激光原理考試基本概念

1、第一章1、激光與普通光源相比有三個(gè)主要特點(diǎn)：方向性好，相干性好，亮2、 激光主要是光的受激輻射，普通光源主要光的自發(fā)輻射。3、光的一個(gè)基本性質(zhì)就是具有波粒二象性。光波是一種電磁波，是 一種橫波。4、 常用電磁波在可見光或接近可見光的范圍，波長(zhǎng)為30g，其相應(yīng)頻率為 10A1510A13o5、 具有單一頻率的平面波叫作單色平面波，如果頻率寬度Av<<v 時(shí)，這種波叫作準(zhǔn)單色波。6、原子處于最低的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)，能量高于基態(tài)的其他能級(jí)狀態(tài)叫作激發(fā)態(tài)。7、兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子可以具有相同的能級(jí)，這 樣的能級(jí)叫作簡(jiǎn)并能級(jí)。8同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目，叫作簡(jiǎn)并度

2、，用字母g表示。9、輻射躍遷選擇定則（本質(zhì)：狀態(tài)一定要改變），原子輻射或吸收光 子，不是在任意兩能級(jí)之間躍遷，能級(jí)之間必須滿足下述選擇定則：a、躍遷必須改變奇偶態(tài)；b>A J=0, 士 1 （J=CHJ=O除外）；對(duì)于采用LS耦合的原子還必須滿足 下列選擇定則：c>A L=0, 士 1 （ L=CHL=0 除外）；d>A S=0即躍遷時(shí)S不能發(fā)生改變。10、大量原子所組成的系統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)下， 原子數(shù)按能級(jí)分布服從 玻耳茲曼定律。11、 處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處在低能態(tài)的粒子數(shù)，這是熱平衡 情況的一般規(guī)律。12、因發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級(jí)間躍遷的現(xiàn)象叫作輻射 躍遷

3、，必須滿足輻射躍遷選擇定則。13、 光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程：自發(fā)輻射，受激輻 射，和受激吸收。14、普通光源中自發(fā)輻射起主要作用，激光工作過程中受激輻射起主 要作用。15、與外界無關(guān)的、自發(fā)進(jìn)行的輻射稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的光是 非相干光。16、能級(jí)平均壽命等于自發(fā)躍遷幾率的倒數(shù)。17、受激輻射的特點(diǎn)是：a、只有外來光子的能量hv=E2-E1時(shí)，才能引起受激輻射。b、 受激輻射所發(fā)出的的光子與外來光子的特性完全相同（頻率相同， 相位相同，偏振方向相同，傳播方向相同）。18、受激輻射光子與入射（激勵(lì)）光子屬于同一光子態(tài)；受激輻射與 入輻射場(chǎng)具有相同的頻率、相位、波矢（傳播方向）和

4、偏振， 是相干 的。19、自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身， 而受激輻射的躍遷幾 率決定于受激輻射系數(shù)與外來單色能量密度乘積 20>Av =v2-v1,即相對(duì)光強(qiáng)為最大的1/2處的頻率間隔，叫作光譜 線的半值寬度（光譜線寬度）21、處于低能級(jí)上的粒子大量地抽運(yùn)到高能級(jí)上， 造成一個(gè) n2/g2>n1/g1 的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)狀態(tài)的介質(zhì)叫作 增益介質(zhì)或激活介質(zhì)。 簡(jiǎn)答題一：產(chǎn)生激光的三個(gè)條件：1. 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）；（有合適的激光工作物質(zhì)）2. 有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之 間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3.

5、 有光學(xué)諧振腔；增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度，控制光束的傳播方向， 選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。第二章簡(jiǎn)答題二：腔中任一傍軸光線經(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，這種諧振腔叫作穩(wěn)定腔。 共軸球面腔的穩(wěn)定性條件是： 0<（1-L/R1）（1-L/R2）<11、 共軸球面腔的穩(wěn)定性條件：0<g1g2<1為穩(wěn)定腔，當(dāng) g1g2=0或g1g2=1時(shí)為臨界腔。2、穩(wěn)定腔對(duì)光的幾何損耗（因反射而引起的損耗）極小，中、小的 氣體激光器（增益系數(shù) G 小）常用穩(wěn)定腔，容易產(chǎn)生激光。3、通過泵浦實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所采用的能級(jí)結(jié)構(gòu)為三能級(jí)系 統(tǒng)

6、和四能級(jí)系統(tǒng)。4、四能級(jí)系統(tǒng)所需要的激勵(lì)能量要比三能級(jí)系統(tǒng)小得多，產(chǎn)生激光 比三能級(jí)系統(tǒng)容易得多。5、在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱，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)度的增 大而減小，這種現(xiàn)象稱為 增益飽和 。6、激光器產(chǎn)生激光的前提條件是介質(zhì)必須實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的粒子數(shù)密度反正分布，即 n>0,或者說增益系數(shù)G>0。7、增益系數(shù)要大于一個(gè)下限值，為激光器的閾值，它的數(shù)值由各種 損耗的大小決定。8、激光器的損耗指的是在激光諧振腔內(nèi)的光損耗， 分為 內(nèi)部損耗（諧 振腔內(nèi)增益介質(zhì)內(nèi)部的損耗， 它與增益介質(zhì)的長(zhǎng)度有關(guān)） 和 鏡面損耗 （可以折合

