激光原理重点PPT课件

期末复习 1 考试题型2 知识重点回顾3 习题分析 1 1 考试题型 1 选择题 10分2 填空题 40分3 名词解释 12分4 计算题 38分 2 2 知识重点回顾 第一章1 激光与普通光源的相比有三个主要特点 即方向性好 相干性好 高亮度 2 辐射跃迁 因发射或吸收光子从而使原子的能级间发生跃迁的现象 3 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者吸收别的原子传递给他的能量 4 单色辐射能量密度 辐射场中单位体积内 频率在 附近的单位频率间隔中辐射的能量 5 普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式 6 光与物质相互作用的三种基本过程 自发辐射 受激辐射 受激吸收 3 2 知识重点回顾 第一章7 受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同 频率相同 相位相同 偏振方向相同 传播方向相同 8 爱因斯坦系数之间的基本关系 9 均匀增宽 碰撞增宽 自然增宽 的线型函数为洛伦兹线型函数 非均匀增宽 多普勒增宽 的线型函数为高斯线型函数 10 产生激光的三个必要条件 增益介质 外界激励源 光学谐振腔 11 光学谐振腔的作用 1 延长增益介质 2 控制光束的传播方向 3 选择激光振荡频率 4 2 知识重点回顾 第二章1 稳定腔 腔中任一束旁轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光 称为稳定腔 2 共轴球面腔的稳定性条件3 稳定图的应用4 三能级系统与四能级系统的特点5 速率方程组6 粒子数密度反转分布及其饱和效应7 增益饱和8 激光谐振腔内的光损耗分为两类 内部损耗 镜面损耗 5 2 知识重点回顾 第三章1 自再现模积分方程的本征函数解的模代表对称开腔任意镜面上的光场振幅分布 辐角则代表镜面上光场的相位分布 2 自再现模积分方程的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 本征值辐角与自再现模腔内单程渡越后所引起的总相移有关 3 横模 自再现模积分方程的本征函数解表示激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布 就是自再现模 通常叫作横模 4 纵模 激光谐振腔中形成的每一列驻波称为一个纵模 5 纵模频率间隔 6 高斯光束基膜半径随传播距离按双曲线规律变化 7 共焦腔镜面上的光场分布 8 高斯光束的特征参量 束腰半径和远场发散角 6 2 知识重点回顾 第三章9 稳定球面腔的等价对称共焦腔任意一个对称共焦腔场有无穷多个等相位面 因为存在无穷多个等价的球面腔 任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一地与一个对称共焦腔等价 10 线宽极限 由自发辐射因素造成的激光线宽 11 激光光束质量的品质因子基横模高斯光束的品质因子等于1是品质因子的极小值 7 2 知识重点回顾 第四章1 纵模竞争 通过增益饱和效应 使某个纵模逐渐把别的纵模振荡抑制下去 最后只剩下该纵模振荡的现象 2 纵模的选取方法 短腔法 F P标准具法 三反射镜法 3 横模的选取方法 光阑法 聚焦光阑法 腔内望远镜法 4 激光频率的稳定性包括两个方面 一是频率稳定度 二是频率复现度 根据实际需要和现实技术水平 一般希望稳定度和复现度都能在10 8以上 5 主动稳频的方法 兰姆凹陷法 饱和吸收法 6 激光束的透镜变换和普通光束透镜变换的异同 7 激光调Q技术 8 2 知识重点回顾 第四章8 锁模技术 锁模技术强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定 使各模式相干叠加以得到超短激光脉冲的技术 采用锁模技术可以将激光脉冲压缩到飞秒量级 第五章1 激光器的泵补方式有哪些 固体 气体 染料 半导体激光器为什么采取各自不同的泵浦方式 2 谱线竞争 在同一个激光器中 可能有多条激光谱线 而这些谱线可能对应同一个激光上能级 其中一条谱线产生振荡以后 用于其他谱线的反转粒子数减少 将使其他谱线的增益和输出功率降低 甚至完全被抑制 这就是谱线的竞争效应 9 激光器的泵补方式有哪些 固体 气体 染料 半导体激光器为什么采取各自不同的泵浦方式 激励方式有电注入 电子束激励和光泵浦三种形式 固体激光工作物质是绝缘晶体 一般都采用光泵浦激励 