2015激光技术复习题

“激光技术及应用”思考题

什么是自发辐射、受激辐射、受激吸收？

自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E 2向低能级E 1跃迁，同时放出能量为 的光子

受激辐射：当受到外来的能量 的光照射时，高能级E 2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E 1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。

受激吸收：处于低能级E 1的原子受到外来光子（能量 ）

的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E 2的过程

自发辐射发光和受激辐射发光各有什么特点？

自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。

受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 即：频率、位相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被 “放大” 了

产生激光的三个必备条件是什么？为什么需要这些条件？

激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大

激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数

光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收；

光学谐振腔的基本作用是什么？

光学谐振腔的作用：1）延长增益介质作用长度；2）控制激光输出特性：如光束方向性、输出模式数、输出功率等

光学谐振腔的三个作用：

倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度;

控制激光振荡模式数目，以获得单色性好、方向性好的相干光；

控制激光束的横向分布特性、光斑大小、发散角、输出功率。

12E E h -==νε12E E

h -==νε12E E h -==νε

光学谐振腔有几种分类？如何判断谐振腔的稳定性？对称共焦腔、共心腔是对称凹面镜腔类型的谐振腔？

平行平面腔----是一种临界稳定腔

平凹腔：是由一块平面镜和一块曲率半径为R 的凹面镜组成的光学谐振腔，

对称凹面镜腔：两块曲率半径相同的凹面镜组成的谐振腔

距离大于两倍焦距的不稳定平凹腔

对称凸面镜腔---都是不稳定的

激光器的损耗分哪几类？这些损耗是怎么产生的？

激光器的损耗的分类：增益介质内部损耗和镜面损耗

增益介质内部损耗：由于成分不均匀、粒子数密度不均匀或有缺陷（如固体激光器）而使光产生折射、散射，使部分光波偏离原来的传播方向，以及其它对光能的吸收，造成光能量损耗。

镜面损耗：镜面的散射、吸收、由于光的衍射使光束扩散到反射镜面以外造成的损耗以及由镜面上透射出去作为激光器的有用输出部分镜面损耗可以通过反射系数r 1、r 2，透射系数t 1、t 2和吸收系数a 1、a 2来表达。

什么是增益饱和现象？

在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。

什么是激光腔的纵模？激光器最后输出的纵模数取决于哪些因素？

光波在腔内往返一周的总相移应等于2π的整数倍，即只有某些特定频率的光才能满足谐振条件 每个q 值对应一个驻波，称之为：纵模，q 为纵模序数。

谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数。

满足谐振条件，阈值条件且落在荧光线宽范围内的频率才能形成激光振荡，产生输

出

什么是激光腔的横模？横模是如何表示的？

1,2,3, 22==Φq q πδ

在开腔镜面上，经一次往返能再现的稳态场分布称为为开腔的自再现模或横模影响激光器输出光频率稳定的因素有哪些？有哪些主动稳频的方法？

腔长变化的影响

温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔

机械振动：采取减震措施

折射率变化的影响

内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略

外腔和半内腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的变化

较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T 、P、h的脉动

主动式稳频：

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。

把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。

把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。

固体激光器、气体激光器，半导体激光器各采用何种泵浦方式？

由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励

气体放电激励

半导体激光器要先以其他激光才可以

氦氖激光器有哪几种结构形式？其激光工作物质是什么气体？它是几能级结构？辅助气体的作用是什么？

He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种

氖气

4级

氦气起产生激光的媒介和增加激光输出功率的作用

激光脉冲测距的原理是什么？为何激光脉冲测距系统需要调Q的激光光源？

测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收

光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t 。

测距时用的光脉冲功率是很大的，一般其峰值功率均在一兆瓦以上，脉冲宽度在几十毫微秒以下。这样的光脉冲通常叫做“巨脉冲”。但是，一般的激光脉冲并不是巨脉冲，它的宽度较大 (约1ms 左右) ，同时脉冲功率也不够大，所以不能满足测距需求。对激光器采用“调Q 技术”，就可使之满足测距要求

计算题：见第1章、第3章PPT 例题；第1章公式：

考试题型为：单项选择题（16分）、填空题（12分）、简答题（48分）、计算题（24分）。

例题1： 热平衡时，原子上能级E 2的粒子数密度为n 2，下能级E 1的粒子数密度为n 1，设g 1=g 2,求当原子跃迁的频率ν=3000MHz ，T=300K 时，n 2/n 1为多少？

解：热平衡时，原子各能级的粒子数密度分布符合波尔兹曼分布：

例题2：在红宝石激光器中，采用调Q 技术，有可能把全部铬粒子激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石的直径为0.8cm,长为8cm,铬粒子浓度为2×1018cm -3，巨脉冲宽度为10ns ，求输出0.6943μm 激光的最大能量和脉冲平均功率。

解：红宝石激光棒的体积为

Az e I z I -=)0()(Gz

e I z I )0()(=21()2211E E h kT kT n g e e n g ν---==34646.63103000102 1.3810300 4.810111

n e n e --???-???==≈

例题1：腔长为0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率ν0=5.85×1014Hz ，荧光线宽△ ν=6×108Hz 。问它可能存在几个纵模?

解：纵模频率间隔为：

纵模数为：

例题2：试计算腔长L=0.4m ，λ=0.6328μm 的对称共焦腔高斯光束的束腰半径和远场发散角大小。

解：束腰半径：

8

8310310220.5q c

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6102310q N νν??===??