激光原理总结提纲8页

1、 Made by 啉傢尒蕏 2011年12月12日 22:32:39激光原理与应用纠结版本复习大纲=。=第一章 辐射理论概要和激光产生的条件.原子自发辐射，受激吸收和受激辐射的三个过程：自发辐射 受激吸收 受激辐射自发辐射:高能级的原子自发地从(高能级E2)向低能级E1跃迁，同时放出能量为E=hv 的光子的现象称为自发辐射。受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，（完全吸收）外来光子的能量而跃迁到高能级E2的过程称。受激辐射：当受到外来能量为hv=E2-E1 的光照射时，高能级E2上的原子向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子的现象。.跃迁速率及跃迁几率概念，自发

2、辐射和受激辐射的异同跃迁速率：平均寿命的倒数1/称为跃迁速率,它表征跃迁过程的快慢速度。跃迁几率：单位时间中跃迁的比率（发生辐射的李子树密度占能级总粒子数密度的百分百），叫做跃迁几率。它是一个有量纲的物理量,单位为秒-1。自发辐射各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。受激辐射的光子与外来光子有相容的相位关系，是相干光。.自发辐射（平均）寿命：原子数密度由起始值降至它的1/e的时间.爱因斯坦AB系数的关系： 爱因斯坦A系数： 爱因斯坦B系数： 关系：& .光谱线的展宽机制，均匀展宽和非均匀展宽的特点： 光谱线宽度：相对光强为最大值的一半处的频率间隔& 自然增宽的线型函数（原子处在彼此孤

3、立并且静谱线宽度）碰撞增宽的谱线线型函数（发光原子间的相互作用造成的）多普勒增宽的线型函数（原子运动速度不相同，接收的频率各不相同）均匀展宽（自然增宽，碰撞增宽）每一粒子的发光对谱线的任一频率都有贡献。非均匀增宽（多普勒增宽）每一发光粒子所发的光只对谱线内的某些确定的频率有贡献。.激光形成的条件：有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构。有外界激励源，使激光上下能级产生粒子数反转。有增长介质工作长度，控制光束传播方向和维持震荡的光学谐振腔.激光的基本特性：单色性 (单频性相干性，位相相同)， 准直性 (发散角小)， 高功率密度，定位精度高( 0.01m

4、m) .激光器的基本组成部分和各自的作用： 工作物质：实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用 泵浦源：实现并维持粒子数反转的能源 光学谐振腔：形成光学反馈（持续震荡）；选模第二章 激光器的工作原理.光学谐振腔稳定条件：.三，四能级系统速率方程组的原理与建立方法，物理意义及应用意义。 n0、n1、n2分别为基态、上能级、下能级的粒子数密度 E2能级在单位时间内增加的粒子数密度为： E1能级上增加的粒子数密度为 ： 意义：增益介质中同时存在抽运，自发辐射和受激吸收，受激辐射诸多物理过程时，表示各能级粒子数密度变化规律。 .小信号粒子数密度反转及增益系数概念： 在小讯号时粒子数密度反转分布的表达式

5、为： 增益系数G：标志着介质受激放大能力的物理量。 对均匀增宽型介质 对非均匀增宽型介质.激光器稳态工作时，均匀和非均匀加宽粒子数密度反转饱和以及增益饱和的特点： 均匀增宽粒子数密度饱和 均匀增宽增益饱和 非均匀增宽粒子数密度饱和 非均匀增宽增益饱和.增益系数定义，增益阈值及激光形成的阈值条件：增益系数G：标志着介质受激放大能力的物理量。增益系数的下限值为增益系数的阈值，即为： 形成激光所要求的增益系数的条件为：.激光谐振腔内形成稳定激光的过程（K）： （一） 腔内光强的放大过程 1. 由于自发辐射，在z=0处有一束强度为I1的入射光沿腔轴传播，此时由于腔内光强很弱，则有： 2.又经过增益介质

