半導體激光器為了使其在導帶底和價帶頂形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，往往利用其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵，替代了以往用氪燈或氙燈泵浦激光晶體，3 3、習題分析、習題分析第一章：2、熱平衡時，原子能級E2的數(shù)密度為n2，下能級E1的數(shù)密度為n1，設(shè) g1= g2 ，求：(1)當原子躍遷時相應(yīng)頻率為 3000MHz，T300K時n2/n1為多少。(2)若原子躍遷時發(fā)光波長 1m，n2/n10.1時，則溫度T為多高？由熱平衡時的玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律：(/mnEEmmkTnnngeng

9、）13001038. 11031063. 6exp2393412kThenn則： KTTennkTh3623834121026. 61 . 01011038. 11031063. 6exp 3 3、習題分析、習題分析第一章：4、普通光源發(fā)射 0.6000m波長時，如受激輻射與自發(fā)輻射光功率體密度光功率體密度之比 ，q激/q自 = 1/2000（1）求此時單色能量密度 為多少？（2）在HeNe激光器中若 ， 波長為0.6328m，設(shè) 1，求 q激/q自 多少？3173436333/10857. 31063. 68)106 . 0(2000188msJhhcqq自激943436333106 . 7

10、1051063. 68)106328. 0(88hhcqq自激34/100 .5msJ 3 3、習題分析、習題分析第一章：6試證單色能量密度公式，用波長表示為5811hckThce已知：11833kThech根據(jù)單色能量密度定義：dVddw11811852322kThkThehccehccdVddw已知：dcdc2,輻射場中單位體積內(nèi)，輻射場中單位體積內(nèi)，在波長在波長 附近單位波長附近單位波長間隔中的輻射能量間隔中的輻射能量普朗克黑體輻射的單色輻射能量密度公式3 3、習題分析、習題分析第一章：6試證明：自發(fā)輻射的平均壽命 ， A21 為自發(fā)輻射系數(shù)。211A證明：已知自發(fā)輻射時在上能級上的粒子

11、數(shù)變化規(guī)律如下：tAentn21202)(自發(fā)輻射的平均壽命可定義為： dtdttdntn0220*1為t 時刻躍遷的原子在上能級上停留的總時間，因此上述積分為所有原子在激發(fā)態(tài)能級停留總時間，再按照激發(fā)態(tài)能級上原子總數(shù)平均，就得到自發(fā)輻射的平均壽命。2101*212021AdtetnAtA3 3、習題分析、習題分析第二章2. He-Ne激光器中，Ne原子數(shù)密度n0n1+n2l 012 cm-3，1/f()15109 s-1，0.6328m， t 自發(fā)= A21-1 10-17s，g23，g15， ,又知E2、E1能級數(shù)密度之比為4，求此介質(zhì)的增益系數(shù)增益系數(shù)G值。111122112111123

12、12210103141081021410nggnnnnEEcmnnn比能級數(shù)密度之比為和332121333332121888hcABchchBA愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系192617112212172. 0105 . 118)106328. 0(1010314)(8)()(cmfAnfhcnBG3 3、習題分析、習題分析第二章3、(a)要制作一個腔長L60cm的對稱對稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？(b)穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑R14L，求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。因為是對稱穩(wěn)定腔：RRR21穩(wěn)定條件：cmRRLRL301)1)(1 (0已知：LRLRRLRLRL31)1 (4301

13、)1)(1 (022221或R14L3 3、習題分析、習題分析第二章6、推導均勻增寬型均勻增寬型介質(zhì)，在光強I，頻率為的光波作用下，增益系數(shù)的表達式220002)2)(1 ()()()2()(sIIGG220022000)2)(1 ()()()2()()()(1 )()(ssIIGffIIGG已知：)()(2)2()(12)()()(2)()( )()( )(0022000000002100002100GGffGffhcBnGfhcBnG 依據(jù)上面兩式可得220002)2)(1 ()()()2()(sIIGG3 3、習題分析、習題分析第二章10. 實驗測得He-Ne激光器以波長 0.6328m

14、工作時的小訊號增益系數(shù)為G03104/d(cm-1)，d為腔內(nèi)毛細管內(nèi)徑(cm)。以非均勻增寬非均勻增寬計算腔內(nèi)光強I50Wcm2的增益系數(shù)G(設(shè)飽和光強Is30Wcm2時，d1mm)，并并問這時為保持振蕩穩(wěn)定，兩反射鏡的反射率問這時為保持振蕩穩(wěn)定，兩反射鏡的反射率(設(shè)設(shè)r1r2，腔長，腔長0.1m)最小為多最小為多少少(除透射損耗外，腔內(nèi)其它損耗的損耗率 9104cm-1)?又設(shè)光斑面積A0.11mm2，透射系數(shù) 0.008，鏡面一端輸出，求這時輸出功率為多少毫瓦。13211421010837. 1)30501 (10103)1 ()()(cmIIDGsDD（1）（2）99. 0120)10

15、910837. 1exp(12)exp(43221rrLaGrrK內(nèi)（3）mWIAP44. 010501011. 0008. 0320穩(wěn)定振蕩條件：雙程放大倍數(shù)大于13 3、習題分析、習題分析第三章HeNe激光器的中心頻率 4.741014Hz，熒光線寬 1.5l09Hz。今腔長Ll m，問可能輸出的縱模數(shù)為多少？為獲得單縱模輸出，腔長最長為多少？HzLcq88105 . 1112103210105 . 1105 . 189qn即可能輸出的縱模數(shù)為10個，要想獲得單縱模輸出，則：mcLLcq2 . 0105 . 1103298故腔長最長不得大于 0.2m縱模頻率間隔要大于1/2的熒光線寬。3

16、3、習題分析、習題分析第三章8、試討論非共焦腔諧振頻率的簡并性、縱模間隔及橫模間隔，并與共焦腔進行比較。211cos112ggnmqLcmnq（1）非共焦腔的諧振頻率表達式：簡并性：對于縱模來說非共焦腔的諧振頻率一般不具有簡并性，當 才出現(xiàn)縱模的簡并；如果縱模序數(shù)一定，不同的橫?？梢源嬖谝欢ǖ暮啿ⅲ灰猰n不變，諧振頻率就相同。)(cos211為整數(shù)kkgg3 3、習題分析、習題分析第四章1腔長30 cm的氦氖激光器熒光線寬為1500MHz，可能出現(xiàn)三個縱橫。用三反射鏡法選取單縱模，問短耦合腔腔長( L2+L3)應(yīng)為多少。短腔的頻率間隔：LLLc2103)(2832短要實現(xiàn)單縱模振蕩：2105 . 129熒光短mLLL2 . 02105 . 1329短3 3、習題分析、習題分析第四章8有一多縱模激光器縱模數(shù)是1000個，腔長為1.5m，輸出的平均功率為1W，認為各縱模振幅相等。（1）試求在鎖模情況下，光脈沖的周期、寬度和峰值功率各是多少？（2）采用聲光損耗調(diào)制元件鎖模時，調(diào)制器上加電壓 。試問電壓的頻率f為多大？0cos2uVftscLT88101035 . 122（1）周期：寬度：sNT128100 . 51100021012峰值功率：wINI6202100 . 412001) 12(（2）調(diào)制頻率等于光脈沖頻率：HzLcf8