2022年激光原理复习知识点4.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 一 名词说明1.损耗系数及振荡条件: ImgoIS0,即go；为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数；2.线型函数 ：引入谱线的线型函数0gv,v0pv ,线型函数的单位是S,括号中的v 表示线型函p数的中心频率,且有gv ,v1,并在0v 加减v2时下降至最大值的一半；按上式定义的v称为谱线宽度；3. 4.5.6.多普勒加宽 :多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽；纵模竞争效应 ：在匀称加宽激光器中,几个满意阈值条件的纵模在震荡过程中相互竞争,结果总是靠近中心频率v 的一个纵模得胜,形成稳固振荡,其他

2、纵模都被抑制而熄灭的现象；谐振腔的 Q 值:无论是 LC振荡回路,仍是光频谐振腔,都采纳品质因数Q 值来标识腔的特性；定义QwP2vp；为储存在腔内的总能量,p 为单位时间内损耗的总能量；v 为腔内电磁场的振荡频率；兰姆凹陷 ：单模输出功率P 与单模频率v 的关系曲线, 在单模频率等于0 的时候有一凹陷,称作兰姆凹陷；7.锁模 ：一般非匀称加宽激光器假如不实行特殊的选模措施,总是得到多纵模输出,并且由于空间烧 孔效应,匀称加宽激光器的输出也往往具有多个纵模,但假如使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持肯定,并具有确定的相位关系,就激光器输出的是一列时间间隔肯定的超短脉冲；这种使激光器获得更窄得脉冲

3、技术称为锁模；8.光波模 ：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在,但在一个有边界条件限制的空间V内,只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模；9.注入锁定 ：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中,掌握一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象；（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）；10. 谱线加宽 ：实际中的谱线加宽由于各种情形的影响,自发辐射并不是单色的,而是分布在中心频率 E 2 E 1 / 邻近一个很小的频率范畴内；这就叫谱线加宽；11. 频率牵引 ：在有源腔中,由于增益物质的色散,使纵模频率比无源

4、腔纵模频率更靠近中心频率,这 种现象叫频率牵引；12. 自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃迁,并产生一个能量为的光子 13. 受及辐射：处于高能级的一个原子在频率为的辐射场作用下,向跃迁,并产生一个能量 为的光子14. 激光器的组成部分：谐振器,工作物质,泵浦源15. 腔的模式：将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态称为；16. 光子简并度：处于同一光子态的光子数；含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积 内的光子数、处于同一相格内的光子数17. 激光的特性： 1. 方向性好,最小发散角约等于衍射极限角2. 单色性好 3. 亮度高 4. 相干性好18. 粒子数反转：在外界鼓励下

5、,物质处于非平稳状态,使得 n2n1 19. 增益系数 ：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数 20. 增益饱和：在抽运速率肯定的条件下,当入射光的光强很弱时,增益系数是一个常数；当入射光的 光强增大到肯定程度后,增益系数随光强的增大而减小；21. Q值：是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标品质因数；22. 纵模：在腔的横截面内场分布是匀称的,而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波,驻波的波节数由q 决定将这种由整数q 所表征的腔内纵向场分布称为纵模23. 横模：腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模名师归纳总结 24. 菲涅尔数 ：N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数

6、目；表征损耗的大小；第 1 页,共 6 页衍射损耗与N 成反比；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 25. 悠闲现模：把开腔镜面上经一次来回能再现的稳态场分布称为悠闲现模或横模；26. 损耗系数 ：光通过单位距离后光强衰减的百分数 27. 自激振荡：不管初始光强多柔弱,只要放大器足够长,就总能形成确定大小的光强Im,满意振荡条件；28. 多普勒效应：设一发光原子 光源 的中心频率为0,当原子相对于接收器以速度v z运动时,接收器测得的光波频率变为（略）；29. 多普勒加宽 ：由于作热运动的发光原子 分子 所发出的辐射的多普勒频移引起的加宽30. 谱线加宽

7、：由于各种因素的影响,自发辐射并不是单色的,而是分布在中心频率邻近一个很小的频 率范畴内；31. 谱线宽度：线型函数在 0时有最大值,下降至最大值的一半,对应得宽度；32. 线性函数：归归一化的自发辐射光功率,描述单色辐射功率随频率变化的规律,定义为分布在某一频率邻近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范畴内的自发辐射总功率之比；用于表示谱线 的外形；33. 匀称加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的,包括自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽 每个发光原子都以整个线型发射,不能把线型函数上的某一特定频率和某些特 定原子联系起来,每一发光原子对光谱线内任一频率都有奉献；34. 非匀称加宽：原