7、到諧振腔鏡面上的損耗） 。9、 形成激光所要求的增益系數(shù)的條件是：G> a總，即總損耗系數(shù)。 解釋為：增益不小于總損耗。10、三能級(jí)系統(tǒng)：閾值高，效率低；四能級(jí)系統(tǒng)：閾值條件低，效率 高。第三章1、激光諧振腔的自在現(xiàn)模 ;當(dāng)兩個(gè)鏡面完全相同時(shí)（對(duì)稱開腔） ，穩(wěn) 態(tài)場(chǎng)（橫向場(chǎng)）分布應(yīng)在腔內(nèi)經(jīng)單程渡越（傳播）后即實(shí)現(xiàn)“再現(xiàn)” 。2、本征函數(shù)解 Umn 表示的是在激光諧振腔中存在的穩(wěn)定地橫向場(chǎng)分布，就是自再現(xiàn)模，通常叫做“橫?！眔3、諧振腔形成的每一列駐波稱為一個(gè)縱模。4、 激光諧振腔的諧振頻率主要決定于縱模序數(shù)Vmnq=qc2山5、腔內(nèi)兩個(gè)相鄰縱模頻率之差A(yù)v q稱為縱模的頻率間隔。6、基橫

8、模（TEM00）行波場(chǎng)，激光應(yīng)用常常只用它的基橫模輸出7、基橫模行波輸出在與光束前進(jìn)的垂直平面上的強(qiáng)度呈高斯型分 布，通常稱為 高斯光束 。注：計(jì)算題有關(guān)高斯光束的相關(guān)計(jì)算。第四章1、激光的基本技術(shù)有：直接對(duì)激光器諧振腔的輸出特性產(chǎn)生作用： 選模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)、調(diào) Q 技術(shù)和鎖模技術(shù) 等，獨(dú)立應(yīng)用：光束變 換技術(shù)、調(diào)制技術(shù)和偏轉(zhuǎn)技術(shù)。2、基橫模（TEM00）與高階模相比，具有亮度高、發(fā)散角小、徑向 光強(qiáng)分布均勻、振蕩頻率單一等特點(diǎn)。3、激光器輸出的選模（選頻）技術(shù)分為兩個(gè)部分：對(duì)激光 縱模的選 取和對(duì)激光 橫模的選取。4、一般來說，均勻增寬的的穩(wěn)定激光器的輸出常常是單縱模的，而 且它們的頻率總

9、是在譜線中心附近。5、非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模。6、設(shè)計(jì)單縱模激光器就必須采取 選頻的方法。7、激光振蕩的條件是增益系數(shù) G必須大于損耗系數(shù)a總8基橫模選擇的實(shí)質(zhì)是使TEMOO模達(dá)到振蕩條件，而使高階橫模的 振蕩受到抑制。一般只要能抑制比基橫模高一階的 TEM10模和TEM01 模振蕩，也就能抑制其他高階模的振蕩。9、菲涅爾數(shù)越大，單程衍射損耗越小，菲涅爾系數(shù)是表征諧振腔衍 射損耗的特征參量。10、激光器中，氣體激光器的單色性最好。11、 頻率的穩(wěn)定包括（頻率穩(wěn)定度和頻率復(fù)現(xiàn)度），穩(wěn)頻的方法：主 動(dòng)式穩(wěn)頻和被動(dòng)式穩(wěn)頻。12、主動(dòng)式穩(wěn)頻的例子：蘭姆凹陷法穩(wěn)頻、飽和吸收法穩(wěn)頻。13

10、、高斯光束變換特性：高斯光束的聚焦、擴(kuò)束和準(zhǔn)直。14、高斯光束的準(zhǔn)直就是要改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。P89公式 4-47 和 4-48）15、擴(kuò)束就是擴(kuò)大光束的光斑尺寸。簡(jiǎn)答題三：激光調(diào)制可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制是指在激光生成 的震蕩過程中加載調(diào)制信號(hào)，通過改變激光的輸出特性而實(shí)現(xiàn)的調(diào) 制。外調(diào)制是在激光形成以后，再用調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，他不 改變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光束的參數(shù)。16、激光調(diào)制器有：電光強(qiáng)度調(diào)制、電光相位調(diào)制，聲光調(diào)制，磁光 調(diào)制，和空間光調(diào)制。17、 實(shí)現(xiàn)激光偏振的途徑主要有_電光偏轉(zhuǎn)和聲光偏轉(zhuǎn)。 18、調(diào)Q技術(shù)有：電光調(diào) Q、聲光調(diào)Q和染料調(diào)

