激光复习1.doc

一单项选择1自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命的关系为（B ）2爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（C ） 3自然增宽谱线为（ C ） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型4对称共焦腔在稳定图上的坐标为（B）（A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1）5阈值条件是形成激光的（ C ）（A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定6谐振腔的纵模间隔为（B ） 7锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲8Nd :YAG激光器是典型的（ C ）系统 （A）二能级 （B）三能级 （C） 四能级 （D）多能级9粒子数反转分布状态微观粒子满足（D ） （A） 费米分布（B）高斯分布（C） 玻尔兹曼分布（D）负温度分布10. 平行平面腔在稳定图上的坐标为（ C ）（A）（-1，-1） （B） （0，0） （C）（1，1） （D）（0，1）11调Q激光器通常可获得（ C ）量级短脉冲12红宝石激光器是典型的（ B ）系统 （A）二能级 （B）三能级 （C） 四能级 （D）多能级13.世界上第一台激光器是 （ D ） (A)氦氖激光器 (B)二氧化碳激光器 (C)钕玻璃激光器 (D)红宝石激光器(E)砷化镓结型激光器 14多普勒加宽发生在（C ）介质中（A）固体 （B）液体（C）气体 （D）等离子体15. 锁模激光器输出脉冲功率，为：（ B ）（A） 脉冲数目.（B）纵模数目.（C）横模数目.（D）能级数目 填空1. 光和物质相互作用产生受激辐射时，受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，这些特性是指： 频率、位相、偏振和传播方向。2. . 产生激光的必要条件是：1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构；2)有外界激励源，使激光上下能级之间产生粒子数反转；有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。3. 辐射跃迁是指发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。4. 非辐射跃迁是指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。5. 目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器。6. 稳定腔的一块反射镜的曲率半径R14L，求另一面镜的曲率半径取值范围 简答题：1. 世界上第一台激光器是那年生产出来的？激光器的生产者是谁？是什么激光器？ 1960年美国休斯公司实验室梅曼（Theodore H. Maiman）研制出世界第一台红宝石固态激光器。2. 简述固体激光器和气体激光器在泵浦方式和产生激光机制上的不同 固体激光器通常是光泵浦，而气体激光器通常是电泵浦。固体激光器产生激光通常是脉冲式的，而气体激光器的激光是连续的。 解释下面的概念 24%1三能级体系，四能级体系：1) 三能级系统：如图a，下能级E1是基态能级，上能级E2是亚稳态能级，E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量。2)四能级系统：如图b，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级系统容易得多。三能级系统和四能级系统示意图2自再现模： 在光学谐振腔中，由于反射镜面的大小有限，在对光束起反射作用的同时，还会引起光波的衍射效应，腔内的光束每经过一次反射镜的作用，就使光束的一部分不能再次被反射回腔内。因而反射回来的光束的强度要减弱，同时强度的发布也将发生变化，在镜面边缘处的场振幅比起镜面中心部分的场振幅要小得多。但当反射次数足够多时，具有这种特点的场分布也将不再受衍射作用的影响，形成一种稳定的场分布。这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化只是镜面上各点的场振幅按同样比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。我们称这种存在于镜面处，且往返汉越后仍能再现的稳态光场分布为自再现模，三试列出二能级系统的速率方程组，并证明二能级系统不能产生激光（能级简并度g1=g2）。）四非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 两相邻纵模间的频率差，为了得到单纵模输出，需要进行激光单纵模的选取，请给出两种单纵模选取的具体方法。答：三种方法，给出任意两种即可。(1) 短腔法： 要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度。 (2) 法布里-珀罗标准具法： 如图所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里珀罗标准具 由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率； 式中，c是真空中的光束，m是腔外气体的折射率，m是标准具的折射率，d是标准具的厚度。m 是正整数，f是标准具测面法线与谐振腔轴线之间的夹角。能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为 ； 而谐振腔的纵模频率间隔为。比较Dnm和Dn纵可知，当选择d远小于L时，就可以使Dnm远大于Dn纵，从而使得在整个谱线宽度内只有一个nm具有最大透射率，如果再适当地调整f，就可以使得具有最大透射率的nm正好等于激光器的多个纵模中的某个纵模q所对应的nq。因此只有纵模q对标准具有较高的透射率而形成振荡，其他的纵模都因为对标准具的透射率很低(相当于损耗很大)而不能形成振荡，这就达到了选频的目的。法布里-珀罗标准具法示意图三反射镜法： 如图所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合，两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2m(L1+L2)和c/2m(L2+L3)，只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要选取L2 +L3足够小，就可以获得单纵模输出。三反射镜法五简述调的基本原理，以及两种调技术。 答：通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。任意给出两种调技术即可：电光调Q：激光器发出的激光通过偏振片后成为沿x方向振动的线振偏光。当其往返通过加有l4电压的KD*P晶体时，则返回的沿y方向振动的偏振光波被偏振片吸收。此时，腔的Q值很低，由于外界激励能源的作用，可使介质上能级的粒于数迅速增加，当上能级的粒子数积累到足够数量(远超过下能级的粒子数)的某个时刻，突然除去KD*P晶体上所加的电压，则由激光器输出的激光经偏振片后能自由地往返于谐振腔之间，不改变偏振光振动方向。损耗小，因此腔的Q值很高，从而输出一个激光巨脉冲。声光调Q：将射频电压加在超声发生器上，介质中产生超声场，在介质的另一端用铝作为吸收材料，以防超声反射。