8、子体系中每个原子只对谱线内与它的表现中心频率相应的部分有奉献,因而可以区分谱线上的某一频率范畴是由哪一部分原子发射的,物质中的晶格缺陷加宽；包括气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作35. 激光器振荡阈值：工作物质自发辐射在光腔内因不断获得受激放大形成振荡所需要的门限条件,可用反转粒子数密度,阈值增益系数,阈值泵浦功率来表示；36. ：不满意阈值条件,但处于集居数反转的工作物质对自发辐射光具有放大作用；37. 增益的空间烧孔效应: 在驻波腔激光器中,腔内形成一个驻波场, 波腹处增益最小,而波节处增益最大,沿光腔方向增益系数的这种非匀称分布称为空间烧孔效应38. 自选模：设三个纵模v1,v2,v3

9、 同时起振,随着振荡的连续光强I1 ,I2 , I3 逐步增大,当光强足够大,（可与 Is 比拟时）由于增益饱和,导致增益曲线在各频率处整体下降,结果各纵模由于增益系数小于阈值增益系数, 先后熄灭,最终仅剩下最接近中心频率vo 的一个纵模维护自激振荡,这一现象称；39. 模式的空间竞争：由于空间烧孔效应的存在,不同的纵模可利用空间内不同的粒子反转数获得增益,从而实现多纵模振荡；称为；40. 单模激光器的线宽极限：输出激光是一个略有衰减的有限长波列,具有肯定的谱线宽度；由自发辐射产生的无法排除谱线宽度称为极限线宽；实际激光器中由于各种不稳固因素,纵模频率本身的漂移远远大于极限线宽41. 总量子效

10、率：发射荧光的光子数 / 工作物质从光泵吸取的光子数；物理意义：抽运到 E3 的例子,一部分无辐射跃迁到 E2,另一部分通过其他途径返回基态；到达 E2 的粒子,一部分自发辐射跃迁至E1 发射荧光,一部分无辐射跃迁至 E1；42. 弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程；纵向弛豫时间 T1：反转粒子数的增长与衰减所需时间；横向弛豫时间 T2：宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的；极化强度 Pz, t 较 Ez, t 落后的时间 T2 即是横向弛豫时间；43. 驰豫振荡 ：固体脉冲激光器所输出的并不是平滑的光脉冲,而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列,即所谓尖峰” 序列；鼓励越强,就短脉冲之间的时间

11、间隔越小；称作；44. 反兰姆凹陷：在饱和吸取稳频中,把吸取管放在谐振腔内,并且腔内有一频率为 1 的模式振荡,如 1 0,购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸取曲线的形成两个烧孔；如 1 0 ,刚正反向传播的行波共同在吸取曲线的中心频率处烧一个孔；如作出光强肯定时吸取系数和振荡频率的关系曲线,就曲线显现凹陷,激光器输出功率显现一个尖锐的尖峰；二 简答题1. 谱线加宽的类型？什么是匀称加宽,非匀称加宽？他们各自的特点是什么？类型 :匀称加宽 （自然加宽, 碰撞加宽, 晶格振动加宽） ,非匀称加宽 （多普勒加宽, 晶格缺陷加宽） ,综合加宽；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页

12、,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 匀称加宽及特点：引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的；特点：每个发光原子都以整个线型 发射,不能把线型函数上某一特定原子联系起来；每个发光原子对光谱线内任一频率都有奉献；非匀称加宽特点：原子体系中每一个原子只对谱线内与他的表观中心频率相应的部分有奉献,因而 可以区分谱线中的某一频率范畴是哪一部分原子发射的；2.什么是激光工作物质的纵模和横模烧孔效应？他们对激光器工作模式的影响；在非匀称加宽工作物质中,频率为v1 的强光只在v1 邻近宽度约为vH1 I v 1 的范畴内引起I s如有一频率 V 的弱光同反转集聚数饱和,对表观中心频率

13、处在烧孔范畴外的反转集聚数没有影响；时入射,假如频率V 处在强光造成的烧孔范畴之内,就由于集聚数反转的削减,弱光增益系数将小于小信号增益系数；假如频率 V 在烧孔范畴之外,就弱光增益系数不受强光的影响,、而仍等于小信号增益系数；所以在增益系数-频率曲线上,频率为 v1 处产生一个凹陷；此现象称为增益曲线的烧孔效应；烧孔效应一般使激光器工作于多纵模和多横模的情形,不利于提高光的相干性但有利于增加光的能量或功率；3. 锁模的目的和意义及其方法；目的是为了得到更窄的脉冲；方法：主动锁模（振幅调制锁模和相位调制锁模）,被动锁模；4. 简述速率方程所说明的问题及应用情形；它只能给 速率方程表征激光器腔内

