激光器件復(fù)習(xí)資料

1、第一章 氣體激光器1. 氣體激光器的分類原子氣體激光器（惰性氣體，原子蒸氣）分子氣體激光器（氣體分子激光器，準(zhǔn)分子激光器，汞化物分子激光器）離子氣體激光器（惰性氣體，金屬蒸氣離子）2. 氣體激光器的激勵方式電激勵（氣體放電和電子束激勵）熱激勵（高溫加熱方式，氣動CO2激光器）化學(xué)能激勵（化學(xué)反應(yīng)釋放能量）光激勵（近、中、遠(yuǎn)紅外波長）核能激勵（放射線、高能粒子和裂變碎片）3. 氣體放電粒子種類（1）中性氣體粒子（2）帶電粒子（3）受激粒子和光子4. 碰撞種類彈性碰撞，非彈性碰撞5. 激發(fā)與電離當(dāng)中性氣體粒子與其他粒子發(fā)生碰撞時，原子中的價電子容易吸收外來粒子的能級，從其原來的能級躍遷到較高的能級

2、上去，我們稱這個原子被激發(fā)，即受激原子。如果原子中一個或幾個電子因碰撞吸收能量而脫離了原子變成自由電子，使原子成為帶正電荷的離子，這種過程成為電離。氣體激光器中，電離是維持放電平衡的必要條件，激發(fā)是實現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)的必要條件。6. 氣體放電粒子碰撞與激發(fā)第一類非彈性碰撞：電子與粒子碰撞第二類非彈性碰撞：1.共振激光能量轉(zhuǎn)移2. 電荷轉(zhuǎn)移3. 潘寧電離第二章He-Ne氣體激光器1. 氦氖激光器的基本結(jié)構(gòu)及種類按照腔鏡的構(gòu)成方式可分為內(nèi)腔式，外腔式，半內(nèi)腔式，旁軸式，單毛細(xì)管式2. He、Ne原子的能級圖氦氖激光器之所以采用毛細(xì)管結(jié)構(gòu)是由氖原子的能級結(jié)構(gòu)決定的。同時氦原子的能級結(jié)構(gòu)決定了氦氖激光器的

3、工作原理，工作特性以及輸出特性HeNe激光器的工作物質(zhì)是Ne原子He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率Ne原子三條最強(qiáng)的躍遷譜線：632.8nm 3S22P43.39m 3S23P41.15m 2S22P4是典型的四能級系統(tǒng)3. 激發(fā)過程(3)串級躍遷Ne原子與電子碰撞被激發(fā)到更高的能態(tài)，而后再躍遷至2S和3S能態(tài)4. Ne原子激光下能級的弛豫根據(jù)躍遷選擇定則,位于激光下能級3P4, 2P4及1S能級的粒子向基態(tài)的躍遷是禁戒的.即位于上述能級的粒子不能通過輻射過程而返回基態(tài)1S能級由四個能級組成，兩個亞穩(wěn)態(tài)能級，兩個諧振能級，由于躍遷選擇原則限制，會導(dǎo)致低能級粒子數(shù)出現(xiàn)阻塞的現(xiàn)象，如果不立

4、即排空1S能級，這些原子就會被小能量的電子碰撞或捕獲光子而重新回到激光下能級2P和3P，這樣就降低了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的絕對值，使增益減小。把這種低能級粒子數(shù)出現(xiàn)阻塞的現(xiàn)象稱為瓶頸效應(yīng)只能通過擴(kuò)散至管壁與管壁碰撞交換能量返回基態(tài).我們稱其為“管壁效應(yīng)”5. 增益飽和氦氖激光器的譜線加寬屬于綜合加寬，有多普勒非均勻加寬和碰撞均勻加寬構(gòu)成多縱模振蕩增益飽和將呈現(xiàn)以下兩種情況：（1），相鄰的縱模燒孔不相重疊時，各縱模獨(dú)自飽和，不存在模式競爭，因此，輸出功率較?。?），即各縱模燒孔相互重疊時，增益曲線在閾值以上部分全部被燒掉，因此整個綜合加寬曲線出現(xiàn)類似于綜合加寬譜線的增益飽和。6. 影響輸出功率的物理因