目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯 气体激光器则主要通过高压放电进行泵浦 此方法易于操作且效果甚好 染料分子的光辐射特殊性及其三重态 陷阱 故采用激光脉冲泵浦或闪光灯泵浦 半导体激光器为了使其在导带底和价带顶形成粒子数反转 往往利用其他激光器发出的激光作光泵激励 替代了以往用氪灯或氙灯泵浦激光晶体 10 3 习题分析 第一章 2 热平衡时 原子能级E2的数密度为n2 下能级E1的数密度为n1 设g1 g2 求 1 当原子跃迁时相应频率为 3000MHz T 300K时n2 n1为多少 2 若原子跃迁时发光波长 1 m n2 n1 0 1时 则温度T为多高 由热平衡时的玻尔兹曼定律 则 11 3 习题分析 第一章 4 普通光源发射 0 6000 m波长时 如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 q激 q自 1 2000 1 求此时单色能量密度为多少 2 在He Ne激光器中若 波长为0 6328 m 设 1 求q激 q自多少 12 3 习题分析 第一章 6 试证单色能量密度公式 用波长表示为 已知 根据单色能量密度定义 已知 辐射场中单位体积内 在波长附近单位波长间隔中的辐射能量 普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式 13 3 习题分析 第一章 6 试证明 自发辐射的平均寿命 A21为自发辐射系数 证明 已知自发辐射时在上能级上的粒子数变化规律如下 自发辐射的平均寿命可定义为 为t时刻跃迁的原子在上能级上停留的总时间 因此上述积分为所有原子在激发态能级停留总时间 再按照激发态能级上原子总数平均 就得到自发辐射的平均寿命 14 3 习题分析 第二章 2 He Ne激光器中 Ne原子数密度n0 n1 n2 l012cm 3 1 f 15 109s 1 0 6328 m t自发 A21 1 10 17s g2 3 g1 5 又知E2 E1能级数密度之比为4 求此介质的增益系数G值 爱因斯坦系数之间的关系 15 3 习题分析 第二章 3 a 要制作一个腔长L 60cm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R1 4L 求另一面镜的曲率半径取值范围 因为是对称稳定腔 稳定条件 已知 R1 4L 16 3 习题分析 第二章 6 推导均匀增宽型介质 在光强I 频率为 的光波作用下 增益系数的表达式 已知 依据上面两式可得 17 3 习题分析 第二章 10 实验测得He Ne激光器以波长 0 6328 m工作时的小讯号增益系数为G0 3 10 4 d cm 1 d为腔内毛细管内径 cm 以非均匀增宽计算腔内光强I 50W cm2的增益系数G 设饱和光强Is 30W cm2时 d 1mm 并问这时为保持振荡稳定 两反射镜的反射率 设r1 r2 腔长0 1m 最小为多少 除透射损耗外 腔内其它损耗的损耗率 9 10 4cm 1 又设光斑面积A 0 11mm2 透射系数 0 008 镜面一端输出 求这时输出功率为多少毫瓦 1 2 3 稳定振荡条件 双程放大倍数大于1 18 3 习题分析 第三章 He Ne激光器的中心频率 4 74 1014Hz 荧光线宽 1 5 l09Hz 今腔长L lm 问可能输出的纵模数为多少 为获得单纵模输出 腔长最长为多少 即可能输出的纵模数为10个 要想获得单纵模输出 则 故腔长最长不得大于0 2m 纵模频率间隔要大于1 2的荧光线宽 19 3 习题分析 第三章 8 试讨论非共焦腔谐振频率的简并性 纵模间隔及横模间隔 并与共焦腔进行比较 1 非共焦腔的谐振频率表达式 简并性 对于纵模来说非共焦腔的谐振频率一般不具有简并性 当才出现纵模的简并 如果纵模序数一定 不同的横模可以存在一定的简并 只要m n不变 谐振频率就相同 20 3 习题分析 第四章 1 腔长30cm的氦氖激光器荧光线宽为1500MHz 可能出现三个纵横 用三反射镜法选取单纵模 问短耦合腔腔长 L2 L3 应为多少 短腔的频率间隔 要实现单纵模振荡 21 3 习题分析 第四章 8 有一多纵模激光器纵模数是1000个 腔长为1 5m 输出的平均功率为1W 认为各纵模振幅相等 1 试求在锁模情况下 光脉冲的周期 宽度和峰值功率各是多少 2 采用声光损耗调制元件锁模时 调制器上加电压 试问电压的频率f为多大 1 周期 宽度 峰值功率 2 调制频率等于光脉冲频率 22 3 习题分析 第四章 9 钕玻璃激光器的