激光原理及应用

1、第1章 辐射理论概要与激光产生的条件1.光波：光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电 磁场在空间的传播.光波既是电矢量E的振动和传播，同时又是磁矢量B的振动和传 播。在均匀介质中，电矢量E的振动方向与磁矢量B的振动方向互相垂直，且E、B 均垂直于光的传播方向武。（填空）（计算）9玻尔兹曼分布 p (E - E)2. _mm e- m nn gn n光和物质的作用：原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。物质（原子、分子等）的相互作用有三种不同的过程，即自 发辐射、受激辐射及受激吸收。对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时 存在并

2、紧密联系的.在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射 起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用.（填空）自发辐射：自发辐射的平均寿命T 1A （A指单位时间内发生自发辐射的粒子 2121数密度，占处于E能级总粒子数密度的百分比）自发辐射、受激吸收和受激吸收之间的关系在光和大量原子系统的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是 同时发生的，他们之间密切相关。在单色能量密度为p的光照射下,d t时间内在光和原子相互作用达到动平衡的条件下有下述关系：A n dt+B n P dt B n P dt212212 v121 v（自发辐射光子数）（受激辐射光子数）（受激吸收光

3、子数） 即单位体积中，在dt时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能 级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。（简答）光谱线增宽：光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对许多激光器的输出 特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光 的实际应用中是很重要的问题。（填空）光谱线增宽的分类：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽自然增宽：自然增宽的线型函数的值降至其最大值的1/2时所对应的两个频率之差 称作原子谱线的半值宽度，也叫作自然增宽.碰撞增宽：是由于发光原子间的相互作用造成的。多普勒增宽:是由于发光原子相对于观察者运动所引起的

4、谱线增宽。当光源和接收 器之间存在相对运动时，接收器接收到的光波频率不等于光源与接收器相对静止时 的频率，叫光的多普勒效应。按照谱线增宽的特点可分为均匀增宽和非均匀增宽两类。要实现光的放大，第一需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽运 到高能级上去；第二需要有合适的发光介质（或称激光工作物质），它能在外界激 励能源的作用下形成n /g n /g的粒子数密度反转分布状态。要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须具备三个条件：（1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或者 离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；（2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使

5、激光上下能级之间产生粒子 数反转；有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大 的受激辐射光频率以提高单色性.课后答案3.已知氧原子第一激发态匹目基态饵间能最差为I. 64X10_lsJ,设火焰T=2W0K)中 含有I俨1个氢原子.玫原子按琅尔兹应分布H弛尸钗 彩 能瘢已上的原子数地为 X设火赭中每科发射的头子数为1伊相，求光的功率为参少瓦7心 F、- g, 77 n *1.64 X10 ia同答】 =c 七 = =4 X cxpl1 = 3.11 X .10叫摩|I 3X x 1 0 -2a x 27W且 n,十% = KJ *愆）动率=10* 徒 31 xl 64x

6、10 ,a = 5.0X4 ? 町(1)曾通光源发射丸=0,酊00呻 波长时.如度激都射号自发辐射光功率体密度之比二，求此时叭色能员密度孔为若T ? (2)正He Ne激光祷E若己=9一g戚七-扁妒，尢为0,一&披叩TT1,设应二1,求竺为开？轴各% 仁A1I(0 一心芯】旷勺.|.,和、=商孔 为明-h.m 土旧心广f =3RJ57 Xl（Ik由抻 Xlt）-6）3t- k M 1（ 4 = 7.6x10在乳宝百Q调制激光器中，有可能将全部W一潞离子谶发到激光上能圾弁产生巨肤* 设红玉I：直径。.胞m, IC Rg,寮离于浪度为2Xftlscm巨照中宽度为血4求，(I) 输山在6943呻激光

7、的最大能量和此冲平的功率：如上能级的寿命=】一匕问H姣研 射功率为多少庞了 答：(1)最太能坟阳= - = * - d - p - A-=Ji x 0.004* -0.0i( -2x IO14 x 俨 6.63 x -一= 2.3J0.i945 xlO邪啾押平也功率=生=I。= 2.30 = |伊瓦 t 1-0 x10% = ( w g = w】Lr 么=x*小=- = 1457L第2章激光器的工作原理激光是在光学谐振腔中产生的。谐振腔对激光的形成和激光束的特性起重要的作 用，它的主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长 度，提高腔内的光能密度。两块平面镜就可以使平面镜垂

8、直的光线在腔内来回反射 任意多次，而不会投射到平面镜的通光口径之外。显而易见的是，不垂直于反射镜 表面的傍轴光线经过有限次的反射，就会投射到平面镜的通光口径之外，使得激活 介质作用的工作长度只得到有限的增长.所以，光线能够在谐振腔中反射的次数与 其结构密切相关。腔中任一束傍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，这种谐振腔叫做稳定腔，反之称为不稳定腔.共轴球面腔的稳定性条件是o (il/R )(1 -yR) 1非稳腔：非稳腔，因其对光的几何损耗大，不宜用于中小功率的激光器。但对于增 益系数G大的固体激光器，也可用非稳腔产生激光，其优点是可以连续地改变输出激光