6、进行放大，再传到M1时： 3. 光强在M1上一部分反射回腔内继续放大，这部分为： 光强在M1上一部分作为激光器的输出透射出去，这部分为： 其余部分作为镜面损耗而损失了，这部分为： 总的镜面损耗为： 此时腔内光的放大倍数为： （二） 腔内稳定出光过程 随着光强的增大，增益系数进一步减小，由增益的而增加的光能量仅能补偿损耗而无剩余，输出光强也不再改变，此时： 第三章 激光的输出特性.自再现模的概念，积分方程及其解的物理意义： 自再现模：经一次往返后，唯一的变化是，镜面上各点的场振幅按同样的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。这个稳定的横向场分布，就是激光谐振腔的自再现模自再现模积分方程： 解的

7、物理意义：说明在某一给定开腔中，可以存在许多不同的自再现模。本征函数表示在激光谐振腔中存在的稳定的横向广场分布，成为激光横模，m，n为横模序数。其模代表任一镜面上的光场振幅分布，其幅角代表镜面上广场的相位分布。本征值的模反映功率损耗，其幅角与总位移有关。【本征函数的近似解】，, .高斯光束的传播特性及其特征参数方程（方形镜对称共焦腔内外基模光场）：高斯光束的主要特征参量：振幅分布：束腰： 光束有效截面半径：镜面光束半径： 波阵面曲率半径：远场发散角：高斯函数特征参数方程：.方形镜对称共焦腔内外基模光场：方形镜组成的一般稳定球面腔的谐振频率：.一般稳定腔与共焦腔的等价关系： 任一稳定球面腔（R1

8、，R2 ， L）等价于唯一的一个对称共焦腔f. 由稳定球面腔的(R1，R2 ， L), 求出 ()及等价对称共焦腔参数( f )为 .激光器的输出功率 理想的情况，若激光光束的平均截面为A，则其输出功率为： 部分反射镜的透射率取最佳值，激光器得输出功率为：1. 单频激光器的输出功率2. 多频激光器的输出功率 第四章 激光的基本技术.激光输出的选模：（1） 单纵模的选取： 其透过光的频率为最大透射率的两相邻频率间隔：法布里-珀罗标准具法为两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为： c/2(L1+L2)

9、和c/2m(L2+L3) 三反射镜法（2） 单横模的选取（小孔光阑法）：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数N，就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光器）。.激光的稳频（兰姆凹陷法原理）：假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起激光频率由偏至，与的位相正好反。假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光频率由偏至，与的位相正好相反同。在中心频率附近，不论是n小于还是大于，其结果都是使输出功率P增加，而且此时DP将以频率2f变化.高斯光束的变换： 高斯光束

10、的短焦透镜聚焦（Rf）： 入射光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的聚焦（s=f）：.激光调制技术（电光光强调制原理，条件）：纵向电光强度调制器的工作原理：电光调制的物理基础是电光效应沿x和y方向震动的两线偏振光产生相位差通过检偏器的光强： 外加电压为正弦（电压幅值较小的时候）：.激光偏转技术： 电光偏转总光束偏转角： 显示平面上可分辨的光斑数目: 声光偏转总光束偏转角： 式中ns为声波的频率，vs为声波在器件中的传播速率.激光调Q技术：调Q技术是将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。 激光谐振腔的品质因数Q： 品质因子与谐振

11、腔的单程总损耗的关系为：电光调Q：Q开关“开”晶体不加电压，往返晶体的线偏振光振动方向不变，激光震荡 Q开关“关”晶体不加电压，往返晶体的线偏振光振动方向相差90，激光不能形成震荡 声光调Q：Q开关“开”没有超声波存在时，光束可自由通过声光介质，产生激光震荡 Q开关“关”有超声波时，声光戒指密度发生周期变化，光束偏转，激光不能形成震荡 燃料调Q：Q开关“开”光强到达一定程度，染料吸收饱和，成为透明煤质，产生激光巨脉冲 Q开关“关”光强很小时，燃料强吸收，上能级粒子数积累.激光锁模技术：相邻脉冲峰值间的时间间隔 脉冲宽度第五章 典型激光器.典型激光器：.典型激光器能级特点： 红宝石激光器三能级系统：掺钕钇铝石榴石激光器四能级系统; HeNe激光器四能级系统.半导体激光器： 半导体激光器工作的阈值条件：激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条