激光原理与技术各章重点(基本补全)

激光原理与技术期末总复习 第 1 章 1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布) 2.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强) 3.饱和光强 定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的 1/2 时的光强为饱和光强 4.谱线加宽的分类: 均匀加宽和非均匀加宽 两种加宽的本质区别？ 5 激光器泵谱技术的分类: 直接泵谱 缺点：首先从基态 E1 到激光上能级 E3 往往缺乏有效途径，即 B13（对光泵浦）或 13（对粒子泵浦）太小， 难以产生足够的增益；其次即使存在 E1E3 的有效途径，但同一过程可能存在由 E1 到激光下能级 E2 的有效途径， 结果是 W12/W13 太大难以形成粒子反转分布。这些缺点是直接泵浦方式对很多激光器来说是不适用的。 间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式) 间接泵谱的优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而，Ei 上很容易 积累大量的粒子；其次，在有些情况下，将粒子从基态激发到 Ei 的几率要比激发到 Eu 的几率大得多，这就降低了对 泵浦的要求；最后，依据选择定则，可以使 Ei 向 Eu 的弛豫过程比 Ei 向激光下能级 Ei 的弛豫过程快得多 6频率牵引 有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率 7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？ 8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？ 9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度) 10. 证明光谱线型函数满足归一化条件 证明: 1)()()(dgIdIgdII 则 11.激光器的输出特性。 （43 页） ？ 第 2 章 1.光学谐振腔的分类和作用 分类：能否忽略侧面边界，可将其分为开腔，闭腔以及气体波导腔 按照腔镜的形状和结构，可分为球面腔和非球面腔 是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面，可以分为简单腔和符合腔 uuuu S h Ac h I 11 2 2 8 ) 211 ( 2 1 2 1 11 1 u j j i uiH AA N D M T Mc kT 0 72/1 2 0 )1016 . 7 ( )2(ln2 2 1)(dg 根据腔中辐射场的特点，可分为驻波腔和行波腔 从反馈机理的不同，可分端面反馈腔和分布反馈腔 根据构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔 作用：提供轴向光波模的光学反馈； 控制振荡模式的特性 2.光学谐振腔的损耗 分类:几何损耗、衍射损耗、输出腔镜的透射损耗和非激活吸收、散射等其他损耗 计算: 单程损耗： 1 22 L mD ( D 为平平腔镜面的横向尺寸（反射镜的直接） 两镜面直接的小角度 L 两镜面 直接的距离（腔长）) 单程衍射 p59 开始带图 3.推导平平腔的两个相邻纵模的频率间隔 证明： 4.以平-平腔为例理解光学谐振腔横模的形成过程 5. 用 g 参数表示的谐振腔稳定性条件 6高斯光束 高斯光束既不是平面波、也不是一般的球面波，在其传播轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。在传播过 程中其曲率中心和曲率半径不断改变，其振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性，强度集中在轴线附近，且等 相面始终保持为球面。 / 1 2L c qqq 22 2 / 0 qL q L q / 2 / 2L c q q / 1 2L c qqq 10 21 gg 计算: 第 3 章 1.激光器的基本结构 激光器由工作物资、泵浦源、和光学谐振腔三个基本部分构成 工作物资：是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在 泵浦源：为工作物质中实现粒子反转分布提供所需能源，工作物资类型不同，采用的泵浦方式亦不同 光学谐振腔：为激光振荡的建立提供正反馈，同时具有选 模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光束的 质量 2.激光器的分类 工作物质：气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器、化学激光器、自由电子激光器 工作方式：连续输出和脉冲输出 3.He-Ne 激光器按谐振腔与放电管的放置方式分类: 内腔式、外腔式、半内腔式 4、He-Ne 激光器最佳充气条件：最佳充气总气压与最佳 He、Ne 气压比 5、氦氖激光器的谱线竞争及抑制.um 谱线可以采用的方法？ 