激光原理简答1

1.1. 简述用扫描干涉仪确定激光器输出光中纵横模的原理。简述用扫描干涉仪确定激光器输出光中纵横模的原理。 答：共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,既两块镜 的曲率半径和腔长相等，R1=R2=L。反射镜度有高反射膜。两块镜中的一块是固定不变的， 另一块固定在可随外加电压而变得电压陶瓷环上。改变腔长L或改变腔内折射率n，就可以 使不同波长的光以最大的透射率透射，实现光谱扫描。从而使各个激光模式依次通过干涉 仪，由光电接收器转换成电信号，并连接到示波器观察。从而荧光屏上即显示出透过干涉 仪的激光模式。 2.2. 简述电光调简述电光调Q Q技术的原理，框图及调节技术的原理，框图及调节Q Q开关注意问题。开关注意问题。 答：调Q原理：通过某种方法使谐振损耗按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使 光腔具有高损耗，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以 积累到较高的水平。然后在适当的时刻，使腔的损耗突然降低，阈值也随之突然降低，此 时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。在极短时间内，上能级储存的大 部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。 电光调Q：利用晶体的普克尔效应来实现损耗突变。 注意问题：激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。避免用手接触激 光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用镜头纸包好，放在 干燥器里。 3.3. 简述非均匀加宽工作物质增益饱和的简述非均匀加宽工作物质增益饱和的“烧孔效应烧孔效应”及特性。及特性。 答：入射光强与饱和光强可比拟时，入射光强增加，增益系数减少。这就是非均匀加宽情 况下的增益饱和现象。 增益曲线的烧孔效应：在非均匀增宽型介质中，频率为 、强度为I I 的光波只在 附近宽度约为 的范围内有增益饱和作用。增益系数在 处下降的现象称为增益系数 的“烧孔”效应。 空间烧孔效应：当频率为v的纵模在谐振腔内产生稳定振荡时，腔内就会形成驻波场， 波腹处的光强最大，波节处的光强最小。频率为v的模在腔内的平均增益系数为g，但轴向 上各点的反转集居数密度和增益系数不同，波腹处增益系数最小，波节处增益系数最大， 这一现象为增益的空间烧孔效应。 4.4. 简述锁模技术及其方法。简述锁模技术及其方法。 答：锁模：使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系，各个模式相干叠加得到超短脉 冲。 主动锁模：可分为振幅调制锁模和相位调制锁模。 被动锁模：在谐振腔中插入一薄层饱和吸收体(如染料盒)构成被动锁模激光器，饱和吸 收体的透过率与光强有关。 5.5. 简述影响激光器输出模式的因素，如何采用实验方法确定激光器输出中包含的模式和简述影响激光器输出模式的因素，如何采用实验方法确定激光器输出中包含的模式和 特性。特性。 答：影响输出模式的因素：（1）谐振条件：光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整 数倍，即2nL = qq。每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布q，叫一个纵模。 （2）增益大于各种损耗的总和。 （3）放电管的直径：放电管直径越大，可能出现的横模个数越多。 可以通过扫描干涉仪确定激光器输出光中的纵横模。 6 6简述常见的纵模选择技术及其特点。简述常见的纵模选择技术及其特点。 答：（1）短腔法：缩短谐振腔长度，可增大相邻纵横间隔，以致在荧光谱线有效宽度内， 只存在一个纵模，从而实现单纵模振荡。 （2）行波腔法：采用环行腔，并在腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，则可形成无 空间烧孔的行波腔，从而实现单纵模振荡。 （3）选择性损耗法：若在腔内插入标准具或构成组合腔则由于多光束干涉效应，谐振腔 具有与频率有关的选择性损耗，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的纵模则被抑制。 7.7.简述谐振腔内模式竞争过程与结果。简述谐振腔内模式竞争过程与结果。 结果：几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心额率v0的 一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭。 8 8简述频率牵引现象形成的过程。简述频率牵引现象形成的过程。 答：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。 9.9.简述弛豫震荡形成的过程。简述弛豫震荡形成的过程。 答：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。称作弛豫振荡效 应或尖峰振荡效应。 10.10.简述调简述调Q Q技术的原理和方法。技术的原理和方法。 答：原理：在泵浦激励过程中，工作物质中反转集居数密度增加到阈值时就产生激光。超 过阈值时，受激辐射增强，上能级粒子数大量消耗，反转集居数迅速下降，到低于阈值时， 激光振荡迅速衰减。 方法：转镜调Q、电光调Q声光调Q与染料调Q等。 11.11.说明一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性。说明一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性。 答：（1） 可得： 可以证明 所以，任一对称共焦腔( f )等价于无穷多个稳定球面腔 （2）由稳定球面腔的( R1，R2，L ), 求出 (z1,z2)及等价对称共焦腔参数( f )为 2 1212 2 12 ()()() ()() L RL RL RRL f LRLR 1 2 12 () ()() L RL z LRLR 2 1 12 () ()() L RL z LRLR 当R1，R2,L 满足稳定性条件时，可得f20, 所以，任一稳定球面腔（R1，R2 ， L）等价 于唯一的一个对称共焦腔f. 