西南科技大學(xué) 激光原理重點(diǎn)

1、1. 開(kāi)放式光學(xué)諧振腔損耗種類(lèi)描述：（1）.幾何損耗：不平行于光軸的光線在某些幾何結(jié)構(gòu)腔的腔內(nèi)經(jīng)有限次往返傳播后，有肯能從腔的側(cè)面偏折出去，即使平行于光軸的光線仍然也存在有偏折出腔外的可能。其大小首先取決于腔的類(lèi)型和幾何尺寸。其次，幾何損耗的高低依橫膜階次的不同而異。（2）.衍射損耗：由于反射鏡幾何尺寸有限，因而光波在腔內(nèi)往返傳播時(shí)必然因腔鏡邊緣的衍射效應(yīng)而產(chǎn)生損耗。當(dāng)在腔內(nèi)插入其他光學(xué)元件，還應(yīng)考慮其邊緣或孔徑的引起的損耗。（3）.腔鏡反射不完全引起的損耗：包括鏡中的吸收、散射以及鏡的透射損耗。（4）.非激活吸收散射等其他損耗：因?yàn)榧す馔ㄟ^(guò)腔內(nèi)光學(xué)元件和反射鏡發(fā)生非激活吸收、散射等引起。前兩

2、種損耗常稱(chēng)為選擇性損耗，它隨不同橫膜而異。后兩種損耗稱(chēng)為非選擇性損耗，與光波的模式無(wú)關(guān)。2. 傳輸矩陣對(duì)諧振腔穩(wěn)定區(qū)域的判定：按照光線傳播通過(guò)的光學(xué)器件和空間將諧振腔從左至右相乘：=可得A B C D,穩(wěn)定性條件為：-1<1/2（A+D）<1將矩陣帶入，可得： 0<(1-L/R1)(1-L/R2)<13. 傳輸矩陣計(jì)算： 取某一光學(xué)元件傳輸矩陣為M=，則一束初始坐標(biāo)為x1,方向1的光束通過(guò)該光學(xué)元件后的坐標(biāo)參數(shù)與方向：= =M（L）4. 高斯光束q因子用法及計(jì)算公式：光束在諧振腔中循環(huán)一周的變換矩陣ABCD為：=設(shè)高斯光束從腔內(nèi)某一參考面P出發(fā)時(shí)復(fù)參數(shù)為q，在腔內(nèi)往返一

3、周后其復(fù)參數(shù)的q則按復(fù)參數(shù)傳輸?shù)腁BCD定律式可得：q=Aq+B/Cq+D根據(jù)高斯光束在腔內(nèi)形成自再現(xiàn)模的條件為：q=qq=Aq+B/Cq+D對(duì)q求解：1/q=1/R-i(/2 )?？傻酶咚鼓ぴ趨⒖济嫔系那拾霃絉和光斑半徑為：R=2B/D-A2 =（/）（2B/4-(A+D)2）同時(shí)可得束腰到參看面的距離z與腰斑半徑0 z=R/1+(R2)2 =B(D-A)/2(1-AD)02 =21+（2R）2=B4-（A+D）22（1-AD）模式匹配：將前后兩個(gè)諧振腔的本征模式匹配，避免發(fā)生模的交叉激發(fā)作用而使損耗增加，激發(fā)起系統(tǒng)的多模。5.譜線加寬的定義，種類(lèi)及線性函數(shù)： 定義：介質(zhì)自發(fā)輻射光譜中每一

4、條譜線是在其對(duì)應(yīng)的原子能級(jí)間躍遷的波爾頻率附近呈現(xiàn)出某種頻率分布。自發(fā)輻射的這種特性通常稱(chēng)為光譜線的加寬。 線性函數(shù)：I0：自發(fā)輻射總功率 I（v）：頻率分布 I0=-I(v)dvg(v, v0)=I(v)/I0= A21 (v)/ A21A21(v)= A21g(v, v0)g(v, v0) 光譜線輪廓形狀 I（v）= I0g(v, v0),滿足的歸一化條件 -g(v,v0)dv1 ,可將線性函數(shù)理解為自發(fā)輻射躍遷幾率按照頻率v的分布函數(shù)。從E2至E1能級(jí)自發(fā)輻射躍遷總幾率為A21，其中分配在頻率v處的單位頻率間隔內(nèi)的躍遷幾率記為A21（v）。v0為光譜線中心的頻率，v為白極值點(diǎn)，看做光譜線

