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激光物理学 复习提要 1 激光的应用有哪些 举出实际例子 并说明运用了激光的那些特性 激光手术刀 激光武器 高能光束 激光测距 高度定向及光束稳定性 2 按工作物质来分 激光器的种类主要有哪些 激光器的基本结构由哪几 部分组成 根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类 固体激光器 晶体玻璃 这类激光器所采用的工作物质 是通过把能 够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心 而制成的 气体激光器 它们所采用的工作物质是气体 并且根据气 体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同 而进一步区分为 原子气体激光器 离子气体激光器 分子气体激光器 准分子气体激光 器等 液体激光器 这类激光器所采用的工作物质主要包括两类 一 类是有机荧光染料溶液 另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液 其中金属离子 如Nd 起工作粒子作用 而无机化合物液体 如SeOCl 则起基质的作用 半导体激光器 这类激光器是以一定的半导体材料 作工作物质而产生受激发射作用 其原理是通过一定的激励方式 电注入 光泵或高能电子束注入 在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级 之间 通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转 从而产生光的受激发 射作用 自由电子激光器 这是一种特殊类型的新型激光器 工作物 质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束 只要改变自由 电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射 原则上其相干辐射谱可 从X射线波段过渡到微波区域 因此具有很诱人的前景 每一种激光器都必须有激励源 工作物质和谐振腔这3个基本组成部分 3 激光为什么具有很好的单色性 相干性 方向性和高亮度的特点 试分别 阐述激光具有以上这些优越特性的缘故 为什么说普通光源是非相干光源 激光是相干光源 激光发射的各个光子频率相同 因此激光是最好的单色光源 激光是一种单色光 频率范围极窄 发散角很小 只有几毫弧 激光束几乎 就是一条直线 由于受激辐射的光子在相位上是一致的 再加之谐振腔的选模作用 使激光 束横截面上各点间有固定的相位关系 所以激光的空间相干性很好 普通光源发光特点 每个原子一次发光只能发出频率一定 振动方向一定而 程度有限的光波 波列 即原子发光有无序性 所以同一个原子先后发出 的波列之间 不同原子发出的波列之间都没有固定的相位关系 振动方向和 频率也不尽相同 故两个独立的普通光源发出的光不是相干光 4 激光器激励能源 泵浦源 最常见的激励方式有哪些 氦氖激光器所采 用的是那种激励方式 红宝石所采用的是那种激励方式 泵浦源 泵浦源也称激励源 是为实现粒子数反转提供能量的装置 根据激 励时间利用的能量形式 泵浦方式有放电激励 光激励 红宝石 热能激励 化学能激励和核能激励等 5 光学谐振腔对激光形成起到了什么作用 谐振腔的作用是选择频率一定 方向一致的光作最优先的放大 而把其他频 率和方向的光加以抑制 光学谐振腔的作用有 提供反馈能量 选择光 波的方向和频率 谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模 按频率区分 的称纵模 按方向区分的称横模 两反射镜的曲率半径和间距 腔长 决定 