武汉理工激光原理考研必备(命题老师上课PPT)

1、第七章第七章 激光器特性的控制与改善激光器特性的控制与改善第六章第六章 激光放大特性激光放大特性第四章第四章 电磁场和物质的相互作用电磁场和物质的相互作用第五章第五章 激光振荡特性激光振荡特性第一章第一章 激光的基本原理激光的基本原理第二章第二章 开放式光腔与高斯光束开放式光腔与高斯光束第九章第九章 常见激光器常见激光器 “辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”激光激光特点：特点：方向性好方向性好, ,单色性好单色性好, ,亮度高亮度高,相干性好相干性好 激激 光光 (Laser)(Laser) 自发辐射自发辐射, ,受激吸收受激吸收, ,受激辐射受激辐射激光具有很高的光子简并度激光具有很

2、高的光子简并度普通光源普通光源工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔谐振腔谐振腔模式选择模式选择提供轴向光波模的反馈提供轴向光波模的反馈由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔TEMmnq共轴球面腔的共轴球面腔的稳定性条件稳定性条件光腔的损耗光腔的损耗开腔模式和衍射理论分析方法开腔模式和衍射理论分析方法( (自再现模自再现模, ,菲涅耳菲涅耳基尔霍夫衍射积分基尔霍夫衍射积分) ) v v( (x x, ,y y) )应为复函数，它的模应为复函数，它的模 v v( (x x, ,y y) ) 描述镜面描述镜面上场的振幅分布，而其辐角上场的振幅分布，而其辐角arg

3、 arg v v( (x x, ,y y) ) 描述镜面上描述镜面上场的相位分布。场的相位分布。共焦腔共焦腔 振幅分布和光斑尺寸振幅分布和光斑尺寸 模体积模体积 等相位面的分布等相位面的分布 远场发散角远场发散角共焦腔共焦腔共焦腔共焦腔稳定球面腔稳定球面腔X任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价 思路：任一个共焦腔模有无穷多个等相位面，可思路：任一个共焦腔模有无穷多个等相位面，可构构成成无穷多个等价球面腔无穷多个等价球面腔证明所有这些球面腔都是证明所有这些球面腔都是稳定腔稳定腔X任一满足稳定性条件的球面腔唯一地等价于某一共任一满足稳定性条件的球面腔唯一地等

4、价于某一共焦腔焦腔思路：由稳定球面腔的腔参数（思路：由稳定球面腔的腔参数（R1、R2、L）可以唯）可以唯一地解出一组数（一地解出一组数（z1、z2、f2），从而唯一地确定等），从而唯一地确定等价共焦腔价共焦腔基模高斯光束的基本性质及特征参数基模高斯光束的基本性质及特征参数202022)(1)(12)1 (2)(fzfzfzLzs22( )1 () ()fzffRR zzfzzfzzff020, ( (z z) )：与传播轴线相交于：与传播轴线相交于z z点的高斯光束等相位面上的光斑半径点的高斯光束等相位面上的光斑半径R R( (z z) )：与传播轴线相交于：与传播轴线相交于z z点的高斯光束

5、等相位面的曲率半径点的高斯光束等相位面的曲率半径f f是高斯光束的共焦参数是高斯光束的共焦参数) z (wi) z (R1) z ( q12复曲率半径复曲率半径)z()(2ffzwzfz)z(R2ifz(z)q) z (wi) z (R1) z ( q12fzfz参数参数WRWR参数参数 q q参数参数高斯光束的聚焦和准直高斯光束的聚焦和准直高斯光束高斯光束q q参数的变换规律参数的变换规律高斯光束特征参数高斯光束特征参数光和物质的相互作用光和物质的相互作用均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数自发辐射自发辐射,受激吸收受激

