2022年2022年激光原理与技术期末总复习 .pdf

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1、1 激光原理与技术期末总复习考试题型?一. 填空题（ 20 分）?二. 选择题（ 30 分）?三. 作图和简答题（ 30 分）?四. 计算题（ 20 分）第一章辐射理论概要与激光产生的条件1、激光与普通光源相比较的三个主要特点：方向性好，相干性好和亮度高2、光速、频率和波长三者之间的关系：线偏振光：如果光矢量始终只沿一个固定方向振动。3、波面相位相同的空间各点构成的面4、平波面波面是彼此平行的平面, 且在无吸收介质中传播时 , 波的振幅保持不变。5、单色平波面具有单一频率的平面波。6、= h v v 光的频率 h 普朗克常数7、原子的能级和简并度（1）四个量子数：主量子数n、辅量子数 l 、磁

2、量子数 m和自旋磁量子数 ms 。（2）电子具有的量子数不同，表示电子的运动状态不同。（3）电子能级：电子在原子系统中运动时，可以处在一系列不同的壳层状态活不同的轨道状态，电子在一系列确定的分立状态运动时，相应地有一系列分立的不连续的能量值，这些能量通常叫做电子的能级，依次用 E1，E2, .En 表示。基态：原子处于最低的能级状态成为基态。激发态：能量高于基态的其他能级状态成为激发态。（4）简并能级：两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫做简并能级。简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫做简并度，用 g 表示。8、热平衡状态下，原子数按能级分布服从波耳

3、兹曼定律（1）处在基态的原子数最多，处于越高的激发能级的原子数越少；（2）能级越高原子数越少，能级越低原子数越多；（3）能级之间的能量间隔很小，粒子数基本相同。9、跃迁 : 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程（1. ） 辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象发射跃迁 : 粒子发射一光子 = hv=E2 E1而由高能级跃迁至低能级; 吸收跃迁 : 粒子吸收一光子 =hv=E2 E1 而由低能级跃迁至高能级. （2） 非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量10、光和物质相互作用的三种基本过程：自发辐射、受激

4、辐射和受激吸收名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 2 （要求会画图，会说原理过程）（1）普通光源中自发辐射起主要作用（2）激光器工作中受激辐射起主要作用（3）自发辐射、受激辐射和受激吸收的定义（4）三者之间的关系：自发辐射光子数 +受激辐射光子数 =受激吸收光子数11、光谱线增宽（1）光谱线的半宽度即光谱线宽度：相对光为最大值的1/2 处的频率间隔（2）三种谱线增宽：自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽自然增宽：粒子的衰减

5、碰撞增宽：发光原子间相互碰撞作用多普勒增宽：发光原子相对于观察者运动（3）均匀增宽：每一发光原子所发的光，对谱线宽度内任一频率都有贡献，而且这个贡献对每个原子都是相同的。自然增宽和碰撞增宽。非均匀增宽：不同速度的原子的作用是不同的。12、激光形成的条件（1）产生激光的基本条件是受激辐射大于受激吸收；（2）光放大的条件：第一需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断的由低能级抽运到高能级上去；第二需要有合适的发光介质（工作物质），它能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态。（3）光学谐振腔的作用：延长增益介质，控制光束的传播方向，保证输出的激光有很好的方向性。（4）产生激光必须具备的三个条

6、件：合适的激光工作物质、泵浦源（外界激励源）、光学谐振腔。13、课后习题： 1，2，3，4，11，12 第二章激光器的工作原理1、稳定腔：腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光。2、共轴球面谐振腔的稳定性条件：3、共轴球面腔的稳定图（各种腔的条件）4、稳定腔：平凹稳定腔、双凹稳定腔、凹凸稳定腔、共焦腔、半共焦腔。临界腔：平行平面腔、共心腔、对称共心腔和半共心腔5、稳定图的应用6、三能级系统和四能级系统的工作过程（会画能级图，能写出工作过程）7、小信号工作状态：激光谐振腔尚未发出激光是的状态。粒子数密度反转分布值的饱和效应：当腔内光强的影响不能忽略时

7、，粒子数密度反转分布值将随光强的增加而减小。均匀增宽介质的增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 3 8、激光器的损耗的分类（1）内部损耗：谐振腔内增益介质内部的损耗，与增益介质长度有关。（2） 镜面损耗：这类损耗是可以折合到谐振腔镜面上的损耗。9、激光谐振腔内形成稳定光强的过程（能够说

8、明过程）（1）谐振腔内光强放大过程（2）谐振腔稳定出光过程。10、阈值条件：11、三能级系统和四能级系统的比较（1）三能级系统要求激励能源有较大的抽运功率（2）效率较高的激光器中的绝大多数都属于四能级系统（3）三能级系统下能级为基态，四能级系统下能级为激发态12、课后习题： 3，4 第三章激光器的输出特性1、开式谐振腔：谐振腔只靠两端的反射镜来实现光束在腔内的往返传播，对于光波没有任何其他限制。2、自再现模（1）反射次数足够多（三百次以上）（2）光束的横向场分布趋于稳定，不受衍射的影响（3）场分布在腔内往返传播一次后能够“再现”出来，反射只改变光的强度大小，不改变光的强度分布（4）镜面上各点的

