激光原理与全息技术复习

1、激光原理与全息技术激光原理与全息技术复习提纲复习提纲考试安排考试安排n暂定暂定n暂定暂定n考试形式：考试形式：闭卷闭卷第第1章章 激光的基本原理激光的基本原理1.激光的特点是？（激光的特点是？（pp:4-6)(1)单色性好单色性好 比较比较He-Ne激光和氪灯的单色性激光和氪灯的单色性(2)相干性好相干性好 相干长度的计算相干长度的计算(3)方向性好方向性好(4)高亮度高亮度n2.光与物质的三种相互作用光与物质的三种相互作用(pp:6-7)受激吸收；自发辐射；受激辐射受激吸收；自发辐射；受激辐射n3.粒子数反转（集居数反转）粒子数反转（集居数反转）(pp:7) 要使受激辐射占据主导地位，应该设

2、法改变要使受激辐射占据主导地位，应该设法改变原子系统所处于热平衡时的分布，使处于高原子系统所处于热平衡时的分布，使处于高能级的原子数超过处于低能级的原子数，即能级的原子数超过处于低能级的原子数，即实现粒子数分布反转。实现粒子数分布反转。 如何实现？如何实现？ （pp21）“激励激励”或或“泵浦泵浦”，光激励，光激励，电激励，化学激励等电激励，化学激励等1122nffnnn4.粒子数服从玻尔兹曼分布粒子数服从玻尔兹曼分布(pp:7) 热平衡状态下，每个能级上都有确定的粒子热平衡状态下，每个能级上都有确定的粒子数，两个能级的粒子数之比数，两个能级的粒子数之比PP:18 公式（公式（2-6）可能涉及

3、到计算。可能涉及到计算。TkEEbeffnn)(121212n5.激光器的基本结构激光器的基本结构 (pp:8)n工作物质，光学谐振腔，激励源工作物质，光学谐振腔，激励源n6.形成激光的基本条件形成激光的基本条件(pp:9)n(1)工作物质在激励源的激励下能够实现粒子数反工作物质在激励源的激励下能够实现粒子数反转；转；n(2)光学谐振腔能使受激辐射不断放大，即满足增光学谐振腔能使受激辐射不断放大，即满足增益大于损耗的阈值条件；益大于损耗的阈值条件；n(3)满足满足驻波条件和频率条件驻波条件和频率条件。 n7.自发辐射爱因斯坦系数自发辐射爱因斯坦系数A21（pp:10-11)n 受激吸收爱因斯坦

4、系数受激吸收爱因斯坦系数B12n 受激辐射爱因斯坦系数受激辐射爱因斯坦系数B21n 受激吸收跃迁概率受激吸收跃迁概率W12n 受激辐射跃迁概率受激辐射跃迁概率W21n8.光谱线的几种加宽形式光谱线的几种加宽形式(pp:14)n按原因分类：自然加宽、碰撞加宽和多普勒加按原因分类：自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽。宽。n按谱线加宽的特点分类：均匀加宽、非均匀加按谱线加宽的特点分类：均匀加宽、非均匀加宽和综合加宽宽和综合加宽 n注意掌握自然加宽谱线宽度计算公式、碰撞加注意掌握自然加宽谱线宽度计算公式、碰撞加宽谱线宽度计算公式宽谱线宽度计算公式9、线型函数、线型函数 均匀加宽是均匀加宽是洛伦兹洛伦兹型，

5、气体中的非均匀多普勒型，气体中的非均匀多普勒加宽是加宽是高斯高斯型。型。第第2 2章章 光学谐振腔光学谐振腔 n10. 光子态？相格？光子简并度？光子态？相格？光子简并度？(pp:17-18)n由不同特征所决定的光子状态就叫做光量子由不同特征所决定的光子状态就叫做光量子态，简称光子态态，简称光子态。 n在六维相空间，一个光子状态对应的最小相在六维相空间，一个光子状态对应的最小相空间体积元即称为相格。空间体积元即称为相格。n处于同一光子态的平均光子数称为光子简并处于同一光子态的平均光子数称为光子简并度，也称为同态光子数。度，也称为同态光子数。n11.什么是增益系数和增益饱和什么是增益系数和增益饱

