激光原理復(fù)習(xí)資料整理總結(jié)

第一章1900年，普朗克(M.Planck)提出輻射能量量子化假說，精確的解釋了黑體輻射規(guī)律。獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎。能量子概念:物質(zhì)吸收和發(fā)射電磁能量是一份一份的進(jìn)行的。1905年，愛因斯坦(A.Einstein)為解釋光電效應(yīng)定律提出光量子假說。獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。光量子:簡稱光子或者photon，即光場本身的能量就是一份一份的。光量子的概念（愛因斯坦）：光量子簡稱光子或者photon，即光場本身的能量就是一份一份的。愛因斯坦假設(shè)：光、原子、電子一樣具有粒子性，光是一種以光速c運(yùn)動的光子流，光量子假說成功地解釋了光電效應(yīng)。光子（電磁場量子)和其他基本粒子一樣，具有能量、動量和質(zhì)量等。粒子屬性:能量、動量、質(zhì)量；波動屬性:頻率、波矢、偏振光子既是粒子又是波，具有波粒二象性!屬性：①光子的能量：ε=hv，普朗克常數(shù)：②光子的運(yùn)動質(zhì)量m：m=③光子的動量P：P④光子的偏振態(tài)：光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對應(yīng)于光波場的兩個獨(dú)立偏振方向。⑤光子的自旋：光子具有自旋，并且自旋量子數(shù)為整數(shù)，處于同一狀態(tài)的光子數(shù)目是沒有限制的。光子相干性的重要結(jié)論：①相格空間體積以及一個光波模式或光子狀態(tài)占有的空間體積都等于相干體積屬于同一狀態(tài)的光子或同一模式的光波是相干的，不同狀態(tài)的光子或不同模式的光波是不相干的。光子簡并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱為光子簡并度。具有以下幾種相同的含義: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)。好的相干光源:高的相干光強(qiáng)，足夠大的相干面積，足夠長的相干時間(或相干長度)。1913年，玻爾(NielsBohr)建立氫原子結(jié)構(gòu)模型，成功解釋并預(yù)測了氫原子的光譜。獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎1946年，布洛赫(FelixBloch)提出粒子數(shù)反轉(zhuǎn)概念。1947年，蘭姆(WillisE.Lamb)和雷瑟福(R.C.Retherford)指出通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)受激輻射。1948年，柏塞爾(EdwardPurcell)在實(shí)驗上首次發(fā)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。1949年，卡斯特勒發(fā)明光泵。光泵:通過光照可使物質(zhì)內(nèi)的微觀粒子實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)1960年，梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明第一臺激光器——紅寶石激光器自發(fā)輻射（只取決于（粒子）原子本身的性質(zhì)，與輻射場無關(guān)）過程是雜亂無章的隨機(jī)過程，產(chǎn)生非相干光；受激輻射（只與原子（粒子）本身性質(zhì)有關(guān)）所產(chǎn)生的光即頻率、相位、偏振方向、傳播方向完全相同，并產(chǎn)生相干光；受激吸收（只與原子（粒子）本身性質(zhì)有關(guān)）。產(chǎn)生激光條件：①必要條件：光放大。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——需要泵浦源的抽運(yùn)（外因）；還需要具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作物質(zhì)也稱激光介質(zhì)（外因）；即內(nèi)有亞穩(wěn)態(tài)，外有激勵源。②充分條件：增益大于損耗。光學(xué)諧振腔的作用：①選擇激光模式，提高輸出激光的相干性。②提供軸向光波模式的正反饋，實(shí)現(xiàn)光的受激輻射放大。③選頻。諧振腔使具有一定頻率的光波產(chǎn)生振蕩，而抑制其它頻率的光波振蕩激光的特性：方向性好、單色性好、相干性好、高亮度。激光器的基本結(jié)構(gòu)：工作物質(zhì)、泵浦源、光學(xué)諧振腔。習(xí)題1：為使He-Ne激光器的相干長度達(dá)到1km，它的單色性?λ/λ0應(yīng)該是多少？