9、场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后3、积分方程解的物理意义（1）积分方程的本征函数解的模代表对称开腔任一镜面上的光场振幅分布。（2）幅角代表镜面上光场的相位分布。4、 横模：在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，就是自再现模通常叫作“横模”横模序数： m ，n 称为横模序数基模： m=0 ，n=0 时所对应的横模称为基模，基模的场集中在反射镜中心，是光斑的最简单结构，其他横模称为高阶模。5、轴对称和旋转对称图（掌握轴对称图形的画法）6、激光谐振腔（1）谐振条件：为在腔内形成稳定的振荡，要求光波因干涉而得到加强，即光波在腔内往返一周的总相移应等于2的整数倍。（2）激光纵模：谐振

10、腔形成的每列驻波称为一个纵模，q 为纵模序数（3）谐振频率7、纵模频率间隔：单模激光器：只能出现一种频率的激光多模激光器：可能出现三种或三种以上频率的激光8、共焦腔镜面上的基模的“光斑有效截面半径”s：在距离镜中心 s 处的场振幅下降为镜中心之值的e-1 倍，基模光束的光能量集中在光斑有效截面圆内。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 4 9、方形镜共焦腔镜面上的谐振频率高度简并现象：所有2q+m+n相等的模式都将具有

11、相同的谐振频率10、高斯光束的振幅和强度分布（1）在 z 处高斯光束的截面半径（2）束腰半径（3）基模光斑半径随z 按双曲线规律变化11、高斯光束的相位分布特点（1）共焦场的等相位面都是凹面向着腔的中心的球面（2）共焦腔反射镜面本身与场的两个等相位面重合（3）通过共焦腔中心的等相位面是与腔轴垂直的平面，距腔中心无限远处的等相位面也是平面（4）共焦腔反射镜面是共焦场中曲率最大的等相位面（5）共焦场的等相位面为非同心圆（6）如果在场的任意一个等相位面处放置一块具有相应曲率的反射镜片，则入射在该镜片上的场将准确地沿着原入射方向返回，这样共焦腔的场分布将不会受到扰动12、高斯光束的远场发散角13、立体

12、角13、稳定球面腔的等价共焦腔计算14、课后习题： 1，2，5，6，7，8 第四章激光的基本技术1、激光器输出的选模技术分成两个部分：激光纵模的选取和激光横模的选取。2、激光器输出选模的目的：获得单模单频的激光。3、纵模的竞争过程定义：通过增益的饱和效应， 使某个纵模逐渐把别的纵模的振荡抑制下去，最后只剩下该纵模的振荡的现象叫作纵模的竞争4、空间竞争的过程5、激光单纵模选取方法：短腔法、法布里珀罗标准具法和三反射镜法，三种方法的结构及基本原理6、激光单横模选取方法：光阑法、聚焦光阑法和腔内望远镜法，三种方法的结构及基本原理7、频率的漂移： 激光器通过选模获得单频振荡后，由于内部和外界条件的变化

13、，谐振频率仍然会在整个线型宽度内移动。8、激光器稳频的任务：设法控制哪些可以控制的因素，使其对振荡频率的干扰减至最小限度，从而提高激光频率的稳定性，减小频率的漂移9、影响稳频的因素：腔长的变化和折射率的变化解决方法：（1）在工作台下垫一个充气的汽车内胎，有效的消除振动（2）稳定的温度，湿度，和压强10、高斯光束聚焦方法：（1）短焦距透镜（2） 加大光斑尺寸（3）加大入射光的发散角名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 5

14、 11、高斯光束准直：要改善光束的方向性，压缩光束的发散角准直的方法：选择两个透镜，一个透镜是短焦距的凸透镜，一个透镜是焦距较长的凸透镜，两透镜的焦点重合12、高斯光束扩束的方法：（1）扩大发散角来扩大光斑尺寸（2）既要扩大光斑尺寸，又要有较小的发散角13、激光调制：把激光作为载波携带低频信号，本质上是无线电波调制向光频段的拓展。14、激光调制的分类（1）振幅调制，相位调制，频率调制，强度调制等（2）内调制：在激光生成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输出特性而实现的调制（3）在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它并不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数15、电光强度

15、调制的装置和过程16、声光偏转技术的装置和过程17、品质因数的定义Q=2 谐振腔内储存的能量 / 每振荡周期损耗的能量18、调 Q的原理：高损耗，低Q值低损耗，高 Q值19、声光调 Q的装置和过程20、课后习题： 1、2、3、4、5 题第五章典型激光器的介绍1、固体激光器的工作物质：红宝石、钕玻璃、掺钕钇石榴石2、固体激光器的基本结构：工作物质、泵浦系统、谐振腔、冷却系统、滤光系统3、聚光腔的结构和功能特点4、He-Ne激光器的分类：内腔式、外腔式和半内腔式5、 He-Ne 激光器的组成：激光管和激光电源，激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成，工作物质为Ne气5、CO2激光器的结构：与HeNe

16、激光器类似，工作物质为CO2 6、各种不同类型激光器的能级结构（1）三能级系统：红宝石激光器（2） 四能级系统：掺钕钇石榴石激光器、 半导体激光器、气体激光器（ CO2激光器、 He-Ne 激光器）7、各种不同类型激光器产生激光的波长（1）红宝石激光器： 0.6943m （2） 掺钕钇石榴石激光器 :1.06 m （3） CO2激光器： 10.6 m （4）He-Ne激光器： 0.6328 m 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -