激光原理考试基本概念

激光原理考试基本看法激光原理考试基本看法/激光原理考试基本看法第一章1、激光与一般光源对照有三个主要特点：方向性好，有关性好，亮度高。2、激光主若是光的受激辐射，一般光源主要光的自觉辐射。3、光的一个基本性质就是拥有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。4、常用电磁波在可见光或凑近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。5、拥有单一频率的平面波叫作单色平面波，若是频率宽度Δν<<v时，这种波叫作准单色波。6、原子处于最低的能级状态称为基态，能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。7、两个或两个以上的不相同运动状态的电子能够拥有相同的能级，这样的能级叫作简并能级。8、同一能级所对应的不相同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字母g表示。9、辐射跃迁选择定则（实质：状态必然要改变），原子辐射或吸取光子，不是在任意两能级之间跃迁，能级之间必定满足下述选择定则：a、跃迁必定改变奇偶态；b、J=0，±1（J=0→J=0除外）；对于采用LS耦合的原子还必定满足以下选择定则：c、L=0，±1（L=0→L=0除外）；d、S=0，即跃迁时S不能够发生改变。10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布遵从玻耳兹曼定律。11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。12、因发射或吸取光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必定满足辐射跃迁选择定则。13、光与物质的相互作用有三种不相同的基本过程：自觉辐射，受激辐射，和受激吸取。14、一般光源中自觉辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。15、与外界没关的、自觉进行的辐射称为自觉辐射。自觉辐射的光是非有关光。16、能级平均寿命等于自觉跃迁几率的倒数。17、受激辐射的特点是：a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特点完好相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，流传方向相同）。18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场拥有相同的频率、相位、波矢（流传方向）和偏振，是有关的。19、自觉辐射跃迁几率就是自觉辐射系数自己，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来单色能量密度乘积。20、Δν=v2-v1，即相对光强为最大的1/2处的频率间隔，叫作光谱线的半值宽度（光谱线宽度）21、处于低能级上的粒子大量地抽运到高能级上，造成一个n2/g2>n1/g1的粒子数密度反转状态的介质叫作增益介质或激活介质。简答题一：产生激光的三个条件：有供应放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）；（有合适的激光工作物质）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转。有光学谐振腔；增添激活介质的工作长度，控制光束的流传方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。第二章简答题二：腔中任一傍轴光辉经过任意多次往返流传而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器牢固地发出激光，这种谐振腔叫作牢固腔。共轴球面腔的牢固性条件是：0<(1-L/R1)(1-L/R2)<11、共轴球面腔的牢固性条件：0<g1g2<1;为牢固腔，当g1g2=0,或g1g2=1时为临界腔。2、牢固腔对光的几何耗费（因反射而引起的耗费）极小，中、小的气体激光器（增益系数G小）常用牢固腔，简单产生激光。3、经过泵浦实现能级间的粒子数反转所采用的能级结构为三能级系统和四能级系统。4、四能级系统所需要的激励能量要比三能级系统小得多，产生激光比三能级系统简单得多。5、在抽运速率必然的条件下，当入射光的光强很弱，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到必然程度后，增益系数随光强度的增大而减小，这种现象称为增益饱和。6、激光器产生激光的前提条件是介质必定实现能级间的粒子数密度反正分布，即n>0,也许说增益系数G>0。7、增益系数要大于一个下限值，为激光器的阈值，它的数值由各种耗费的大小决定。8、激光器的耗费指的是在激光谐振腔内的光耗费，分为内部耗费（谐振腔内增益介质内部的耗费，它与增益介质的长度有关）和镜面耗费（能够折合到谐振腔镜面上的耗费）。9、形成激光所要求的增益系数的条件是：G≥a总，即总耗费系数。讲解为：增益不小于总耗费。10、三能级系统：阈值高，效率低；四能级系统：阈值条件低，效率高。第三章1、激光谐振腔的自在现模;当两个镜面完好相同时（对称开腔），稳态场（横向场）分布应在腔内经单程渡越（流传）后即实现“再现”。2、本征函数解Umn表示的是在激光谐振腔中存在的牢固地横向场分布，就是自再现模，平时叫做“横模”。3、谐振腔形成的每一列驻波称为一个纵模。4、激光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数Vmnq=qc/2μL5、腔内两个相邻纵模频率之差Δνq称为纵模的频率间隔。6、基横模（TEM00）行波场，激光应用常常只用它的基横模输出。7、基横模行波输出在与光束前进的垂直平面上的强度呈高斯型分布，平时称为高斯光束。注：计算题有关高斯光束的有关计算。第四章1、激光的基本技术有：直接对激光器谐振腔的输出特点产生作用：选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等，独立应用：光束变换技术、调制技术和偏转技术。2、基横模（TEM00）与高阶模对照，拥有亮度高、发散角小、径向光强分布平均、振荡频率单一等特点。3、激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分：对激光纵模的选取和对激光横模的采用。4、一般来说，平均增宽的的牢固激光器的输出常常是单纵模的，而且它们的频率总是在谱线中心周边。5、非平均增宽激光器的输出一般都拥有多个纵模。6、设计单纵模激光器就必定采用选频的方法。7、激光振荡的条件是增益系数G必定大于耗费系数a总。8、基横模选择的实质是使TEM00模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡碰到控制。一般只要能控制比基横模高一阶的TEM10模和TEM01模振荡，也就能控制其他高阶模的振荡。9、菲涅尔数越大，单程衍射耗费越小，菲涅尔系数是表征谐振腔衍射耗费的特点参量。10、激光器中，气体激光器的单色性最好。11、频率的牢固包括（频率牢固度和频率复现度），稳频的方法：主动式稳频和被动式稳频。12、主动式稳频的例子：兰姆凹陷法稳频、饱和吸取法稳频。13、高斯光束变换特点：高斯光束的聚焦、扩束和准直。14、高斯光束的准直就是要改进光束的方向性，压缩光束的发散角。P89(公式4-47和4-48)15、扩束就是扩大光束的光斑尺寸。简答题三：激光调制可分为内调制和外调制。内调制是指在激光生成的震荡过程中加载调制信号，经过改变激光的输出特点而实现的调制。外调制是在激光形成今后，再用调制信号对激光进行调制，他不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。16、激光调制器有：电光强度调制、电光相位调制，声光调制，磁光调制，和空间光调制。17、实现激光偏振的路子主要有机械偏转、电光偏转和声光偏转。18、调Q技术有：电光调Q、声光调Q和染料调Q。19、用调治谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术。调Q技术能够压缩激光脉冲宽度，获得脉宽为毫微秒量级、峰值功率为千兆瓦量级的激光巨脉冲。20、激光锁模技术锁模技术是进一步对激光进行特其他调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式有关叠加以获得超短脉冲的技术。腔长越长，荧光辉宽越宽，则腔内的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。激光锁模技术有：主动锁模和被动锁模两种。第五章1、固体激光器主要理解①激光工作的物质②激活粒子是什么（是谁发光）③能级系统（几能级）④供能方式（泵浦方式）⑤输出方式（脉冲？连续？）2、固体激光器是以混淆离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质的激光器。最常用的固体工作物质仍是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石Nd3+:YAG）。3、固体激光器基本上是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统组成。固体激光工作物质是固体激光器的中心。4、红宝石激光器(激活粒子:铬离子Cr3+)属于三能级系统，YAG（掺钕钇铝石榴石(激活粒子钕离子Nd3+)）激光器属于四能级系统。5、气体激光器（氦氖激光器属于四能级系统，激活粒子为Ne原子），（CO2激光器既能连续工作，又能脉冲，输出功率大，效率高，为四能级系统，工作物质为CO2气体分子）计算题第一章：1,121．试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射＝0.5000m，=3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？答：粒子数分别为：q10.51062.51381018n134c6.6310343108h6.6310n2q6.63131095.02771023h103412．设氖原子静止时发出0.6328m红光的中心频率为144.74×10Hz，室温下氖原子的平均速率设为560m/s。求此时接收器接收频率与中心频率相差若干？答：0(1)0(15608)(11.8667106)0c3101.86671064.7410148.848108Hz第二章：3,43.(a)要制作一个腔长L＝60cm的对称牢固腔，反射镜的曲率半径取值范围如何？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。

