激光原理复习

激光原理

第一章

1. 激光器的组成部分及作用

（1）工作物质（激活物质）：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。

（2）泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。

（3）谐振腔：①提供轴向光波模的正反馈

②模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。

2. 模式数的计算

V c V c g 322824νπννλπ?=???= 单色模密度：

32

8c n πνν= 计算例：封闭腔在5000 ?处单色模密度。

Hz c

14108

106105000103?=??==-λυ 3

53821432s 1035.310310614.388-??=????==m c n ）（）（πυυ

3. 光谱宽度的计算

c l c t //1=?≈δν 其中，c l 为波列长度。

4. 本征状态的定义

给定空间任一点处光的运动情况，在初始条件和边界条件确定后，原则上就可求解麦克斯韦方程组，一般可得到很多解，而且这些解的任何一种线性组合都可满足麦克斯韦方程，每一个特解，代表一种光的分布，即代表光的一种本振振动状态。

5. 光子简并度的定义 光子简并度对应于线度光源λ，在单位时间单位立体角发出单位频宽的光子数(处于同一个相格中的光子数，处于一个模式中的光子数，处于相干体积的光子数，处于同一量子态的光子数，都有相同的含义，均定义为光子简并度)。并用δ表示：

νλνδ??Ω?==?ΩS h P g n )/2(2

6. 光子简并度与单色亮度之间的关系

光源的光子简并度，从微观上反映出光源的单色亮度。单色亮度：

?Ω??=ννS P B 。光子简并度δ与单色亮度νB 之间的关系为：

hv B v 22λδ=

7. 光子平均能量的表达

同一种光子运动状态（或同一种光波模式）的光子平均能量：1)ex p(-=KT h h E νν

8. 光的自发辐射、受激吸收、受激辐射

自发辐射：处于2E 的原子在无外来光子情况下自发地向1E 能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。特点：自发辐射是仅与原子自身性质有关的随机过程，自发辐射的光在方向、偏振、相位方面都没有确定的关系，因此是不相干的。

受激吸收：原子在外来光子21υh 作用下，若1221E E h -=υ，处于1E 的原子由于吸收该光子而受激跃迁到2E 的过程。特点：受激吸收几率与外来光的频率有严格的选择性，与外来光辐射能量密度大小有关。外来光频率等于2E 、1E 的间隔所对应的频率时，受激吸收几率最大。

受激辐射：光的受激辐射是受激吸收的反过程。原子系统在外来光子

21υh 作用下，若1221E E h -=υ，处于2E 的原子跃迁到1E ，并辐射一个与外来光子相同的光子的过程。特点：受激辐射与外来光子有关，辐射的光子与引起受激辐射的外来光子有相同的频率、位相、偏振以及传播方向。通过受激辐射，能够实现同态光子数放大，可以得到高光子简并度的相干光。

9. 爱因斯坦三系数的相互关系

在热平衡情况下，辐射率和吸收率应相等，即单位时间物质辐射出的光子数，等于单位时间被物质吸收的光子数：ννρρ121212212B n B n A n =+。

???????==182112213

3

2121B B g g c h B A νπ ；21A 为自发辐射爱因斯坦系数，12B 为受激吸收爱因斯坦系数，21B 为受激辐射爱因斯坦系数。1g 、2g 分别表示能级1E 和2E 的简并度，上式称为爱因斯坦关系式。当简并度1g =2g 时，则12B =21B ，即当其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。正常情况下低能级原子数1n ＞高能级原子数2n ，即受激吸收比辐射更频繁发生，且波长越短，自发辐射的几率越大。

10. 速率方程理论的优点及局限性

优点：速率方程是在不考虑光子的相位特性和光子数的起伏特性情况下，它是全量子化理论的一种简化形式。速率方程理论主要用于描述激光的光强特性，近似地描述烧孔效应、兰姆凹陷与多模竞争等特性。

局限性：对于增益介质色散等频率特性和与量子起伏有关的激光特性研究，这一理论就不能解释。

11. 粒子数反转分布的定义

在激光器工作物质部，由于外界能源的激励，破坏了热平衡，有可能使得处于高能级2E 上的粒子数2n 大大增加，达到2n ＞1n ，这种情况称为粒子数反转分布，也称为集居数反转分布。

12. 增益系数的定义

光在激活物质部将越走越强，使该激光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程，其放大作用的大小通常用增益系数G 来描述。）（）

