激光原理复习自整理详解

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激光原理复习自整理详解

第一章 激光的特性:1.方向性好,最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好 波尔兹曼定律:根据统计规律,大量粒子组成的系统,在热平衡条件下,原子数按能级分布服从波尔兹曼定律:kT E i i i e

g -∞n 推论:假设gi=gj

1.当E2-E1很小,且12-E E E =?<< kT 时,11

2n =n , 2.当E2>E1时,n2

3.当E1为基态,E2距离很远时,即E2>E1,01

2n =n ,说明绝大多数粒子为基态 普朗克公式:1

1h 8hv 33v -=kT e c v πρ 爱因斯坦关系:自发辐射,受激辐射,受激吸收之间的关系

33

2121hv 8c

B A π= 212121g B g B = 光子简并度g :处于同一光子态的光子数。含义:同态光子数、同一模式内的光子数、处于

相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数

自发辐射:处于高能级E2的一个原子自发的向E1跃迁,并产生一个能量为hv的光子 特点:1各粒子自发,独立的发射光子;2非相干光源

光功率密度:212)()t (q A t hvn =自

受及辐射:处于高能级E2的一个原子在频率为v的辐射场作用下,向E1跃迁,并产生一

个能量为hv的光子

特点:1只有外来光频率满足12hv E E -=;

2 受激辐射所发射的光子与外来光特征完全相同,相干光源

【频率,相位,偏振方向,传播方向】,光场中相同光子数量增加,光强增加,入射

光被放大,即光放大过程

光功率密度:v B t hvn t ρ212)()(q =激

光功率密度比:v v hv ρπλρπh

88c q q 333==自激 增益系数:光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数

增益饱和: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。

谱线宽度:线型函数在ν0时有最大值,下降至最大值的一半,对应得宽度。

谱线加宽:由于各种因素的影响,自发辐射并不是单色的,而是分布在中心频率附近一个很

小的频率范围内。

线性函数:把归一化的自发辐射光功率,描述为单色辐射功率随频率变化的规律,定义为分

布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比。用于表示谱线的形状

多普勒效应:设一发光原子(光源)的中心频率为ν0,当原子相对于接收器以速度v z 运动时,

接收器测得的光波频率变为(略); 多普勒加宽:由于作热运动的发光原子(分子)所发出的辐射的多普勒频移引起的加宽

均匀加宽:引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的,包括自然加宽v 、碰撞加宽c 及晶格振动加宽。每个发光原子都以整个线型发射,不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来,每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。

洛伦兹形函数:2

20)2/()(2/)(f H H G v v v v v ?+-?=π 非均匀加宽:原子体系中每个原子只对谱线内与它的表现中心频率相应的部分有贡献,因而

可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的,包括气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽。

高斯函数:20

2

0221D 2)()2()(f kTv v v mc e T k m v -=π 线宽:2120D 2ln 2k 2v v )(mc

T =? 激光实现光放大条件: 1.激励能源,把介质中粒子不断由低能级抽运到高能级

2.增益介质,外界激励下形成粒子数反转

激光产生的三个条件: 1.增益介质

2.粒子数反转,01

212n >-g g n ; 3.提高简并度使受激发射光强超过自发发射,2121A f(v)>V B ρ

激光器的结构:

1.增益介质。其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构

2.激励源。能将下能级粒子抽运到上能级,使激光上下能级产生粒子数反转

光学谐振腔。增长激活介质长度,控制传播方向,选择被放大受激辐射光频率提高单色性 光学谐振腔作用

1提供光学正反馈,使激活介质中产生的辐射能多次通过介质,当受激辐射所提供的增益超过损耗时,在腔内得到放大,建立并维持自激振荡。

2控制腔内振荡光束的特性,使腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中,从而提高单个模式内的光子数量,获得单色性好,方向性好的强相干光。

光学谐振腔构成要素

1激活介质:用于补偿腔内电磁场在振荡过程中的能量损耗,使之满足阈值条件

2两个镀有高反射率膜的反射镜:使得激活介质中产生的辐射能多次通过介质获得增益同时控制光束的输出

3腔长:影响谐振腔稳定性、损耗等

第二章

光腔按几何损耗分类:稳定腔,临界腔,非稳腔 定义:111g R L -=,2

12g R L -= 稳定腔:121g 0≤≤g

非稳腔:121021g ≥≤g g g 或

临界腔:121021g ==g g g 或

共焦腔:02,01,21====g g L R R 即

共心腔:L R R =+21

光学谐振腔稳定条件:要求腔内傍轴光线不会因腔镜的反射偏折而逃出谐振腔,没有考虑光波的衍射逃逸损失,只考虑几何损失,属于对谐振腔稳定性的最低要求。

稳定谐振腔可能的腔镜组合形式有:双凹型,平凹型,凸凹型。

稳定图:

粒子数反转:在外界激励下,物质处于非平衡状态,使得n2>n1

实现粒子数反转手段:激励、泵浦、抽运

建立多模激光器速率方程组需要做脱耦近似假设:忽略各模式频率和横向模场分布不同所带来的差异,采用如下近似假设1各模式腔损耗、光子寿命、近似相同2各模式光子所引起的受激跃迁速率近似相等

速率方程;2212212211122d n w n A n W n W dt

n ---=, 22)21(,,21212122112n w n A n n W dt

dn W W W g g ---==== 稳态下:

0d 2=dt n ,w A W W n ++=2112n ,则12n n <,结论,二能级不能实现粒子数反转 稳态反转粒子数密度分布:

012d 0===dt dn dt n dt dn ,抽运=跃迁 小信号反转粒子数密度121220)(n ττR R R +-=?

小信号粒子数反转物理条件:

1.激光上能级E2的寿命长,例子不能轻易非受激辐射离开

2.激光下能级E1的寿命短,粒可很快衰减

均匀增宽型介质:反转粒子数密度分布

()()[]()()???

????=+?=?≠?++-??+-=+?02200

22000,2/)1(n 2/,100)()(1n V V V I I V V V V V V V I I n S S S v f v f I I n 粒子数反转分布饱和效应:介质已实现粒子数反转并达到阈值。入射光频率含h

1

2v E E -=时,强烈的受激发射使激光上能级E2粒子数n2迅速减少,出现n ?随入射光强I 增大反而下降的现象。

粒子数反转分布饱和原因:入射光引起强烈的受激发射使激光上能级E2粒子数n2迅速减少 均匀增益系数:hv v f c nB v G )()(21μ?=

增益系数饱和:随着I 增大,G 不增反降

增益系数饱和原因:入射光引起强烈的受激发射使激光上能级E2粒子数n2迅速减少 I 很小时,0n ?,0

G 均为常数

I~Is 时,n ?和G 均随I 增大而减小

均匀增宽介质饱和:在抽运速率一定时,当入射光很弱时,增益系数是一个常数,当入射光强增强到一定程度后,增益系数随光强的增大而减小。

激光器中不是总存在增益饱和只有当激光振荡模式增益超过损耗,介质中振荡光束才会获得增益,随振荡光束增强才产生增益饱和。在脉冲激光器中由于光增益时间很短,小于激励时间,所以有可能在工作中不出现增益饱和现象。或在非均匀加宽中,当与入射光频率相应的增益曲线上频率处的增益系数恰好等于损耗时,不存在增益饱和。

