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对了课本两遍,基本覆盖所有考点,部分小四字体重在辅助理解。对了课本两遍,基本覆盖所有考点,部分小四字体重在辅助理解。 有填空、名词解释、计算、简答。计算题四个中出三个。有填空、名词解释、计算、简答。计算题四个中出三个。() 第一章第一章 1、光的基本性质光的基本性质:波粒二象性;波动性(电磁波),粒子性(光子 流)。 2、光与物质的相互作用光与物质的相互作用有:自发辐射、受激辐射、受激吸收。普通 光源中(自发辐射)占主要;激光器中(受激辐射)占主要。 3、简答:自发辐射、受激辐射、受激吸收之间关系简答:自发辐射、受激辐射、受激吸收之间关系: A21n2dt+B21n2vdt=B12n1vdt 在光和大量原子系统的相互作用中,三者是同时发生的。在单位 体积中,在 dt 时间内,由高能级 E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁 到低能级 E1的原子数,应等于低能级 E1吸收光子而跃迁到高能级 E2的原子数。 4、光谱的(线型)和(宽度)与光的(时间相干性)直接相关光谱的(线型)和(宽度)与光的(时间相干性)直接相关。 自然增宽的线型函数:fN(v)=A/(42(v-v0)2+(1/2)2) fN(v)表示在频率 v 附近单位频率间隔的相对光强随频率的分布。A 为比例常数。所得谱线的自然增宽是因为作为电偶极子看待的原子 做衰减振动而造成的谱线增宽。 5、(名词解释)光的多普勒效应(名词解释)光的多普勒效应:随着光源和接收器的相对运动而 发生光源的频率发生改变(频移)称为多普勒效应。运动对向接受 体频率增高,背向接受体频率降低。 6、(名词解释)均匀增宽与非均匀增宽(名词解释)均匀增宽与非均匀增宽: 均匀增宽:均匀增宽:自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任 一频率都有贡献,而且这个贡献对每个原子都是等同的,这种增宽 为均匀增宽。 非均匀增宽:非均匀增宽:不同粒子对谱线不同频率部分的贡献不同, 即可分辨 谱线线型哪一频带是由哪些特定粒子发射的(热运动速度矢量相同 的粒子引起的频移相同) 7、(简答)实现光的放大的条件:(简答)实现光的放大的条件: 1)需要一个激励能源,用于把介质的粒子不断地由低能级抽送到高 能级上去; 2)需要合适的发光介质(激光工作物质),它能在激励能源的作用 下形成 n2/g2n1/g1的粒子数密度反成分布状态。 8、(简答)产生激光的条件:(简答)产生激光的条件: 1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子(原 子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构; 2)有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能级 之间产生粒子数反转; 3)有光学谐振腔,增长激光介质的工作长度,控制光束的传播方向, 选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 9、计算:已知氢原子第一激发态计算:已知氢原子第一激发态 E2与基态与基态 E1之间能量差为之间能量差为 1.64*10-18J,火焰火焰(T=2700K)中含有中含有 1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼个氢原子。设原子按玻尔兹曼 分布,且分布,且 4g1=g2,求:(,求:(1)能级)能级 E2上的原子数上的原子数 n2为多少;(为多少;(2)设)设 火源中每秒发射的光子数为火源中每秒发射的光子数为 108n2,求光的功率为多少瓦。,求光的功率为多少瓦。 答:(1) 19 23 18 1 2 21 12 1011 . 3 27001038 . 1 1064 . 1 exp4 n n e gn gn kT h 且 20 21 10 nn 可求出31 2 n (2)功率W 9188 10084 . 5 1064 . 