6、和(pp:20-21)n增益系数增益系数光通过单位距离后的增长率光通过单位距离后的增长率叫做增益系数，即单位距离光强的相对增叫做增益系数，即单位距离光强的相对增长率长率.n增益系数随着光强的增加而减小，这种效增益系数随着光强的增加而减小，这种效应称为增益饱和。应称为增益饱和。n12.驻波条件推导谐振频率及其间隔驻波条件推导谐振频率及其间隔(pp:23)n 由整数由整数q所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光的所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光的纵模纵模。 P23例题：实现单纵模振荡对腔长的要求例题：实现单纵模振荡对腔长的要求 13.三能级系统和四能级系统的图示及工作过程分析三能级系统和四能级系

7、统的图示及工作过程分析(pp:19-20),(227)22qqccqnLnL n14.谐振条件谐振条件激光器的输出频率必须同时激光器的输出频率必须同时满足以下三个条件：满足以下三个条件：(pp:24)(1)频率值必须满足谐振条件，即频率值必须满足谐振条件，即(2-27)式：式：(2)频率值必须在工作物质的谱线宽度之内频率值必须在工作物质的谱线宽度之内(3)相应的小信号增益系数必须超过阈值，相应的小信号增益系数必须超过阈值，n15.纵模，横模从不同侧面反映腔内稳定的光纵模，横模从不同侧面反映腔内稳定的光场分布，激光模式用场分布，激光模式用TEMmnq 来标志。来标志。(pp:24) 在垂直于传播

8、方向上某一横截面上形成稳定在垂直于传播方向上某一横截面上形成稳定的场分布的场分布，称为横模。横模序数，称为横模。横模序数m，nn16.光学谐振腔损耗有以下五种光学谐振腔损耗有以下五种(pp:25)A.腔镜反射不完全产生的透射损耗；腔镜反射不完全产生的透射损耗；B.腔镜的吸收和散射损耗；腔镜的吸收和散射损耗；C.腔内插入元件的吸收与散射损耗；腔内插入元件的吸收与散射损耗；这这三种损耗，对不同的横模，一视同仁，无选择性三种损耗，对不同的横模，一视同仁，无选择性D.腔镜大小产生的衍射损耗；腔镜大小产生的衍射损耗；E.光线在腔内来回传播产生的几何偏折损耗。光线在腔内来回传播产生的几何偏折损耗。n后两种

9、损耗，对不同的横模，表现为有选择性，后两种损耗，对不同的横模，表现为有选择性，对低阶模损耗小，对高阶模损耗大对低阶模损耗小，对高阶模损耗大。n17.腔的光子寿命腔的光子寿命(pp:25)n 为单程损耗，为单程损耗，L为腔长为腔长n18.光学谐振腔的光学谐振腔的Q值值(pp:26)n19.无源腔纵模线宽无源腔纵模线宽(pp:26)cLRcLQR0022LcRc221 20.光学谐振腔各种损耗的计算光学谐振腔各种损耗的计算(pp:26-28)n(1)腔镜反射不完全产生的损耗腔镜反射不完全产生的损耗n单程损耗单程损耗nR1为全反镜，部分反射镜为全反镜，部分反射镜R2接近于接近于1时，作级数时，作级数

10、展开可得展开可得n(2)几何偏折损耗几何偏折损耗n(1)平行腔斜光束的几何损耗平行腔斜光束的几何损耗n(2)平行腔平行度差引起的几何损耗平行腔平行度差引起的几何损耗121ln2rR R 2112rRn(3)衍射损耗衍射损耗 n定义菲涅耳数定义菲涅耳数 n衍射损耗越大，菲涅耳数越小。衍射损耗越大，菲涅耳数越小。2222. 1aLaLddN121.谐振腔常见腔型结构(pp:29)n(1)平行平面腔平行平面腔(简称平平腔简称平平腔)：n(2)凹面反射镜腔凹面反射镜腔(简称双凹腔简称双凹腔)。 n(3)平凹反射谐振腔平凹反射谐振腔(平凹腔平凹腔)：n(4)平凸反射谐振腔平凸反射谐振腔(平凸腔平凸腔)：