14、光子数和工作物质各有关能级上的原子数随时间变化的微分方程组；出激光的强度特性,而不能揭示杰出散频率牵引 效应,也不能给出与激光场的量子起伏有关的特性；对于烧孔效应、兰姆凹陷、多模竞争等,就只能给出粗略的近似描述；5. 简述稳固球面腔中横模形成的过程及分布特点；设想一匀称平面波垂直入射到传输线的第一个孔阑上,第一个孔面波的强度分布应当是匀称的；由 于衍射,再穿过该孔后波前将发生变化,并且波束将产生如干旁瓣,也就是说,已不再是匀称平面 波了；当它达到其次孔时,其边缘部分将比中心部分小；而且其次个孔面将不再是等相位面了；通过其次个孔时,波束又将发生衍射然后经过第三个孔 每经过一个孔波的振幅和相位将发

15、生一次转变,通过如干个孔后, 波的振幅和相位分布被转变成这样的外形,以至于他们不再受衍射的影响；当通过足够多的孔阑时,镜面上的场的振幅和相位分布将不再发生变化,即形成横模；镜面中心附近的场振幅和相位分布可以用厄米特-高斯函数描述； 横模在镜面上振幅分布的特点取决于厄米特多项式和高斯分布函数的乘积；厄米特多项式的零点打算场的节线,厄米特多项式的正负交替变化与6.高斯函数随 X,Y的增大而单调下降的特性打算场分布的外形轮廓；由于 m 阶厄米特多项式有点,因此 TEM mn 横模在 X 方向有 m 条节线,沿 y 方向有 n 条节线；m 个零简述 Q 调制技术原理；为了得到更高的峰值功率和窄的单个脉

16、冲,采纳Q 调制技术；它是通过某种方法是谐振腔的损耗名师归纳总结 因子依据规定的程序变化,在泵浦鼓励刚开头的时候,使光腔具有高损耗因子H,激光器由于阈第 3 页,共 6 页值高而不能产生激光振荡,于是亚稳态上的粒子数便可以积存到较高的水平；然后在适当的时刻,使腔的损耗因子突然降到,阈值也随之突然降低,此时反转集聚数大大超过阈值,手机辐射也快速的增强；于是在极短的时间内上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量,形成一个很强的激光巨脉冲输出；方法：电光调Q,声光调 Q,被动调 Q；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 7. 激光器的组成部分及作用；激光器应当

17、包括光放大器和光谐振腔两部分,但对光腔的作用归结为两点：（1）模式挑选；保证激光器的单模振荡,从而提高激光器的相干性；（2）供应轴向光波模的反馈；8. q 参数的定义及应用q 参数可以用来分析高斯光束的传输问题；现变换；9.电光调剂 q 开关留意的问题用于分析高斯光束的聚焦和准直；分析高斯光束的自再要获得一高峰值功率的窄脉冲,对同步电路的要求是：a 给出牢靠的触发信号去点燃氙灯；b在点燃氙灯的同时,给出一脉冲信号经过一段推迟时间后,退去晶体上的电压, 打开 Q 开关；推迟时间牢靠、 精确、可调；c退电压要快 开关速度快；d晶体上加四分之一波长电压,要求稳固可调；e保证 Q 开关关的准时；YAG

18、 激光器开头工作时泵浦等上有高压,调制是不要碰及 , 试验中激光器输出的光能量高、功率密度大,应防止直射到眼睛；特殊是532nm 绿光；防止用手接触激光器的输出镜,晶体的镀膜面,膜片应防潮；10.简述用扫描干涉仪确定激光器输出光中纵横模的原理扫描干涉仪接受的信号连接到示波器上,拍下示波器上的纵横模分布图；依据干涉序个数和频谱的周期性, 确定哪些模式属于同一个干涉序；在同一个干涉序内,依据纵模的定义,测出纵模频率间隔确定示波器荧光屏上频率增加的方向,一遍确定同一个纵模序数内哪些模是基横模,哪些是高阶横模；测出不同横模的频率间隔观看激光器在远处屏上的光斑外形,辨认出每个横模的序数,即 mn；11.

19、简述 Nd：YAG激光器的结构和输出特性Nd： YAG激光器以 Nd:YAG晶体为工作物质,它属四能级系统,并具有量子效率高、受激辐射面大的优点；其阈值特别小,而且钇铝石榴石晶体仍具有较高的热导率,易于散热,因此 Nd：YAG激光器不仅可以单次脉冲运转,出功率已超过 1000W ,每秒 5000 次重复频率的输出峰值功率已达千瓦以上, 每秒几十次仍可以高重复率或者联系运转；目前, Nd：YAG激光器的最大输重复频率的调 Q激光器的峰值功率可达几百瓦 .；Nd：YAG激光器的应用特别广泛,它主要用在加工方面,用于打孔、切割、划片、焊接、阻值微调、打标和表面改性等；12. Ne 激光器的结构和输出