9、原理及应用光的功率，在某些特殊情况下能使光的准直性、均匀性比较好。（填空）区分稳定腔与非稳腔在制造和使用激光器时有很重要的实际意义。由于在稳定腔 内傍轴光线能够往返传播任意多次而不逸出腔外，因此这种腔的几何损耗（指因反 射而引起的损耗）极小。一般中、小功率的气体激光器（增益系数G）常用稳定腔, 它的优点是容易产生激光。（填空）对称共焦腔是最重要和最代表性的一种稳定腔.（填空）（bi四能缆系统级系统和叫能级系统水竟惭三能级系统 四能级系统的原理、优缺点当下能皱E的粒子第于-半被抽运到上能皱&-：能缴系统的主要特征是微光的下能级为.基态，橄系统中参与激光产生过程的有三 胡松年发明的第-台红宝石激光

10、器 就珈的T能级系统（见2-4（a）（ 冷的卜能皱L是墨态能级，激光的能级 是叱稳态能级. 为抽运高能级。卖际 常常不是单一的施级，而是代表比q高的 激发态能级。在激励源作用下，将卜能级的柘一 于抽透到虬能级R能级上就子寿命很邮； 公通M I卜邹射,跃认转移到数光的上催皱株上 处纺能级I一的粒子比较稳定，寿命较长，就在好虬之间产生崩子数反转分布：叩咏心工五对世屈敬兀昭r肥级为基态通常 悄况卜.基态是充潢粒子的ffiJlL/f激光的发烦程中，卜-能级的粒子数-直保存有相辫的嬴g不是基态能缴，粒子抽运是从比下能 上以后.同样由于非辐身寸跃一迁转移 在常温下基本是空的粒子 -，四盹级系统所需 :牛激

11、光比三能级系统容易得多#四能级系统（见图2-4（ h）中产牛激光的卜能圾& ； 缄虬里依的琏态能级陶上进行的 粒子抽运到吸收带坛一 问亚稳志的激光卜一能级&上:激光的卜能纳0是个激发态能级,： ，正级E忙的寿命槌短，很容易在也、虬之间产生新:子数反转分布.削： 的激励能量要比三能缄系统小得多,产X 2,2速率方程组.,一.，*八.，泗 妃伽成Tj.nu-知邪享缩.口叫能蜒秦纬为例灾行#.涉 松m激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗。激光损耗的分类：内部损耗和镜面 损耗。内部损耗是谐振腔内增益介质内部的损耗，与增益介质的长度有关；镜面损 耗指可以折合到谐振腔镜面上的损耗.课后答案3 要制作.

12、瞳长L=60cm的封称稳定腔，反射镜的的宰半校取值布围如何？由刑定 催的一块反射镜的H率半径Ri=4L,求另一血镜的衡宰平祚取值范闱=容：I 心的=七=且；0 W （I-一）（ 一） R 3（） cm 。M （I - XI -1 - -（!-） L或& 土 -3L TOC o 1-5 h z % 犬4 代；4.磴定谓振腔的两块反射镜，其时率下役寸M为R】 = 40el RlOftcm,求腔&L的取们 范匿nLLL L.0(X】)Win G n)n) 0 LhEI(H) L IS淞R乩40NS第3章激光器的输出特性自再现模概念：光学谐振腔是一种“开式”的谐振腔。所谓开式是指，谐振腔只 靠两端的反

13、射镜来实现光束在腔内的往返传播，对于光波没有任何其他限制。由于 反射镜的有限大小，它在对光束起反射作用的同时，还会引起光波的衍射效应。腔 内的光束每经过一次反射镜的作用，就使光束的一部分不能再次被反射回腔内。因 而，反射回来的光束的强度要减弱，同时光强部分也将发生变化。当反射次数做多 时（大概三百多次反射），光束的横向场分布便趋于稳定，不再受衍射的影响.场分 布在腔内往返传播一次后能够再现出来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的 强度分布.这种稳态场将一次往返后，唯一的变化是，镜面上个点的场振幅按同样 的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后.当两个镜面完全相同时（对称开腔）， 这种稳态场分

14、布应在腔内经单程渡越（传播）后即实现“再现”。这个稳定的横向 场分布，就是激光谐振腔的自再现模。输出功率与诸参量之间的关系：（1）输出功率与饱和光强的关系：激光器的输出功率P与饱和光强/成正比；输出功率与光束截面的关系:光束截面A大的激光器，其输出功率？也大；输出功率与输出反射镜的透射率的关系：部分反射镜的透射率t的选取对激光器输出功率的影响很大。为了让激光器有最 1大的输出功率，必须使部分反射镜的透射率取最佳值。普通光源发光的谱线是具有一定的宽度的。造成线宽的原因很多，其中还主要有： 能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度；发生光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞 宽度(或压力宽度)；发光粒子的热运