了谐振腔对本征模的限制情况 不同类型的谐振腔有不同的模式结构和限模 特性 6 形成稳定输出激光的内在条件是什么 激活介质 外在条件是什么 谐 振腔 与激活介质和谐振腔相匹配的激励能源 能够实现粒子数反转的介质称为激活介质 要造成粒子数反转分布 首先要 求介质有适当的能级结构 其次还要有必要的能量输入系统 7 原子所发射的每一条光谱线的频率 或波长 并不是单一的 实际的光 谱线都具有一定的宽度 遭成光谱线自然增宽的原因是什么 造成光谱线碰 撞增宽原因是什么 造成光谱线多普勒增宽的原因是什么 某原子的某条 光谱线的谱线宽度又称为荧光线宽 激光物理学中称为光谱线的增益宽度 比如 氖原子632 8nm谱线的增益宽度 1500MHz 自然线宽 它是原子的内禀特性 即在跃迁中所涉及到的能级的特性 多普勒增宽 它是原子无规则热运动的结果 碰撞增宽 它是原子间 相互作用的结果 8 爱因斯坦辐射理论 光与物质相互作用三个基本过程 认为光在传播过程和与物质相互作用的过程中 能量不是分散的 而是一份 一份地以能量子的形式出现的 分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射 不断进行能量交换来维持的对于物质中处于较低能级的粒子而言 可以吸收 特定频率的光子的能量而跃迁到较高的能级 这种过程 称为粒子对入射光场 的受激吸收过程 通常我们称为吸收过程 对于物质中处于较高的能级粒子 而言 它可以通过两种方式向外界发射出特定频率的光子 其中一种不依赖于 外界光场的方式 自发地辐射出一个特定频率的光子而跃迁到较低能级 即 v F 一F 型宁 此过程称为自发辐射过程 而另一种则是在外界一定频率的光 人射作用下 被迫受激地辐射出一个特定频率 与入射光子频率相同 的光子 而跃迁到较低能级 此过程称为受激发射过程 9 为什么把基模激光束称为高斯光束 试描述高斯光束的光束特性 1 波阵面上 通常指光束横截面 的振幅 或光强 分布特点 2 光束传 播特点 提示 从光束的发散情况说明 是平行 发散还是汇聚 光束传 播的规律 3 该光束波阵面的形状与分布情况 并且画出高斯光束横 截面的光强按光斑半径 的分布曲线 原点为圆形光斑的中心 激光谐振腔发出的基模辐射场 其横截面的振幅分布遵守高斯函数 故称 高斯光束 10 在实际应用激光时 需要了解激光器的模式状态 例如 在全息照相实 验中所使用的激光器的模式状态必须是怎样的 单纵模输出 基横模输 出 基基横模横模输出输出 11 在激光模谱分析实验中 如果我们观察到激光的模式谱线不稳定 说明 其输出谱线的频率不稳定 试说明造成这种现象的主要因素是什么 由于整个驻波腔长发生了变化导致的 导致腔长变化的因素有很多 但主要 的还是激光辐射过程中伴生的热量导致的热透镜效应 所以一般增强增益介 质的散热均匀性可以改善纵模的稳定性 12 要获得单色性和相干性良好的激光 这就要求激光器必须是单纵模并且 是稳定输出 要实现激光由多模振荡转变为单纵模振荡 由不稳定的输出成 为稳定激光输出 就要运用激光的选模 选频 技术和稳频技术来实现 13 什么是 三能级系统 指介质中只有三个能级参与实现粒子数反转 四能级系统 指介质中只有四个能级参与实现粒子数反转 对各个能 级的 平均能级寿命 的要求怎样 的大小或是基态 激发态 亚稳态 能级 之间的跃迁情况 辐射跃迁 非辐射跃迁 简述 三能级系统 四能 级系统 是如何形成 粒子数反转 的 课本课本p32p32 14 光在谐振腔内往返传播中形成激光纵模 即基横模 它必须满足什么 条件 即形成的主要原因 在激光器中只有增益介质增益谱宽范围内 的光才可以得到放大输出 形成高阶横模的主要原因是什么 在光学谐振腔中为了使光能稳定存 在 必须要满足驻波条件 满足驻波条件的波长 2nl q n为折射率 l为谐振腔长 q为整数 满足谐振条件沿轴线纵向方向形成的驻波场即为谐振腔的本征模 式 