当超声发生器产生超声场时，光束按满足布拉格公式的方向偏折，光束偏离谐振腔。此时腔的损耗大，Q值低不能形成激光，而上能级粒子数在外界激励能源的抽运下不断积累实现粒子数反转，当超声场撤去时，光顺利通过均匀的声光介质，此时激光束不发生偏折，腔的Q值高，即发出一个激光巨脉冲。如声光介质以重复频率f产生超声场，则可获重复频率为f的激光脉冲。染料调Q: 它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。 染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。其吸收系数可以由下式表示： 它的调Q作用如下，开始时发射的光强很小，染料强烈吸收。因此Q值低，激光介质上能级粒子数迅速积累。随着腔内光强增加到某值，染料突然被漂白，Q值突变这时激光器输出一个强脉冲。由于漂白是暂时性的，所以染料可以重复使用多次。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光和物质的作用光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，受激跃迁自发辐射自发辐射: 高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子。自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光自发辐射的平均寿命 ：原子数密度由起始值降至它的1/e的时间： 自发辐射(1) 受激辐射：高能级E2上的原子当受到外来能量 的光照射时向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子：光的受激辐射过程(2)受激辐射的特点：只有 当 时，才能发生受激辐射 受激辐射的光子与外来光子的特性一样， 如频率、位相、偏振和传播方向(1) 处于低能级E1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。光的受激吸收过程1 三能级系统：如图a，下能级E1是基态能级，上能级E2是亚稳态能级，E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量。2四能级系统：如图b，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级系统容易得多。三能级系统和四能级系统示意图自再现模概念 在光学谐振腔中，由于反射镜面的大小有限，在对光束起反射作用的同时，还会引起光波的衍射效应，腔内的光束每经过一次反射镜的作用，就使光束的一部分不能再次被反射回腔内。因而反射回来的光束的强度要减弱，同时强度的发布也将发生变化，在镜面边缘处的场振幅比起镜面中心部分的场振幅要小得多。但当反射次数足够多时，具有这种特点的场分布也将不再受衍射作用的影响，形成一种稳定的场分布。这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化只是镜面上各点的场振幅按同样比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。我们称这种存在于镜面处，且往返汉越后仍能再现的稳态光场分布为自再现模，光学谐振腔的作用；光学谐振腔是常用激光器的三个主要组成部分之一，在简单情况下，它是在激活物质两端适当地放置两个反射镜组成。它的作用是提供正反馈，使激活介质中产生的辐射能多次通过介质，当受激辐射所提供的增益超过损耗时、在腔内得到放大、建立并维持自激振荡。它的另一个重要作用是控制腔内振荡光束的持性，使腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中，从而提高单个模式内的光子数，获得单色性好、方向性好的强相干光。通过调节腔的几何参数，还可以直接控制光束的横向分布持性、光斑大小、振荡频率及光束发散角等。产生激光必须具备的三个条件；三个前提条件：(1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构；(2)有外界激励源，使激光上下能级之间产生粒子数反转；(3)有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。概括来说：粒子数反转和光学谐振腔是激光形成的两个基本条件，由激励源的激发在工作物质的能级问实现粒子数反转是形成激光的内在依据，光学谐振腔则是形成激光的外部条件。前者是起决定性作用的，但在一定条件下，后者对激光的形成和激光束的特性也起强烈的影响。 均匀增宽和非均匀增宽，比较均匀增宽和非均匀增宽线型 自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，这种增宽为均匀增宽。其线型分布函数为洛仑兹线型函数。多普勒增宽中，各种不同速度的原子对中不同频率有贡献。不同原子的作用是不同的，这种增宽叫非均匀增宽。其线型函数为高斯分布函数。这两种线型函数都是“钟形”曲线，但它们大不相同。在中心频率处， 高斯曲线的最大值是洛仑兹线型最大值的1.47倍。两种线型函数的比较l 共轴球面腔的稳定性条件是: 共轴球面腔结构示意图1. 常用稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件 ，定义： 2. 共轴球面谐振腔的稳定性条件可改写为: 当 时，共轴球面谐振腔为稳定腔 当 时，共轴球面谐振腔为非稳腔 当 时，共轴球面谐振腔为临界腔共轴球面腔的稳定图1. 稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R140cm，R2100cm，求腔长L的取值范围。答：(a)要制作一个腔长L60cm的对称稳定腔，反射镜的曲率半径取值范围如何？(b)稳定腔的一块反射镜的曲率半径R14L，求另一面镜的曲率半径取值范围。答：(a) (b) 激光单纵模的选取： 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 两相邻纵模间的频率差 ，给出两种单纵模（的选取的方法）。(1) 短腔法： 要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度 。缺点：由于高选频性的标准具总要带来百分之儿的透射损失，因此这种方法对于低增益的激光器(如He-Ne激光器)是不大合适的，但对于高增益的激光器(如CO2激光器)则是十分有效的。(2) 法布里-珀罗标准具法： 如图所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里珀罗标准具 由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率； 式中，c是真空中的光束，m是腔外气体的折射率，m是标准具的折射率，d是标准具的厚度。M 是正整数，j是标准具测面法线与谐振腔轴线之间的夹角。 能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为 ； 法布里-珀罗标准具法示意图三反射镜法： 如图所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2m(L1+L2)和c/2m(L2+L3)只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要选取L2 +L3足够小，就可以获得单纵模输出。三反射镜法调的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获