5、素(1) 放電條件的影響:要選擇最佳放電條件.(2) 毛細(xì)管尺寸的影響: 2方面<長度l ,內(nèi)徑d>毛細(xì)管內(nèi)徑d過小,有利于提高Gm.但d太小時, Gm反而下降.主要原因是:當(dāng)長度l一定時, d小則總粒子數(shù)減少,且諧振腔易失調(diào)(3) 選擇最佳透過率(4) 減小腔內(nèi)損耗(5) 譜線競爭抑制3.39 um譜線振蕩(6) 使用同位素He-3:7. 氦氖激光器的偏振特性外腔式和半內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)中，由于布儒斯特窗的存在，輸出的激光為理想的線偏振光內(nèi)腔式氦氖激光器輸出激光偏振特性表現(xiàn)為自然光的性質(zhì)。利用塞曼效應(yīng),磁場引起譜線分裂,分裂的大小與磁場強(qiáng)度成正比8. 激光的頻率特性選擇性諧振腔，腔內(nèi)放置

6、色散棱鏡，腔內(nèi)放置甲烷吸收盒，外加非均勻磁場9. 氦氖激光器的設(shè)計放電管內(nèi)徑和長度；諧振腔長度；反射鏡曲率半徑；輸出鏡透過率。第三章 CO2激光器1. 能級結(jié)構(gòu)CO2分子結(jié)構(gòu)決定了能級結(jié)構(gòu)，能級結(jié)構(gòu)的性質(zhì)決定了CO2分子激光器的結(jié)構(gòu)，工作性質(zhì)，工作特性和輸出特性運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)或脈沖2. CO2激光器激光上能級的激發(fā)3. CO2激光器激光下能級的弛豫4. CO2激光器的瓶頸效應(yīng)由于激光下能級1000和0200十分接近，兩個能級可看成一個混合態(tài)，并且這個混合態(tài)與基態(tài)之間的偶極躍遷是禁戒躍遷，壽命較長，因此混合態(tài)CO2分子只能通過與基態(tài)CO2分子和其他分子的過程弛豫到0110態(tài)，且這個過程是可逆的，

7、不能完全解決下能級的弛豫問題。因而0110在態(tài)上會出現(xiàn)CO2分子被堆積的現(xiàn)象，常稱這種低能級阻塞現(xiàn)象為瓶頸效應(yīng)。5. CO2分子激光器的結(jié)構(gòu)放點(diǎn)毛細(xì)管，諧振腔，電極，貯氣室，冷卻水套分為全內(nèi)腔式，半內(nèi)腔式，外腔式6. 輔助器體的作用氮?dú)饣蛞谎趸际荂O2分子激光器的主要的輔助氣體，其作用除增大CO2分子0001能級的激發(fā)速率外，還增加0110能級的弛豫速率，尤其是CO氣體的作用特別突出加入適量的氦氣會使輸出功率大大提高，其物理機(jī)制是：氦原子質(zhì)量輕，其導(dǎo)熱率比CO2和N2高一個數(shù)量級，氦的加入使氣體溫度下降，輸出功率提高；氦原子對下能級的弛豫速率比對上能及大，提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)絕對值。從而提高了輸

8、出功率；氦的電離電位較高，氦的加入使電子溫度提高，增加了對0001能級的激發(fā)，導(dǎo)致輸出功率增加7. 輸出功率影響因素氣體成分與氣壓、放電電流、溫度、毛細(xì)管尺寸（l、d）、諧振腔模體積8. 器件壽命影響封離型CO2激光器壽命,有個重要的因素是CO2分子在工作過程中發(fā)生離解9. TEACO2激光器為什么縱向封離型C02激光器的輸出功率對應(yīng)有最佳充氣總氣壓Popt，而TEACO2激光器的輸出功率卻在高氣壓下有顯著提高？答案：TEACO2激光器以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)?？v向封離型C02激光器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。第四章 固體激光器基本特性1. 固體激光器基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)，泵浦源，聚光腔，諧振腔，冷卻與濾光2. 能量轉(zhuǎn)換