（解：因為相干長度Lc単色性R=第二章開放式光學(xué)諧振腔腔的損耗主要包含：選擇損耗（幾何偏折損耗、衍射損耗）、非選擇損耗（腔鏡反射不完全引起衍射（包括吸收、散射、透射損耗等）、非激活介質(zhì)吸收、散射等損耗）。高斯光束q參數(shù)物理意義：同時反映光斑尺寸及波面曲率半徑隨z的變化。q參數(shù)表征高斯光束的優(yōu)點(diǎn)：將描述高斯光束的兩個參數(shù)w(z)和R(z)統(tǒng)一在一個參數(shù)中，便于研究高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)的傳輸規(guī)律。高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角θ0=2θ=22λπL=2λπf共軸球面腔的穩(wěn)定性條件：穩(wěn)定腔（常見的有對稱共焦腔：任意傍軸光線均可在腔內(nèi)往返無限多次而不逸出腔外）為0<g1非穩(wěn)腔為g1.g臨界腔（常見的有平行平面腔、共心腔）為g1.gη1η2η1習(xí)題1ηηηd證明：T1=100η1dT=T3T2T習(xí)題2：激光器的諧振腔由一面曲率半徑為1m的凸面鏡（取負(fù)值）和曲率半徑為2m的凹面鏡（取正值）組成，工作物質(zhì)長度0.5m,其折射率為1.52，求腔長L在什么范圍內(nèi)是穩(wěn)定腔。習(xí)題3：由凸凹球面鏡組成的球面腔，如果凸面鏡曲率半徑為2m，凹面鏡曲率半徑為3m，腔長為1m，腔內(nèi)介質(zhì)折射率為1,此球面腔是何種腔（穩(wěn)定腔、臨界腔、非穩(wěn)腔）？當(dāng)腔內(nèi)插入一塊長為0.5m，折射率為2的其他透明介質(zhì)時（介質(zhì)兩端面垂直于腔軸線），諧振腔為何種腔（穩(wěn)定腔、臨界腔、非穩(wěn)腔）？解：因為凸面鏡曲率半徑R1=2m，凹面鏡曲率半徑R2=3mg1=1-LR1=g1.g所以此球面腔為臨界腔當(dāng)腔內(nèi)插入一塊長l為0.5m，折射率n為2的其他透明介質(zhì)時又當(dāng)工作物質(zhì)長度l小于腔長L時，則L'g1=g1.因為0<g1.g例題：某激光器諧振腔腔長為45cm，激光介質(zhì)長度為30cm,折射率為1.5，反射鏡的反射率分別為1和0.98，其他往返損耗率為0.02，求此腔長的平均單程損耗率和無源腔的壽命？解：L輸出鏡的透過率T=1-0.98=0.02,則單程透射損耗因子近似0.01則總的平均單程損耗率δ=δ1+δ2+δ3+…=0.01+0.01=0.02腔的壽命τ例題：現(xiàn)有一平凹腔，R1=∞，R2=5m，L=1m，證明此腔是穩(wěn)定腔，并指出它解：g1=0<g1所以此腔是穩(wěn)定腔，位置在（1,0.8）。第三章譜線加寬的定義：由于各種因素的影響（發(fā)光粒子處在上能級的壽命是有限的），自發(fā)輻射并不是單色的，即光譜不是單一頻率的光波，而包含有一個頻率范圍，稱為譜線加寬。均勻加寬的含義、定義、分類：引起譜線加寬的物理因素對每個原子都是等同的，則這種加寬稱為均勻加寬。每個發(fā)光原子的自發(fā)輻射光子頻率在整個頻帶內(nèi)的概率是相同的，不能把線型函數(shù)上的某一特定頻率和某些原子聯(lián)系起來，即每一個發(fā)光原子對光譜線內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)。均勻加寬包括自然加寬、碰撞加寬（氣體）以及晶格振動加寬：溫度越高，振動越劇烈，譜線越寬。（固體）。非均勻加寬的定義、含義、分類：引起譜線加寬的物理因素不是對每一個原子都等同，原子系統(tǒng)中不同原子對譜線的不同頻率的部分有貢獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上某一頻率范圍是哪一部分原子發(fā)射的，則這種加寬機(jī)制統(tǒng)稱為非均勻加寬。氣體工作物質(zhì)中的多普勒加寬和固體工作物質(zhì)中的晶格缺陷加寬均屬于非均勻加寬類型。①E3,n3三能級系統(tǒng)及速率方程組（激光下能級E1E3,n3S21W21A21S32W12A31S31W13 dn3S21W21A21S32W12A31S31W13E2,nE2,n2E1,nE1,n1dE3,n3②四能級系統(tǒng)及速率方程組（激光下能級E1，基態(tài)能級E3,n3S32dn3dt=nS32E2,n2dn2dt=n3S32+n1W12E2,n2S10W03S30A30W12S21A21W21E1,nE1,n1n=nE0,nE0,n0第四章均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光為單縱模輸出，并且單縱模的頻率中是在譜線中心頻率附近。弛豫振蕩：一般固體脈沖激光器所輸出的并不是一個平滑的光脈沖，而是一群寬度只有微秒量級的短脈沖序列，即所謂‘尖蜂”序列。激勵越強(qiáng)，則短脈沖之間的時間間隔越小。人們把上述現(xiàn)象稱作弛豫振蕩效應(yīng)或尖峰振蕩效應(yīng)。極限線寬：這種線寬山自發(fā)輻射產(chǎn)生的無法排除稱為極限線寬。