6、吸收,受激辐射受激辐射速率方程速率方程谱线加宽谱线加宽自然加宽自然加宽多普勒加宽多普勒加宽碰撞加宽碰撞加宽稳态速率方程稳态速率方程 均匀加宽工作物质的增益系数均匀加宽工作物质的增益系数 反转集居数反转集居数 小信号增益系数小信号增益系数 大信号本身的增益系数大信号本身的增益系数 强光入射时弱光的增益系数强光入射时弱光的增益系数 非均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数 大信号本身的增益系数大信号本身的增益系数 强光入射时弱光的增益系数强光入射时弱光的增益系数烧孔效应烧孔效应 驻波腔激光器工作物质中弱光的增益系数驻波腔激光器工作物质中弱光的增益系数速率方程速率方程增益饱和增益饱和

7、激激 光光 器器工作特性工作特性振荡振荡阈值阈值振荡模振荡模式式输出功率输出功率输出线宽输出线宽弛豫振荡弛豫振荡选选 模模调调Q/Q/锁模锁模/ /放大放大稳稳 频频谐振腔谐振腔理理 论论高斯光束高斯光束频率频率技术技术输出频率输出频率控制与改善控制与改善振荡和放大特性振荡和放大特性 激光器振荡阈值条件（激光器振荡阈值条件（ n nt t, g, gt t, P, Pptpt, E, Eptpt） 激光器的振荡模式激光器的振荡模式 起振与稳定工作条件起振与稳定工作条件 激光器输出功率与能量激光器输出功率与能量 弛豫振荡效应弛豫振荡效应 单模激光器的线宽极限单模激光器的线宽极限 频率牵引频率牵引

8、第五章第五章 激光振荡特性激光振荡特性小结小结光放大器概述光放大器概述横向均匀激励连续激光放大器横向均匀激励连续激光放大器纵向激励连续激光放大器掺铒光纤放大器纵向激励连续激光放大器掺铒光纤放大器放大的自发辐射放大的自发辐射(ASE)(ASE)第六章第六章 激光放大特性激光放大特性第七章第七章 激光器特性的控制与改善激光器特性的控制与改善 1. 1. 模式选择技术（横模和纵模）模式选择技术（横模和纵模） 2. 2. 稳频技术稳频技术 3. Q3. Q调制技术调制技术 4. 4. 锁模技术锁模技术1 、激光的基本特性是什么？ 2、激光器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 3、什么是黑体辐射？

9、4、什么是光波模式和光子态？ 5、什么是光子简并度？ 6、描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。 7、什么是热平衡时能级粒子数的分布？8、产生激光的必要条件是什么？什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？10、如何定义激光增益？11、什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？第一章第一章 激光的基本原理激光的基本原理思考题第二章第二章 开放式光腔与高斯光束开放式光腔与高斯光束1 1、什么是谐振腔的谐振条件？什么是谐振腔的谐振条件？ 2 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目? ? 3 3、在激光谐振腔中有哪些损耗因素在激光谐振腔中

10、有哪些损耗因素？ 4 4、哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？ 5 5、熟悉常见光学元件的矩阵。、熟悉常见光学元件的矩阵。 6 6、什么是激光谐振腔的稳定性条件？什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 7 7、画出激光谐振腔的稳定性图，并标出几种典型的谐振腔画出激光谐振腔的稳定性图，并标出几种典型的谐振腔在图中的位置在图中的位置。 8 8、如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？ 9 9、菲涅耳基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数和本征菲涅耳基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数和本征值各代表什么值各代表什么？ 101

11、0、能画出圆形镜、方形镜几个横模的光斑花样能画出圆形镜、方形镜几个横模的光斑花样思考题1111、如何计算基模高斯光束的主要参量：腰斑的大小、腰斑的如何计算基模高斯光束的主要参量：腰斑的大小、腰斑的位置、镜面上光斑的大小、任意位置处激光光斑的大小、等相位置、镜面上光斑的大小、任意位置处激光光斑的大小、等相位面曲率半径、光束的远场发散角、模体积位面曲率半径、光束的远场发散角、模体积？1212、高阶高斯光束有哪些？高阶高斯光束有哪些？1313、什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性、什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性? ?1414、如何计算一般稳定球面腔的主要参量如何计算一般稳定球面腔的主要参量？1

