激光复习总结要点

1、.复习提纲2011年10月第一章 激光产生的基本原理一. 相干性的光子描述（概念、概念）1. 光波的模式和光子态的概念、统一性：模式的概念、光子态的概念、基本推导过程。（注意看pps文件。）2. 光子的相干性如何描述？（相干时间、相干长度、相干体积、时间相干性、空间相干性、光子的简并度）。3. 一种光波模式和一种光子态在相空间中均占据一个相格。二者是等价的4. 光子简并度越大，则相干光强越大。二. 光的受激辐射基本概念1. 热辐射、黑体辐射、近似黑体的定义；黑体辐射的Plank公式； 2. 光与物质相互作用的三种主要的过程是什么？各自的特点是什么？几个系数之间的关系是什么？掌握每一种数学表示方

2、法！!三. 光的受激辐射放大与振荡（重点复习）1. 如何理解小信号系统、大信号系统、增益饱和、光强放大的过程、增益系数、增益曲线、粒子数反转和阈值条件的推导？理解光在工作物质中的增益系数的定义和表达式。处于粒子数反转状态的物质激活介质、激光介质或增益介质；增益系数：表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数；当(n2-n1)不随着z的变化而变化，而且I0很小，G0可以认为是常数，这种情况称为小信号增益。（增益曲线）当(n2-n1)随着z的变化而变化，称为大信号增益，用G00表示；增益饱和现象激光上能级粒子数n2减小到小信号时的1/2时候对应的光强 I 就是饱和光强IS；如果在增益介质中光强始

3、终满足条件IIS ， 则增益系数为常数且不随Z而变化，这就是小信号的情况；如果在增益介质中光强不能满足条件I2 )稳定工作状态(稳态)脉冲激光器 ( t0 nt。）2. 光腔损耗对三能级系统的影响较对四能级的影响要小（对三能级系统，要将(n+nt )/2粒子激励到E2 ，而n/2nt ，可忽略nt 。而对四能级系统，只需将nt个粒子 激发到E2，而nt 。但当很大，使得nt也很大，达到可以与n/2相比拟时，才要考虑损耗对三能级系统阈值的影响。）3. Ppt,， Ept 与工作物质特性有关三. 激光器的振荡模式 不管激发强或若，稳态工作时激光器振荡模式的大信号增益系数总是等于阈值增益系数。1.

4、均匀加宽激光器的模式竞争（纵模的自选模、空间烧空引起的多纵模振荡），注意学会叙述！空间烧孔引起的多纵模振荡:激光增强时，均匀加宽激光器为多纵模振荡，激发越强， 达到阈值从而参与竞争而振荡的纵模个数越多。 增益的轴向(或纵向)空间烧孔效应: 由于腔内的驻波场分布，波腹处光强大，波节处光强小。由于饱和效应，则在波腹处增益系数最小，在波节处最大，形成增益系数的轴向空间分布。2. 非均匀加宽激光器的多纵模振荡四. 连续或长脉冲激光器的输出功率1. 均匀加宽单模激光器的输出功率；2. 非均匀加宽单模激光器的输出功率；3. 均匀加宽多模激光器的输出功率；4. 非均匀加宽多模激光器的输出功率；五. 短脉冲激

5、光器的输出能量六. 驰豫振荡一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲,而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓“尖峰”序列。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小；单模激光器的输出是一个衰减尖峰序列；泵浦功率越大，尖峰形成越快，因而尖峰的时间间隔越小；尖峰序列是向稳态振荡过渡的驰豫过程的产物七. 单模激光器的线宽极限无源腔：腔的损耗越低，则光场的衰减时间越长，模式线宽也越窄。有源腔：有源腔单模激光器的线宽极限为：；这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排除的，所以称它为线宽极限。由上述公式可看出：输出功率越大，线宽就越窄。这是因为输出功率增大就意味着腔内相干光子数增多，受激

6、辐射比自发辐射占更大优势，因而线宽变窄。减小损耗和增加腔长也可使线宽变窄。八频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做频率牵引。第六章 激光器件一. He-Ne激光器、CO2激光器、Ar+离子激光器的各自波长、能级系统、能量共振转移的过程；三能级：红宝石激光器、氩离子激光器；四能级：氦氖激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器。氦氖激光器：632.8nm、1.15m、3.39m；原子激光器；连续输出；CO2激光器：10.6微米，9.6微米；分子激光器；连续、脉冲输出；功率较大（高达几十万瓦）、能量转换效率高，但体积大；氩离子激光器：488

7、nm蓝光、514.5nm绿光；离子激光器；连续输出；红宝石激光器（第一个出现激光器）：Al2O3:Cr3+，基质为刚玉；脉冲工作方式（具有较高的泵浦能量阈值，故不常用）；Nd:YAG：1.064微米（四能级）、1.3微米（四能级）、946nm（三能级）Nd:YAG激光器器件阈值低、理化性能好、连续、脉冲、锁模、调Q技术均适用。二. 红宝石激光器波长、能级特点、两个波长的竞争情况；692.9nm、694.3nm；三能级系统，具有高的泵浦能量阈值，通常只能以脉冲方式工作；三. 完整理解尖峰振荡的形成过程； 四. Nd:YAG激光器和掺钕玻璃激光器波长、能级特点；五. 激光束质量的表示方法：M2因子

