ch.1激光的基本原理13-3-17-final

激光的基本原理1相干性的光子描述

激光的基本原理1相干性的光子描述考试内容：激光器的基本原理和理论。

内容包括激光器谐振腔理论、速率方程理论和半径典理论；典型激光器、激光放大器及改善与控制激光器特性的若干技术等相关基础知识。

激光的基本原理1．1 相干性的光子描述1．2 光的受辐射基本概念1．3 光的受激辐射放大1．4 光的自激振荡1．5 激光的特性开放式光腔与高斯光束2．1 光腔理论的一般问题2．2 共轴球面腔的稳定性条件2．3 开腔模式的物理概念和衍射理分析方法2．4 平行平面腔模的迭代解法2．5 方形镜共焦腔的自再现模2．6 方形镜共焦腔的行波场2．7 圆形镜共焦腔2．8 一般稳定球面腔的模式特征2．9 高斯光束的基本性质及特征参数2．1 0高斯光束q参数的变换规律2．1 1高斯光束的聚焦和准直2．1 2高斯光束的自再现变换与稳定球面腔2．1 3光束衍射倍率因子2．1 4非稳腔的几何自再现波型2．1 5非稳腔的几何放大率及自再现波型的能量损耗空心介质波导光谐振腔3．1 空心波导光谐振腔的构成和特征3．2 空心圆柱波导管中的本征模3．3 圆波导本征模的传输常数和损耗特性3．4 空心矩形介质波导管中的本征模3．5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗电磁场和物质的共振相互作用4．1 光和物质相互作用的经典理论简介4．2 谱线加宽和线型函数4．3 典型激光器速率方程4．4 均匀加宽工作物质的增益系数4．5 非均匀加宽工作物质的增益系数4．6 综合加宽工作物质的增益系数激光振荡特性5．1 激光器的振荡阈值5．2 激光器的振荡模式5．3 输出功率与能量5．5 单模激光器的线宽极限5．6 激光器的频率牵引激光放大特性6．1 激光放大器的分类6．2 均匀激励连续激光放大器的增益特性6．3 纵向光激励连续激光放大器的增益特性6．4 脉冲激光放大器的增益特性6．5 放大的自发辐射(ASE)6．6 光放大器的噪声激光器特性的控制与改善7．1 模式选择7．2 频率稳定7．3 Q调制7．4 注入锁定7．5 锁模激光振荡的半经典理论8．1 激光振荡的自洽方程组8．2 原子系统的电偶极矩8．3 密度矩阵8．4 静止原子激光器理论典型激光器和激光放大器9．1 固体激光器9．2 气体激光器9．3 染料激光器9．4 光纤放大器9．5 光纤激光器半导体二极管激光器和激光放大器10．1 半导体工作物质中的光增益10．2 半导体二极管激光器的基本结构10．3 对称三层介质平板波导中的本征模10．4 光强分布与约束因子10．5 半导体二极管激光器的主要特性10．6 半导体光放大器的主要特性。

第一章、激光的基本原理

第一章、激光的基本原理1. 为使He-Ne 激光器的相干长度达到1km,它的单色性Δλ/λ0应是多少?2.设一对激光能级为E 2和E 1(f 1=f 2)，相应的频率为v (波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为n 2和n 1，求：(a) 当v =3000MHz ，T=300K 时，n 2/n 1=?(b) 当λ=1μm ，T=300K 时，n 2/n 1=?(c) 当λ=1μm ，n 2/n 1=0.1时，温度T=?4.在红宝石Q 调制激光器中，有可能将几乎全部Cr +3离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。

设红宝石棒直径1cm ，长度7.5cm ，Cr +3离子浓度为2×1019cm -3，巨型脉冲宽度为10ns ，求输出激光的最大能量和脉冲功率。

5试证明，由于自发辐射，原子在E 2能级的平均寿命t s =1/A 21。

8．（1）一质地均匀的材料对光的吸收系数为0.01mm -1，光通过10cm 长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？（2）一光束通过长度为1m 的均匀激励的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。