12 2 2 222 1 2 111 )()( )()( zzL z f zzRR z f zzRR 22 1 21 2 1 1 1 fz zzf R L g 22 2 21 2 2 2 1 fz zzf R L g 10 21 gg 1 1 简述用扫描干涉仪确定激光器输出光中纵横模的原理。简述用扫描干涉仪确定激光器输出光中纵横模的原理。 答：共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,既两块镜 的曲率半径和腔长相等，R1=R2=L。反射镜度有高反射膜。两块镜中的一块是固定不变的， 另一块固定在可随外加电压而变得电压陶瓷环上。改变腔长L或改变腔内折射率n，就可以 使不同波长的光以最大的透射率透射，实现光谱扫描。从而使各个激光模式依次通过干涉 仪，由光电接收器转换成电信号，并连接到示波器观察。从而荧光屏上即显示出透过干涉 仪的激光模式。 2简述电光调简述电光调Q Q技术的原理，框图及调节技术的原理，框图及调节Q Q开关注意问题。开关注意问题。 答：调Q原理：通过某种方法使谐振损耗按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使 光腔具有高损耗，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以 积累到较高的水平。然后在适当的时刻，使腔的损耗突然降低，阈值也随之突然降低，此 时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。在极短时间内，上能级储存的大 部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。 电光调Q：利用晶体的普克尔效应来实现损耗突变。 注意问题：激光器输出的光能量高、功率密度大，应避免直射到眼睛。避免用手接触激 光器的输出镜，晶体的镀膜面，膜片应防潮，不用的晶体，输出腔片用镜头纸包好，放在 干燥器里。 3 3 简述非均匀加宽工作物质增益饱和的简述非均匀加宽工作物质增益饱和的“烧孔效应烧孔效应”及特性。及特性。 答：入射光强与饱和光强可比拟时，入射光强增加，增益系数减少。这就是非均匀加宽情 况下的增益饱和现象。 增益曲线的烧孔效应：在非均匀增宽型介质中，频率为 、强度为I I 的光波只在 附近宽度约为 的范围内有增益饱和作用。增益系数在 处下降的现象称为增益系数 的“烧孔”效应。 空间烧孔效应：当频率为v的纵模在谐振腔内产生稳定振荡时，腔内就会形成驻波场， 波腹处的光强最大，波节处的光强最小。频率为v的模在腔内的平均增益系数为g，但轴向 上各点的反转集居数密度和增益系数不同，波腹处增益系数最小，波节处增益系数最大， 这一现象为增益的空间烧孔效应。 4 4 简述锁模技术及其方法。简述锁模技术及其方法。 答：锁模：使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系，各个模式相干叠加得到超短脉 冲。 主动锁模：可分为振幅调制锁模和相位调制锁模。 被动锁模：在谐振腔中插入一薄层饱和吸收体(如染料盒)构成被动锁模激光器，饱和吸 收体的透过率与光强有关。 5 5 简述影响激光器输出模式的因素，如何采用实验方法确定激光器输出中包含的模式和简述影响激光器输出模式的因素，如何采用实验方法确定激光器输出中包含的模式和 特性。特性。 答：影响输出模式的因素：（1）谐振条件：光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整 数倍，即2nL = qq。每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布q，叫一个纵模。 （2）增益大于各种损耗的总和。 （3）放电管的直径：放电管直径越大，可能出现的横模个数越多。 可以通过扫描干涉仪确定激光器输出光中的纵横模。 6 6简述常见的纵模选择技术及其特点。简述常见的纵模选择技术及其特点。 答：（1）短腔法：缩短谐振腔长度，可增大相邻纵横间隔，以致在荧光谱线有效宽度内， 只存在一个纵模，从而实现单纵模振荡。 （2）行波腔法：采用环行腔，并在腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，则可形成无 空间烧孔的行波腔，从而实现单纵模振荡。 （3）选择性损耗法：若在腔内插入标准具或构成组合腔则由于多光束干涉效应，谐振腔 具有与频率有关的选择性损耗，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的纵模则被抑制。 7.7.简述谐振腔内模式竞争过程与结果。简述谐振腔内模式竞争过程与结果。 结果：几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心额率v0的 一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭。 8 8简述频率牵引现象形成的过程。简述频率牵引现象形成的过程。 答：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。 9.9.简述弛豫震荡形成的过程。简述弛豫震荡形成的过程。 答：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。称作弛豫振荡效 应或尖峰振荡效应。 10.10.简述调简述调Q Q技术的原理和方法。技术的原理和方法。 答：原理：在泵浦激励过程中，工作物质中反转集居数密度增加到阈值时就产生激光。超 过阈值时，受激辐射增强，上能级粒子数大量消耗，反转集居数迅速下降，到低于阈值时， 激光振荡迅速衰减。 方法：转镜调Q、电光调Q声光调Q与染料调Q等。 11.11.说明一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性。说明一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性。 答：（1） 可得： 可以证明 所以，任一对称共焦腔( f )等价于无穷多个稳定球面腔 （2）由稳定球面腔的( R1，R2，L ), 求出 (z1,z2)及等价对称共焦腔参数( f )为 2 1212 2 12 ()()() ()() L RL RL R