二氧化碳激光器:饱和Is 很大,即使腔内光强I 很大时,I/Is 仍远小于1,介质对光波增益仍然很大。

氦氖激光器:饱和Is 很小,即使腔内光强I 不是很大时,I/Is 已接近于1,增益饱和 激光损耗:内部损耗,镜面损耗

内部损耗:增益介质内部由于成分不均匀,粒子数密度不均匀,或有缺陷而使光产生折射,散射等使部分光波偏离传播方向,造成能量损失:z G I I in )(ex p 0α-=,in α内部损耗系数 镜面损耗:当光强为I 的光波射到镜面上,其中I 1r 反射回腔内继续放大,其他的部分均为损耗,包括I 1t ,镜面反射,吸收以及由于光衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗。 几何损耗主要存在于非稳腔和临界腔。 损耗系数:光通过单位距离后光强衰减的百分数

激光器振荡阈值:工作物质自发辐射在光腔内因不断获得受激放大形成振荡所需要的门限条

件,可用反转粒子数密度,阈值增益系数,阈值泵浦功率来表示。

阈值条件

1.增益系数阈值:满足双程放大系数:12)ex p(r r 21≥-=L G K in α,total 21in )(ln 21-αα=≥r r L

G ,则total α≥G 2.增益系数下限:均匀:total S M D I I G G α=+=/10th 非均匀total S M D I I G G α=+=2

10th )/1( 3.粒子数反转分布阈值:)

(8n 222v f c hv total th ταμπ=?,th n ?≥?n 才能产生激光 第三章

惠更斯-菲涅尔提出子波及子波干涉概念:

1.波传到的任意波点都是子波波源

2.各子波在空间某点相干叠加:薄面上各点均是相干子波源,惠-非原理提供用干涉解释衍射的基础,菲涅尔发展了惠更斯原理,深入了解衍射现象。

3.衍射基础,开腔模式基础

惠更斯-菲涅尔原理:设波面上一点'p 光场复振幅()p''u ,任意一点P 光场复振幅

()()()'cos 1''4ik p u ds e p u ik θρπρ+=??∑-

光波模:能够存在于腔内,以某一波矢k为标志的驻波称为‘’。一种模式是电磁波运动的 一种类型,不同的模式以不同的k区分。同一k对应两个具有不同偏振方向的模。 腔的模:将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态称为模。

模特征:电磁场理论(横模),简谐频率(纵模),往返一次损耗功率,发散角

自再现模:把开腔镜面上经一次往返能再现的稳态场分布称为自再现模或横模。 往返损耗:自再现模往返一次的损耗。

往返位移:自再现模往返一次的相位变化,等于π2整数倍 横模:腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模

纵模:在腔的横截面内场分布是均匀的,而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波,驻波的波节数由q 决定将这种由整数q 所表征的腔内纵向场分布称为纵模。q 纵模系数,一个q 一个驻波 谐振条件:光波在腔内往返一周总相移等于π2整数倍。πδφ2q 2= 驻波条件:光学腔长等于半波长整数倍。2q 'λ

μ==L L ,λc

v =谐振频率

模式的空间竞争:由于空间烧孔效应的存在,不同的纵模可利用空间内不同的粒子反转数获得增益,从而实现多纵模振荡。称为

高斯光束性质:

1.高斯光束在其轴线附近可看做是一种非均匀搞死球面波

2.传播过程中,曲率中心不断改变

3.振幅在横截面内为一高斯光束

4.强都集中在轴线及其附近

5.等相位面保持球面

高斯光束束腰半径:π

λ2w L = 球形等相面曲率半径:???

?

???????? ??+=22001z z w R λπ z 处界面内基模有效截面半径:()22001w ???

? ??+=w z w z πλ 腔面基模光斑有效截面半径:02w w s = 基模远场发散角:0

w 2222πλπλθ==L 光学谐振腔常用研究方法?几何光学、衍射积分方程方法

稳定球面腔的等价共价腔:任何一个共焦腔可以与无穷个稳定球面镜腔等价

一般稳定球面镜谐振腔与其等价共焦谐振腔,有什么相同和不同?

同:具有相同行波场通过等价共焦腔研究稳定球面谐振腔模式性质。腔内光场横向分布相同。 异:任何一个共焦腔与无数多个稳定球面腔等价。而任何一个稳定的球面腔唯一等价于一个共焦腔;共焦腔属于临界腔,而稳定球面腔属于稳定腔。模谐振频率不同

光学谐振腔腔内存在焦点:平面腔焦点都不在腔内,球面镜曲率半径R 腔长L ,2L>|R|则焦点在腔内。稳定腔若腔镜的中心在腔内则腔内存在焦点,一般的若高斯光束的束腰在腔内则对应的光学谐振腔腔内存在焦点。

稳定腔与非稳定谐振腔相比:

缺点:选模能力差,高阶横模也能起振;模式体积小,只适用与低增益介质;低损耗导致多模运转,输出功率小。

优点:稳定腔几何偏折损耗小,主要是衍射损耗;稳定腔光束半径有限,光波模式主要集中在腔轴附近。

非稳腔的优点:具有大的可控模体积,是适用于高功率激光器的腔型。可从腔中提取有用衍射耦合输出。容易鉴别和控制横模。易得到单端输出和准直的平行光束,得到方向性好的横模振荡

同一个光学谐振腔中的不同横模异同?相同点:谐振腔内光电磁场在垂直于其传播方向(横向)具有的稳定的场分布,称为横模,是谐振腔衍射损耗筛选的结果,与光波初始波形和特性无关,有谐振腔自身特性决定。都是光束在横向的场分布。不同点:基横模的强度分布比较均匀,光源的发散角小,且损耗最小,随着横模阶数的提高,强度分布不均匀,光束的发散角增大,且损耗较大。它们光斑形状、大小不一样,相位频率、偏振不一样。不同横模对应于不同的横向稳定光场分布和频率。

第四章

模式竞争:在均匀加宽的激光器中,开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争,结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜,形成稳定的振荡,其他的纵模都被抑制而熄灭。这种情况叫。

单模激光器的线宽极限:输出激光是一个略有衰减的有限长波列,具有一定的谱线宽度。由

自发辐射产生的无法排除谱线宽度称为极限线宽。实际激光器中由于各种不稳定因素,纵模频率本身的漂移远远大于极限线宽

增益的空间烧孔效应:在驻波腔激光器中,腔内形成一个驻波场,波腹处增益最小,而波节处增益最大,沿光腔方向增益系数的这种非均匀分布称为空间烧孔效应

自选模:设三个纵模v1,v2,v3同时起振,随着振荡的持续光强I1,I2,I3逐渐增大,当光强足够大,(可与饱和光强Is比拟时)由于增益饱和,导致增益曲线在各频率处整体下降,结果各纵模由于增益系数小于阈值增益系数,先后熄灭,最后仅剩下最接近中心频率vo的一个纵模维持自激振荡,这一现象称烧空效应。

非均匀加宽介质激光器中,怎样实现烧孔重叠?减少纵模间隔;加深烧孔,从而加宽烧孔;置一纵模于中心频率,使两侧对称纵模重叠。

均匀加宽介质中有纵模竞争因为在均匀加宽介质中,当数个纵模同时起振时,各模式光场获得的增益是不同的,一个模式所获得的净增益由介质增益曲线在该模式频率处超过增益阈值线上的那部分大小来决定,靠近介质频率中心的纵模光场获得的净增益最大。随着各模光强的增加,出现饱和作用,激活介质的增益曲线均匀下降,不断有模式退出,直至仅存一个振荡模式。

非均匀加宽介质中有模竞争因为在非均匀加宽介质激光器中,若纵模频率间距较小,出现烧孔重叠,也存在模竞争现象。若激励较强,介质增益大,烧孔深,烧孔宽度大,使得相邻烧孔部分重叠,产生纵模之间竞争。

激光介质烧孔现象、形成机制,及其宏观表现,对激光器的性能有哪些影响?

