激光原理與全息技術(shù)復(fù)習(xí)

1、激光原理與全息技術(shù)激光原理與全息技術(shù)復(fù)習(xí)提綱復(fù)習(xí)提綱考試安排考試安排n暫定暫定n暫定暫定n考試形式：考試形式：閉卷閉卷第第1章章 激光的基本原理激光的基本原理1.激光的特點(diǎn)是？（激光的特點(diǎn)是？（pp:4-6)(1)單色性好單色性好 比較比較He-Ne激光和氪燈的單色性激光和氪燈的單色性(2)相干性好相干性好 相干長(zhǎng)度的計(jì)算相干長(zhǎng)度的計(jì)算(3)方向性好方向性好(4)高亮度高亮度n2.光與物質(zhì)的三種相互作用光與物質(zhì)的三種相互作用(pp:6-7)受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射n3.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（集居數(shù)反轉(zhuǎn)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（集居數(shù)反轉(zhuǎn)）(pp:7) 要使受激輻射占據(jù)主導(dǎo)地位，應(yīng)該設(shè)

2、法改變要使受激輻射占據(jù)主導(dǎo)地位，應(yīng)該設(shè)法改變?cè)酉到y(tǒng)所處于熱平衡時(shí)的分布，使處于高原子系統(tǒng)所處于熱平衡時(shí)的分布，使處于高能級(jí)的原子數(shù)超過(guò)處于低能級(jí)的原子數(shù)，即能級(jí)的原子數(shù)超過(guò)處于低能級(jí)的原子數(shù)，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。 如何實(shí)現(xiàn)？如何實(shí)現(xiàn)？ （pp21）“激勵(lì)激勵(lì)”或或“泵浦泵浦”，光激勵(lì)，光激勵(lì)，電激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等電激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等1122nffnnn4.粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布(pp:7) 熱平衡狀態(tài)下，每個(gè)能級(jí)上都有確定的粒子熱平衡狀態(tài)下，每個(gè)能級(jí)上都有確定的粒子數(shù)，兩個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)之比數(shù)，兩個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)之比PP:18 公式（公式（2-6）可能涉及

3、到計(jì)算。可能涉及到計(jì)算。TkEEbeffnn)(121212n5.激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu) (pp:8)n工作物質(zhì)，光學(xué)諧振腔，激勵(lì)源工作物質(zhì)，光學(xué)諧振腔，激勵(lì)源n6.形成激光的基本條件形成激光的基本條件(pp:9)n(1)工作物質(zhì)在激勵(lì)源的激勵(lì)下能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反工作物質(zhì)在激勵(lì)源的激勵(lì)下能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)；n(2)光學(xué)諧振腔能使受激輻射不斷放大，即滿(mǎn)足增光學(xué)諧振腔能使受激輻射不斷放大，即滿(mǎn)足增益大于損耗的閾值條件；益大于損耗的閾值條件；n(3)滿(mǎn)足滿(mǎn)足駐波條件和頻率條件駐波條件和頻率條件。 n7.自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)A21（pp:10-11)n 受激吸收愛(ài)因斯坦

4、系數(shù)受激吸收愛(ài)因斯坦系數(shù)B12n 受激輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)受激輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)B21n 受激吸收躍遷概率受激吸收躍遷概率W12n 受激輻射躍遷概率受激輻射躍遷概率W21n8.光譜線的幾種加寬形式光譜線的幾種加寬形式(pp:14)n按原因分類(lèi)：自然加寬、碰撞加寬和多普勒加按原因分類(lèi)：自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬。寬。n按譜線加寬的特點(diǎn)分類(lèi)：均勻加寬、非均勻加按譜線加寬的特點(diǎn)分類(lèi)：均勻加寬、非均勻加寬和綜合加寬寬和綜合加寬 n注意掌握自然加寬譜線寬度計(jì)算公式、碰撞加注意掌握自然加寬譜線寬度計(jì)算公式、碰撞加寬譜線寬度計(jì)算公式寬譜線寬度計(jì)算公式9、線型函數(shù)、線型函數(shù) 均勻加寬是均勻加寬是洛倫茲洛倫茲型，