實(shí)際激光器中由于各種不穩(wěn)定因素，縱橫頻率本身的漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極限線寬。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,這種現(xiàn)象叫做頻率牽引。閾值條件：①閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)；②閾值增益系數(shù)：Gt閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)?n0≥?n第六章調(diào)Q基本工作原理：當(dāng)激光上能級積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不多時，人為地控制激光器閾值，使其很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生。在這種情況下，由于光束的激勵,激光上能級將不斷地積累粒子數(shù)。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大數(shù)量時，突然降低激光器的閾值。此時亞穩(wěn)態(tài)上的粒子的能量很快轉(zhuǎn)換為光子能力，光子像雪崩一樣以極高的速率增長，輸出峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。調(diào)Q對激光器的要求：①工作物質(zhì)上能級必須有較長的上能級壽命：自發(fā)輻射消耗上能級粒子數(shù)速率和泵浦速率達(dá)到平衡時，上能級達(dá)到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，此時Wp(泵浦速率)=n2τ2②光泵的泵浦速率必須大于激光上能級的自發(fā)輻射速率：即泵浦的持續(xù)時間（波形的半寬度）必須小于激光介質(zhì)的上能級壽命，否則，不能實(shí)現(xiàn)足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。③諧振腔的Q值改變要快（最好是突變)：如果Q開關(guān)時間太慢，會使脈沖變寬，甚至?xí)l(fā)生多脈沖現(xiàn)象。④激光工作物質(zhì)必須具有高抗損傷閾值：由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲在激光工作物質(zhì)的高能態(tài)上，然后集中在一個極短的時間內(nèi)釋放出來，因此，要求激光工作物質(zhì)必須能在強(qiáng)泵浦下工作，即抗光損傷閾值要求高。①電光調(diào)Q：反射、透射損耗；②聲光調(diào)Q：衍射損耗；③被動調(diào)Q：吸收損耗。電光調(diào)Q方法：①退壓式λ2波片時過程：激光工作物質(zhì)在泵浦光激勵發(fā)射自然光（無規(guī)偏光），通過偏振器P1在未加Uλ/2電壓/電光Q開關(guān)“打開”時，光沿著軸線方向（z軸）通過晶體，其偏振狀態(tài)沒有發(fā)生變化，且平行于偏振器P2的通光方向，并通過偏振器P2在施加半波電壓Uλ/2/電光Q開關(guān)“關(guān)閉”時，由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿y軸方向的線偏振光通過電光晶體后，出射光沿x軸方向的線偏振光，垂直于偏振片P2的通光方向，且不能通過偏振片P2②退壓式λ4波片時在未加λ/4電壓/電光Q開關(guān)“打開”時，通過偏振片后y軸方向的線偏振光通過晶體后偏振態(tài)不發(fā)生變化，經(jīng)全反鏡反射后，偏振態(tài)再次無變化地通過電光晶體和偏振片，電光Q開關(guān)處于“打開”狀態(tài)。在施加λ/4電壓/電光Q開關(guān)“關(guān)閉”時,由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿y方向的線偏振光通過晶體后，兩分量之間產(chǎn)生π/2的相位差，出射光合成圓偏振光，經(jīng)全反鏡反射回來后，再次通過電光晶體，兩分量之間又產(chǎn)生π/2的相位差，兩分量之間產(chǎn)生了π的相位差，合成后得到沿x方向的線偏振光，相當(dāng)于其偏振面相對于入射光旋轉(zhuǎn)了π/2，因此不能通過偏振片，此時，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。③加壓式λ2波片時過程：加壓式的偏振片P1的通光方向平行于電光晶體的y軸，偏振片P2的通光方向平行于電光晶體的x軸，且P1垂直于P2在未加λ/2電壓/電光Q開關(guān)“關(guān)閉”時，光沿著軸線方向（z軸）通過晶體，其偏振態(tài)不發(fā)生變化，且垂直于偏振片P2的通光方向，則不能通過偏振片P2，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。