纵向烧孔:由于腔内振荡模的驻波场分布,介质中沿腔轴向各点处光强周期性分布,致使介质增益的饱和程度沿腔轴向周期性分布,反转集居数密度亦出现相同的周期性分布。与驻波波节对应处的增益饱和最弱,反转集居数密度最高;与驻波波腹对应处的增益饱和最强,反转集居数密度最低。驻波腔中所出现的激活介质增益特性的这种周期性变化通常称之为增益的轴向空间烧孔效应。宏观表现:由于驻波腔激光器激活介质内增益轴向空间烧孔效应的存在,大大减小了相邻模之间的竞争,使优势模的邻模也能同时形成稳态振荡,不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡,这一现象将减轻纵模的空间竞争。性能影响:不同纵模消耗激活介质中空间不同部位的反转激活粒子,从而可建立起多纵模的稳态振荡。横向烧孔:在驻波腔激光器中,除了上述沿腔轴向的增益空间烧孔外,对于能够起振的不同横模,由于各横模的模场在横截面上光强分布不同以及节点位置的差别,可能出现横向空间烧孔效应。宏观表现:横向空间烧孔效应的存在,为模光场主要分布在远离腔轴的高阶横模提供了可资利用的集居数反转密度,为高阶横模的起振提供了可能。性能影响:横向烧孔的存在,使均匀加宽激光器中易形成多个横模的稳态振荡。这不仅影响到激光器输出的线宽和单色性,亦会影响到输出光束的横向场分布和方向性。

若腔模偏离原子谱线中心,则在增益曲线上对称的烧出两个孔。这两个孔对应两种光场频率,但激光输出不是双色光。因为在激光器中,激光光波受谐振腔反射双向传播。沿z方向传播、频率为v1的光波,只会激发z向分速度为粒子群的受激辐射。V0为运动粒子的中心频率。而沿负z方向传播、频率为v1的光波,只会激发z向分速度为粒子群的受激辐射。增益曲线上对称地烧出的两个孔对应粒子的表观中心频率,它们对称的分布在激光器工作介质的中心频率两侧,而光场频率始终为v1,即激光输出单色光

增益曲线上的烧孔如何形成,激光输出的稳定性与它有无关系?增益曲线上的烧孔是由非均匀加宽增益饱和效应产生的。由于非均匀加宽线型函数是众多的均匀加宽线型函数的包迹函数,当频率为va、光通量为Iva的准单色光入射到非均匀加宽的增益介质时,使中心频率为va的那群反转粒子发生饱和,对中心频率远离va的反转粒子不发生作用。饱和后的反转粒子对总的非均匀加宽增益曲线va处的增益贡献减小,所以在va处出现一个增益凹陷,

好像是Iva在增益曲线上烧了一个孔一样,这称为增益曲线的烧孔效应。激光输出光强的不稳定,事实上是烧孔面积产生变化的反映。而烧孔面积之所以产生变化,原因在于激光谐振频率的不稳定,导致原来谐振频率为v1的模式变为v2,而使得原来v1处的增益饱和效应逐渐消失,而v2处则由于增益饱和效应而产生频域烧孔,这时相应于v2处的烧孔面积必然相对原来v1处的烧孔面积有变化,有关系

空间烧孔发生在什么类型的介质中?烧孔有几种形式,各有什么弊端和可利用之处?空间烧孔发生在固体工作物质与液体激光器中。因为在固体工作物质中,激活粒子被束缚在晶格上,借助粒子和晶格的能量交换完成激发态的空间转移,激发态在空间转移半个波长所需的时间远远大于激光形成所需的时间,所以空间烧孔不易消除。在液体激光器中,由于激发态的空间转移时间也很长,因此烧孔取得反转粒子束密度消耗量不能由临近区域激活粒子的移入来抵消,空间烧孔也不能消除。烧孔有纵向烧孔和横向烧孔两种形式。A纵向烧孔弊端:建立起多纵模的稳态振荡,需用严格的模式选择技术才能可靠地实现单模稳态振荡。可供利用之处:采用“锁模技术”,使这些各自独立的纵模在时间上同步,即把它们的相位相互联系起来,激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲。而超短脉冲所形成的fs量级的光脉冲是对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。B横向烧孔弊端:当激励足够强时,增大输出激光的发散角,降低激光束的方向性。可供利用之处1为选横模提供装置2由于横向烧孔与光功率过大相关,故在腔内放入光折边晶体,可产生光折边现象3若希望得到大功率输出,横向烧孔可提供较大功率激光。

单纵模选取:短腔法、三反射镜法

单横模选取:光阑法、

横模选取:聚焦光阑法、腔内望远镜法

衍射损耗:镜面损耗

光学谐振腔的衍射损耗的大小与菲涅尔数成反比,与腔的几何参数有关,和横模的阶数有关,阶次越高光强分布越趋向于边缘,衍射损耗越大。

菲涅尔数:N,即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数目。表征损耗的大小。衍射损耗与N成反比。衍射损耗来源于光束衍射,衍射损耗的大小与腔镜的大小及距离有关。而菲涅耳数N与模的表面积和模的光斑面积有关,所以它在一定程度上反映了导致衍射损耗的另外两个因素:腔的几何结构和横模的阶数。

兰姆凹陷:非均匀增宽谱线的输出功率P随频率的变化曲线是钟形的,但在中心频率V=V0处,出现一个凹陷,称为兰姆凹陷。

兰姆凹陷法稳频:原理见课件!

兰姆凹陷稳频技术实际上就是稳定腔长。试述兰姆凹陷的成因及用处。兰姆凹陷稳频技术是利用兰姆凹陷的宽度远比谱线宽度窄,在V0附近频率V的微小改变,都将引起输出功率的显著变化,将谱线中心频率V0选作标准频率,通过对输出光强的监测,实时地确定工作频率现对V0的偏离,利用灵敏的腔长自动伺服,是极广频率稳定在V0上运转。当振荡纵模频率与介质中心频率之差满足,单纵模运转激光器驻波腔内往还传输的两束光在介质增益曲线上烧两个对于中心频率左右对称的孔,会开始部分重合,烧孔总面积减少,对应振荡模输出功率有所下降。直至模频率等于介质中心频率,两个烧孔完全重合,输出功率下降到极小,形成在振荡频率等于介质中心频率时极小输出功的现象,即兰姆凹陷。随着振荡纵模频率向介质中心频率趋近,激光器单模输出先增大后减小,在振荡频率等于介质中心频率时对应极小输出功率的现象,即兰姆凹陷。兰姆凹陷应用于单面激光器输出激光的稳频技术;应用于测量粒子跃迁均匀加宽线宽等。

兰姆凹陷只能出现在非均匀加宽的气体介质中,能使用兰姆凹陷作激光器输出光强的调制,围绕中心频率移动谐振频率即可实现光强调制,若从激光谐振频率不应移动的角度出发认为

不能也可

反兰姆凹陷:在饱和吸收稳频中,把吸收管放在谐振腔内,并且腔内有一频率为ν1的模式振荡,若ν1≠ν0,购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔。若ν1=ν0,刚正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔。若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线,则曲线出现凹陷,激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰。激光调制:把激光作为载波携带低频信号。分为内调制、外调制。振幅、频率、相位。