（）（Z Z dI I Z G d 1=增益系数相当于光沿着Z 轴方向传播时，在单位距离所增加光

强的百分比，其单位为1-cm 。

13. 阈值条件的概念及定义

阈值条件（起振条件）：激光器实现振荡所需要的最低条件。

定义式：）（）（内21ln 21r r L G -≥αυ，式中，）（υG 为增益系数，L 为谐振腔腔长，

1r 和2r 分别为量反射镜面的反射率，内 为除反射镜透射外的每单位长度上平均损

耗系数。

14. 能量的共振转移的定义

当激发态He 原子和基态Ne 原子发生非弹性碰撞并交换能量而将Ne 原子激励到Ne 的3s 和2s 能级，这个过程称为能量的共振转移。

15. 激光的特性（解释why ）

（1）方向性：激光束好的方向性主要是由于激光器受激辐射的机理和光学谐振腔对光束的方向限制所决定。

（2）单色性：原子的激发态总有一定的能级宽度，也总有一定的频率宽度。谱线宽度和频率宽度越窄，光的单色性越好，激光的谱线宽度可窄到＜11

-10微米。

（3）高亮度：普通光源由于定向性很差，因此亮度极低；对于激光器来说，由于谐振腔对光束的方向有限制作用，输出光束的发散角很小，因此定向亮度值很高。

（4）相干性：相干性分为空间相干性和时间相干性。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。

第二章

1、光学谐振腔的作用

（1）提供光学正反馈作用（放大）：使激活介质中产生的辐射能多次通过介质，当受激辐射提供的增益超过损耗时，在腔得到放大，建立并维持自激振荡。光学反馈作用取决于：腔镜反射率和几何形状。

（2）产生对振荡光束的控制作用：表现为对腔振荡光束的方向和频率的限制。

A 、控制腔振荡光束纵向分布（纵模）：使腔建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中，从而提高单个模式的光子数，获得单色性好、方向性好的强相干光。

B 、控制光束的横向分布持性、光斑大小及发散角等。

C 、改变腔光束损耗

2、光学谐振腔的模式

通常将谐振腔可能存在的电磁场本征状态称为腔的模式。腔的模式就是腔可区分的光子状态，不同的模对应不同的场分布和振荡频率。光学谐振腔的模式可分为纵模和横模。

3、谐振腔的谐振频率

L C q q ηυ2?

=，其中η为均匀介质折射率，L 为谐振腔腔长，q 为正整数。

4、纵模（整个一节）

（1）定义：通常把由整数q 所表征的腔纵向稳定场分布称为激光的纵模。

（2） 纵模频率间隔：腔两相邻纵模频率之差：

L c q q q ηννν21=-=?+

5、横模（自再现模）

（1）横模定义：腔电磁场在垂直于其传播方向的横向面存在稳定的场分布，通常称为横模。

（2）自再现模定义：光束在腔多次往返传播后形成一种振幅和相位分布不再变化的稳态场，它的相对分布不再受衍射影响，在腔往返一次能够“自再现”出发时的场分布，这种稳定场分布称为自再现模或横模。

（3）自再现模形成过程：入射光在进入第一个光阑之前，唱的振幅分布沿光阑是均匀的，经第一个光阑后，由于衍射作用将使波阵面发生畸变，部分光偏离原来的传播方向，产生一些衍射瓣，使光波的振幅和相位分布均发生一些变化。射到光阑以外的光将被黑体屏所完全吸收。每通过一次光阑，边缘部分的衍射波又被光阑所挡，使边缘强度比中心部分小，且振幅和相位分布又发生新的变化。通过一系列的光阑后，镜面上来回反射光波的相对振幅和相位分布不再发生变化，由此形成自再现模。

6、光学谐振腔的损耗有哪些类型？

（1）选择性损耗（随不同横模而异）：几何损耗、衍射损耗

（2）非选择性损耗：腔镜反射不完全引起的损耗（吸收损耗、散射损耗、透射损耗）、非激活吸收散射等其他损耗。

（3）损耗：①几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。 ②衍射损耗：与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。 ③腔镜反射不完全损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。 ④材料中的非激活吸收、散射、腔插入物所引起的损耗： 与介质材料的加工工艺有关。

7、光子的平均寿命

定义：腔的光强衰减为初始值的1/e 所需要的时间。

计算：C L R δτ'= ；'L 为腔的光学长度，C 为真空中的光速，δ为腔损耗。

8、Q 值的定义

Q 值：衡量谐振腔的损耗大小。

普通定义式：单位时间损耗的能量腔内储藏的能量πν2=Q ；其中ν为腔电磁场的振荡频率。 光频谐振腔的一般表达式：

c L Q R δπνπντ'22==；腔的损耗越小，Q 值越高。

9、简单光学元件的光线传播矩阵

符号规则：(1)X-轴线上方为“+”,-光线指向光轴上方为“+”；

(2)折射面/反射面曲率半径R:凹面R>0，凸面R<0；

(3)球面波波面曲率半径R:发散R>0，汇聚R<0。

（1）自由空间光线矩阵：

???? ??=101)(L L M （2）薄透镜变换矩阵：

???? ??-=1/101)(f f M

（3）球面反射镜：

???? ??-=1/201)(R R M

10、谐振腔的稳定性图