激光复习总结要点

1、复习提纲20XX年10月第一章激光产生的基本原理相干性的光子描述(概念、概念)1. 光波的模式和光子态的概念、统一性：模式的概念、光子态的概念、基 本推导过程。(注意看pps文件。)2. 光子的相干性如何描述？(相干时间、相干长度、相干体积、时间相干 性、空间相干性、光子的简并度)。33. 一种光波模式和一种光子态在相空间中均占据一个相格h。二者是等价的4. 光子简并度越大，则相干光强越大。光的受激辐射基本概念1. 热辐射、黑体辐射、近似黑体的定义；黑体辐射的Pla nk公式；2. 光与物质相互作用的三种主要的过程是什么？各自的特点是什么？几 个系数之间的关系是什么？掌握每一种数学表示方法！川

2、!光的受激辐射放大与振荡(重点复习1. 如何理解小信号系统、大信号系统、增益饱和、光强放大的过程、增益 系数、增益曲线、粒子数反转和阈值条件的推导？理解光在工作物质中 的增益系数的定义和表达式。处于粒子数反转状态的物质激活介质、激光介质或增益介质； 增益系数：表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数；当(n2-n 1)不随着z的变化而变化，而且Io很小，G0可以认为是常数，这 种情况称为小信号增益。(增益曲线当(n2-n1)随着z的变化而变化，称为 大信号增益，用G00表示；增益饱 和现象激光上能级粒子数n2减小到小信号时的1/2时候对应的光强I就是饱和光强Is；G(l)G0如果在增益介质

3、中光强始终满足条件|VV| S，则1 Is增益系数G(I) G0为常数且不随Z而变化，这就是小信号的情况；如果在增益介质中光强不能满足条件11 s，贝吐曾益G(I)随着z的增加而 减小，这就是大信号的情况；在光放大同时，总存在着光的损耗，损耗系数定义为：盂币阈值条件为：1G0 total (z)久1 nrg2. 激光的产生具备的两个条件是什么？ 粒子数反转；增益大于损耗当能量为h 21=E2-El的光子通过增益介质时，引起的受激辐射将超过 受激吸收，使得输出的光能量大于入射的光能量， 增益介质对光进行了 放大，这就是激光放大器的基本原理， 这样的增益介质即为 光放大 器3. 理解粒子数反转过程

4、、光放大过程、增益饱和过程、激光振荡过程（激 光器）和微波激射器的区别；当激光放大器的长度足够大时，它可能成为一个自激振荡器4. 完整叙述叙述从粒子数反转到阈值条件到最后形成激光振荡的整个过 程。四. 激光器的基本组成泵浦源、增益介质、谐振腔、其他元件；五. 两类能级系统激活粒子系统主要归结为哪两类？每一类中典型代表激光器是什么激光 器？三能级：红宝石激光器、氩离子激光器；四能级：氦氖激光器、二氧化碳 激光器、Nd:YAG激光器。六. 激光的四大特性1. 激光的四大特性是什么？单色性好、方向性好、相干性好、高强度2. 影响单色性和方向性的因素分别是什么？ 方向性越好，则光束的空间相干性越好。根

5、据光的衍射理论，任何光通过输出孔径时都要产生衍射， 衍射角的大小 与光波长成正比，与孔的直径成反比方向性越好、空间相干性程度越高；方向性（发散角）受衍射极限的限制 模数对相干性的影响横模数减少，变小，空间相干性越高，反之亦然纵模数减少，变小，时间相干性越高，反之亦然为了提高激光器的空间相干性，首先限制激光器工作在TEMoo单横模；其次, 合理选择光腔的类型以及增加腔长以利于提高光束的方向性。第二章光学谐振腔一.第1节和第2节1. 光学谐振腔有哪两种作用？分类是怎样的？光谐振腔的作用是提供轴向光波模的正反馈及保证激光器的单模振荡； 分类：闭腔；气体波导腔；开腔；按几何损耗的高低分：稳定腔、非稳腔