9、效率發(fā)射光子的能量總小于吸收的能量，這種能量損失稱為斯托克斯損失泵浦光源的發(fā)光效率或電光轉(zhuǎn)換效率L，聚光腔的聚光效率C，激活離子的吸收效率ab3. 固體激光器的弛豫振蕩無論是脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)還是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器，最主要的動態(tài)特性是弛豫振蕩現(xiàn)象。泵浦光強(qiáng)越強(qiáng)，短脈沖間隔越小，短脈沖個數(shù)越多，但短脈沖包絡(luò)的峰值不會增加4. 固體激光器的閾值三能級三能級系統(tǒng)中，要達(dá)到閾值，必須將總激活粒子數(shù)一半以上的粒子泵浦到激光上能級四能級5. 影響閾值的因素工作物質(zhì)的種類§ 三能級閾值高于四能級閾值損耗系數(shù)§ 對三能級系統(tǒng)影響小§ 對四能級系統(tǒng)影響顯著。§ 質(zhì)量好的工作介質(zhì)和

10、精心調(diào)節(jié)諧振腔可減小Lcab§ 提高發(fā)光效率§ 提高聚光器效率§ 提高光譜匹配效率輸出鏡反射率R§ 增大R可減小閾值6.效率斜效率總效率7. 衡量光束質(zhì)量的方法遠(yuǎn)場發(fā)散角，激光光束遠(yuǎn)場發(fā)散角描述激光束發(fā)散程度，它與聚焦多少能量有關(guān)，應(yīng)用中常取作光束質(zhì)量評價參數(shù)。由于擴(kuò)束、聚焦可以改變值，因此還需要考慮在一定激光束寬條件下評判。斯特列爾（Strehl）比文獻(xiàn)中也常用斯特列爾比作為評價光束質(zhì)量參數(shù)。SR定義為：光束參數(shù)乘積雖然束寬和遠(yuǎn)場發(fā)散角都可以通過聚焦系統(tǒng)來改變，但是對于確定光束，其束腰寬度W0和遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積不變，稱為光束參數(shù)乘積（BP）8. 光譜特

11、性多縱模工作§ 駐波腔-空間燒空效應(yīng)§ 高增益§ 多模利用-充分利用了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，有利于鎖模高注入，高輸出伴隨激光線寬增加9. 激光的偏振特性偏振性主要取決于工作物質(zhì)各向同性介質(zhì)在應(yīng)力及熱效應(yīng)作用下導(dǎo)致應(yīng)力雙折射，激光輸出具有部分偏振特性。在諧振腔中有偏振元件，激光輸出也會具有偏振性第五章 固體工作物質(zhì)1. 固體激光器對基質(zhì)材料的要求(1) 必須具有良好的光學(xué)性質(zhì)(2) 必須具有良好的機(jī)械和熱性質(zhì)(3) 必須具有接受摻雜離子的位置，激活離子能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度摻雜，且熒光壽命長(4) 必須有足夠大的尺寸和良好的光學(xué)均勻性，能夠規(guī)模生長，以便有高的光學(xué)質(zhì)量和生產(chǎn)率2. 基

12、質(zhì)材料的種類主要有晶體，玻璃和激光陶瓷玻璃的離子譜線是非均勻加寬 ，晶體中的離子譜線是均勻加寬3. 固體激光器對激活離子的要求(1) 具有三能級或四能級(2) 具有寬的吸收帶，大的吸收系數(shù)和吸收截面，以利于儲能(3) 摻入的激活離子具有有效的發(fā)射光譜和大的發(fā)射截面(4) 在泵浦光的光譜區(qū)和振蕩波長處高度透明(5) 在激光波長范圍內(nèi)的吸收，散射等損耗小，損傷閾值高(6) 激活離子能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度摻雜，且熒光壽命長4. 激活離子的種類過渡元素，鑭系，錒系5. 紅寶石三能級，輸出波長：694.3nm，692.9nm偏振輸出，閃光燈泵浦，脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)6. Nd:YAG準(zhǔn)三能級，最強(qiáng)的1.06m的能級結(jié)構(gòu)為四