第二章、开放式光腔与高斯光束1．试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。

2．试求平凹，双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。

6．试求出方形镜共焦腔面上的TEM 30模的节线位置，这些节线是等距分布的吗？8．今有一球面腔，R 1=1.5m ，R 2=-1m, L=80cm 。

试证明该腔为稳定腔；求出它的等价共焦腔的参数；在图上画出等价共焦腔的具体位置。

13．某二氧化碳激光器,采用平-凹腔，凹面镜的R=2m ，腔长L=1m 。

试给出它所产生的高斯光束的束腰斑半径ω0的大小与位置、该高斯光束的f 及θ0的大小。

16．某高斯光束ω0=1.2mm ，λ=10.6μm 。

今用F=2cm 的锗透镜来聚焦，当束腰与透镜的距离为10m 、1m 、10cm 、0时求焦斑大小和位置，并分析所得的结果。

第一章激光的原理及技术基础

定向聚光反射镜的探照灯：发射孔径1m，平面发散角10rad，传输至
1km外，光斑直径扩至10m；单模激光器：经发射望远镜的光束孔径为1m，平面发散角10-6rad,传输至1000km，光斑直径扩至几米。
§1.1 激光的特点
一．高方向性和空间相干性
方向性：束径和束散角的概念单模束径指最大能量密度Pmax的 1/e2输出点的光束直径d 。多模束径指最大能量密度1/2处最大直径d。
L1
L2
S
R
光源
障碍物
f
接收屏
E
空间相干性（不同空间位置的光源之间的相干状态）
空间相干性指同一时刻空间两点光波场的相干性。由杨氏双缝干涉实验来定性解释。
空间相干性又称横向相干性，由横向相干长度D相干来表征：
l D相干＝
其中，λ为光波长，θ为平面发散角
D相干的物理含义为激光束平面上距离为范围内的各个点之间是相干
某一能级的谱线常常由好几条非常接近的精细谱线所组成。
量子力学中把能级可能有的微观状态称为该能级的简并度，用符号g 表示。简并度亦被称为退化度或统计权重。
光子简并度：
光子属于玻色子，大量光子集合遵从玻色-爱因斯坦统计规律，处于同态的光子数不受限制（具有相同能量、动量、偏振）。虽然
处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化，但其平均
1010 ~ 1013
单色性程度： l / l 于 102
进行精密干涉测量时，最大量程扩展到1000km，测量误差小
~ 101 m。
激光光束三大特点的物理基础
三. 高亮度和光子简并度
单色亮度值B
B定义：单位截面、单位频带、单位立体角内的辐射光功率，

激光基础原理

– 更小 • 各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；
绪论
–更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。
绪论
–更快 • 更高的调制频率：GHz； • 更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecond Laser)； –更多样化 • 多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦； • 多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（HeNe、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；
y
x
x
y
z
2 / y
可以得到波矢的三个分量： kx m , ky n, kz l x y z – 每组不同的m、n、l标识了不同的模式，如果在由kx、 ky、kz构成的空间中表示不同的模式，其结果如右图，每个不同的模式分别占据图中的一个方格。可以求出在该空间中一个模式占据的体积为：
绪论
• NIS已经于2009年点火成功，2010年报道的单脉冲能量达到1MJ，峰值功率1015W以上。超过美国历史上任意时刻消耗电功率的500倍以上。 • 目前，神光-Ⅲ原型装置“十五”建设目标已圆满完成，达到“8束出光，脉冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。

n
附近，单位频率间隔的模式数为： 8 2
c3
光子的相干性
• 光子状态与相格
– 在辐射场中的光子可以用动量、位置和偏振态来对其加以区别； – 宏观上质点的运动状态可以用位置（x,y,z）和动量（Px,Py,Pz）来完全确定，一种运动状态对应相空间（x,y,z,Px,Py,Pz）中的一个点； – 微观上的粒子运动满足测不准原理：