8、等； 六. 固体激光材料的一般特点；固体激光器：运行方式多样，能实现激光运转的固体工作物质多达数百种、激光谱线达数干条，多分布于可见光及近红外光区，并能利用非线性晶体实现倍频、二倍频、四倍频，其频率可达紫外区，固体激光器导光系统简单，制作容易，结构紧凑、牢固耐用。气体激光器：气态工作物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器易于获得衍射极限的高斯光束，方向性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因而激光的单色性好，但气体激光器的体积一般比较大。七. 钛宝石激光器的特点；很宽的波长范围（6601180nm）连续可调； 调谐范围宽、增益高、泵浦源好找（吸收峰在500nm附近绿光）、理化性能好。第七

9、章 激光技术（单独）一. 调Q技术：要求掌握调Q的含义，调Q的分类、电光效应、电光调Q、声光调Q的过程；电光调Q和声光调Q的区别；设腔的长度为L，腔内介质的折射率为n，则光在腔内传播一个单程所需要的时间t为nL/C，光在腔内每秒中损耗的能量为 ，则： 分类：主动调Q和被动调Q调Q 激光器的两种储能方式：工作物质储能和谐振腔储能1. 工作物质储能脉冲反射式调Q(PRM 法)腔长不宜过长，输出损耗也不宜太小；在低Q值状态下激光工作物质的上能级积累粒子，当Q值突然升高时形成巨脉冲振荡，同时输出光脉冲。2.谐振腔储能脉冲透射式调Q (PTM 法)：将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数密度达到

10、最大值时，瞬间将腔内能量全部输出，因此也叫腔倒空法。特点：脉冲宽度更窄；峰值功率更高；能量利用率更高电光效应：某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化（普克尔效应），使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象。KDP电光调制效率很高；声光调制：（不宜用于高能调Q激光器）声光效应：当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的位相光栅。弹光效应：当材料受力时，光通过材料而引起材料折射率的变化的现象。声光Q开关的组成：由一块对激光波长透明的声光介质（熔融的石英）及换能器（石英：作用是将高频信号转换为超声

11、波）。二. 锁膜技术重点掌握：超快激光器、超快脉冲、超短脉冲基本原理：通常激光器的输出是由若干个纵模组成，由于各个纵模的相位不相同并呈随机变化，因而激光器输出光强只是各个模式非相干叠加的结果。当我们采取措施使各模的初始相位保持一定关系时，就会发生相干叠加，输出一列周期性变化的锁模光脉冲串。1. 自由运转多纵模激光器的激光输出的光场分布和光强分布特点； 一个多纵模激光器中，假如有2N+1个纵模，各纵模初始相位彼此无关联，完全独立和随机的；相邻纵模之间的间隔并不完全相等；输出光强是各纵模的非相干叠加的结果。2. 锁模后的多纵模激光器的激光输出光场分布和光强分布特点； 相邻最大峰之间的时间间隔：激光

12、器输出的是间隔为t的规则脉冲序列； 锁模脉冲的宽度：；锁模脉冲的输出峰值功率：锁模输出脉冲峰值功率正比于 ，而自由运转激光器的平均功率正比于，因此，锁模脉冲的输出峰值功率是锁模前单个脉冲的倍，是锁模前多个脉冲合成功率的倍；在固体激光器中，振荡模的数量可以达到103104，所以锁模后单个脉冲的峰值功率可以达到很高。3. 锁模后的超短脉冲峰值光强公式、时间周期、超短脉冲的宽度等公式；三. 上述调Q和锁模技术两者之间的主要区别；四. 变频技术中的极化强度的理解，对混频、倍频、OPA、OPO的理解；第八章 半导体激光器一. 基本定义：禁带宽度、光电导、pn结、超晶格结构、量子阱等满带（filled b

13、and）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据对于金属，所有价电子所处的能带就是导带；对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带导带（本征吸收）。光电导指半导体由于受到光照而使其电导率发生变化的现象。费米能级与费米能：一般可以认为，在温度不很高时，能量大于费米能级的量子态基本上没有被电子所占据，而能量小于费米能级的量子态基本上为电子所占据，电子占据费米能级的几率在各种温度下总是1/2，所以费

14、米能级的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。 量子尺寸效应：当材料的尺寸与光波的波长、传导电子德布洛意波长等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将遭到破坏，从而导致材料的光、电、磁、声、热以及超导电性出现很大的变化，出现一系列与宏观物体截然不同的反常特性。针对量子尺寸效应最实际的应用是量子阱(QW)以及用量子阱所得到的各种半导体器件，量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。超晶格材料：由两种或两种以上不同材料或导电类型各异的超薄层材料（相邻势阱中电子波函数会发生交迭）交替生长形成的人工周期性结构称为“超晶格材料”。把只有一个势阱而两边是势垒的这种结构叫做单量子阱；如果半导体双异质结中，中间夹层的窄带隙材料薄到可以和电子的平均自由程即德布洛意