激光原理复习知识点

一 名词解释 1 损耗系数及振荡条件损耗系数及振荡条件 即 为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内0 m So I g I o g 的平均损耗系数 2 线型函数线型函数 引入谱线的线型函数 线型函数的单位是 S 括号中的表示线型函 p vp vv g 0 0 v 数的中心频率 且有 并在加减时下降至最大值的一半 按上式定义的 1 g 0 vv 0 v 2 v 称为谱线宽度 v 3 多普勒加宽多普勒加宽 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 4 纵模竞争效应纵模竞争效应 在均匀加宽激光器中 几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争 结果总 是靠近中心频率的一个纵模得胜 形成稳定振荡 其他纵模都被抑制而熄灭的现象 0 v 5 谐振腔的谐振腔的 Q 值值 无论是 LC 振荡回路 还是光频谐振腔 都采用品质因数 Q 值来标识腔的特性 定 义 为储存在腔内的总能量 p 为单位时间内损耗的总能量 为腔内电 p v P wQ 2 v 磁场的振荡频率 6 兰姆凹陷兰姆凹陷 单模输出功率 P 与单模频率的关系曲线 在单模频率等于 0 的时候有一凹陷 称作 q v 兰姆凹陷 7 锁模锁模 一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施 总是得到多纵模输出 并且由于空间 烧孔效应 均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模 但如果使各个振荡的纵模模式的频率间 隔保持一定 并具有确定的相位关系 则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲 这种使 激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模 8 光波模光波模 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 控制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 谱线加宽谱线加宽 实际中的谱线加宽由于各种情况的影响 自发辐射并不是单色的 而是分布在中心频 率附近一个很小的频率范围内 这就叫谱线加宽 12EE 11 频率牵引频率牵引 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 在外界激励下 物质处于非平衡状态 使得 n2 n1 19 增益系数增益系数 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 在抽运速率一定的条件下 当入射光的光强很弱时 增益系数是一个常数 当入射光 的光强增大到一定程度后 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均匀的 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 24 菲涅尔数菲涅尔数 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目 表征损耗的大 小 衍射损耗与 N 成反比 25 自在现模 把开腔镜面上经一次往返能再现的稳态场分布称为自在现模或横模 26 损耗系数损耗系数 光通过单位距离后光强衰减的百分数 27 自激振荡 不管初始光强多微弱 只要放大器足够长 就总能形成确定大小的光强 Im 满足振荡 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 vz运动时 接收 器测得的光波频率变为 略 29 多普勒加宽多普勒加宽 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 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附近一个很小的 频率范围内 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 一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比 用于表示 谱线的形状 33 均匀加宽 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贡献 34 非均匀加宽 原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贡献 因而可以 区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的 包括气体工作物质中的多普勒加宽和固体 工作物质中的晶格缺陷加宽 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 不满足阈值条件 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均匀分布称为空间烧孔效应 38 自选模 设三个纵模 v1 v2 v3 同时起振 随着振荡的持续光强 I1 I2 I3 逐渐增大 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 最后仅剩下最接近中心频率 vo 的一个纵模维持自激振荡 这一现象称 39 模式的空间竞争模式的空间竞争 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 具有一定的谱线宽度 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定因素 纵模频率本身 的漂移远远大于极限线宽 41 总量子效率 发射荧光的光子数 工作物质从光泵吸收的光子数 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 P z t 较 E z t 落后 的时间 T2即是横向弛豫时间 43 驰豫振荡驰豫振荡 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 激励越强 则短脉冲之间的时间间隔越小 称作 44 反兰姆凹陷 在饱和吸收稳频中 把吸收管放在谐振腔内 并且腔内有一频率为 1 的模式振荡 若 1 0 购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔 若 1 0 刚正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔 若作出光强一定时吸收系数和振荡 频率的关系曲线 则曲线出现凹陷 激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰 二 简答题 1 谱线加宽的类型 什么是均匀加宽 非均匀加宽 他们各自的特点是什么 谱线加宽的类型 什么是均匀加宽 非均匀加宽 他们各自的特点是什么 类型 均匀加宽 自然加宽 碰撞加宽 晶格振动加宽 非均匀加宽 多普勒加宽 晶格缺陷加宽 综合加宽 均匀加宽及特点 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贡献 非均匀加宽特点 