20、特性He-Ne 激光器的基本结构由激光管和电源两部分组成,其中 ,激光管主要包括放电管、电极和谐振腔三部分 ,放电管是 He-Ne 激光器的核心；放电管通常由毛细管和储气室构成；当在电极上施加高压后 ,毛细管中的气体开头放电 ,使氖原子产生粒子数反转；依据谐振腔与放电管的放置方式不同 ,可分为内腔式、外腔式和半内腔式特点：He-Ne 激光器输出连续光,主要工作波段在可见光到近红外区域,其中 ,最常用的工作波长为632.8nm 红光 ,其次是 1.15 m和 3.39 m以及 1.52 m、543.5nm 等； He-Ne 激光器输出光束质量很名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,

21、共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 高,表现为单色性好 20Hz 和方向性好 Q1mrad；由于增益低,输出功率一般为毫瓦量级0.5100mW ；器件结构简洁,造价低廉；应用：He-Ne 激光器广泛应用于准直、精密计量、信息处理、医疗、照排印刷等领域13. co2 激光器CO2激光器的输出特性有两个显著的特点 :其一是输出功率或能量相当大 ,能量转换效率高；CO2 激光器连续输出功率可达数十万瓦 ,是全部激光器中连续输出功率最高的器件 ;脉冲输出能量可达数万焦 ,脉宽可压缩到纳秒量级 ,脉冲功率密度可达太瓦量级；其二是输出波长分布在 918 m波段 ,已观看到的激光谱线

22、二百多条；其中 ,911 m红外波段中最重要的输出波长 10.6 m处于大气传输的窗口 ,有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用 ,且该波长对人眼安全；14.红宝石激光器从应用观点看 ,红宝石激光器输出可见光极具吸引力,一是由于光电探测器件的响应波长大多位于可见光区 ,而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长就位于近红外区域 ,二是对于全息照相等应用 ,需要使用可见光作为光源；缺点 :能级结构属三能级系统 ,器件阈值高 ;晶体性能随温度变化明显 ,室温下不适于做连续和高重频器件；15.钛宝石激光器激活离子为三价钛离子Ti3+ ,激光波长在660nm1.1 m 叫范畴内连续可调,峰值

23、波长在800nm 邻近,是目前调谐范畴最宽的激光器之一；钛宝石激光器的激光上能级寿命较短,只有3.2 s,用灯泵较困难,通常用氩离子激光、Nd:YAG 倍频激光泵浦；采纳自锁模技术,钦宝石激光器可直接输出脉宽短至 6.5fs 的激光脉冲,这是全部激光器中从谐振腔直接输出的最窄激光脉冲；调谐范畴最宽和锁模脉宽最窄两大特点使得钛宝石激光器成为目前最重要的激光器之一16.N2 激光器氮分子激光器是一种重要的近紫外相干光源；它的输出峰值功率高（ Peak power_45 kW ）,脉冲连续时间短（3.5 ns）,而且结构简洁,制造简洁,因此受到人们的广泛重视；它可以作为有机染料激光器的泵浦光源,可以

24、获得从近红外到近紫外的连续可调激光输出,是激光喇曼光谱仪的一种抱负光源；此外,氮激光器在激光分别同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面也得到广泛应用；由于其短波长更易聚焦得到小光斑,因此被用于加工亚微米量级的元件了,例如光掩模、复杂的集成电路、薄膜电阻的生产；17. 影响模式的因素不同的激光器结构输出模式不同；自发辐射使得谱线加宽,烧孔效应、模式竞争等会使得多纵模输出；不稳固因素的影响使得频率漂移；振荡线宽与纵模间隔之间的关系,纵模间隔大于振荡线宽,可单模输出 . 18. 谐振腔与激光模式之间的关系,由谐振腔结构确定激光模式的常用方法；腔的模式 : 光学谐振腔内可能

25、存在的电磁场的本征态称；场的每一个本征态将具有肯定的振荡频率名师归纳总结 和肯定的空间分布；腔与模的关系：腔内电磁场的本征态应由麦克斯韦方程组及腔的边界条件打算；第 5 页,共 6 页不同类型和结构的谐振腔的模式各不相同；不管是开腔闭腔,一旦给定了腔的详细结构,就其中振荡模- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 的特点也随之确定下来；模的基本特点： 模在腔的横截面内的场分布,模的谐振频率, 模在腔内来回的相对功率损耗；模的光束发散角；常用方法：方形镜共焦腔：输出光斑为轴对称；圆形镜共焦腔,输出的是旋转对称的；环形腔,一般可以实现单纵模振荡；匀称激光器一般为单纵模振荡；非匀称激光器一般为多模振荡；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页