11、n(5)双凸反射谐振腔双凸反射谐振腔(双凸腔双凸腔)：n22.谐振腔稳定性条件谐振腔稳定性条件(2-46)式式(pp:33)n根据计算值，判断腔是稳定、非稳、介稳根据计算值，判断腔是稳定、非稳、介稳n典型腔型的判断：对称共焦腔（典型腔型的判断：对称共焦腔（稳定稳定）、平行平面腔）、平行平面腔（介稳介稳）、共心腔（）、共心腔（介稳介稳）1212112201001-,1-,gggggL R gL R或且，其中n23.基模的光斑尺寸和模体积基模的光斑尺寸和模体积(pp:37)n振幅下降到轴上振幅下降到轴上(Z轴轴)值的值的1/e时所对应的半径值，称为时所对应的半径值，称为光斑尺寸。光斑尺寸。Z=0处

12、光斑尺寸最小，称为光束的腰。处光斑尺寸最小，称为光束的腰。n模体积是指该激光模式在腔内所占的空间范围。模体积是指该激光模式在腔内所占的空间范围。基模基模体积体积(P38例题例题) 20021(251)zLfzf 束束腰腰，光光斑斑尺尺寸寸22000212LVLLn24.选择基模振荡而抑制高阶横模的技术称为横模选择基模振荡而抑制高阶横模的技术称为横模选择。选择。n横模选择的方法横模选择的方法(pp:38-40)n1、选择腔型和腔参数、选择腔型和腔参数n2、小孔光阑选模、小孔光阑选模n3、反射镜失调选模法、反射镜失调选模法nn25.解释解释非均匀增宽非均匀增宽中的中的“烧孔烧孔”效应效应(pp:4

13、3) 26.解释均匀加宽增益饱和解释均匀加宽增益饱和(pp:43)n27.兰姆凹陷兰姆凹陷(pp:44) 与对称烧孔效应相联系的是激光的输出功与对称烧孔效应相联系的是激光的输出功率曲线在中心频率处有一个下陷，称为兰率曲线在中心频率处有一个下陷，称为兰姆凹陷姆凹陷 第第3 3章章 激光器的工作原理激光器的工作原理28.解释均匀加宽情况下的纵模模式竞争解释均匀加宽情况下的纵模模式竞争（图解说明）（图解说明）(pp:45) 29.解释固体激光器的空间烧孔解释固体激光器的空间烧孔(pp:45-46)n30.什么是模牵引效应什么是模牵引效应(pp:48) 由于增益介质在中心频率由于增益介质在中心频率(即

14、共振频率即共振频率)附近，存附近，存在着强烈的色散效应，使实际振荡频率较无源腔在着强烈的色散效应，使实际振荡频率较无源腔的振荡频率更靠近谱线的中心频率。的振荡频率更靠近谱线的中心频率。n31.纵膜选择的方法纵膜选择的方法(pp:48-50)1、短腔法选纵模、短腔法选纵模2、腔内插入标准具选模、腔内插入标准具选模3、晶体双折射选模、晶体双折射选模n32.调调Q脉冲量级：脉冲量级：nsn33. 调调Q的方法的方法(pp:51） 在激光器开始运转时，先让谐振腔处于低在激光器开始运转时，先让谐振腔处于低Q值值状态，即腔损耗大，激光振荡不能产生，但粒子数状态，即腔损耗大，激光振荡不能产生，但粒子数随泵浦

15、不断地被抽运到上能级亚稳态上，使亚稳态随泵浦不断地被抽运到上能级亚稳态上，使亚稳态上的粒子数可以积累到很高的水平，然后使谐振腔上的粒子数可以积累到很高的水平，然后使谐振腔Q值突然增大，即使谐振腔的损耗瞬间降低，在腔值突然增大，即使谐振腔的损耗瞬间降低，在腔内迅速建立起极强的振荡，因而在极短的时间内高内迅速建立起极强的振荡，因而在极短的时间内高能级粒子贮存的大部分能量转变为腔内的光能量，能级粒子贮存的大部分能量转变为腔内的光能量，此时就输出一个很强的激光脉冲。此时就输出一个很强的激光脉冲。 调调Q的方法的方法转镜调转镜调Q，电光调，电光调Q，声光调，声光调Q，染，染料调料调Q 34.什么是锁模？