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贡献 因 而可以区分谱线中的某一频率范围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 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 在非均匀加宽工作物质中 频率为的强光只在附近宽度约为的范围内引起 v1v1 I I v s v H 1 1 反转集聚数饱和 对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集聚数没有影响 若有一频率 V 的弱光 同时入射 如果频率 V 处在强光造成的烧孔范围之内 则由于集聚数反转的减少 弱光增益系数 将小于小信号增益系数 如果频率 V 在烧孔范围之外 则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 频率为处产生一个凹陷 此现象称为增益曲 v1 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况 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 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况 简述速率方程所说明的问题及应用情况 速率方程表征激光器腔内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 它只能 给出激光的强度特性 而不能揭示出色散 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 则只能给出粗略的近似描述 5 简述稳定球面腔中横模形成的过程及分布特点 简述稳定球面腔中横模形成的过程及分布特点 设想一均匀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该是均匀的 由于衍射 再穿过该孔后波前将发生变化 并且波束将产生若干旁瓣 也就是说 已不再是均匀 平面波了 当它达到第二孔时 其边缘部分将比中心部分小 而且第二个孔面将不再是等相位面 了 通过第二个孔时 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 生一次改变 通过若干个孔后 波的振幅和相位分布被改变成这样的形状 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决定场的节线 厄米特多项式的 正负交替变化与高斯函数随 X Y 的增大而单调下降的特性决定场分布的外形轮廓 由于 m 阶厄米 特多项式有 m 个零点 因此横模在 X 方向有 m 条节线 沿 y 方向有 n 条节线 TEMmn 6 简述简述 Q 调制技术原理 调制技术原理 为了得到更高的峰值功率和窄的单个脉冲 采用 Q 调制技术 它是通过某种方法是谐振腔的损耗 因子按照规定的程序变化 在泵浦激励刚开始的时候 使光腔具有高损耗因子 激光器由于阈 H 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累到较高的水平 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 手机辐射也迅速的 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 7 激光器的组成部分及作用 激光器的组成部分及作用 激光器应该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 模式选择 保证激光器的单模振荡 从而提高激光器的相干性 2 提供轴向光波模的反馈 8 q 参数的定义及应用参数的定义及应用 q 参数可以用来分析高斯光束的传输问题 用于分析高斯光束的聚焦和准直 分析高斯光束的自 再现变换 9 电光调节电光调节 q 开关注意的问题开关注意的问题 要获得一高峰值功率的窄脉冲 对同步电路的要求是 a 给出可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延迟时 间后 退去晶体上的电压 打开 Q 开关 延迟时间可靠 准确 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 要求稳定可调 e 保证 Q 开关关的及时 YAG 激光器开始工作时 泵浦等上有高压 调制是不要碰及 实验中激光器输出的光能量高 功率密度大 应避免直射到眼睛 特别是 532nm 绿光 避免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 根据干涉序个数和频 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 根据纵模的定义 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 观察激光器在远处屏上的光斑形状 辨认出每个横模的序数 即 mn 11 简述简述 Nd YAG 激光器的结构和输出特性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 其阈值非常小 而且钇铝石榴石晶体还具有较高的热导率 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 每秒几十次还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 激光器的应用非常广泛 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特性激光器的结构和输出特性 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 毛细管中的气体开始放电 使氖原子产生粒子数反转 按照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 高 表现为单色性好 20Hz 和方向性好 Q 1mrad 由于增益低 输出功率一般为毫瓦量级 0 5 100mW 器件结构简单 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 是所有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 9 18 m 波段 已观察到的激光谱线二百多条 其中 9 11 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 一是因为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则位于近红外区域 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 钛宝石激光器钛宝石激光器 激活离子为三价钛离子 Ti3 激光波长在 660nm 1 1 m 叫范围内连续可调 峰值波长在 800nm 附近 是目前调谐范围最宽的激光器之一 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 采用自锁模技术 钦宝石激 光器可直接输出脉宽短至 6 5fs 的激光脉冲 这是所有激光器中从谐振腔直接输出的最窄激光脉 冲 调谐范围最宽和锁