激光偏转:利用反射镜或多面反射棱镜的旋转或反射镜的转动实现光束扫描。

机械偏转、电光偏转、声光偏转

Q值:是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。

激光调Q:利用晶体的电光效应,在晶体上加一阶跃式电压,调节腔内光子反射损耗。

两阶段:积累阶段,脉冲形成阶段。

电光调Q、声光调Q、染料调Q

激光锁模技术:强迫激光器中震荡的各个纵模的相位固定,使各模式相干叠加,得到超短脉冲的技术。主动锁模【损耗内调制、相位内调制】、被动锁模

自激振荡:不管初始光强多微弱,只要放大器足够长,就总能形成确定大小的光强Im,满足振荡条件。

ASE:不满足阈值条件,但处于集居数反转的工作物质对自发辐射光具有放大作用。

总量子效率:发射荧光的光子数/工作物质从光泵吸收的光子数。物理意义:抽运到E3的粒子,一部分无辐射跃迁到E2,另一部分通过其他途径返回基态。到达E2的粒子,一部分自发辐射跃迁至E1发射荧光,一部分无辐射跃迁至E1。

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

弛豫时间:某种状态的建立或消亡过程。②纵向弛豫时间T1:反转粒子数的增长与衰减所需时间。③横向弛豫时间T2:宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的。极化强度P(z, t)较E(z, t)落后的时间T2即是横向弛豫时间。

驰豫振荡:固体脉冲激光器所输出的并不是平滑的光脉冲,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。称作。

第五章,自己看

华中科技大学激光原理2002-2015历年真题

华科考研激光原理2002--2015真题 2015年(839) 一、简单 1、激光产生的必要条件? 2、激光的四种特性?选择一种说明其用途 3、谐振腔的稳区图,并写明稳定腔和非稳腔的位置 4、四能级系统速率方程和图示 二、共焦腔与一般稳定腔的对应计算 三、行波腔的均匀加宽和多普勒加宽的最大输出功率计算 四 2015激光原理(900) 一、简答题 1、△n 大于0,激光器是否能够产生自激振荡? 2、光学谐振腔的结构和作用 3、共焦腔与一般腔的等价性 4、均匀加宽与非均匀加宽的特点 5、连续激光器从开始振荡到产生稳定输出增益系数的变化情况 6、光学模式以及横模和纵模 二、三能级四能级的本质区别,以及为什么四能级更容易产生粒子数反转

三、三能级能级示意图,速率方程 四、稳定腔,非稳腔,临界腔计算判断(很简单) 五,光线传输矩阵相关的题 2014年 一.解释题 1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因,说明他们属于什么加宽类型。(15) 2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用? 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的?(15) 4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别,哪个系统更容易形成粒子数反转,为什么?(15) 二.解答题 1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中,界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。 (1)求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。 (2)求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。 (3)求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ,(1)求纵模间隔q υ?,横模间隔m υ?,n υ?. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ,问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡,为什么?(25) 3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ,由凹面镜M1和凸面镜M2组成,M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变,要求从M2单端输出,则M1的尺寸为多少;腔的往返放大率为多少。(20) 4. 某连续行波激光放大器,工作物质属于均匀加宽型,长度是L ,中心频率的小信号增益为m G ,初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ,腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有:

激光原理与应用课试卷试题答案

激光原理及应用[陈家璧主编] 一、填空题(20分,每空1分) 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程,分别是(自发辐射)、(受激吸收)、(受激辐射)。 2、光腔的损耗主要有(几何偏折损耗)、(衍射损耗)、(腔镜反射不完全引起的损耗)和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是(模式选择)和(提供轴向光波模的反馈)。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因,衍射损耗与菲涅耳数有关,菲涅耳数的近似表达式为(错误!未找到引用源。),其值越大,则衍射损耗(愈小)。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为(错误!未找到引用源。)。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括(多普勒加宽),(晶格缺陷加宽)两种加宽。 7、CO2激光器中,含有氮气和氦气,氮气的作用是(提高激光上能级的激励效率),氦气的作用是(有助于激光下能级的抽空)。 8、有源腔中,由于增益介质的色散,使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率,这种现象叫做(频率牵引)。 9、激光的线宽极限是由于(自发辐射)的存在而产生的,因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲,脉冲宽度可达(错误!未找到引用源。)S,通常有(主动锁模)、(被动锁模)两种锁模方式。 二、简答题(四题共20分,每题5分) 1、什么是自再现?什么是自再现模? 开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直,是实际应用中经常使用的技术手段,在聚焦透镜焦距F一定的条件下,画出像方束腰半径随物距变化图,并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念,请说明什么是空间烧孔?什么是反转粒子束烧孔? 4、固体激光器种类繁多,请简单介绍2种常见的激光器(激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长)。 三、推导、证明题(四题共40分,每题10分)

08激光原理与技术试卷B

华南农业大学期末考试试卷(B 卷) 2008~2009学年第一学期 考试科目:激光原理与技术 考试类型:(闭卷) 考试时间:120分钟 姓名 年级专业 学号 一.填空题(每空2分,共30分) 1. 设小信号增益系数为0g ,平均损耗系数为α,则激光器的振荡条件为 g o > α 。 2. 相格 是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。 3. 四能级系统中,设3E 能级向2E 能级无辐射跃迁的量子效率为1η,2E 能级向1E 能 级跃迁的荧光效率为2η,则总量子效率为 。。 4. 当统计权重21f f =时,两个爱因斯坦系数12B 和21B 的关系为 B 12=B 21 。 5. 从光与物质的相互作用的经典模型,可解释 色散 现象和 物质对光的 吸收 现象。 6. 线型函数的归一化条件数学上可写成 。 7. 临界腔满足的条件是 g1g2=1 或 g1g2=0 。 8. 把开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的 自再现模 。 9. 对平面波阵面而言,从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅耳半周期 带的数目称为 菲涅耳数 。

10. 均匀加宽指的是引起加宽的物理因素对各个原子是 等同的, 。 11. 入射光强和饱和光强相比拟时,增益随入射光强的增加而减少,称 增益饱和 现 象。 12.方形镜的mnq TEM 模式沿x 方向有 m 条节线,没y 方向有 n 条节线. 二.单项选择题(每题2分,共10分) 1. 关于高斯光束的说法,不正确的是( ) (A)束腰处的等相位面是平面; (B)无穷处的等相位面是平面; (C)相移只含几何相移部分; (D)横向光强分布是不均匀的。 2. 下列各模式中,和圆型共焦腔的模q n m TEM ,,有相同频率的是(A ) (A)1,,2-+q n m TEM ; (B) q n m TEM ,,2+; (C) 1,,1-+q n m TEM ; (D) 1,1,2-++q n m TEM 。 3. 下列各种特性中哪个特性可以概括激光的本质特性(C ) (A)单色性; (B)相干性; (C)高光子简并度; (D)方向性。 4. 下列加宽机制中,不属于均匀加宽的是(B ) (A)自然加宽; (B)晶格缺陷加宽; (C)碰撞加宽; (D)晶格振动加宽。 5. 下列方法中,不属于横模选择的是(D ) (A)小孔光阑选模; (B) 非稳腔选模; (C) 谐振腔参数N g ,选择法; (D)行波腔法。 三、简答题(每题4分,共20分)