5、氣體中的非均勻多普勒型，氣體中的非均勻多普勒加寬是加寬是高斯高斯型。型。第第2 2章章 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 n10. 光子態(tài)？相格？光子簡(jiǎn)并度？光子態(tài)？相格？光子簡(jiǎn)并度？(pp:17-18)n由不同特征所決定的光子狀態(tài)就叫做光量子由不同特征所決定的光子狀態(tài)就叫做光量子態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)光子態(tài)態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)光子態(tài)。 n在六維相空間，一個(gè)光子狀態(tài)對(duì)應(yīng)的最小相在六維相空間，一個(gè)光子狀態(tài)對(duì)應(yīng)的最小相空間體積元即稱(chēng)為相格?？臻g體積元即稱(chēng)為相格。n處于同一光子態(tài)的平均光子數(shù)稱(chēng)為光子簡(jiǎn)并處于同一光子態(tài)的平均光子數(shù)稱(chēng)為光子簡(jiǎn)并度，也稱(chēng)為同態(tài)光子數(shù)。度，也稱(chēng)為同態(tài)光子數(shù)。n11.什么是增益系數(shù)和增益飽和什么是增益系數(shù)和增益飽

6、和(pp:20-21)n增益系數(shù)增益系數(shù)光通過(guò)單位距離后的增長(zhǎng)率光通過(guò)單位距離后的增長(zhǎng)率叫做增益系數(shù)，即單位距離光強(qiáng)的相對(duì)增叫做增益系數(shù)，即單位距離光強(qiáng)的相對(duì)增長(zhǎng)率長(zhǎng)率.n增益系數(shù)隨著光強(qiáng)的增加而減小，這種效增益系數(shù)隨著光強(qiáng)的增加而減小，這種效應(yīng)稱(chēng)為增益飽和。應(yīng)稱(chēng)為增益飽和。n12.駐波條件推導(dǎo)諧振頻率及其間隔駐波條件推導(dǎo)諧振頻率及其間隔(pp:23)n 由整數(shù)由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向的穩(wěn)定場(chǎng)分布稱(chēng)為激光的所表征的腔內(nèi)縱向的穩(wěn)定場(chǎng)分布稱(chēng)為激光的縱?？v模。 P23例題：實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩對(duì)腔長(zhǎng)的要求例題：實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩對(duì)腔長(zhǎng)的要求 13.三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的圖示及工作過(guò)程分析三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系

7、統(tǒng)的圖示及工作過(guò)程分析(pp:19-20),(227)22qqccqnLnL n14.諧振條件諧振條件激光器的輸出頻率必須同時(shí)激光器的輸出頻率必須同時(shí)滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：(pp:24)(1)頻率值必須滿(mǎn)足諧振條件，即頻率值必須滿(mǎn)足諧振條件，即(2-27)式：式：(2)頻率值必須在工作物質(zhì)的譜線寬度之內(nèi)頻率值必須在工作物質(zhì)的譜線寬度之內(nèi)(3)相應(yīng)的小信號(hào)增益系數(shù)必須超過(guò)閾值，相應(yīng)的小信號(hào)增益系數(shù)必須超過(guò)閾值，n15.縱模，橫模從不同側(cè)面反映腔內(nèi)穩(wěn)定的光縱模，橫模從不同側(cè)面反映腔內(nèi)穩(wěn)定的光場(chǎng)分布，激光模式用場(chǎng)分布，激光模式用TEMmnq 來(lái)標(biāo)志。來(lái)標(biāo)志。(pp:24) 在垂直于傳播

8、方向上某一橫截面上形成穩(wěn)定在垂直于傳播方向上某一橫截面上形成穩(wěn)定的場(chǎng)分布的場(chǎng)分布，稱(chēng)為橫模。橫模序數(shù)，稱(chēng)為橫模。橫模序數(shù)m，nn16.光學(xué)諧振腔損耗有以下五種光學(xué)諧振腔損耗有以下五種(pp:25)A.腔鏡反射不完全產(chǎn)生的透射損耗；腔鏡反射不完全產(chǎn)生的透射損耗；B.腔鏡的吸收和散射損耗；腔鏡的吸收和散射損耗；C.腔內(nèi)插入元件的吸收與散射損耗；腔內(nèi)插入元件的吸收與散射損耗；這這三種損耗，對(duì)不同的橫模，一視同仁，無(wú)選擇性三種損耗，對(duì)不同的橫模，一視同仁，無(wú)選擇性D.腔鏡大小產(chǎn)生的衍射損耗；腔鏡大小產(chǎn)生的衍射損耗；E.光線在腔內(nèi)來(lái)回傳播產(chǎn)生的幾何偏折損耗。光線在腔內(nèi)來(lái)回傳播產(chǎn)生的幾何偏折損耗。n后兩種

