激光小结整理.doc

第一章主要内容：1.光的波粒二象性。2. 原子的能级和辐射跃迁。3. 光的受激辐射。4. 光谱线宽度5. 激光形成的条件。1. 光的偏振特性：激光器的输出多为线偏振光，而普通光源发出的光基本上是自然偏振光。2. 真空中光速、频率和波长之间的关系：3. 平面波的行波方程：4. 光子的能量公式： ，光子能量公式在研究激光的激发时是经常用到的。5. 表征电子运动状态的四个量子数：主量子数、辅量子数、磁量子数、自旋量子数。6. 波尔兹曼定律（统计规律）：7. 辐射跃迁与非辐射跃迁的主要区别：辐射跃迁伴随光子的发射或吸收，遵守跃迁选择定则；而非辐射跃迁并不伴随光子的发射和吸收，不遵守跃迁选择定则。8. 普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式：9. 自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系：10. 受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度比：11. 多普勒效应引起的频率改变：12. 自然增宽 、碰撞增宽、多普勒增宽之间的关系：综合增宽是均匀增宽和非均匀增宽的迭加。均匀增宽包括自然增宽和碰撞增宽，其线型函数为洛伦兹函数。非均匀增宽主要是多普勒增宽，其线型函数为高斯函数。气体激光器中自然增宽要远小于碰撞增宽和多普勒增宽。固体激光器中均匀增宽主要是自然增宽。13. 工作介质中光强衰减公式：14. 工作介质中光强增益公式：15. 产生激光必须具备的三个条件：工作物质、激励源、谐振腔。 第二章主要内容：1. 激光器的主要组成部分光学谐振腔及其稳定性。2. 激光器工作过程的数学模型速率方程。（1）粒子数密度反转条件（2）均匀介质中的增益系数和增益饱和（3）非均匀介质中的增益饱和（4）激光器的损耗和阈值条件1.共轴球面谐振腔的稳定条件：2.三能级系统和四能级系统的受激发光过程图(2-6)）n的饱和效应曲线.三能级系统：如图(2-4a)，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。.四能级系统：如图(2-4b)，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.图(2-4) 三能级系统和四能级系统示意图3.均匀增宽介质中粒子数密度反转分布表达式：4. 均匀增宽介质增益系数表达式：5. 现象：光波I使均匀增宽型介质对各种频率的光波的增益系数都下降同样的倍数；而对非均匀增宽型介质它只能引起某个范围内的光波的增益系数下降，且下降的倍数不同。6. 原因：在均匀曾宽情况下，每个粒子对谱线不同频率的增益都有贡献；在非均匀曾宽情况下，单个粒子仅对特定频率处的增益有贡献。图(2-14) 非均匀增宽型激光器中的增益饱和图(2-8) 均匀增宽型增益饱和曲线7. 获得激光所要求的双程放大倍数表达式： 第三章主要内容：1.光学谐振腔的衍射理论.2.对称共焦腔内外的光场分布.3.高斯光束传播特性4. 稳定球面腔的光束传播特性5.激光器的输出功率6.激光器的线宽极限.7.激光光束质量的品质因子M2.1.本征函数 和本征值 所代表的含义：（1）本征函数 的模代表对称开腔任一镜面上的光场振幅分布，幅角则代表镜面上光场的相位分布。（2）本征值 的模反映了自再现模在腔内单程渡越时所引起的功率损耗，幅角与自再现模腔内单程渡越后所引起的总相移有关。 2. 激光谐振腔的谐振频率公式：3. 基横模（TEM00）的光强分布是高斯线型。4. 高斯光束的束腰半径表达式：5. 有效截面半径表达式：6. 远场发散角的表达式 ：7. 任意一个满足稳定性条件的球面腔唯一地与一个共焦腔等价。 假设双凹腔两镜面M1与M2的曲率半径分别为R1和R2，腔长为L，而所要求的等价共焦腔的共焦参数为f。以等价共焦腔中点为z坐标的原点，M1、M2两镜的z坐标为z1和z2，如图(3-10)所示，则有：如果R1、R2、L满足 ，不难证明z10、z20、f0，这说明给定稳定球面腔可唯一确定一个等价共焦腔。 8.兰姆凹陷：图(3-14) P（）曲线与“兰姆凹陷” 图(3-15) “兰姆凹陷”与管中气压的关系9. .荧光线宽产生的原因:(1) 能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度;(2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度(或压力宽度)。(3)发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。图(3-16) 荧光谱线与理想的单色激光谱线实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物质的荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽。10. 理想激光器的线宽: 激光器稳定工作时，其增益正好等于总损耗。受激过程中产生的光波与原来光波有相同的位相，所以新产生的光波与原来的光波相干叠加，使腔内光波的振幅始终保持恒定，相应的就有无限长的波列，故线宽应为“0”。 如果激光器是单模输出的话，那么它输出的谱线应该是落在荧光线宽 范围内的一条“线” 。图(3-17) 激光的极限线宽11. 造成激光器线宽的原因:首先是内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射，激光器的增益应该包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，激光器内的能量平衡，应该是介质的受激辐射增益与自发辐射增益之和等于腔的总损耗，因而受激辐射的增益应略小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都存在一定的衰减率，正是这种衰减造成了一定的线宽。另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后位相无关的波列，这些波列和相干的波列的光强相叠加，使腔内的光强保持稳定。而这样一些一段一段的互相独立的自发辐射的波列也要造成一定的线宽。外部原因包括：温度波动、机械振动、工作气体压力和温度变化、荧光谱线漂移等12. 描述激光光束品质的M2因子定义： 第四章主要内容：1.激光器输出的选模2.激光器的稳频3.激光束的变换4.激光调制技术5.激光偏转技术6.激光调Q技术7.激光锁模技术1. 激光单纵模选取的基本方法 短腔法。