激光原理-復(fù)習(xí)課(4)教學(xué)文案

激光原理--復(fù)習(xí)課(4)1、激光器主要由工作物質(zhì)、諧振腔、激勵能源三個部份組成。2、光與物質(zhì)相互作用的三個主要過程是自發(fā)輻射、吸收和受激發(fā)射。3、光波在諧振腔內(nèi)的主要損耗包括衍射損耗、散射損耗和雜質(zhì)吸收損耗。4、激光器駐波腔內(nèi)光場沿軸向的分布叫縱模，其指數(shù)

q

決定了駐波的波腹數(shù)，通過它可以算出激光的頻率

，駐波腔內(nèi)光場沿軸向橫切面的分布叫橫模，其指數(shù)

m,n

決定了沿軸向橫切面駐波的波節(jié)數(shù)，通過它們可以算出激光的傳播方向。5、激光器振蕩的閾值條件是增益大于損耗。6、實(shí)驗(yàn)上只要由測定了工作譜線的中心波長和線寬，其線型函數(shù)就被唯一確定。對于工作物質(zhì)來說，均勻加寬的特點(diǎn)是原子群內(nèi)每一個原子所發(fā)出的光對譜線內(nèi)所有的頻率都有貢獻(xiàn)，所有原子的線型函數(shù)都是相同的，而非均勻內(nèi)加寬的特點(diǎn)是不同的原子群有不同的線型函數(shù)，而總的線型函數(shù)是它們的包絡(luò)曲線

。

二、填空題（一）7、飽和效應(yīng)的存在使激光工作的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N隨激光光強(qiáng)I

的增加而減少。8、四能級激光器的四個能級分別泵浦能級、激光高能級、激光低能級和基態(tài)能級。9、從穩(wěn)定性的角度，可把光學(xué)諧振腔分為穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔和臨界腔三種。10、單縱模激光束的理論線寬是自發(fā)輻射的存在引起的。11、按照工作物質(zhì)原子對發(fā)光的貢獻(xiàn)的不同，壓力加寬的熒光線型函數(shù)屬均勻加寬，多普勒加寬的熒光線型函數(shù)屬非均勻加寬。12、三能級激光器的三個能級分別為泵浦能級、激光高能級和激光低能級（基態(tài)能級）。13、設(shè)在沒有鎖模前激光腔內(nèi)有2N＋1個模式，則鎖模后脈沖的光強(qiáng)可以增大到原來的2N＋1倍。

二、填空題（二）三、簡答題（一）1、簡述受激輻射與自發(fā)輻射的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。2、在He-Ne氣體激光器中，激光工作物質(zhì)是Ne原子，請說明為何加入He原子？3、簡述在CO2激光器中加入N2和He的作用。4、均勻增寬型介質(zhì)激光器諧振腔內(nèi)能同時振蕩的縱模數(shù)主要由諧振腔長以及激光工作物質(zhì)的熒光譜線決定，簡述其理由。5、簡述非均勻型介質(zhì)激光器增益曲線上出現(xiàn)“燒孔”效應(yīng)的原理。6、激光器輸出激光的頻率一般會出現(xiàn)漂移，簡述引起激光器漂移的主要因素。相同點(diǎn)：躍遷時都以光的形式釋放能量；不同點(diǎn)：自發(fā)輻射式隨機(jī)的，發(fā)射的光子沒有確定的方向性，各光子之間沒有相同的偏振性，也沒有固定的相位關(guān)系，而受激輻射發(fā)射的光子與激發(fā)光子具有相同的傳播和偏振方向，并且具有固定的相位關(guān)系。He原子容易被高速電子激發(fā)到高能級，而處于高能級的He原子很容易與Ne原子發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移從而將能量耦合給Ne原子，有助激光產(chǎn)生N2：提高激發(fā)轉(zhuǎn)換效率；He：有效傳熱；縱模頻率間隔為△vq=c/(2μL),諧振腔內(nèi)可以同時振蕩的縱模數(shù)由△vF/△vq決定。如圖所示：在頻率為v1、強(qiáng)度為I的光波作用下，可以計(jì)算出介質(zhì)的增益系數(shù):

在非均勻增寬型介質(zhì)中，頻率為v1

、強(qiáng)度為I的光波

只在附近寬度約為的范圍內(nèi)有增益飽和作用

，如圖下圖所示。根據(jù)激光縱模頻率與諧振腔長的關(guān)系，溫度變化引起的熱脹冷縮從而引起激光諧振腔長的變換，從而引起激光器輸出頻率的漂移；另外一個重要因素是溫度以及濕度的變化會引起激光工作物質(zhì)折射率的變化，從而引起激光器諧振腔的光學(xué)長度的改變，并引起激光頻率的漂移。三、簡答題（二）7、為何均勻增寬型介質(zhì)中存在模式競爭，而非均勻增寬型介質(zhì)中卻沒有模式競爭？8、蘭姆凹陷法穩(wěn)頻與飽和吸收法穩(wěn)頻是常用的兩種激光器穩(wěn)頻方法，二者原理有何不同？9、簡述高斯激光束經(jīng)過透鏡變換后的特性變化。10、簡述激光鎖模技術(shù)的原理。11、簡述聲光調(diào)Q的原理。12、簡述激光縱模和橫模概念的涵義及其二者的區(qū)別。