9、損耗，對(duì)不同的橫模，表現(xiàn)為有選擇性，后兩種損耗，對(duì)不同的橫模，表現(xiàn)為有選擇性，對(duì)低階模損耗小，對(duì)高階模損耗大對(duì)低階模損耗小，對(duì)高階模損耗大。n17.腔的光子壽命腔的光子壽命(pp:25)n 為單程損耗，為單程損耗，L為腔長(zhǎng)為腔長(zhǎng)n18.光學(xué)諧振腔的光學(xué)諧振腔的Q值值(pp:26)n19.無(wú)源腔縱模線寬無(wú)源腔縱模線寬(pp:26)cLRcLQR0022LcRc221 20.光學(xué)諧振腔各種損耗的計(jì)算光學(xué)諧振腔各種損耗的計(jì)算(pp:26-28)n(1)腔鏡反射不完全產(chǎn)生的損耗腔鏡反射不完全產(chǎn)生的損耗n單程損耗單程損耗nR1為全反鏡，部分反射鏡為全反鏡，部分反射鏡R2接近于接近于1時(shí)，作級(jí)數(shù)時(shí)，作級(jí)數(shù)

10、展開(kāi)可得展開(kāi)可得n(2)幾何偏折損耗幾何偏折損耗n(1)平行腔斜光束的幾何損耗平行腔斜光束的幾何損耗n(2)平行腔平行度差引起的幾何損耗平行腔平行度差引起的幾何損耗121ln2rR R 2112rRn(3)衍射損耗衍射損耗 n定義菲涅耳數(shù)定義菲涅耳數(shù) n衍射損耗越大，菲涅耳數(shù)越小。衍射損耗越大，菲涅耳數(shù)越小。2222. 1aLaLddN121.諧振腔常見(jiàn)腔型結(jié)構(gòu)(pp:29)n(1)平行平面腔平行平面腔(簡(jiǎn)稱(chēng)平平腔簡(jiǎn)稱(chēng)平平腔)：n(2)凹面反射鏡腔凹面反射鏡腔(簡(jiǎn)稱(chēng)雙凹腔簡(jiǎn)稱(chēng)雙凹腔)。 n(3)平凹反射諧振腔平凹反射諧振腔(平凹腔平凹腔)：n(4)平凸反射諧振腔平凸反射諧振腔(平凸腔平凸腔)：

11、n(5)雙凸反射諧振腔雙凸反射諧振腔(雙凸腔雙凸腔)：n22.諧振腔穩(wěn)定性條件諧振腔穩(wěn)定性條件(2-46)式式(pp:33)n根據(jù)計(jì)算值，判斷腔是穩(wěn)定、非穩(wěn)、介穩(wěn)根據(jù)計(jì)算值，判斷腔是穩(wěn)定、非穩(wěn)、介穩(wěn)n典型腔型的判斷：對(duì)稱(chēng)共焦腔（典型腔型的判斷：對(duì)稱(chēng)共焦腔（穩(wěn)定穩(wěn)定）、平行平面腔）、平行平面腔（介穩(wěn)介穩(wěn)）、共心腔（）、共心腔（介穩(wěn)介穩(wěn)）1212112201001-,1-,gggggL R gL R或且，其中n23.基模的光斑尺寸和模體積基模的光斑尺寸和模體積(pp:37)n振幅下降到軸上振幅下降到軸上(Z軸軸)值的值的1/e時(shí)所對(duì)應(yīng)的半徑值，稱(chēng)為時(shí)所對(duì)應(yīng)的半徑值，稱(chēng)為光斑尺寸。光斑尺寸。Z=0處

12、光斑尺寸最小，稱(chēng)為光束的腰。處光斑尺寸最小，稱(chēng)為光束的腰。n模體積是指該激光模式在腔內(nèi)所占的空間范圍。模體積是指該激光模式在腔內(nèi)所占的空間范圍?；；ｓw積體積(P38例題例題) 20021(251)zLfzf 束束腰腰，光光斑斑尺尺寸寸22000212LVLLn24.選擇基模振蕩而抑制高階橫模的技術(shù)稱(chēng)為橫模選擇基模振蕩而抑制高階橫模的技術(shù)稱(chēng)為橫模選擇。選擇。n橫模選擇的方法橫模選擇的方法(pp:38-40)n1、選擇腔型和腔參數(shù)、選擇腔型和腔參數(shù)n2、小孔光闌選模、小孔光闌選模n3、反射鏡失調(diào)選模法、反射鏡失調(diào)選模法nn25.解釋解釋非均勻增寬非均勻增寬中的中的“燒孔燒孔”效應(yīng)效應(yīng)(pp:4