激光单横模选取的基本方法 光阑法。2. 稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比 复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 3.兰姆凹陷法稳频基本原理： 注意事项：第一、激光器的激励电源 是稳压和稳流的。第二、氖的不同同 位素的原子谱线中心有一定频差。第 三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两 侧的斜率大小有关。4.高斯光束入射到短焦距透镜时的变换公式： 入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f 时的变换公式：高斯光束通过倒置望远镜系统的远场发散角压缩比表达式 ：5. 电光调制是利用电光晶体折射率随外加电场的变化而变化的特点来实现的。6. 电光偏转是利用电光晶体折射率在外加电场作用下发生变化来实现的；声光偏转是通过声波与介质相作用使折射率发生周期性变化来实现的。7. 用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术，可通过调节反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和投射损耗等实现。8. 非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大小可写成 9. 则总的输出为 ，各纵模为非相干叠加。10. 锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，则激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。 图4-30 锁模光强脉冲 第五章主要内容：1.固体激光器2.气体激光器3.染料激光器4.半导体机光器5.其他激光器1.固体激光器的特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达几十太瓦），结构紧凑牢固。 2.固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固。红宝石激光器输出的典型波长：694.3nm。YAG激光器输出的典型波长：1064nm。3.气体激光器的特点是：输出光束的质量好（包括：单色性、相干性、光束方向和稳定性）。 4.气体激光器的特点是：输出光束的质量好。He-Ne激光器输出的典型波长：632.8nm。CO2激光器输出的典型波长：9.6 m 和10.6m。Ar+激光器输出的典型波长：488nm，514.5nm。5. 染料激光器的特点是：波长调谐范围宽，输出功率较大，光束质量较好。 6. 半导体激光器的特点是：结构简单、体积小、效率高、价格便宜。 7. 准分子激光器中，准分子从激发态向基态的跃迁可以说是从束缚态向自由态（弱束缚态或排斥态）的跃迁。. 自由电子激光器中，运动速度接近光速的电子通过周期性变化的磁场或电场时会产生相干辐射。化学激光器中，工作物质本身化学反应释放的能量成为激发能。 图(5-33) 准分子的能级结构 第七章主要内容：1.激光热加工原理2.激光表面改性技术3.激光去除材技术4.激光焊接5.激光快速成型技术6.其他激光加工技术。1.激光加工：激光束作用于物体表面而引起的物体成形或改性的加工过程，主要包括激光热加工和激光光化学反应加工。2.激光与材料的相互作用过程主要包括：光的吸收、材料加热、熔化与汽化、等离子屏蔽以及复合过程。3.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：(1) 材料对激光的吸收 (激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收).(2) 材料的加热(透入材料内部的光能主要对材料起加热作用).(3) 材料的熔化与汽化 (激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小；激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化).(4) 激光等离子体屏蔽现象 等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合（吸收、散射、折射)4.激光与材料的相互作用过程主要包括：光的吸收、材料加热、熔化与汽化、等离子屏蔽以及复合过程。5.激光表面改性技术：材料表面局部快速处理工艺的一种新技术，包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。 6.激光淬火与激光熔凝技术的作用：提高金属表面硬度。7.何种离焦方式能够获得较理想的打孔效果： 8. 激光焊接：是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。它和传统的焊接技术一样，通过将材料连接区的部分熔化而将两个零件或部件连接起来。9. 激光焊接相对于传统方式的优点：1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接2）在激光焊接过程中无机械接触，易保证焊接部位不因热压缩而发生变形3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。10.激光焊接主要有热导焊和深熔焊两种。11.激光热导焊中是通过热传导的方式将材料表面的热量向下传播，激光深熔焊中由于材料汽化而形成匙孔，使得激光束能够直接照射到材料表面以下较深的部位。12.快速成型技术的基本工作原理是：离散、堆积。 第八章主要内容：1.激光与生物体的相互作用2.激光在临床治疗中的应用3.激光在生物体检测及诊断中的应用4.医用激光设备5.激光应用于医学的未来1. 生物体光谱学之窗：700nm1500nm。2. 激光对于受照射组织的作用主要包括：即热力作用、 机电作用、激光消融作用、光化学作用。3. 激光应用于皮肤及整形外科时，在波长选择上必须考虑病变细胞的吸收系数与皮肤组织光穿透深度两个因素。4. 准分子激光用于治疗近视是利用了该波长穿透深度浅，所以容易实现精密切割的特点。5. 光学CT是利用下图中哪中光线进行断层扫描成像的？6.相对于普通的实心光纤，空心光纤更容易实现较大功率激光的传输，而且能够提供更宽的波长适用性。 第九章主要内容：1.光纤通信系统中的激光器和光放大器2.激光全息三维显示 3.激光存储技术4.激光扫描和激光