11、Q。19、用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱為激光調(diào)Q技 術(shù)。調(diào)Q技術(shù)可以壓縮激光脈沖寬度，得到脈寬為毫微秒量級(jí)、峰值功率為千兆瓦量級(jí)的激光巨脈沖。20、激光鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)是進(jìn)一步對(duì)激光進(jìn)行特殊的調(diào)制， 強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個(gè) 縱模的相位固定，使各模式相干疊加以得到超短脈沖的技術(shù)。腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，熒光線寬越寬，則腔內(nèi)的縱模數(shù)目越多，鎖模脈沖的峰值 功率就越大。激光鎖模技術(shù)有：主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩種。第五章1、固體激光器主要理解激光工作的物質(zhì)激活粒子是什么（是誰 發(fā)光）能級(jí)系統(tǒng)（幾能級(jí)）供能方式（泵浦方式）輸出方式（脈 沖連續(xù)）2、固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)的激光 器。

12、最常用的固體工作物質(zhì)仍是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石（Nd3+: YAG。3、固體激光器基本上是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾 光系統(tǒng)構(gòu)成。固體激光工作物質(zhì)是固體激光器的核心。4、紅寶石激光器（激活粒子:鉻離子Cr3+）屬于三能級(jí)系統(tǒng)，YAG（摻釹 釔鋁石榴石（激活粒子釹離子Nd3+）激光器屬于四能級(jí)系統(tǒng)。5、氣體激光器（氦氖激光器屬于四能級(jí)系統(tǒng)，激活粒子為Ne原子）， （CO2激光器既能連續(xù)工作，又能脈沖，輸出功率大，效率高，為四能級(jí)系統(tǒng)，工作物質(zhì)為CO2氣體分子）計(jì)算題第一章：1,121.試計(jì)算連續(xù)功率均為 1W的兩光源，分別發(fā)射m，=3000MHz的光，每秒從上102102能級(jí)

13、躍遷到下能級(jí)的粒子數(shù)各為多少答：粒子數(shù)分別為：n1134 C6.63 10 340.5 106.63 10 34 3 108182.5138 10n2q h16.63 10 343 109235.0277 1012 設(shè)氖原子靜止時(shí)發(fā)出m紅光的中心頻率為x 1014Hz,室溫下氖原子的平均速率設(shè)為答:56060(1)0(1 8)(11.866710 ) 0C3 101.866710 64.74 10148.848 108Hz560m/s。求此時(shí)接收器接收頻率與中心頻率相差若干102102第二章：3,43.(a)要制作一個(gè)腔長(zhǎng) L= 60cm的對(duì)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

14、一塊反射鏡的曲率半徑尺=4L,求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。答: (a) R1R2 R ； 0 (1 -)(1 -) 1 R 30cmR R(b)0 (1A(1A10 34(1R?1R2L 或 R23L4.穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡,其曲率半徑分別為R1= 40cm ,R2= 100cm，求腔長(zhǎng)L的取值范圍。答：LLL10 (1)(1)10(1)(1)1 0L40c m 或 100 L140 cmR1R240100第三章：1,2,5,6,71 .腔長(zhǎng)為的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率o =I014Hz,熒光線寬 =6 IO8 Hz,問它可能存在幾個(gè)縱模相應(yīng)的q值為多少（設(shè)=1）答:3 1082 1 0

15、.53 108Hz，qc2 L6 1083 1082，則可能存在的縱模數(shù)有三個(gè)，它們對(duì)應(yīng)的q值分別為:5.85 10143 1081.95 106 , q + 仁 1950001 , q 1= 19499992. He Ne激光器的中心頻率° = x 1014Hz,熒光線寬=I09Hz。今腔長(zhǎng)L= lm，問可能輸出的縱模數(shù)為若干為獲得單縱模輸出，腔長(zhǎng)最長(zhǎng)為多少答:3 1082 1 11.5 108Hz , n1.5 1091.5 10810即可能輸出的縱模數(shù)為10個(gè)，要想獲得單縱模輸出，則:3 1081.5 1090.2m102102故腔長(zhǎng)最長(zhǎng)不得大于 0.2m 。5. （a）計(jì)算腔

16、長(zhǎng)為1m的共焦腔基橫模的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，設(shè)入=6328?，10km處的光斑面積多大。（b）有一普通探照燈，設(shè)發(fā)散角為2 ，則1km遠(yuǎn)處的光斑面積多大答：（1）基橫模的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角 2c N c 2 6328 10 102 口珂1.269 10 3rad（2） 10km處的光斑尺寸z 10；2L1（?）26328 1014 1086.347m10km處的光斑面積S2 26.347126.5572m102(3) 1km 處的光斑尺寸 r 1000 tg1o 17.455m1km處的光斑面積2 217.455957.1711m1021026 激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角(半角)還受到衍射效應(yīng)的限制。它不能小于激光通過輸出孔時(shí)的衍射極限角 衍(半角)="d。在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角常用愛里斑衍射極限角來近似。計(jì)算腔長(zhǎng)為30cm的氦氖激光器,所發(fā)波