13、3) 26.解釋均勻加寬增益飽和解釋均勻加寬增益飽和(pp:43)n27.蘭姆凹陷蘭姆凹陷(pp:44) 與對(duì)稱(chēng)燒孔效應(yīng)相聯(lián)系的是激光的輸出功與對(duì)稱(chēng)燒孔效應(yīng)相聯(lián)系的是激光的輸出功率曲線在中心頻率處有一個(gè)下陷，稱(chēng)為蘭率曲線在中心頻率處有一個(gè)下陷，稱(chēng)為蘭姆凹陷姆凹陷 第第3 3章章 激光器的工作原理激光器的工作原理28.解釋均勻加寬情況下的縱模模式競(jìng)爭(zhēng)解釋均勻加寬情況下的縱模模式競(jìng)爭(zhēng)（圖解說(shuō)明）（圖解說(shuō)明）(pp:45) 29.解釋固體激光器的空間燒孔解釋固體激光器的空間燒孔(pp:45-46)n30.什么是模牽引效應(yīng)什么是模牽引效應(yīng)(pp:48) 由于增益介質(zhì)在中心頻率由于增益介質(zhì)在中心頻率(即

14、共振頻率即共振頻率)附近，存附近，存在著強(qiáng)烈的色散效應(yīng)，使實(shí)際振蕩頻率較無(wú)源腔在著強(qiáng)烈的色散效應(yīng)，使實(shí)際振蕩頻率較無(wú)源腔的振蕩頻率更靠近譜線的中心頻率。的振蕩頻率更靠近譜線的中心頻率。n31.縱膜選擇的方法縱膜選擇的方法(pp:48-50)1、短腔法選縱模、短腔法選縱模2、腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具選模、腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具選模3、晶體雙折射選模、晶體雙折射選模n32.調(diào)調(diào)Q脈沖量級(jí)：脈沖量級(jí)：nsn33. 調(diào)調(diào)Q的方法的方法(pp:51） 在激光器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，先讓諧振腔處于低在激光器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，先讓諧振腔處于低Q值值狀態(tài)，即腔損耗大，激光振蕩不能產(chǎn)生，但粒子數(shù)狀態(tài)，即腔損耗大，激光振蕩不能產(chǎn)生，但粒子數(shù)隨泵浦

15、不斷地被抽運(yùn)到上能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)上，使亞穩(wěn)態(tài)隨泵浦不斷地被抽運(yùn)到上能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)上，使亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)可以積累到很高的水平，然后使諧振腔上的粒子數(shù)可以積累到很高的水平，然后使諧振腔Q值突然增大，即使諧振腔的損耗瞬間降低，在腔值突然增大，即使諧振腔的損耗瞬間降低，在腔內(nèi)迅速建立起極強(qiáng)的振蕩，因而在極短的時(shí)間內(nèi)高內(nèi)迅速建立起極強(qiáng)的振蕩，因而在極短的時(shí)間內(nèi)高能級(jí)粒子貯存的大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，能級(jí)粒子貯存的大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，此時(shí)就輸出一個(gè)很強(qiáng)的激光脈沖。此時(shí)就輸出一個(gè)很強(qiáng)的激光脈沖。 調(diào)調(diào)Q的方法的方法轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q，電光調(diào)，電光調(diào)Q，聲光調(diào)，聲光調(diào)Q，染，染料調(diào)料調(diào)Q 34.什么是鎖模？