在施加半波電壓Uλ/2/電光Q開關(guān)“打開”時，由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿著y軸方向的線偏振光通過電光晶體后，出射光為沿著x方向的線偏振光，平行于偏振片P2的通光方向，并通過偏振片P2，④加壓式λ4波片時過程：在電光晶體未加λ/4電壓/電光Q開關(guān)“關(guān)閉”時，通過偏振片后沿y方向的偏振光經(jīng)過電光晶體不產(chǎn)生相位差，但是經(jīng)過λ/4波片后產(chǎn)生π/2的相位差，經(jīng)全反經(jīng)反射后，再次通過λ/4波片后又產(chǎn)生π在電光晶體施加λ/4電壓/電光Q開關(guān)“打開”時，經(jīng)過偏振片沿y方向偏振光分別通過電光晶體和λ/4波片兩次，則電光晶體產(chǎn)生的相位差和λ/4波片產(chǎn)生的相位差相互疊加，使總的相位差為2π或零，光波可以通過偏振片，此時，聲光調(diào)Q的基本原理：以聲光相互作用原理為基礎(chǔ)。聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，使介質(zhì)變成正弦相位光柵，當(dāng)光通過這樣的介質(zhì)時，發(fā)生衍射。聲光調(diào)制器采用兩種衍射方式，喇曼奈斯衍射和布拉格衍射。聲光Q開關(guān)考慮效率問題只采用布拉格衍射。喇曼奈斯衍射產(chǎn)生多級衍射光，各級光的衍射效率比較低，不易實(shí)現(xiàn)調(diào)Q。（目前也有這種衍射的O開關(guān)）。聲光調(diào)Q的工作原理：①當(dāng)加上超聲波時，光束按照布拉格條件決定的方向偏折出諧振腔，此時腔的損耗嚴(yán)重，Q值很低，不能形成激光振蕩，在這一階段，增益介質(zhì)在泵浦源作用下，上能級粒子數(shù)大量積累，一定時間后。②去掉超聲場，光束順利的通過均勻的聲光介質(zhì)，不發(fā)生偏折，使得腔內(nèi)Q值升高，從而得到一個強(qiáng)的激光脈沖輸出。聲光調(diào)制（Q開關(guān)）器件的結(jié)構(gòu)：聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲材料和驅(qū)動電源。電光調(diào)Q和聲光調(diào)Q都是主動式調(diào)Q，即人為的利用某些物理效應(yīng)來控制激光諧振腔的損耗，從而達(dá)到Q值得突變；而被動式調(diào)Q方式，是利用某些可飽和吸收體本身特性來改變激光諧振腔的損耗，達(dá)到調(diào)Q目的。被動調(diào)Q原理：可飽和吸收體是一種非線性吸收介質(zhì),即其吸收系數(shù)并不是常數(shù),在較強(qiáng)激光的作用下,其吸收系數(shù)隨著光強(qiáng)的增加而減小直至飽和。當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時.可飽和吸收體對光呈現(xiàn)概率透明的特性,利用可飽和吸收特性可以實(shí)現(xiàn)諧振Q值的調(diào)節(jié)，得到調(diào)Q脈沖。第八章鎖模技術(shù)是獲得超短脈沖的一種常用技術(shù)。超短脈沖的特性：①時間分辨率高；②空間分辨率高；③帶寬寬；④峰值功率高。鎖模的基本原理：鎖模技術(shù)讓諧振腔中可能存在的各個縱模同步振蕩，讓各振蕩模的頻率間隔保持相等并使各模的初位相保持為常數(shù)，使激光器輸出在時間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。主動鎖模：在諧振腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，其調(diào)制頻率等于腔內(nèi)縱模間隔，得到重復(fù)頻率為C2L'的鎖模脈沖序列。根據(jù)調(diào)制原理可分：振幅小測試題與普通光源相比，以下哪項是激光的優(yōu)勢。()A相干性好B發(fā)散角小C譜線窄D以上都是光子簡并度的含義表述錯誤的是哪一個（）A同態(tài)光子數(shù)B同一模式內(nèi)的光子數(shù)C處于同一空間體積內(nèi)的光子數(shù)D處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)要產(chǎn)生激光，下列哪個條件不是必須具備。()A實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)B受激輻射躍遷C具有增益介質(zhì)D自發(fā)輻射躍遷在有源諧振腔中，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，這種現(xiàn)象叫做()。A頻率吸引效應(yīng)B頻率牽引效應(yīng)C頻率推斥效應(yīng)D頻率抑制效應(yīng)在諧振腔中插入一薄層飽和吸收體（如染料盒）可構(gòu)成()。A聲光調(diào)Q激光器B主動鎖模激光器C染