13、能級結(jié)構(gòu)，最弱的1.35m的能級結(jié)構(gòu)為三能級結(jié)構(gòu)輸出波長：1.06m，1.319m，0.946m連續(xù)，脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，可閃光燈泵浦也可二極管泵浦7. 釹玻璃在1.06m附近的激光運(yùn)轉(zhuǎn)具有典型的四能級輸出波長: 0.92m，1.06m，1.37m脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)8. 激光陶瓷相對于單晶和玻璃，透明陶瓷具有以下優(yōu)勢：可以摻雜高濃度的激活離子，而且摻雜均勻；制造周期短，成本低，可以大批量生產(chǎn)；可以制造大尺寸，形狀復(fù)雜的材料；可以制造多層多功能陶瓷材料第六章 固體激光器的泵浦系統(tǒng)1. 選擇泵浦系統(tǒng)的原則是什么？固體激光器大多采用光泵浦實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。泵浦光源的發(fā)射光譜必須與激光工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配，并盡可能

14、地集中到激光工作物質(zhì)內(nèi)部2. 泵浦源的分類惰性氣體放電燈，金屬蒸氣放電燈，白熾燈，激光二極管，激光和太陽能惰性氣體燈分為脈沖氙燈：工作與較高電流密度下，以連續(xù)光 脈沖氙燈：工作與較高電流密度下，以連續(xù)光譜為主。連續(xù)氪燈：電流密度較低，以線狀光譜為主。3. 惰性氣體燈的輸出光譜氣體燈的光輻射由強(qiáng)烈加寬的線狀光譜和連續(xù)譜疊加而成。線狀光譜對應(yīng)于受激原子或離子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)的輻射躍遷。高溫下的碰撞，使特征譜線強(qiáng)烈加寬。連續(xù)譜對應(yīng)于自由電子和正離子的空間復(fù)合及電子、離子碰撞而產(chǎn)生的韌致輻射。4. 激光二極管同質(zhì)結(jié)，單異質(zhì)結(jié)，雙異質(zhì)結(jié)，量子阱，多量子阱，量子級聯(lián)5. 激光二極管輸出特性LD及其陣列發(fā)光元

15、的輸出為橢圓高斯光斑，有快軸發(fā)散角30o-450，慢軸發(fā)散角5o-8o一般使用柱狀透鏡進(jìn)行象散的矯正功率效率表征激光器將輸入的電能（或電功率）轉(zhuǎn)換為輸出激光器能量(或光功率）的效率，也成為總效率，定義為量子效率表征激光器有源區(qū)注入的電子-空穴對數(shù)轉(zhuǎn)換為有源區(qū)內(nèi)輻射的光子數(shù)的效率，成為內(nèi)量子效率。表征激光器有源區(qū)注入的電子-空穴對數(shù)轉(zhuǎn)換為輸出光子數(shù)的效率，成為外量子效率6. 泵浦方式端面泵浦 側(cè)面泵浦和復(fù)合式泵浦端面泵浦的泵浦光束與激光光束方向相同或共軸,所以也稱為軸向泵浦或縱向泵浦;側(cè)面泵浦的泵浦光束與激光光束方向垂直,也成為橫向泵浦;還有一些泵浦方式他們既有端面泵浦的特點(diǎn)也兼顧了側(cè)面泵浦的優(yōu)