16、鎖模的好處什么是鎖模？鎖模的好處(pp:53-54)n如果能夠以某種方式迫使多個(gè)振蕩模式維如果能夠以某種方式迫使多個(gè)振蕩模式維持固定的頻率間隔與固定的相位，那么激持固定的頻率間隔與固定的相位，那么激光器的輸出將以一種預(yù)定的方式隨時(shí)間變光器的輸出將以一種預(yù)定的方式隨時(shí)間變化，這就叫化，這就叫鎖模鎖模(亦稱(chēng)相位鎖定亦稱(chēng)相位鎖定)。相位鎖。相位鎖定就是使多縱模激光器各自獨(dú)立振蕩的縱定就是使多縱模激光器各自獨(dú)立振蕩的縱模在時(shí)間上有序。鎖模脈沖的寬度可以窄模在時(shí)間上有序。鎖模脈沖的寬度可以窄到到皮秒皮秒，甚至，甚至飛秒飛秒量級(jí)量級(jí)(10-15 s)，其峰值，其峰值功率比調(diào)功率比調(diào)Q脈沖要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，能

17、輸出脈沖要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，能輸出超短光脈沖序列。超短光脈沖序列。 n35. 鎖模方法分類(lèi)：鎖模方法分類(lèi)：主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模和和被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模(pp:54)n主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模是在腔中插入一定頻率的調(diào)制器，對(duì)是在腔中插入一定頻率的調(diào)制器，對(duì)光束進(jìn)行振幅調(diào)制或相位調(diào)制；光束進(jìn)行振幅調(diào)制或相位調(diào)制；n被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模是利用腔內(nèi)的可飽和吸收染料（或吸是利用腔內(nèi)的可飽和吸收染料（或吸收氣體）來(lái)實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)同時(shí)鎖模、同步泵浦鎖收氣體）來(lái)實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)同時(shí)鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖模。模、碰撞鎖模。n36.穩(wěn)頻穩(wěn)頻(pp:54)n影響頻率穩(wěn)定的因素影響頻率穩(wěn)定的因素n（1）腔體振動(dòng)）腔體振動(dòng)n（2）機(jī)械機(jī)構(gòu)的熱膨脹）

18、機(jī)械機(jī)構(gòu)的熱膨脹n（3）腔內(nèi)光學(xué)元件的折射率隨溫度變化）腔內(nèi)光學(xué)元件的折射率隨溫度變化n（4）氣壓的變化引起折射率的變化）氣壓的變化引起折射率的變化n37.HeNe激光器，氬離子激光器，氪激光器，氬離子激光器，氪離子激光器，離子激光器，CO2激光器，激光器，He-Cd激光激光器，紅寶石激光器，器，紅寶石激光器，YAG激光器最強(qiáng)的激光器最強(qiáng)的幾條譜線波長(zhǎng)（幾條譜線波長(zhǎng)（顏色顏色）n注意分類(lèi)：氣體、液體、固體等注意分類(lèi)：氣體、液體、固體等第第4 4章章 典型激光器件典型激光器件 n38.HeNe激光器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型？及各自的激光器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型？及各自的特點(diǎn)？特點(diǎn)？(pp:56-58)n一般分為三種，即內(nèi)

19、腔式、外腔式、半外腔一般分為三種，即內(nèi)腔式、外腔式、半外腔(或稱(chēng)半內(nèi)腔或稱(chēng)半內(nèi)腔)式。三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的特點(diǎn)。式。三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的特點(diǎn)。n39.He-Ne激光器是氦氣和氖氣的混合氣體，激光器是氦氣和氖氣的混合氣體，產(chǎn)生躍遷發(fā)光的是氖氣，氦氣是輔助氣體。產(chǎn)生躍遷發(fā)光的是氖氣，氦氣是輔助氣體。n40.固體激光器的一般組成？固體激光器特固體激光器的一般組成？固體激光器特有的裝置是？有的裝置是？(pp:63)n固體激光器一般由工作物質(zhì)、激勵(lì)源、諧固體激光器一般由工作物質(zhì)、激勵(lì)源、諧振腔、聚光腔和水冷系統(tǒng)五個(gè)部分組成。振腔、聚光腔和水冷系統(tǒng)五個(gè)部分組成。其中聚光腔是固體激光器特有的裝置。其中聚光腔是固體激光器特有的裝置。n41.半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)(pp:67)(1)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固。(2)效率高。效率高。(3)發(fā)散角大。發(fā)散角大。(4)輸出功率小。輸出功率小。(5)受溫度影響較嚴(yán)重。受溫度影響較嚴(yán)重。n42.染料激光器最突出的優(yōu)點(diǎn)是其激光波染料激光器最突出的優(yōu)點(diǎn)是其激光波長(zhǎng)在一個(gè)較大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)長(zhǎng)在一個(gè)較大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(pp:69)第第5 5章章 激光全息學(xué)原理激光全息學(xué)原理n4