1 3110 第二章第二章 1、(名词解释)稳定腔,不稳定腔(名词解释)稳定腔,不稳定腔:在光学谐振腔中,任一束傍轴 光线在两反射镜之间来回不断反射,光在腔内来回反射过程中始终 不离开谐振腔,使激光器能稳定的发射激光。满足这一要求的腔称 为稳定腔。反之为不稳定腔。 2、(大题)三能级系统与四能级系统(工作原理、示意图与优缺点)大题)三能级系统与四能级系统(工作原理、示意图与优缺点) :1)实现上下能级之间粒子数反转产生激光的物理过程:三能级系 统和四能级系统 2)三能级系统:如图(2-4a),下能级 E1是基态能级,上能级 E2是亚 稳态能级,E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态, 发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量。 会画会画图(2-4) 三能级系统和四能级系统示意图 3)四能级系统:如图(2-4b),下能级 E1不是基态能级,而是一个激发 态能级,在常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得 多,产生激光要比三能级系统容易得多。 辅助理解:(获得激光需要激光上下能级形成粒子数反转,也就是上能级粒子数大于下能 级粒子数。泵浦粒子数到上能级是需要消耗能量的。三能级系统的下能级是基级,必须将 一半以上的粒子数泵浦到高能级上。而四能级系统的下能级不是基态,可以很快排空,更 容易形成粒子数反转。) 3、激光器的损耗(镜面损耗),(内部损耗)。激光器的损耗(镜面损耗),(内部损耗)。 内部损耗内部损耗: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原来的传播方向,造 成光能量的损耗。 镜面损耗镜面损耗:当强度为 I 的光波射到镜面上,其中 r1I(或 r2I)反射回腔 内继续放大,其它的部分均为损耗,包括 t1I(或 t2I)、镜面的散射、 吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗, 用 a1I(或 a2I)表示。 4、(计算)稳定谐振腔的两块反射镜,其曲率半径分别为(计算)稳定谐振腔的两块反射镜,其曲率半径分别为 R1=40cm,R2=100cm,求腔长,求腔长 L 的取值范围。的取值范围。 答: cmLcmL LL R L R L 1401004001) 100 1)( 40 1 (01)1)(1 (0 21 或 第三章第三章 1、自再现模自再现模:当两个镜面完全相同时(对称开腔),这种稳态场分 布应在腔内经单程渡(传播)后,即可实现再现,这个稳定的横向 场分布,就是激光谐振腔的自再现模。 辅助理解: 镜 1 上的场分布,到达镜 2 时,由于衍射,要经历一次能量的损耗和场分布的变化, 中间能量损失小,镜边缘损失大,每单程渡越一次,都会发生类似的能量损耗和场分布变 化,多次往返后,从而逐渐形成中间强、边缘弱的基本不受衍射影响的稳态场分布,该稳 态场分布一个往返后可“自再现”出发时的场分布,唯一变化是镜面上各点的场振幅按同 样的比例衰减,各点相位发生同样大小的滞后。 横向场振幅分布和相位分布都均匀的平面波入射,经过多次孔阑的衍射影响后,二者 都变得不再均匀,成为相对场振幅和相对相位分布都不受衍射影响的稳态场分布。 2、(简答)输出功率与诸参量之间的关系(简答)输出功率与诸参量之间的关系 1) 输出功率 P 与饱和光强 Is 的关系: 两者成正比 2) 输出功率 P 与光束截面 A 的关系: A 越大,P 越大;而高阶横模 的光束截面要比基横的大 3) 输出功率 P 与输出反射镜的透射率 t1 的关系: 实际中总是希望 输出功率大镜面损耗小,这要求 t1 大,a1(反射镜镜面损耗系数) 小,使 t1a1,但 1 t1 过大又使增益系数的阈值 G 阈升高,而如果介质的双程 增益系数 2LG0 不够大将会导致腔内光强减小,使输出功率降低。 严重时使腔内不能形成激光。 2 t1 过小,虽然使 G 阈降低光强增强,但镜面损耗 a1I-(2L)也 将增大。 最佳透射率: 为了使激光器有最大的输出功率,必须使部分反射镜的透射率取最 佳值,实际工作中总是用实验方法确定最佳透射率,再估计镜面损 耗大小。 