6、、 临界腔。2. 对于开腔，常用的处理方法有几种？几何光学分析法、矩阵光学分析法、波动光学分析法3. 谐振腔内的模式与谐振腔的关系是怎样的？谐振腔的模式：谐振腔内允许或可能存在的电磁波的本征态（光波模式）或 腔内可能区分的光子的状态（光子态）。关系：腔的参数确定后，则模的特征就由麦氏方程组及腔的边界条件唯一地 确定。4. 描述腔内模式的基本特征有哪些？电磁场分布、谐振频率、相对功率损耗、发散角c c2nL 2L5. 横模与纵模的基本概念、区别，如何理解自再现模（孔阑传输线）？谐 振的条件是什么？ 谐振条件：q q乞；纵模间隔:2nL6. 纵模的个数与哪两个因素有关？工作物质的荧光线宽和腔长7.

7、 光腔的损耗分类、描述（平均单程损耗因子、光子在腔内的平均寿命、 无源腔的Q值、无源腔的本征纵模线宽）以及和模式的对应关系。内损耗/腔镜反射不完 全引起的损耗 衍射损耗 几何损耗（1）几何损耗；（2）衍射损耗；（3）腔镜反射不完全引起的损耗；（4）内损耗 光腔的损耗可用平均单程损耗因子3、光子在腔内的平均寿命 R、无源腔的 本征纵模线宽 c、无源腔的Q值描述。8. 腔内光子的平均寿命 、Q、c、平均单程损耗因子之间的关系。损耗越大，S越大，R越短，c越宽，Q值越小。.第3节1. 几种简单的光线传播矩阵表示，理解 ABCD矩阵折射矩阵：Tn1 00 n1. n2球面反射矩阵：Tr3. 理解Syl

8、vester定理，理解共轴球面腔的稳定条件、稳定性简易判别方法、稳定区图的指示意义。往返矩阵与初始坐标无关，可用来描述任意傍轴光线在腔中的传播行为 往返矩阵中的各个元素的具体值与初始出发位置、光线往返顺序有关。1a1 2L 2L 空R R2 R|R21-AD 1:稳定腔21-A D 1:非稳腔21-A D 1:临界腔2g1 1g2 13，若0R2g1g21，稳定腔；若g1g21, g1g20，非稳腔；若g1g20, g1g21，临界腔。临界腔：对称共焦腔（R1 =R2=L ）、平行平面腔、共心腔如果将腔的任一个反射镜的曲率中心与顶点称为该反射镜的两个特征点，则当谐振腔中两个反射镜的两个特征点之

9、间只包含另一个反射镜的一个特征 点时，这个谐振腔就是稳定腔；如果某个反射镜的两个特征点之间包含了另一反射镜的两个特征点或不包 含另一反射镜的特征点时，该谐振腔就是非稳腔；如果两个反射镜的特征点之间有重合，则该谐振腔就是临界腔。三.第4节到第8节内容综述1. 首先要理解开腔模式的基本概念，要看 ppt文件；2. 其次要理解在惠更斯一一菲聂耳原理（光的衍射理论基础）的基础上进行的菲聂耳一一基尔霍夫衍射积分方程 运算来定量地处理开腔模式的问题。（积分 公式表明：如果知道了光波场在其所到达的任意空间曲面上的振幅和相位分布， 就可以求出该光波场在空间其他任意位置处的振幅和相位分布）3. 在前面两步基础上

10、处理对称开腔自再现模式应该满足的积分方程。前面3步是理论基础，在前面3步理解的基础上，下面才考虑几种常见的谐 振腔中的理论处理方法：.平行平面腔模式的迭代求解 一一Fox-Li迭代求解法；平行平面腔的优点 有哪些？方向性极好、模体积较大、容易获得单模模振荡.方形镜共焦腔的自再现模： 积分方程精确求解得到镜面上场的 振幅和相位分布单程功率损耗单程相移和谐振频率；（3）.方形镜共焦腔的行波场（厄米-高斯光束）：腔内任意一点处的光波场特 点，如振幅分布、光斑尺寸、模体积大小、等相位面的变化、远场发散角；2 2光斑半径随z按照双曲线规律变化。2 z2 10 f2当z=0时，z达到最小值，z0s ；:

11、t 2 ）稳定工作状态（稳态） 脉冲激光器 （tO 0不同的纵模具有相同的损耗，因而具有相同的Gt ；不向的横模具有不同的损耗，因而具有不同的Gt ；高次横模的Gt比基模的大；统）;三能级：Ppt四能级：Ppt3. 连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率卩吋（三能级系统；四能级系h pnV2 F sh p n 也 V h p 抽 h p V12sF sF 21 1 s4. 短脉冲激光器的阈值泵浦能量E Pth （三能级系统；四能级系统）；三能级：ep n2tVh p nVpt12 1四能级：Ep n2tVh p ntVh pV11 n lj匚 pt11 1 21l5阈值特点小结；1三能级系统所需的阈

12、值能量比四能级大得多（三能级系统的激光下 能级是基态，至少要将一半粒子 n/2激励到E2。四能级系统的激光 下能级几乎为空，只需将厶nt个粒子激发到E2,而n/2 nt。）2. 光腔损耗对三能级系统的影响较对四能级的影响要小（对三能级 系统，要将（n+A nt ）/2粒子激励到E2，而n/2A nt，可忽略厶nt 而对四能级系统，只需将厶nt个粒子 激发到E2,而A nt *3。但 当S很大，使得A nt也很大，达到可以与n/2相比拟时，才要考虑损 耗对三能级系统阈值的影响。）3. Ppt,， Ept与工作物质特性有关 F, 21, s, F三. 激光器的振荡模式试说明某个频率的光最终要成为激

13、光的纵模输出, 它廳须哪几个条件？ 满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一。 频率落入工作物质的谱线线型范围码 内。 小信号增益系数大于阑值增益系数。不管激发强或若，稳态工作时激光器振荡模式的大信号增益系数总是等 于阈值增益系数。1. 均匀加宽激光器的模式竞争（纵模的自诜模、空间烧空引起的多纵模振荡），注意学会叙述！ ！ !如图，开始时;由于饱和效应，增益曲线下降当降到曲线1时:&( %)G珀十停止上升，而片!和厶继桑 匕升，增益曲线继续下降， 使叭0 , Aj41迅連减小 并熄灭“为降到曲线2时;q_i停止上升而厶继续上升.增益曲线继续下降.使心1熄灭当降到曲线3时：珀停止上升，I由于没有英他

14、的纵模使增益曲线下降h则救光器就稳定在人匕从而输出单纵模激光.结论；理想情况下，均匀加覚蘇激光褂的输出应是单纵模，其煙率在增益 曲我申右類車附迟 其它纵模被抑制而熄灭.衽模的竟争过程中频 率萼远禹中心顾率的来萍先熄灭.说明Z不同械间也会发生类似竟够过程但由于不同横模具有不同的 沁竞争的情况牧免罷均匀加宽气体激光器中的模式竞争导致单纵模输出空间烧孔引起的多纵模振荡：激光增强时，均匀加宽激光器为多纵模振荡，激发越强，达到阈值从而 参与竞争而振荡的纵模个数越多。增益的轴向（或纵向）空间烧孔效应：由于腔内的驻波场分布，波腹处光强 大，波节处光强小。由于饱和效应，则在波腹处增益系数最小，在波节处最 大，

15、形成增益系数的轴向空间分布。2. 非均匀加宽激光器的多纵模振荡四. 连续或长脉冲激光器的输出功率1. 均匀加宽单模激光器的输出功率；2. 非均匀加宽单模激光器的输出功率;3. 均匀加宽多模激光器的输出功率；4. 非均匀加宽多模激光器的输出功率；五. 短脉冲激光器的输出能量六. 驰豫振荡一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，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；单模激光器的输出是一个衰减尖峰序列；泵浦功率越大，尖峰形成越快，因而尖峰的时间间隔越小； 尖峰序列是向稳态振荡过渡的驰豫过程的产物七. 单模激光器的线宽极限无源腔:穿