6.CO2 激光器输出特性的显著特点？ 输出功率或能量相当大，能量转换效率高 输出波长分布在 918m，911m 红外波段中最重要的输出波长 10.6m 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 7、LD 泵谱固体激光器的优点. 光谱匹配性好固体激光器总体效率高固体激光器体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长 8. LD 泵谱固体激光器的结构和原理？ 结构：直接端面泵浦： 光纤耦合端面泵浦： 侧面泵浦: 原理：?？ 9.He-Ne 激光器半内腔式结构中,加入布鲁斯特窗的作用是使激光器可获得线偏振光输出.偏振度一般大于 99%. 第 9 章 2 0 L 2 0 2 0 2 0 )(1)(1)( R z z w w z wzw )(1 )(1 )( 22 2 0 z z z z w zzR R 0 . 0 2 2 f )()( 1 )( 1 2 zw i zRzq 10.调 Q 和锁模的区别（脉宽和峰值功率）,：调 Q 技术是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术 11 调 Q 技术可将激光器脉宽压缩至纳秒量级（峰值功率达 106W 以上）锁模技术则可将激光脉宽进一步压缩至皮秒 或者飞秒量级 12 谐振腔的品质因数 Q 00 0 E2 2=2 Ec/nL nL Q 腔内存储的激光能量 每秒损耗的激光能量 13 调 Q 的基本原理？（267 页）？= 14 调 Q 激光器的储能方式分类？ 工作物资储能调 Q 谐振腔储能调 Q 15 带偏振器的 Pockels 电光调 Q 激光器的结构和工作原理、关键问题和解决的方法？ 结构： 工作原理 关键问题：做好“关门”试验。调 Q 激光器安装好后，给 KD*P 电光晶体加恒定的 V1/4 电压，并绕其光轴转动晶 体，打激光。反复微调电光晶体，直至其 x 轴（或 y 轴）与偏振棱镜的起偏方向平行、同时，适当微调 V/4 电压值， 直至发射激光时，激光器完全不能振荡。说明电光 Q 开关已处于完全闭的状态。 准确调整 Q 开关打开的延时时间。接通电光晶体上的高压退压电路。发射动态激光，微调氙灯开始泵浦到退去 V1/4 电压之间的延迟时间电位器，边测量激光的强弱，边微调延时电位器旋钮，直到激光器输出最强为止 16 可饱和吸收染料调 Q 原理？是利用可饱和吸收介质的吸收特性，将其置于谐振腔内，通过控制腔内的吸收损耗来 实现 Q 值突变。 17 锁模的定义包含的两个方面的内容：各种振荡纵模初相位锁定，即； 1qq 常数 各振荡纵模频率间隔相等并固定为 q=c/2nL 18 锁模脉冲的特性（熟悉）？ 19 实现锁模的主要方法？主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、自锁模 20 相位调制锁模中相位调制器的作用？一种频移,即振荡光波每一次通过相位调制器便会产生一定的频移、除特殊时 刻外没经过调制器的光波频移为零外，其余时刻通过的光波，每经过调制器一次，便产生相对于中心频率 v0 向大或 向小的方向的频移。 21 同步泵谱锁模是通过调制谐振腔内的增益来实现的， 22 同步泵谱锁模的定义和要求？ 用一台锁模激光器输出的锁模脉冲序列为种子脉冲，去泵浦另一台激光器并实习锁 模，称为同步泵浦锁模，要求被泵浦激光器与泵浦激光器两者之间谐振腔长度相等或是其整数倍 23 主动锁模的基本原理？在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变腔内振荡模 的振幅或相位。 第 7 章 1光学倍频的定义 又称光学二次谐波，是指由于光与非线性媒质 （一般是晶体）相互作用,使频率为的基频光转变为 2 的倍频光的现象。这是一种常见而重要的二阶非线性光学效应 2相位匹配因子 )( 4 2 12 1 12 nnkkk 3增大倍频转换效率可采取的措施？倍频转换效率正比于入射的基频光波的光强 I1(0)， 倍频转换效率正比于有效倍频计划系数的平方 d2eff 在k=0 的情况下，即实现相位匹配的条件下倍频转换效率最高 倍频转换效率正比于包含 L 的“sinc”函数的平方 倍频转换效率与非线性晶体的长度有关， 4相干长度 )(42 12 1 12 nnkkk Lc 5实际应用中常采用的两种实现相位匹配的方法？（297 页） （1）角度相位匹配：是使参与非线性相互作用的光波在非线性介质的某个特定方向上传播，该方向上基频光波和倍 频光波的折射率相同。 （2）温度相位匹配：非线性晶体的所有四个参数 n1on1en2on2e 都与温度有关，原因是外部因素的改变会影响晶体的 晶格空间，从而导致折射率的变化。因此对于某些非线性晶体可以通过改变晶体的温度实现相位匹配（k=0） 。当然 这种情况下 的选取也很重要，一般情况下温度相位匹配选在 =90的情况下实现，通过改变飞线性晶体的温度 可以在不同的波长处满足k=0 和 =90的条件。这种实现 90方向上的相位匹配方法也称为非临界相位匹配，实 现 90相位匹配所需的温度称为相位匹配温度。在非临界相位匹配条件下，倍频离散效应不再存在 6倍频工作物质的选择原则？（303 页） 1.不具有对称中心 2.具有较大的非线性极化系数 3.能以一定的方式实现相位匹配 4.所