5、寬度，v/ v0是度量自發(fā)輻射場(chǎng)單色性的優(yōu)劣。自然加寬：躍遷幾率由原子字激發(fā)態(tài)的平均壽命決定，是原子本身的固有性質(zhì)。自然加寬可看做介質(zhì)中一個(gè)孤立，靜止的原子在自發(fā)輻射時(shí)所產(chǎn)生的光譜線加寬，是自發(fā)過(guò)程所固有的，其光譜線具有最小值。壽命加寬：原子處于激發(fā)態(tài)E2的壽命不僅取決于E2到E1間的輻射躍遷的純輻射壽命，還與其他的能量衰減過(guò)程有關(guān)。這種由能級(jí)總平均壽命所決定的光譜線加寬通常稱(chēng)為壽命加寬。線性函數(shù)和線寬取決于原子激發(fā)態(tài)的平均純輻射壽命或平均總壽命。碰撞加寬：輻射原子間，輻射原子與其他輔助氣體原子間的碰撞會(huì)導(dǎo)致發(fā)光過(guò)程中廣場(chǎng)的相位隨即調(diào)制的紊亂，導(dǎo)致引起輻射能量衰減率增大。碰撞改變了原子的能量狀

6、態(tài)，縮減了原子處于激發(fā)態(tài)的平均壽命。導(dǎo)致光譜線在自然加寬的基礎(chǔ)上進(jìn)一步被加寬。多普勒加寬：由光波的多普勒效應(yīng)引起的光譜線加寬。固體離子摻雜型激光介質(zhì)中的譜線加寬：發(fā)光的工作粒子以離子形式摻雜于晶體或玻璃基質(zhì)中，晶格場(chǎng)熱振動(dòng)所引起的頻率調(diào)制加寬和晶格隨機(jī)缺陷所引起加寬。液體激光介質(zhì)中譜線加寬機(jī)制：發(fā)光物質(zhì)以分子形式溶解于液體中，由于液體介質(zhì)具有流體性質(zhì)且較高密度，工作分子受其他離子碰撞幾率大，時(shí)間短，引起加寬。均勻加寬：自然加寬、碰撞加寬、壓力加寬、熱聲子加寬（引起譜線加寬物理因素，對(duì)介質(zhì)中每個(gè)粒子相同。）非均勻加寬：多普勒加寬、晶格隨機(jī)缺陷加寬（對(duì)每個(gè)粒子影響和貢獻(xiàn)度不同）差別：（1）.從譜線

7、加寬角度，均勻加寬譜線介質(zhì)中各粒子間不可區(qū)分。非均勻加寬粒子可區(qū)分。（2）.均勻加寬譜線每個(gè)發(fā)光粒子對(duì)介質(zhì)整體譜線內(nèi)任一頻率貢獻(xiàn)相同。非均勻加寬譜線中某類(lèi)發(fā)光粒子只對(duì)某一特定頻率有貢獻(xiàn)。（3）.均勻加寬譜線整個(gè)介質(zhì)線性和線寬與任一單個(gè)粒子相同，非均勻加寬某類(lèi)粒子譜線加寬型與線寬不等于所有粒子集合。（4）.當(dāng)某一頻率準(zhǔn)色光與介質(zhì)互相作用， 均勻加寬介質(zhì)中每個(gè)工作粒子有相同受激躍遷和極化強(qiáng)度。非均勻加寬介質(zhì)入射場(chǎng)僅與介質(zhì)中表觀中心頻率與其頻率相應(yīng)的某類(lèi)粒子發(fā)生共振并引起受激躍遷。7.調(diào)Q的原理過(guò)程方法： 調(diào)Q是采用一定的技術(shù)和裝置來(lái)控制激光器諧振腔的Q值按一定的程序和規(guī)律變化，從而達(dá)到改善激光脈沖

8、的功率和時(shí)間特性的目的。 調(diào)Q通常都是對(duì)諧振腔的損耗的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)泵浦激勵(lì)剛開(kāi)始時(shí)，激光器處于高損耗低Q值的狀態(tài)，此時(shí)激光器具有高的閥值。在泵浦激勵(lì)下，此時(shí)介質(zhì)中的原子集居數(shù)反轉(zhuǎn)及腔內(nèi)儲(chǔ)能隨時(shí)間增大并提高到某個(gè)較通常激光器大得多的水平上，但由于高的震蕩閥值而不能產(chǎn)生激光震蕩。當(dāng)泵浦結(jié)晶終了，介質(zhì)中的原子集居數(shù)反轉(zhuǎn)已達(dá)到最大時(shí)，突然降低諧振腔的損耗到正常值，使激光器處于低損耗高Q狀態(tài)，激光器的震蕩閥值亦降低到正常水平。由于此時(shí)激光介質(zhì)中的集居數(shù)反轉(zhuǎn)遠(yuǎn)大于閥值，激光震蕩迅速形成，腔內(nèi)光子數(shù)從最初自大輻射噪聲水平立即以非?？斓乃俾试鲩L(zhǎng)并形成一個(gè)巨脈沖激光震蕩。激光震蕩的迅速增大致使在一個(gè)很短的時(shí)