激光原理复习题答案

激光原理复习题 1. 麦克斯韦方程中 0000./.0t t μμερε????=-???????=+????=???=?B E E B J E B 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的在矛盾和运动;不仅电荷和电流可以激发电磁场,而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果? 答:(1)麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度,后两个分别表 示电场和磁场的散度; (2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋 电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的; (3)由方程组中的2式可知,在真空中,,J =0,则有 t E ??=? 00B *εμ ;这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场;相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这 种交替的不断变换会导致电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个?基于的基本原理是什么? 答:产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理:原子可视为一个偶 极子,它由一个正电荷和一个负电荷中心组成,偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分,高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光围的电磁波,它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么? 答:大量原子辐射产生的光具有方向不同,偏振方向不同,相位随机的光,它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射,其中那个辐射与激光的产生有关,为什么? 答:有三种:自发辐射,受激辐射,受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有 关,因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率,相同的发射 方向,相同的偏振态和相同的相位,是相干光。

激光原理简答题(西南科技大学)

光学谐振腔的作用 1、提供正反馈(放大)作用(1)腔镜的反射率(吸收、透射少,反射率大;反之亦然);(2)腔镜的形状及组合方式。 2、控制振荡光束,表现在三个方面(1)控制纵模的数目—光的模式少,光子的简并度高 (2)控制高阶横模—基模光强大、光斑小、发散角小(3)控制各种损耗—在增益一定的条件下,通过控制损耗来控制激光的输出。 横模的形成 a 、谐振腔中稳定的激光等效于任何波面的光通过一系相同列光栏后形成的自再现光场 b 、光栏有衍射,因此在光束的不同位置光将形成干涉叠加,这种稳定的叠加就形成了横模 c 、不同位置稳定场形成的条件不同,故而有不同频率。不同频率的横模的光场有不同的横向分布,它们是重叠在激光腔的同一空间内。 1、损耗的种类 (1)几何损耗:非平行轴的光线,折、反出腔外的损耗。 ① 光腔结构和尺寸影响的损耗;② 横模阶次的高低不同损耗不同。一般,高阶模的损耗大。 (2)衍射损耗:反射镜尺寸有限、腔中有插件,必有衍射。 ① 损耗与菲涅尔数N=a2/Lλ有关,该常数越小,损耗越大。② 与腔的几何结构有关,参数g=1-L/R 越小损耗越大。③ 与横模的阶次有关,阶次越高损耗越大。 (3)腔镜反射不完全引起的损耗 ① 反射镜吸收、散射引起的损耗;②反射镜的部分出射引起的损耗(对固体激光器可达50%) (4)非激活吸收、散射引起的损耗① 腔内加插件引起的损耗 a 、产生偏振光的布儒斯特窗口 b 、提高激光瞬间强输出功率的调Q 元件 c 、各种用途的加载调制元件 ② 非激活介质的吸收、散射 两个相同腔面共振漠视的积分方程 意义 腔内可能存在着得稳定的共振光波场,他们由一个腔面传播到另一个腔面的过程中虽然经受了衍射效应,但这些光波场在两个腔面处得相应振幅分布和相位分布保持不变,亦即共振光波场在腔内多次往返过程中始终保持自洽或自再现的条件。 方形镜共焦腔: 长椭球函数,在N 很大的情况,可以表示成厄米多项式与高斯函数乘积的形式。 圆形镜共焦腔: 超椭球函数,在N 很大的情况,可以表示成拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。 单程衍射损耗 损耗随着菲涅耳系数N 的增大而迅速减小 菲涅耳系数相同时,不同横模的损耗不同,模的阶次越高,损耗越大; 共焦腔模的损耗要小于平面腔模的损耗,这是因为共焦腔对光束会聚作用的结果。 自再现模的衍射损耗小于均匀平面波的衍射损耗,因为自再现模的形成过程反应了衍射损耗的影响,从而使得边缘部分强度变小,衍射损耗的作用变小。 1 模式的损耗随菲涅耳数N 值的增大而急剧减小; 2 共焦腔损耗<共心腔损耗<平面腔损耗 3 基模的损耗<高阶模的损耗,模阶次越高,损耗越大; 稳定腔的优点:衍射损耗小 稳定腔的缺点:模体积小,利用的反转粒子数少, 平行平面腔的优点:模体积大 平行平面腔的缺点:调节精度很高 一、非稳定腔的优点和缺点: 非稳定腔的优点:大的可控模体积,通过扩大反射镜的尺寸,扩大模的横向尺寸; 可控的衍射耦合输出,输出耦合率与腔的几何参数g 有关;容易鉴别和控制横模; 易于得到单端输出和准直的平行光束。 非稳定腔的缺点:输出光束截面呈环状;光束强度分布是不均匀的,显示出某种衍射环。 高斯光束聚焦的方法(1)采用短焦距透镜,使f 尽量减小;(2)使入射高斯光束腰斑远离透镜焦点,满足: 若使一个稳定腔所产生的高斯光束与另一个稳定腔产生的高斯光束相匹配,需在合适的位置放置一个焦距适当的透镜,使两束高斯光束互为物象共轭光束。该透镜称为模匹配透镜。 f z

激光原理及应用试卷

激光原理及应用 考试时间:第 18 周星期五 ( 2007年1 月 5日) 一单项选择(30分) 1.自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为(B ) 2.爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为(C ) 3.自然增宽谱线为( C ) (A)高斯线型(B)抛物线型(C)洛仑兹线型(D)双曲线型4.对称共焦腔在稳定图上的坐标为(B ) (A)(-1,-1)(B)(0,0)(C)(1,1)(D)(0,1) 5.阈值条件是形成激光的( C ) (A)充分条件(B)必要条件(C)充分必要条件(D)不确定6.谐振腔的纵模间隔为(B ) 7.对称共焦腔基模的远场发散角为(C ) 8.谐振腔的品质因数Q衡量腔的(C ) (A)质量优劣(B)稳定性(C)储存信号的能力(D)抗干扰性9.锁模激光器通常可获得( A )量级短脉冲 10.YAG激光器是典型的( C )系统 (A)二能级(B)三能级(C)四能级(D)多能级 二填空(20分) 1.任何一个共焦腔与等价, 而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分)

2 .光子简并度指光子处于、 、、。(4分) 3.激光器的基本结构包括三部分,即、 和。(3分) 4.影响腔内电磁场能量分布的因素有、 、。(3分) 5.有一个谐振腔,腔长L=1m,在1500MHz的范围内所包含的纵模个数为个。(2分) 6.目前世界上激光器有数百种之多,如果按其工作物质的不同来划分,则可分为四大类,它们分别是、、 和。(4分) 三、计算题(42分) 1.(8分)求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知=6328?,1/f( ) =109Hz,=1,设总损耗率为,相当于每一反射镜的等效反射率R=l-L =98.33%,=10—7s,腔长L=0.1m。 2.(12分)稳定双凹球面腔腔长L=1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R 1=1.5m,R =3m求它的等价共焦腔腔长,并画出它的位置。 2 3.(12分)从镜面上的光斑大小来分析,当它超过镜子的线度时,这样的横模就不可能存在。试估算在L=30cm, 2a=0.2cm 的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大? 4.4.(10分)某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。 四、论述题(8分) 1.(8分)试画图并文字叙述模式竞争过程