16、腔的损耗越低，则光场的衰减时间越长，模式线宽也越窄。有源腔：有源腔单模激光器的线宽极限为：2n21 2 （ c） h 0 ；这种线宽是由于自发辐射的2n2t 2 ( c) hsntPoPo存在而产生的，因而是无法排除的，所以称它为线宽极限。由上述公式可看出：输出功率越大，线宽就越窄。这是因为输出功率增 大就意味着腔内相干光子数增多，受激辐射比自发辐射占更大优势，因 而线宽变窄。减小损耗和增加腔长也可使线宽变窄。八频率牵引：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，这种现象叫做频率牵引。第六章激光器件一. He-Ne激光器、CO2激光器、A叶离子激光器的各自波长

17、、能级系统、能 量共振转移的过程；三能级：红宝石激光器、氩离子激光器；四能级：氦氖激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器。氦氖激光器：632.8nm 1.15小3.39削 原子激光器；连续输出；CO2激光器：10.6微米，9.6微米；分子激光器；连续、脉冲输出；功率 较大（高达几十万瓦）、能量转换效率高，但体积大；氩离子激光器：488nm蓝光、514.5nm绿光；离子激光器；连续输出； 红宝石激光器（第一个出现激光器）：AI2O3:Cr3+，基质为刚玉；脉冲工 作方式（具有较高的泵浦能量阈值，故不常用）；Nd:YAG : 1.064微米（四能级）、1.3微米（四能级）、946nm （三能级

18、）Nd:YAG激光器器件阈值低、理化性能好、连续、脉冲、锁模、调Q技术均适用。二. 红宝石激光器波长、能级特点、两个波长的竞争情况；692.9nm、694.3nm;三能级系统，具有高的泵浦能量阈值，通常只能以 脉冲方式工作；三. 完整理解尖峰振荡的形成过程；四. Nd:YAG激光器和掺钕玻璃激光器波长、能级特点;五. 激光束质量的表示方法：M2因子等;六. 固体激光材料的一般特点；固体激光器：运行方式多样，能实现激光运转的固体工作物质多达数百 种、激光谱线达数干条，多分布于可见光及近红外光区，并能利用非线 性晶体实现倍频、二倍频、四倍频，其频率可达紫外区，固体激光器导 光系统简单，制作容易，结

19、构紧凑、牢固耐用。气体激光器：气态工作物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器 易于获得衍射极限的高斯光束，方向性好。气体工作物质的谱线宽度远 比固体小，因而激光的单色性好，但气体激光器的体积一般比较大。七. 钛宝石激光器的特点；很宽的波长范围（6601180nm）连续可调；调谐范围宽、增益高、泵浦源好找（吸收峰在 500nm附近绿光）、理化性 能好。第七章激光技术（单独）一. 调Q技术：要求掌握调Q的含义，调Q的分类、电光效应、电光调 Q、声光调Q的过 程；电光调Q和声光调Q的区别；腔内储存的激光能量（W）每秒中损耗的激光能量；设腔的长度为L，腔内介质的折射率为n,则光在腔内传播一个单程所

20、需要的时间t为nL/C,光在腔内每秒中损耗的能量为堤，则:W0WC/nL2 nL0分类：主动调Q和被动调Q调Q激光器的两种储能方式：工作物质储能和谐振腔储能1. 工作物质储能一一脉冲反射式调 Q（PRM法）腔长不宜过长，输出损耗也不宜太小；在低Q值状态下激光工作物质的上能级积累粒子， 当Q值突然升高时形 成巨脉冲振荡，同时输出光脉冲。2谐振腔储能一一脉冲透射式调 Q （PTM法）:将能量以光子的形式储存在谐 振腔中，当腔内光子数密度达到最大值时，瞬间将腔内能量全部输出，因此也叫腔倒空法。特点：脉冲宽度更窄；峰值功率更高；能量利用率更高电光效应：某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化（普克尔