9、間內(nèi)就消耗掉反轉(zhuǎn)原子，介質(zhì)的增益便迅速下降當(dāng)達(dá)到新的腔損耗值時(shí)，激光震蕩模的光子數(shù)達(dá)到極大值，繼而由于介質(zhì)增益的繼續(xù)飽和而使增益低于閥值，激光迅速熄滅。于是，在激光器中就形成了一個(gè)調(diào)Q激光巨脈沖輸出。Q=2v/d=諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存能量/沒(méi)震蕩周期損耗的能量調(diào)Q的方法：(主動(dòng)式調(diào)Q): 電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q。 (被動(dòng)式調(diào)Q開(kāi)關(guān))：染料調(diào)Q。8.激光鎖模按照調(diào)制的分類(lèi)，物理本質(zhì)，對(duì)模式的要求：按照其工作原理可以分成主動(dòng)鎖模，被動(dòng)鎖模，同步泵浦鎖模，注入鎖模，對(duì)撞鎖模及其組合方式。激光鎖模：由于不同振蕩模式皆由不同的自發(fā)輻射噪聲光子經(jīng)由介質(zhì)中受激輻射放大形成。因此各模式振幅、初始相位一般無(wú)確定關(guān)

10、系且不相干。經(jīng)對(duì)激光器進(jìn)步一壓縮獲得更小時(shí)間量級(jí)的激光脈沖。利用鎖模技術(shù)對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制使不同振蕩模式具有確定的相位關(guān)系，使振蕩模的頻率間隔保持一定，初始相位關(guān)系保持一定，諸多模相干疊加可得到超短脈沖。當(dāng)諸縱膜實(shí)現(xiàn)相位鎖定且振幅相等時(shí)，激光器將輸出周期性脈沖序列。物理本質(zhì)：將諧振腔的縱膜按縱膜間隔的頻率做幅度調(diào)制，以強(qiáng)制各縱膜間保持確定相位關(guān)系并是相鄰模間頻差相等。要求模式和其他模式保持固定相位。11.激光縱膜的計(jì)算方法：縱膜：波峰波谷數(shù)量 vq =vq+1-vq=C2nL橫膜（邊界條件+頻率分布）：橫截面花紋。12.說(shuō)明激光的基本特性？說(shuō)明描述激光的時(shí)間相干性的兩個(gè)物理量以及兩者之間相互關(guān)系

11、？（7分）答： 激光具有單色性好、方向性好、良好的相干特性以及亮度高的特性。（3分）描述激光時(shí)間相干性的物理參量為相干時(shí)間和相干長(zhǎng)度L，兩者之間的相互關(guān)系為，上式中c為光速。（4分）13.光與物質(zhì)存在那三種相互作用？ 激光放大主要利用其中那種相互作用？說(shuō)明在激光產(chǎn)生過(guò)程中，最初的激光信號(hào)來(lái)源是什么？（10分）答：光與物質(zhì)間相互作用為：自發(fā)輻射、受激發(fā)射和受激吸收。（3分）激光放大主要利用其中的受激發(fā)射（3分）。激光產(chǎn)生過(guò)程中，最初的激光信號(hào)是激光介質(zhì)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的熒光。激光介質(zhì)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的沿軸向傳播的熒光反復(fù)通過(guò)激光介質(zhì)，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，這些熒光不斷被放大，最后形成了激光發(fā)射。（4分）

12、14.說(shuō)明均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別？說(shuō)明為什么均勻增寬介質(zhì)內(nèi)存在模式競(jìng)爭(zhēng)？（10分）答：均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻(xiàn)， 所有原子對(duì)發(fā)射譜線上每一頻率的光波都有相同貢獻(xiàn)，所有原子的作用相同；非均勻增寬介質(zhì)發(fā)射的不同的光譜頻率對(duì)應(yīng)于不同的原子，不同的原子對(duì)中譜線中的不同頻率有貢獻(xiàn)，不同原子的作用不同的（5分）。均勻增寬激光介質(zhì)發(fā)射譜線為洛侖茲線型，中心頻率處譜線增益最大，該頻率處附近縱模優(yōu)先起振，由于均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻(xiàn)，中心頻率處縱模振蕩發(fā)射激光將引起激光上能級(jí)原子數(shù)下降，激光增益曲線形狀不變，但整體下降，當(dāng)中心頻率處縱模增益降低為激光振蕩閾值時(shí)，該處縱模穩(wěn)定輸出，其它頻率的縱模增益都小于閾值，無(wú)法振蕩。15. 說(shuō)明激光諧振腔損耗的主要來(lái)源？答：激光諧振腔損耗可以分為：1. 內(nèi)部損耗：來(lái)源為激光介質(zhì)不均勻所造成的散射以及激光介質(zhì)本身的吸收損耗(2分)；2