12、515、什么是腔的菲涅耳数？它与腔的损耗有什么关系什么是腔的菲涅耳数？它与腔的损耗有什么关系？1616、高斯光束的表征方法有哪些？什么是高斯光束的表征方法有哪些？什么是q q参数参数？1717、高斯光束高斯光束q q参数的变换规律是什么？参数的变换规律是什么？1818、什么是高斯光束的自再现变换什么是高斯光束的自再现变换？1919、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔有什么关系？高斯光束的自再现变换与稳定球面腔有什么关系？2020、非稳腔与稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？非稳腔与稳定腔的区别是什么？举例说明哪些是非稳腔？第四章第四章 光和物质的相互作用光和物质的相互作用1.1.什么是谱线

13、加宽什么是谱线加宽？有哪些加宽类型有哪些加宽类型？加宽机制是什么？加宽机制是什么？ 2.2.如何定义线型函数和谱线宽度？如何定义线型函数和谱线宽度？ 3.3.如何理解均匀加宽和非均匀加宽如何理解均匀加宽和非均匀加宽？4.4.如何求自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽？如何求自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽？ 5.5.如何理解受激发射截面？与哪些因素有关？如何理解受激发射截面？与哪些因素有关？ 6.6.分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁过程，分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁过程， 并写出速率方程。并写出速率方程。 8.8.说明均匀加宽和说明均匀加宽和非均匀加宽工作物

14、质中增益饱和的机理非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理，9.9.并写出激光增益的表达式。并写出激光增益的表达式。 9.9.饱和光强有什么含义？怎么定义的？饱和光强有什么含义？怎么定义的？ 10.10.什么是小信号增益、大信号增益？什么是小信号增益、大信号增益？11.11.在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增益系数如何变化益系数如何变化? ?12.12.描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应烧孔效应”，并说明，并说明原理原理. . 思考题第五章第五章 激光振荡特性激光振荡特性1 1、激光

15、器的振荡条件是什么？稳定工作条件又是什么？、激光器的振荡条件是什么？稳定工作条件又是什么？2 2、激光器的阈值参数怎么计算激光器的阈值参数怎么计算？3 3、在均匀加宽和非均匀加宽激光器中模式竞争有什么不同？、在均匀加宽和非均匀加宽激光器中模式竞争有什么不同？4 4、如何计算均匀加宽单模激光器的输出功率？、如何计算均匀加宽单模激光器的输出功率？5 5、为什么存在最佳透过率？如何计算为什么存在最佳透过率？如何计算？6 6、什么是兰姆凹陷？、什么是兰姆凹陷？7 7、什么是激光器的驰豫振荡现象？如何定性解释？、什么是激光器的驰豫振荡现象？如何定性解释？8 8、为什么存在线宽极限？它取决于什么？、为什么

16、存在线宽极限？它取决于什么？9 9、什么是频率牵引？、什么是频率牵引？ 思考题小结小结1 1什么是光放大器什么是光放大器? ?2.2.什么是放大的自发辐射什么是放大的自发辐射(ASE)?(ASE)?第六章第六章 激光放大特性激光放大特性思考题第七章第七章 激光器特性的控制与改善激光器特性的控制与改善 1 1. . 什么是模式选择，有哪些技术什么是模式选择，有哪些技术? ? 2 2. .怎样稳频怎样稳频? ? 3. 3.什么是调什么是调Q Q，调，调Q Q的原理，有哪些调的原理，有哪些调Q Q技术技术? ? 4. 4. 什么是锁模技术什么是锁模技术? ?思考题轴轴对对称称旋旋转转对对称称Beam Properties in Confocal Resonator (共焦腔中的光束特性）共焦腔中的光束特性） Gaussian Beam (高斯光束） /2