21、效 应），使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状 态发生变化的现象。KDP电光调制效率很高；声光调制：（不宜用于高能调Q激光器）声光效应：当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的位相光栅。 弹光效应：当材料受力时，光通过材料而引起材料折射率的变化的现象。 声光Q开关的组成：由一块对激光波长透明的声光介质(熔融的石英) 及换能器(石英：作用是将高频信号转换为超声波)。二. 锁膜技术重点掌握：超快激光器、超快脉冲、超短脉冲基本原理：通常激光器的输出是由若干个纵模组成，由于各个纵模的相 位不相同并呈随机变化，因而

22、激光器输出光强只是各个模式非相干叠加 的结果。当我们采取措施使各模的初始相位保持一定关系时，就会发生 相干叠加，输出一列周期性变化的锁模光脉冲串。1. 自由运转多纵模激光器的激光输出的光场分布和光强分布特点；一个多纵模激光器中，假如有 2N+1个纵模，各纵模初始相位彼此无关 联，完全独立和随机的；相邻纵模之间的间隔并不完全相等；输出光强是 各纵模的非相干叠加的结果。2. 锁模后的多纵模激光器的激光输出光场分布和光强分布特点；2L相邻最大峰之间的时间间隔：t仝激光器输出的是间隔为t的规则脉C冲序列；锁模脉冲的宽度:1 2L 12N 1 C 2N 11OSC锁模脉冲的输出峰值功率：锁模输出脉冲峰值

23、功率正比于Eo(2N 1)2，而自由运转激光器的平均功率正比于 E；(2N 1)，因此，锁模脉冲的输出峰值功率是锁模前单个脉冲的 (2N 1)2倍，是锁模前多个脉冲合成功率的(2N 1)倍；在固体激光器中，振荡模的数量可以达到103104，所以锁模后单个脉冲的峰值功率可以达到很高。3. 锁模后的超短脉冲峰值光强公式、时间周期、超短脉冲的宽度等公式；三. 上述调Q和锁模技术两者之间的主要区别；四. 变频技术中的极化强度的理解，对混频、倍频、OPA、0P0的理解；第八章半导体激光器一.基本定义：禁带宽度、光电导、pn结、超晶格结构、量子阱等 满带(filled band ):允带中的能量状态(能级

24、)均被电子占据 对于金属，所有价电子所处的能带就是导带；对于 半导体，所有价电子 所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温 度下是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带 (forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即 成为导电的能带导带(本征吸收)。光电导指半导体由于受到光照而使其电导率发生变化的现象。费米能级与费米能：一般可以认为，在温度不很高时，能量大于费米能 级的量子态基本上没有被电子所占据，而能量小于费米能级的量子态基 本上为电子所占据，电子占据费米能级的几率在各种温度下总是1/2,所以费米能级的位置比较

25、直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说 费米能级标志了电子填充能级的水平。费米能级位置较高，说明有较多 的能量较高的量子态上有电子。一.电子在能带之何的跃迁1电子在半导体能带之间的跃迁所产生的几种有用效应（1）在光子作用下，且光子能量*则价带魁子跌迁到导带，分 _删在导带与价带中产生电了与空穴，形成电空穴对，这一 称为受激光靈收，这种光生裁流子就能在外归踣形成光电擁，各种半导体光探测器就是基于这一原理的，-如果通过电注入植半导体县带申积累一定谁度的电子.它们将自发地与价带上的空穴复合.以光子的形式释放出等于或 大于禁带宽度的能量，此即为自发发射过裡（与其它激光器的 自发辎射类1 o半导体发光二极管L1CD就是基于这一原理而 工作的。如果上述复合过程不是自发的，而是在光子的作用下进 行的，这就是受激辐射复合所辐射的光子与激励这一复合过 程的光子有完全相同的频率、偏振和相位等特性。激励这一过 程的光子可以是外來光子（如半导体激光放大務SLA或注入锁 定激光器山的情况诫内部产生但受到反馈的光子（如半导体激 光器的情况LDh除了上述三种过程之外，还可能有其它的跃迁过程。例 如：热飯迁过程，即电子从高能态跃迁强低能态的深髓级上， 把能量传给晶格的原子使其热振动能量増加；半导劇光形成的两个新量子尺寸效应：当材料的尺寸与光波的波长、传导电子德布洛意波长等 物理特征尺寸相当