激光原理与技术试题

2006-2007学年第1学期《激光原理与技术》B卷试题答案 1 .填空题(每题4分)[20] 1.1激光的相干时间T和表征单色性的频谱宽度△V之间的关系 为 1/ c 1.2 一台激光器的单色性为5X10-10,其无源谐振腔的Q值是_2x109 1.3如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm的远紫外光,自发跃迁几率A10等于105S1,该跃迁的受激 辐射爱因斯坦系数B10等于6x1010 m3^2^ 1.4设圆形镜共焦腔腔长L=1m,若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz判断可能存在两个振荡频率。 1.5对称共焦腔的1(A D)_1_,就稳定性而言,对称共焦腔是稳定______________ 空。 2.问答题(选做4小题,每小题5分)[20] 2.1何谓有源腔和无源腔?如何理解激光线宽极限和频率牵引效应? 有源腔:腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔:腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限:无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关: 九';有源腔由于受到自发辐射影响,净损耗不等于零,自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 n2t 2 ( C)h 0 ------------------- 。 n t Rut 频率牵引效应:激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应,使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔 相应的模的频率,并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 2.2写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度,假设总粒子数密度为n阈值反转粒子数密 度为n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度n 2t n n ——-;四能级系统的上能级阈值粒子数密度2 n2t n t 。 2.3产生多普勒加宽的物理机制是什么? 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子(分子)对所发出(或吸收)的辐射的多普勒频移。 2.4均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同?分别对形成的激光振荡模式有何影响? 均匀加宽介质:随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献,入射的强光不仅使自身的增益系数下降,也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模在振荡过程中互相竞争,结果总是靠近中心频率的一个纵模得胜,形成稳定振荡,其他纵模都

激光原理MOOC答案详解

1.2 1 谁提出的理论奠定了激光的理论基础? ?A、汤斯 ?B、肖洛 ?C、爱因斯坦 ?D、梅曼 正确答案:C 我的答案:C得分: 10.0分 2 氢原子3p态的简并度为? ?A、2 ?B、10 ?C、6 正确答案:C 我的答案:C得分: 10.0分 3 热平衡状态下粒子数的正常分布为: ?A、处于低能级上的粒子数总是等于高能级上的粒子数?B、处于低能级上的粒子数总是少于高能级上的粒子数?C、处于低能级上的粒子数总是多于高能级上的粒子数正确答案:C 我的答案:C得分: 10.0分 4 原子最低的能量状态叫什么? ?A、激发态 ?B、基态 ?C、.亚稳态 正确答案:B 我的答案:B得分: 10.0分 5 对热辐射实验现象的研究导致了? ?A、德布罗意的物质波假说 ?B、爱因斯坦的光电效应

?C、普朗克的辐射的量子论 正确答案:C 我的答案:A得分: 0.0分 6 以下关于黑体辐射正确的说法是: ?A、辐射的能量是连续的 ?B、黑体一定是黑色的 ?C、 辐射能量以hν为单位 正确答案:C 我的答案:C得分: 10.0分 7 热平衡状态下各能级粒子数服从: ?A、A. 高斯分布 ?B、玻尔兹曼分布 ?C、正弦分布 ?D、余弦分布 正确答案:B 我的答案:B得分: 10.0分 8 以下说法正确的是: ?A、受激辐射光和自发辐射光都是相干的 ?B、受激辐射光和自发辐射光都是非相干的 ?C、受激辐射光是非相干的,自发辐射光是相干的 ?D、受激辐射光是相干的,自发辐射光是非相干的正确答案:D 我的答案:D得分: 10.0分 9 下列哪个物理量不仅与原子的性质有关,还与场的性质有关??A、自发跃迁几率 ?B、受激吸收跃迁几率 ?C、受激辐射跃迁爱因斯坦系数 正确答案:B 我的答案:B得分: 10.0分 10

激光原理简答题整理

1.什么是光波模式? 答:光波模式:在一个有边界条件限制的空间内,只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波(以某一波矢为标志)称为光波模式。 2.如何理解光的相干性?何谓相干时间、相干长度? 答:光的相干性:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。相干时间: 光沿传播方向通过相干长度所需的时间,称为相干时间。相干长度:相干光能产生干涉效应的最大光程差,等于光源发出的光波的波列长度。 3.何谓光子简并度,有几种相同的含义?激光源的光子简并度与它的相干性什么联系? 答:光子简并度:处于同一光子态的光子数称为光子简并度。光子简并度有以下几种相同含义: 同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。联系: 激光源的光子简并度决定着激光的相干性,光子简并度越高,激光源的相干性越好。 4.什么是黑体辐射?写出公式,并说明它的物理意义。 答:黑体辐射:当黑体处于某一温度的热平衡情况下,它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量,即黑体与辐射场之间应处于能量(热)平衡状态,这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场,这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。物理意义:在单位体积内,频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。 5.描述能级的光学跃迁的二大过程,并写出它们的特征和跃迁几率。 答:(1)自发辐射:处于高能级的一个原子自发的向跃迁,并发射一个能量为hv的光子,这种过程称为自发跃迁,由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。 特征:a)自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。b)每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元,原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一,所以各列光波频率虽然相同,均为V,各列光波之间没有固定的相位关系,各有不同的偏振方向,而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播,即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程,所以自发辐射的光是非相干光。自发跃迁爱因斯坦系数: (2)受激吸收:处于低能态的一个原子,在频率为的辐射场作用(激励)下,吸收一个能量为的光子并向能态跃迁,这种过程称为受激吸收跃迁。 特征:a)只有外来光子能量时,才能引起受激辐射。 b)跃迁概率不仅与原子性质有关,还与辐射场的有关。受激吸收跃迁概率:(为受激吸收跃迁爱因斯坦系数,为辐射场) (3)受激辐射:处于上能级的原子在频率为的辐射场 作用下,跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。 受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。特征:a) 只有外来光子能量时,才能引起受激辐射;b)受激 辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、 偏振方向、相位等性质完全相同。受激辐射跃迁概 率:(为受激辐射跃迁爱因斯坦系数,为辐射场) 6.激光器速率方程中的系数有哪些?它们之间的 关系是什么? 答:自发跃迁爱因斯坦系数,受激吸收跃迁爱因斯 坦系数,受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系: 7.激光器主要由哪些部分组成?各部分的作用是 什么? 答:激光工作物质:用来实现粒子数反转和产生光的 受激发射作用的物质体系。接收来自泵浦源的能量, 对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态,也称为 激活物质。泵浦源:提供能量,实现工作物质的粒子 数反转。光学谐振腔:a)提供轴向光波模的正反馈; b)模式选择,保证激光器单模振荡,从而提高激光 器的相干性。 8.什么是热平衡时能级粒子数的分布?什么是粒 子数反转?如何实现粒子数反转? 答:热平衡时能级粒子数的分布:在物质处于热平衡 状态时,各能级上的原子数(或集居数)服从玻尔 兹曼分布。粒子数反转:使高能级粒子数密度大于低 能级粒子数密度。 如何实现粒子数反转:外界向物质供给能量(称为激 励或泵浦过程),从而使物质处于非平衡状态。 9.如何定义激光增益?什么是小信号增益?大信 号增益?增益饱和? 答??激光增益定义:表示光通过单位长度激活物质 后光强增长的百分数。小信号增益:当光强很弱时, 集居数差值不随z变化,增益系数为一常数,称为 线性增益或小信号增益。大信号增益: 在放大器中 入射光强与(为饱和光强)相比拟时,,为大信号 增益。增益饱和:当光强足够强时,增益系数g也随 着光强的增加而减小,这一现象称为增益饱和效应。 10.什么是自激振荡?产生激光振荡的条件是什 么?答:自激振荡:不管初始光强多么微弱,只要放 大器足够长,就总是形成确定大小的光强,这就是 自激振荡的概念。 产生条件:满足腔的谐振条件,成为腔的梳状模之一; 频率落在工作物质的谱线范围内,即对应增益系数 大于等于阈值增益系数。 11.激光的基本特性是什么? 答:激光四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。 这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。 12.如何理解激光的空间相干性与方向性?如何 理解激光的时间相干性?如何理解激光的相干光 强? 答:(1)激光的方向性越好,它的空间相干性程度 越高。(2)激光的相干时间和单色性存在着简单关 系,即单色越好,相干时间越长。(3)激光具有很 高的亮度,激光的单色亮度,由于激光具有极好的 方向性和单色性,因而具有极高的光子简并度和单 色亮度。 13.什么是谐振腔的谐振条件?如何计算纵模的 频率、纵模间隔和纵模的数冃? 答:(1)谐振条件:谐振腔内的光要满足相长干涉 条件(也称为驻波条件)。波从某一点出发,经腔 内往返一周再回到原来位置时,应与初始出发波同 相(即相差为的整数倍)。如果以表示均匀平面波 在腔内往返一周时的相位滞后,则可以表示为。A 为光在真空中的波长,L为腔的光学长度,q为正 整数。 (2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目、 纵模的频率、纵模间隔: 纵模的数目:对于满足谐振条件频率为的波,其纵 模数目,为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的 那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽)。 14.在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素,分别与 哪些因素有关? 答:损耗因素:a、几何偏折损耗:与腔的类型、腔 的几何尺寸、模式有关。b、衍射损耗:与腔的菲涅 尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。c、腔镜反射 不完全引起的损耗:与腔镜的透射率、反射率有关。 d、材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起 的损耗:与介质材料的加工工艺有关。 15.哪些参数可以描述谐振腔的损耗?它们的关 系如何?(P29-31) 答:(1)描述参数:a)平均单程损耗因子:(为初始 光强,为往返一周后光强)b)腔内光子的平均寿命: c)品质因数:⑵去重:腔的损耗越小,平均单程损 耗因子越小,腔内光子的平均寿命越长,品质因数 越大。 16.如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模? 答:开腔镜面上,经过足够多次往返后,能形成这 样一种稳恒场,其分布不再受衍射的影响,在腔内 往返一次能够再现出发时的场分布。这种稳恒场经 一次往返后,唯一可能的变化是,镜面上各点的场 分布按同样的比例衰减,各点的相位发生同样大小 的滞后。把这种开腔镜面上的经一次往返能再现的 稳恒场分布称为开腔的自再现模。 17.求解菲涅尔-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? 答:本征函数:描述腔的一个自再现模式或横模。其 模描述镜面上场的振幅分布,幅角描述镜面上场的 相位分布。本征倌:表示自再现模在渡越一次时的幅 值衰减和相位滞后。其模值量度自再现模在腔内往 返一次的功率损耗,幅角量度自再现模的单程相移, 从而也决定模的谐振频率。