16、勢我們將其歸于復(fù) 浦方式,他們既有端面泵浦的特點(diǎn),也兼顧了側(cè)面泵浦的優(yōu)勢,我們將其歸于復(fù)合式泵浦,其中最典型的是折疊腔泵浦方式7. 端面泵浦端面泵浦的泵浦光束與激光光束方向相同或共軸,所以也稱為軸向泵浦或縱向泵浦8. 側(cè)面泵浦側(cè)面泵浦就是將激光二極管及其陣列放置在增益介質(zhì)的側(cè)面，讓泵浦光束從腔的側(cè)面注入，與激光模體積重合。第七章 固體激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)1. 燈泵固體激光器工作物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生熱的主要因素(1) 除與工作物質(zhì)吸收譜帶相匹配的波段以外的泵浦光能，尤其是紫外和紅外波段的光能被基質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化為熱能(2) 激光材料泵浦帶與激光上能級間的能量差，將以非輻射躍遷形式轉(zhuǎn)移給基質(zhì)材料，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?3

17、) 工作物質(zhì)內(nèi)部損耗產(chǎn)生熱能2. 連續(xù)激光器與脈沖激光器產(chǎn)生熱效應(yīng)的不同對于連續(xù)工作方式，當(dāng)加熱與冷卻平衡后，工作物質(zhì)表面具有恒定溫度，而內(nèi)部沿徑向產(chǎn)生一定的溫度梯度分布，導(dǎo)致熱應(yīng)力沿徑向變化。對于脈沖工作方式，主要研究泵浦時間內(nèi)的熱效應(yīng)。單次脈沖器件工作物質(zhì)的光學(xué)畸變主要是由泵浦光場的不均勻分布與工作物質(zhì)的不均勻吸收所致，而重復(fù)脈沖器件的熱效應(yīng)主要是由泵浦光場的不均勻分布與冷卻而形成的溫度梯度的綜合影響所致3. 激光棒的溫度分布及熱應(yīng)力各向同性物質(zhì)的熱應(yīng)力由溫度較高的內(nèi)層材料和溫度較低的外層材料相互制約產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力熱應(yīng)力將引起熱應(yīng)變，使工作物質(zhì)的折射率產(chǎn)生不均勻變化，原來的各向

18、同性介質(zhì)變成各向異性介質(zhì)，產(chǎn)生熱應(yīng)力雙折射。4. 熱透鏡效應(yīng)由于溫度梯度引起的折射率不均勻分布，使激光棒對傳輸激光具有透鏡會聚或發(fā)散的作用，稱之為熱透鏡效應(yīng)5. 熱應(yīng)力雙折射退偏現(xiàn)象線偏光入射到有熱應(yīng)力雙折射的激光工作物質(zhì)后，將分解為振動方向相互垂直的兩束線偏振光，由于折射率不同，經(jīng)過激光工作物質(zhì)傳輸后兩束線偏振光將產(chǎn)生相位差，合成后成為橢圓偏振光6. 端面泵浦全固態(tài)激光器中的熱效應(yīng)對于端面泵浦的全固態(tài)激光器來說，雖然一般注入 對于端面泵浦的全固態(tài)激光器來說，雖然一般注入的泵浦功率比側(cè)面泵浦低，但是由于激光棒內(nèi)泵浦光束的束腰直徑很小（通常為幾百微米），因而泵浦功率密 的束腰直徑很?。ㄍǔ閹装傥⒚祝?，因而泵浦功率密度非常高（一般比側(cè)面泵浦固體激光器中的泵浦強(qiáng)度高2個數(shù)量級），因而熱效應(yīng)更加嚴(yán)重。隨著泵浦強(qiáng)度的 個數(shù)量級 因而熱效應(yīng)更加嚴(yán) 隨著泵浦強(qiáng)度的提高，由此引起的各種熱效應(yīng)對端面泵浦固體激光系統(tǒng)的影響也越來越大，使得激光系統(tǒng)的效率降低，光束質(zhì) 的影響也越來越大，使得激光系統(tǒng)的效率降低，光束質(zhì)量變差，甚至導(dǎo)致激光增益介質(zhì)的損壞。7. 熱破裂隨著注入的泵浦功率的增加，溫度梯度增大，熱應(yīng)力也隨之增 的熱應(yīng)力。隨著注入的泵浦功率