15、动造成了谱线的多普勒宽度.这三种原因一般 同时起作用的，实际的谱线线型是它们共同作用的结果。这种谱线叫做发光物质的 荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽.单纯由于腔内自发辐射而引起的激光谱线宽度远小于1Hz.例如，腔长L=1m，单程 损耗a注1%，每端输出1mW的He-Ne激光器发出的0.6328顷谱线的宽度约为5X10 -4H 这是个极微小的线宽。实验测得的激光器线宽远远大于这个数值。这说 明造成激光线宽还有其他较自发辐射影响更大的因素.尽管如此，对于自发辐射造 成激光线宽的分析还是十分有意义的。因为自发辐射在任何激光器中都存在，所以 这种因素造成的激光线宽无法排除。也就是说这种线宽是消除了其他各种

16、使激光线 宽增加的因素后，最终可以达到的最小线宽，所以叫做线宽极限。影响激光稳定性的一些因素，诸如温度的波动、机械的振动、大气压力和湿度 的变化、空气的对流、损耗的波动、增益的波动，以及荧光中心频率漂移等，是产 生激光线宽的外部原因.因为当激光的频率不稳定而发生变化和漂移时，激光振荡 就不会是等幅的连续的正弦振荡，它必然会形成一定的频率分布，因而出现一定的 谱线宽度.实验证明，稳频度较高的He-Ne激光器输出的谱线宽度大约为几十Hz的数量级，而固体激光器和半导体激光器的谱线宽度更宽，一般都在10 6hz以上。（概 念、填空、简答、名词解释）课后答案I.呸位为上玷的貌离子滋光器，发射中心频率件=

17、5,明网相工，玻光蝶竞ax二他1砰向它TTT能打在兀个纵模?相.向的q们为多少辛（.设卢=1）.r3x10答：Ar = 3 x 10 a AVz ? 1.L lx 0.5 = -=-=2,则可能存在招饭模数有一个，它们列成的q忙分用为： 3x0 TOC o 1-5 h z 鸵2tiL 5.&5xl俨6i =电=心=1.95X K） , q-F 1 = 1950001, q】 = 94的卯2 /1Lc3 x W2. HeNc激光器的I心频率1=4, 74 乂 1廿相巳斐光城亢= 1,公团柘 京宦性L = m,问可能辑1U的纵模数为岩干？为:浅得单纵模输出，腹K最长为务少？hc 3 村】（?fiA

18、r 1.5?c LQ*答 e Al- = I .J5 x I （V Hz 3 w = = =1（）f 2L2*1x1A 1.5xl0fl即可能输出的纵可能为W4l = II个-要趣耕.单飘模输出则:_ c 3xlQ* .A i-r 2 A k = . L = = 0.2mr L心 1.5 xlO9故腔总最IZ不得大于g球，第4章激光的基本技术激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对激光纵模的选取，另一 部分是对激光横模的选取。前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的 相干性，常常也叫做激光的选频技术；后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高 激光的亮度，一般称为选模技术。单纵

19、模的选取：选频方法（短腔法、法布里-珀罗标准具法、三反射镜法）【简答、 名词解释】激光单横模的选取：衍射损耗（由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗）、 光阑法选取单横模、聚焦光阑法和腔内望远镜选取横模.聚焦光阑法：为了充分利用激光工作物质，可以在腔内插入一个透镜组，使光束 在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率，这种方法叫做聚焦光阑法。 优点：既保持了小孔光阑的选模特性，又提高了激活介质的利用率，增大了激光的 输出功率；缺点：只有沿轴向行进的平行光束，经聚焦后才能够通过小孔往返振荡。腔内望远镜：优点：能充分利用激光工作物质，获得较大功率的基模输出.可 通过调节望远镜的离焦量得到热稳

20、定性很好的激光输出.输出光斑大小适当，不 致损伤光学元件.激光器通过选模获得单频震荡后，由于内部和外界条件的变化,谐振频率仍然会在 整个线型宽度内移动。这种现象叫做“频率的漂移”。由于漂移的存在，出现了激 光器频率稳定性问题。稳频的任务就是设法控制那些可以控制的因素，使其对振荡 频率的干扰减至最小限度，从而提高激光频率的稳定性，减小频率的漂移.频率的稳定性包括两个方面：1。频率稳定度;2。频率复现度.影响频率稳定的因素：腔长变化；折射率变化稳频方法:被动式稳频和主动式稳频。被动式稳频原理：利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或将热膨胀 系数为负值的材料与热喷腹胀系数为正值的材料按一定长度

21、配合，以使热膨胀互相 抵消，实现稳频.（简答）主动式稳频原理:把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频 率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。这个误差信号经 放大后又通过反馈系统返回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，实现 稳频。激光调制的基本概念：激光调制就是把激光作为载波携带低频信号，本质上是无 线电波调制向光频段的拓展。激光调制分为内调制和外调制。内调制：指在激光生成的振荡过程中加载调制信 号，通过改变激光的输出特性而实现的调制。外调制：在激光形成以后，再用调制信 号对激光进行调制，它并不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。激光偏转技术的分类：机械偏转、电光偏转、声光偏转。机械偏转原理：利用反射镜或多面反射棱镜的旋转，或者利用反射镜的振动实现光 束扫描；优点：偏转角大、分辨率高、光损失小、可适应光谱范围大；缺点：受驱 动器角速度的限制、难以实现快速、高精度的可控偏转。电光偏转原理：利用泡克尔斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改