16、锁模的好处什么是锁模？锁模的好处(pp:53-54)n如果能够以某种方式迫使多个振荡模式维如果能够以某种方式迫使多个振荡模式维持固定的频率间隔与固定的相位，那么激持固定的频率间隔与固定的相位，那么激光器的输出将以一种预定的方式随时间变光器的输出将以一种预定的方式随时间变化，这就叫化，这就叫锁模锁模(亦称相位锁定亦称相位锁定)。相位锁。相位锁定就是使多纵模激光器各自独立振荡的纵定就是使多纵模激光器各自独立振荡的纵模在时间上有序。锁模脉冲的宽度可以窄模在时间上有序。锁模脉冲的宽度可以窄到到皮秒皮秒，甚至，甚至飞秒飞秒量级量级(10-15 s)，其峰值，其峰值功率比调功率比调Q脉冲要高几个数量级，能

17、输出脉冲要高几个数量级，能输出超短光脉冲序列。超短光脉冲序列。 n35. 锁模方法分类：锁模方法分类：主动锁模主动锁模和和被动锁模被动锁模(pp:54)n主动锁模主动锁模是在腔中插入一定频率的调制器，对是在腔中插入一定频率的调制器，对光束进行振幅调制或相位调制；光束进行振幅调制或相位调制；n被动锁模被动锁模是利用腔内的可饱和吸收染料（或吸是利用腔内的可饱和吸收染料（或吸收气体）来实现主被动同时锁模、同步泵浦锁收气体）来实现主被动同时锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模。模、碰撞锁模。n36.稳频稳频(pp:54)n影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素n（1）腔体振动）腔体振动n（2）机械机构的热膨胀）

18、机械机构的热膨胀n（3）腔内光学元件的折射率随温度变化）腔内光学元件的折射率随温度变化n（4）气压的变化引起折射率的变化）气压的变化引起折射率的变化n37.HeNe激光器，氩离子激光器，氪激光器，氩离子激光器，氪离子激光器，离子激光器，CO2激光器，激光器，He-Cd激光激光器，红宝石激光器，器，红宝石激光器，YAG激光器最强的激光器最强的几条谱线波长（几条谱线波长（颜色颜色）n注意分类：气体、液体、固体等注意分类：气体、液体、固体等第第4 4章章 典型激光器件典型激光器件 n38.HeNe激光器的结构类型？及各自的激光器的结构类型？及各自的特点？特点？(pp:56-58)n一般分为三种，即内

19、腔式、外腔式、半外腔一般分为三种，即内腔式、外腔式、半外腔(或称半内腔或称半内腔)式。三种结构类型的特点。式。三种结构类型的特点。n39.He-Ne激光器是氦气和氖气的混合气体，激光器是氦气和氖气的混合气体，产生跃迁发光的是氖气，氦气是辅助气体。产生跃迁发光的是氖气，氦气是辅助气体。n40.固体激光器的一般组成？固体激光器特固体激光器的一般组成？固体激光器特有的装置是？有的装置是？(pp:63)n固体激光器一般由工作物质、激励源、谐固体激光器一般由工作物质、激励源、谐振腔、聚光腔和水冷系统五个部分组成。振腔、聚光腔和水冷系统五个部分组成。其中聚光腔是固体激光器特有的装置。其中聚光腔是固体激光器特有的装置。n41.半导体激光器的特点半导体激光器的特点(pp:67)(1)体积小，重量轻，结构简单而坚固。体积小，重量轻，结构简单而坚固。(2)效率高。效率高。(3)发散角大。发散角大。(4)输出功率小。输出功率小。(5)受温度影响较严重。受温度影响较严重。n42.染料激光器最突出的优点是其激光波染料激光器最突出的优点是其激光波长在一个较大的范围内连续可调长在一个较大的范围内连续可调(pp:69)第第5 5章章 激光全息学原理激光全息学原理n4