3、(计算)(计算)He-Ne 激光器的中心频率激光器的中心频率 v0=4.74*1014Hz,荧光线宽,荧光线宽 )2()2( 1 0 11 21 1 0 1 aLGaaaLGt v=1.5*109Hz,腔长,腔长 L=1m。问可能输出的纵模数为多少?为获得单。问可能输出的纵模数为多少?为获得单 纵模输出,腔长最长为多少?纵模输出,腔长最长为多少? 答:,Hz L c q 8 8 105 . 1 112 103 2 10 105 . 1 105 . 1 8 9 q n 即可能输出的纵模数为11 个,要想获得单纵模输出,则:1n m c L L c q 2 . 0 105 . 1 103 2 9 8 故腔长最长不得大于。m2 . 0 第四章第四章 1、激光器输出的选模(选频)技术分为两个部分激光器输出的选模(选频)技术分为两个部分:1)激光纵模的 选取,2)激光横模的选取。前者对激光输出频率影响较大,能够大 大提高激光的相干性,常常叫做激光的选频技术;后者主要影响激 光输出的光强均匀性,提高激光的亮度,一般称为选模技术。 2、纵模的竞争纵模的竞争:通过增益的饱和效应,使某个纵模逐渐把别的纵模 的振荡抑制下去,最后只剩下该纵模的振荡的现象叫做“纵模的竞 争”。 3、空间竞争空间竞争:在均匀增宽激光器中,当受激辐射比较强时,也可能 有比较弱的其它纵模出现,这种现象称为模式的“空间竞争”。 4、(填空(填空/简答)单纵模的选取(方法及简答)单纵模的选取(方法及优缺点优缺点(这个总结的不好)(这个总结的不好): 短腔法、法布里一珀罗标准具法、三反射镜法 1 1)短腔法)短腔法 优点:优点:简单。纵模频率间隔和谐振腔的腔长是成反比的,要想得到单一纵模的 输出,只要缩短腔长,使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度即可。 q 对 He-Ne 激光器,只要做到腔长小于 10cm,就会得到单纵模的输出。 缺点:缺点:首先,由于腔长受到限制,激活介质的工作长度也相应受到限制,激光 的输出功率必然受到限制。这对于那些需要大功率单纵模输出的应用场合是不 适合的。其二,有些激光输出谱线荧光宽度很宽,若要加大到足够的纵模间宽 度,势必要使腔长缩到很短,以致难于实现粒子数反转而不能输出激光。 2)法布里一珀罗标准具法)法布里一珀罗标准具法 这种方法就是在外腔激光器的谐振腔内,沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布 里珀罗标准具。这种标准具是用透射率很高的材料制成的,两个端面研磨得 高度平行,且镀有高反射率的反射膜。这种反射膜由于多光束干涉的结果,对 于满足条件的光具有极高的透射率。把这样的标准具插入到激光器的腔内时, 就可以起到选频的作用。 缺点:由于高选模性的标准具总要带来百分之几的透射损失,因此这种方法对 于低增益的激光器(如 He-Ne 激光器)不大合适,但对于高增益的激光器(如 CO2 激光器)则是十分有效的。 (3 3)三反射镜法)三反射镜法 激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替,其中镜与为全反射镜, 3 M 4 M 是具有适当透射率的部分透射部分反射镜,这个组合相当于两个谐振腔的耦 2 M 合,一个谐振腔是由与组成,其腔长为 L1L2,另一个谐振腔由与 1 M 3 M 3 M 组成,其腔长是 L2L3。如果 L2、L3 较短,就形成了一个短谐振腔和一 4 M 个长谐振腔的耦合。 短谐振腔的纵模频率间隔是 23 2 () c LL 短 长谐振腔的纵模频率间隔是 12 2 () c LL 长 只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡,故只要选取 L2L3 足够 小,就可以获得单纵横输出。 5、激光单横模的选取:、激光单横模的选取:1)光阑法 2)聚焦光阑法 3)腔内望远镜法 6、(名词解释)衍射损耗:、(名词解释)衍射损耗:通过求解激光谐振腔的自再现模积分方 程得到,在激光谐振腔内振荡的基横模是高斯光束,其光振幅和光 强分布在与光轴垂直的平面上呈高斯函数形式,一直延伸到离光轴 无限远处。因此,由于反射镜的有限尺寸的限制,每一次反射都会 有一部分光能衍射到镜面之外,造成能量损失。