通常把该本征模式称为谐振腔的纵模 由于q的取值不受限制 所 以初始纵模数很多 纵模的频率只有落在增益介质的增益谱宽范围内才可以得到放大 设增益谱范围为x1到x2 则只有满足条件x1 2nl q x2的纵模才可以放 大输出 满足上述条件的整数q的个数就是激光器输出的纵模的个数 当q的 取值只有一个的时候就是单纵模输出 当满足条件的q的取值不只一个 时就形成了多纵模了 15 爱因斯坦辐射理论指出光与物质相互作用时三个基本过程总是同时存在 的 普通光源与激光只是在一定的条件下 是自发辐射为主的还是以受激辐 射为主的光源 普通光源自发辐射为主 激光以受激辐射为主 因为泵浦激光介质 使处于集居数反转状态 谐振腔起到反馈和选 模作用 泵浦 激光介质 谐振腔这三大因素 使得激光能够实现以受激辐射为主的 光子简并 度极高的工作状态 16 了解当光在介质中传播 比如沿轴方向 的规律为 这 就是光吸收的朗伯定律 当光在增益介质中传播 比如沿 轴方向 的规律 在激光物理中推导得到光强沿轴传播的规律为 为增益介 质的增益系数 其中光吸收系数和增益系数是与介质的能级结构有关的 参量 综合 I z I 0 exp n2 2 1 1 21 h z 当 0时 为负值 总体表现为光 的吸收 当 0时 为正值 总体表现为光 的放大 17 激光的工作物质必须具备合适的能级结构 又称为激活介质 理论和 实验都表明 三能级系统 指物质有三个能级参与实现粒子数反转 和 四能级系统 才能够实现粒子数反转分布的介质 即能实现上能级粒子数 密度 下能级粒子数密度 画出 三能级系统 能级间的辐射跃迁示 意图 在图中标出 相应的平均能级寿命 并说明那 个能级是亚稳态能级 哪个是基态 那个激发态能级的平均寿命较小 或较 大 图中符号 或 以及 戴箭头的虚线 的各能级间跃迁的含 义 如抽运 无辐射跃迁 辐射跃迁 是什么 用符号 标出 与间的各能级辐射跃迁 试简述 三能级系统 是如何实现粒子数反转 分布的 为便于说明 图中可标出各个能级 以及相应的粒子 数密度n1 n2 n3 同同1313题 题 p32p32 18 对已知腔长的基模激光器和已知输出谱线的增益宽度为 试求其相 邻纵模频率间隔是多少 为 c 2 L为腔长 可能形成的纵模个数是多 少 n 1 对于给定腔镜曲率半径的激光器 计算其相邻横模频率间隔 是多少 为 ccos 1 g 1g2 2 g1 g2为曲率半径 19 在测量激光器的发散角时 实验中我们测得某激光器的传播距离位置 并测 定出光束在该位置的光斑半径为 试计算该激光器的远场发散角为多少 弧度 rad 因为发散角很小 2 20 自发辐射时 原子在上能级 2 E上的粒子数密度 2 n随时间的变化规律为 21 220 At n tn e 其中 20 n为0t 时的上能级 2 E上的粒子数密度 21 A为自发辐射系数 试证明 自 发辐射的平均能级寿命 2 与自发辐射系数 21 A的关系为 2 21 1 A 证明 定义粒子数n2 t 衰减为 t 0 时的1 e 时所用时间为平均能级寿命 则令e 21t 1 e 不难得到 2 t 1 21 21 根据微观粒子运动必须满足测不准关系的原理 即粒子能量与时间这一共轭量的关系为 2 n h Et 对于原子能级系统而言 粒子能量的不确定量对应于原子在该能级上能量的不 确定范围 N E 即某激发态的能级宽度 而时间的不确定量则对应于原子能级的平均寿命 N 即 原子在该能级停留的平均时间 设原子某一激发态 2 E的能级宽度为 2 E 2 E能级的平均寿命为 2 基态 1 E的能级宽度为零 试证明该原子 2 E与 1 E能级之间辐射跃迁的光谱线的自然增宽为 1 2 N N 课本课本 p18p18 22 全息照相和普通照相在实验过程中有相同之处 但理论上 实验和再现 方法上都有着本质的区别 普通照相是建立是以光沿直线传播为基础的理论 而全息照相是建立是以光的干涉为基础的理论