《激光原理》本科期末考试试卷及答案

系、班 姓 名 座 号 ………………密……………封……………线……………密……………封……………线………………… 华中科技大学2012年《激光原理》期末试题(A) 题 号 一 二 三 四 总分 复核人 得 分 评卷人 一. 填空: (每孔1分,共17分) 1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值 高 。 2. Nd:Y AG 激光器可发射以下三条激光谱线 946 nm 、 1319 nm 、 1064 nm 。其 中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm 、 1064 nm 。 3. 红宝石激光器属于 3 几能级激光器。He-Ne 激光器属于 4 能级激光器。 4. 激光具有四大特性,即单色性好、亮度高、方向性好和 相干性好 5. 激光器的基本组成部分 激活物质、 激光谐振腔 、 泵浦源 。 6. 激光器稳态运转时,腔内增益系数为 阈值 增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率 相等. 7. 调Q 技术产生激光脉冲主要有 锁模 、 调Q 两种方法。 二、解释概念:(共15分,每小题5分)(选作3题) 题 号 一 二 三 合计 得 分 1. 基模高斯光束光斑半径: 激光光强下降为中心光强21 e 点所对应的光斑半径. 2. 光束衍射倍率因子 光束衍射倍率因子= 角 基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角 实际光束束腰半径?? 3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系: 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性:任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价; 任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。 三、问答题:(共32分,每小题8分) 题 号 一 二 三 四 合计 得 分 1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ??--=+-=02111220321303001010 3232121202111 222313230303 ,, W 03 A 03 S 03 S 32 S 21 A 21 W 21 W 12 E 3 E 2 E 1 E 0

激光原理与激光技术习题

激光原理与激光技术习题答案 习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ,它的单色性?λ/λ应为多大? 解: 1010 1032861000 106328--?=?=λ=λ λ?=.L R c (2) λ=5000?的光子单色性?λ/λ=10-7,求此光子的位置不确定量?x 解: λ=h p λ?λ=?2h p h p x =?? m R p h x 510 1050007 10 2=?=λ=λ?λ=?=?-- (3)CO 2激光器的腔长L=100cm ,反射镜直径D=1.5cm ,两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、?νc (设n=1) 解: 衍射损耗: 1880107501 106102 262.) .(.a L =???=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-?=??=δ=τ 6 86 8 10113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 19101910 75114321216 8 =?=???=πτ= ν?- 输出损耗: 119080985050212 1.)..ln(.r r ln =??-=-=δ s ..c L c 8 81078210 311901-?=??=δ=τ 6 86810 964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 7510751078214321216 8 =?=???=πτ= ν?- (4)有一个谐振腔,腔长L=1m ,两个反射镜中,一个全反,一个半反,半反镜反射系数r=0.99,求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数,及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗) 解: MHz Hz .L c q 15010511 2103288=?=??==ν? 11]11501500 []1[=+=+ν?ν?=?q q 005.02 01 .02=== T δ s c L c 781067.610 3005.01 -?=??== δτ MHz c c 24.010 67.614.321 217 =???= = -πτν? (5) 某固体激光器的腔长为45cm ,介质长30cm ,折射率n=1.5,设此腔总的单程损耗率0.01π,求此激光器的无源腔本征纵模的模式线宽。

激光原理考试基本概念

第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点:方向性好,相干性好,亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射,普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波,是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围,波长为~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波,如果频率宽度Δν<

d、ΔS=0,即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下,原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 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、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁,必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程:自发辐射,受激辐射,和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用,激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 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性完全相同(频率相同,相位相同,偏振方向相同,传播方向相同)。 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具有相同的频率、相位、波矢(传播方向)和偏振,是相干的。 19、自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身,而受激辐射的跃迁几

激光原理试卷

激光原理试卷

广东工业大学考试试卷( A ) 课程名称: 激光原理与技术 试卷满分100 分 考试时间: 2007年6月18日 (第16周 星期 一) 一、 选择题(每题3分,共30分) 1.世界上第一台激光器是 ( ) (A)氦氖激光器. (B)二氧化碳激光器. (C)钕玻璃激光器. (D)红宝石激光器. (E)砷化镓结型激光器. 2.按照原子的量子理论,原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光,它们所产生的光的特点是:( ) (A)两个原子自发辐射的同频率的光是相干的,原子受激辐射的光与入射光是 不相干的. (B)两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的,原子受激辐射的光与入射光 是相干的. (C)两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的,原子受激辐射的光与入射光 是不相干的. (D)两个原子自发辐射的同频率的光是相干的,原子受激辐射的光与入射光是 相干的. 3.氦-氖激光器属于典型的( )系统 (A )二能级(B )三能级(C )四能级(D )多能级 4.体积3 cm 1=V ,线宽nm 10=?λ,中心波长60nm ,模式数目为( ) 20 201012104 (D) 102 (C) 104 (B) 102 )A (???? 5.多普勒加宽发生在( )介质中 6.半共心腔在稳定图上的坐标为(d ) (A )(-1,-1) (B ) (0,0) (C )(1,1) (D )(0,1) 7.对于均匀增宽介质,中心频率处小信号增益系数为)00 (v G ,当s I I =时 , 饱和显著,非小信号中心频率增益系数为:(c ) (A ) )00 (v G (B ) )00 (2v G (C ) )00(21v G (D ) )00 (3 1v G 8..一平凹腔,其凹面镜的半径R 等于腔长L,它是(b ) (A )稳定腔 (B )临界腔 (C )非稳腔 9.能够完善解释黑体辐射实验曲线的是( c ) (A )瑞利-金斯公式 (B )维恩公式 (C )普朗克公式 (D )爱因斯坦公式