在均勻增寬介質(zhì)中，任何頻率的縱模激光受激輻射消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)對所有縱模都是一樣的，隨著諧振腔能激光振蕩的加強(qiáng)，由于增益飽和效應(yīng)，激光增益曲線會整體下降，所以只有增益最大的縱模可以繼續(xù)振蕩，而其它低增益的縱模由于其增益系數(shù)小于損耗而消失。非均介質(zhì)的增益曲線很寬，而且不同縱模激光消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)知識與其對應(yīng)的那部分反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而不會消耗其它縱模對應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，所以每一個縱模都只會在其頻率附近形成燒空效應(yīng)。蘭姆凹陷法穩(wěn)頻是利用激光增益飽和現(xiàn)象在激光增益曲線中心頻率附近形成的蘭姆凹陷作為參考，若輸出激光強(qiáng)調(diào)偏大則立即反饋信號給調(diào)整激光腔長的壓電調(diào)節(jié)器調(diào)整激光腔長從調(diào)整激光輸出頻率。而飽和吸收穩(wěn)頻法是在激光諧振腔中加入一個吸收峰靠近激光輸出頻率的德飽和吸收盒，這種吸收盒的吸收系數(shù)是激光諧振腔度的函數(shù)，諧振模越強(qiáng)對應(yīng)的吸收越小，所以當(dāng)輸出激光頻率偏移是會導(dǎo)致激光強(qiáng)度下降，由此反饋激光器一個調(diào)整諧振腔長度的信號。相對于蘭姆凹陷，由于飽和吸收凹陷的深度深，寬度窄，所以其穩(wěn)頻效果更好。高斯光束經(jīng)過透鏡變換后仍然是高斯光束，只是其束腰半徑大小以及束腰半徑距離透鏡的距離會發(fā)生變換。如果入射高斯光束束腰距離透鏡的距離遠(yuǎn)大于透鏡的焦距，那么高斯光束經(jīng)過透鏡的變換規(guī)律與幾何光學(xué)成像規(guī)律一致；反之，成像規(guī)律卻與幾何光學(xué)成像規(guī)律完全相反。將所有縱模的相位鎖定在一起，假設(shè)2N+1個縱模的振幅相同，則鎖模脈沖的光強(qiáng)I(t)正比于(2N+1)2E02,可見鎖模脈沖的光強(qiáng)度與2N+1個縱模簡單的疊加的強(qiáng)度擴(kuò)大了(2N+1)倍，縱模數(shù)越多，鎖模脈沖的寬度越窄，峰值功率就越大。采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時激光振蕩的閾值很高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即使累積到很高水平也不會產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩，從而獲得能量巨大的短脈沖激光輸出。四、計(jì)算題（一）1、穩(wěn)定諧振腔的兩個反射鏡曲率半徑分別為R1=40cm，R2=100cm，求腔長L的取值范圍。四、計(jì)算題（二）2、穩(wěn)定諧振腔的一個反射鏡的曲率半徑R1=4L，求另外一個反射鏡曲率半徑的取值范圍。五、論述題（一）1、通常一臺固體激光器包含五大組成部分，請論述這五大部分的功能以及在設(shè)計(jì)激光器時按照什么原則設(shè)計(jì)這五大部分。激光工作物質(zhì)：提供實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時主要從激光器的輸出的頻率波段考慮；泵浦系統(tǒng)：將工作物質(zhì)的粒子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)高能態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時主要從激光器輸出功率大小，以及工作物質(zhì)的吸收譜方面考慮。激光諧振腔：（1）延長了激光工作物質(zhì)的工作長度，從而增加激光器的增益；（2）約束激光器振蕩光的方向，從而保證激光器輸出光的方向性。設(shè)計(jì)時主要從激光器的功率大小，輸出頻率波段的要求等方面考慮。冷卻系統(tǒng)：將激光器內(nèi)的熱能帶走，確保激光器的溫度不要過高，從而影響激光器的壽命和正常工作。設(shè)計(jì)時主要從激光器的輸出功率的大小以轉(zhuǎn)換效率方面考慮。五、論述題（二）2、氣體激光器是常用的激光器，請從以下幾個方面分別論述制造一臺單模、高功率、穩(wěn)頻激光器的設(shè)計(jì)原理和方案：（1）為何氣體激光器一般是多縱模輸出？（2）如何實(shí)現(xiàn)高功率輸出？（3）實(shí)現(xiàn)單縱模輸出的原理和具體方案；（4）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻激光輸出的原理和具體方案。氣體激光器是非均勻增寬型介質(zhì)；選擇四能級系統(tǒng)；采用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法或者復(fù)腔法選擇單縱模；采用蘭姆凹陷法或飽和吸收發(fā)穩(wěn)頻。五、論述題（三）3、諧振腔是激光器的重要部件，對激光的產(chǎn)生以及產(chǎn)生的激光性質(zhì)具有重要的作用。請從如下幾個方面詳細(xì)分析激光諧振腔的作用及其作用的原理。1）延長工作物質(zhì)的長度；2）決定激光的方向性；3）決定激光的單色性；4）決定激光的相干性；5）對激光輸出頻率的穩(wěn)定作用。激光在諧振腔之間來回傳播反復(fù)經(jīng)過激光工作物質(zhì)，相當(dāng)于延長了工作物質(zhì)的長度；由于只有在諧振腔軸附件而且方向偏離很小的光才有可能在諧振腔之間多次振蕩而不損耗，那些偏離方向大的光線被損耗了，所以諧振腔限制了激光的方向性；根據(jù)駐波條件，