这种由于衍射效应 形成的光能量损失称为衍射损耗。 7、腔内望远镜法优点:、腔内望远镜法优点: (1)能充分利用激光工作物质,获得较大功 率的基模输出。(2)可通过调节望远镜的离焦量得到热稳定性很好的 激光输出。(3)输出光斑大小适当,不致损伤光学元件。 8、频率的漂移:、频率的漂移:一个激光器通过选模获得单频振荡后,由于内部和 外界条件的变化,谐振频率仍然会在整个线型宽度内移动。这种现 象叫做“频率的漂移”。 9、频率的稳定性包括两个方面:、频率的稳定性包括两个方面:一是频率稳定度;二是频率复现性。 10、 影响频率稳定的因素:影响频率稳定的因素:1)腔长 变化的影响 2)折射率变化的 L 影响。 11、稳频方法:、稳频方法:1 1)被动式稳频)被动式稳频 2 2)主动式稳频。)主动式稳频。 1 1)被动式稳频:)被动式稳频:利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器;或 用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合, 以使热膨胀互相抵消,实现稳频。 2 2)主动式稳频:)主动式稳频:目前采用的主动稳频方法基本原理大体相同,即把 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。这个误 差信号经放大后又通过反馈系统返回来控制腔长,使振荡频率回到 标准的参考频率上,实现稳频。 12、(填空、(填空+简答)实现激光偏转的途径:简答)实现激光偏转的途径:主要有机械偏转、电光偏 转和声光偏转等。 基本原理与优缺点 1)机械偏转)机械偏转 机械偏转是利用反射镜或多面反射棱镜的旋转或反射镜的振动实现光束扫描。 优点:偏转角大、分辨率高、光损失少且可适应光谱范围大的优点。缺点:扫 描速度受到驱动器(如马达)角速度的限制难以实现快速、高精度的可控偏转, 使其应用范围受到限制。 2)电光偏转)电光偏转 电光偏转是利用泡克耳斯效应,通过施加在电光晶体上的电场改变晶体的折射 率,使光束偏转。 因而出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系。 缺点:不能形成大的折射率梯度,即使采用多级电光棱镜的偏转器,偏转角也 不会很大。 3)声光偏转)声光偏转 声光效应也提供了一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段,和电光 效应一样得到了广泛的应用。 1313、调、调 Q Q 原理与方法:原理与方法: 激光调激光调Q Q技术技术:用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术。 调调Q Q原理原理:采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低 Q 值 状态,这时激光振荡的阈值很高,粒子密度反转数即使积累到很高 水平也不会产生振荡;当粒子密度反转数达到其峰值时,突然使腔 的Q值增大,导致激光介质的增益将大大超过阈值,极其快速地产 生振荡。这时贮存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转换为光 子的能量,光子像雪崩一样以极高的速率增长,激光器便可输出一 个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。 14、调调Q Q技术类型:技术类型:因为谐振腔的损耗包括反射损耗、吸收损耗、 衍射损耗、散射损耗和透射损耗,因而用不同方法控制不同类型的 损耗,就形成了不同的调Q技术。控制反射损耗的有(机械转镜调 Q技术)、(电光调Q技术),控制吸收损耗的有(可饱和吸收染 料调Q技术),控制衍射损耗的有(声光调Q技术)等等。 1515、各种调各种调Q Q 原理原理 1 1)电光调)电光调Q Q 电光调Q是利用晶体的电光效应来作为Q开关的元件。 2 2)声光调)声光调Q Q 在激光谐振腔内放置声光偏转器,当光通过介质中的超声场时, 由于衍射造成光的偏折,就会增加损

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