激光原理与技术试题答案

2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1. 填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性为5x10-10,其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光,自发跃迁几率A 10等于105 S -1,该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ,若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ,判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_,就稳定性而言,对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题,每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔如何理解激光线宽极限和频率牵引效应 有源腔:腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔:腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限:无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关:122' c R c L δ υπτπ?= = ;有源腔由于受到自发辐射影响,净损耗不等于零,自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应:激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应,使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率,并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度,假设总粒子数密度为n ,阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ;四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子(分子)对所发出(或吸收)的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同分别对形成的激光振荡模式有何影响 均匀加宽介质:随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献,入射的强光不仅使自身的增益系数下降,也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模

激光原理第七章答案

第七章 激光特性的控制与改善 习题 1.有一平凹氦氖激光器,腔长0.5m ,凹镜曲率半径为2m ,现欲用小孔光阑选出TEM 00模,试求光阑放于紧靠平面镜和紧靠凹面镜处的两种情况下小孔直径各为多少?(对于氦氖激光器,当小孔光阑的直径约等于基模半径的3.3倍时,可选出基模。) 解:腔长用L 表示,凹镜曲率半径用1R 表示,平面镜曲率半径用2R 表示,则 120.5m ,2m ,L R R ===∞ 由稳定腔求解的理论可以知道,腔内高斯光束光腰落在平面镜上,光腰半径为 0121 4 1 ()] 0.42m m w L R L = = -≈ 共焦参量为2 207 0.420.87m 632810 w f ππλ -?= = ≈? 凹面镜光斑半径为 10.484m m w w w ==≈ 所以平面镜端光阑直径为 03.3 1.386m m D w =?=平 凹面镜端光阑直径为 13.3 1.597m m D w =?=凹 2.图7.1所示激光器的M 1是平面输出镜,M 2是曲率半径为8cm 的凹面镜,透镜P 的焦距F =10cm ,用小孔光阑选TEM 00模。试标出P 、M 2和小孔光阑间的距离。若工作物质直径是5mm ,试问小孔光阑的直径应选多大? 图 7.1 1 2

解:如下图所示: 1 2 P 小孔光阑的直径为: 3 1.0610100 2 2mm 0.027mm 2.5 f d a λππ-??==? ≈? 其中的a 为工作物质的半径。 3.激光工作物质是钕玻璃,其荧光线宽F ν?=24.0nm ,折射率η=1.50,能用短腔选单纵模吗? 解:谐振腔纵模间隔 2 22q q c L L νηλ λη?=?= 所以若能用短腔选单纵模,则最大腔长应该为 2 15.6μm 2L λ ηλ = ≈? 所以说,这个时候用短腔选单纵模是不可能的。 6.若调Q 激光器的腔长L 大于工作物质长l ,η及' η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率,试求峰值输出功率P m 表示式。 解:列出三能级系统速率方程如下: 2121 (1) 2 (2) R dN l N cN n dt L d n N n dt στσυ=?-'?=-? 式中,()L l L l ηη''=+-,η及' η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率,N 为工作物质中的平均光子数密度,/,/R c L c υητδ'==。 由式(1)求得阈值反转粒子数密度为:

激光原理考试基本概念

激光原理考试基本概念 https://www.360docs.net/doc/9d7104778.html,work Information Technology Company.2020YEAR

第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点:方向性好,相干性好,亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射,普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波,是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围,波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波,如果频率宽度Δν<

c、ΔL=0,±1(L=0→L=0除外); d、ΔS=0,即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下,原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 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、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁,必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程:自发辐射,受激辐射,和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用,激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 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性完全相同(频率相同,相位相同,偏振方向相同,传播方向相同)。 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具有相同的频率、相位、波矢(传播方向)和偏振,是相干的。

激光原理试卷集锦

1:腔模,横模,纵模。 腔模:在具有一定边界条件的腔内,电磁场只能存在于一系列分立的本征状态之中。将谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为腔的模式。 横模:在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。镜面上各点场的振幅按同样的比例衰减,各点的相位发生同样大小的滞后。这种在腔反射镜面上形成的经过一次往返传播后能自再现的稳定场分布称为自现模或横模。 纵模:腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模。在腔的横截面内场分布是均匀的,而沿腔的轴线方向(纵向)形成驻波,驻波的波节数由q决定。通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。 2:频率牵引。 答:有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序列纵模频率更接近工作物质的中心频率,这种现象称为频率牵引。 3:光学谐振腔的作用是什么? 答:①提供轴向光波模的光学正反馈。②控制振荡模式的特性。 4:对称共焦腔镜面上基模的特点是什么? 答: ①基模为高斯分布,镜面中心光最大,向边缘平滑降落。 ②光斑的大小与反射镜的横向尺寸无关, 与波长和腔长有关(是共焦腔的一个重要特性。当然,这一结论只有在模的振幅分布可以用厄米-高斯函数近似表述的情况下才是正确)。 ③高斯光束的能量主要集中在束腰内部。 5:LD半导体的PN结实现粒子数目反转分布条件是什么?LD激光器的泵浦方式有哪些?答:①掺杂浓度足够高,使准Fermi能级分别进入导带和价带。 ②正向偏压V足够高,使eV>E g,从而E C F —E v F =eV>hv。 电注式,光泵浦,高能电子束 6:固体激光器激活介质的激光性质主要指什么?它们分别在固体激光设计时,决定什么?答:能级结构,吸收光谱,荧光光谱①能级结构:晶体的激光性质主要取决于Cr3+。Cr的外层电子组态为3d5 4s1 ,掺入Al2 O3 后失去3个电子,剩下3d壳层上3个外层电子(3d3 )。 ②吸收光谱:由于红宝石死各向异性晶体,故其吸收特性与光的偏振状态有关。 ③荧光光谱: 红宝石晶体有两条强荧光谱线,分别称为R1线和R2线。 R1 线中心波长为694.3nm,对应于E→4 A2 能级的自发辐射跃迁。 R2 线中心波长为692.9nm,对应于2A→ 4A2 能级的自发辐射跃迁。 7:常见的临界腔有哪些?其判定条件分别是什么? 答: 8:简并能级,简并度 答:简并能级:电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级. 简并度:同一能级对应不同的电子状态的数目(处于同一光子太、态的光子数称为光源的光子简并度) 9:He—Ne激光器放电毛细管内径要很小的主要原因是什么? 答:Ne原子激光下能级2p和3p向基态的跃迁为选择定则所禁戒,粒子只能通过字发辐射跃迁到1s能级。由于1s能级向基态的跃迁也属禁戒,因此1s能级的Ne原子只有扩散到放电管管壁,通过与管壁碰撞释放能量后方能返回基态,称为“管壁效应”。激光下能级如不能被较快抽空,将会造成粒子的堆积,形成“瓶颈效应”。

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