(b)牢固腔答：（a）R1R2R；0(1L)(1L)1R30cmRR（b）0(1L)(1L)103(1L)1R2L或R23LR1R24R24.牢固谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R1＝40cm，R2＝100cm，求腔长L的取值范围。答：0(1L)(1L)10(1L)(1L)10L40cm或100L140cmR1R240100第三章：1,2,5,6,71．腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率0＝5.85l014＝6l08Hz，荧光辉宽Hz，问它可能存在几个纵模?相应的q值为多少？(设=1)答：qc31083108Hz，2L210.561082，则可能存在的纵模数有三个，它们对应的q值分别为：n108q3qc2L5.8510141.95106，q＋1=1950001，q－1＝1949999qc31082L2．He—Ne激光器的中心频率0＝4.74×1014Hz，荧光辉宽＝1.5l09Hz。今腔长L＝lm，问可能输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？答：qc31081.5108Hz，n1.5109102L211q1.5108即可能输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则：2cLc31080.2mq1.5109L故腔长最长不得大于0.2m。5．(a)计算腔长为1m的共焦腔基横模的远场发散角，设λ＝6328?，10km处的光斑面积多大。(b)有一一般探照灯，设发散角为2，则1km远处的光斑面积多大？答：（1）基横模的远场发散角222L22632810101.269103rad（2）10km处的光斑尺寸z10L[1(2z)2]63281010[14108]6.347m2L210km处的光斑面积S26.3472126.5572m23）1km处的光斑尺寸1km处的光斑面积

r1000tg1o17.455mSr217.4552957.1711m26．激光的远场发散角(半角)还碰到衍射效应的限制。它不能够小于激光经过输出孔时的衍射极限角衍(半角)＝1.22λ/d。在实质应用中远场发散角常用爱里斑衍射极限角来近