激光原理周炳坤

1、.填空1. 线宽极限 ：这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的 ,因而是无法排除的2. 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的现象3. 按照被放大光信号的脉宽及工作物质驰豫时间的相对大小，激光放大器分为三类：连续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器。此时由于光信号与工作物质相互作用时间足够长， 因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运所补充， 因此反转集居数及腔内光子数密度可以到达稳态数值而不随时间变化， 可以用稳态方法研究放大过程。 这类放大器称为 连续激光放大器；因受激辐射而消耗的反转集居数来不及由泵浦抽运补充， 反转集居数和光子

2、数在很短的相互作用期间内达不到稳定状态。 这类激光放大器必须用非稳态方法研究，称为 脉冲激光放大器 ；当输入信号是锁模激光器所产生的脉宽为(10 -1110-15 )s 的超短脉冲时，称为 超短脉冲激光放大器4. 这是由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居数尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通过时， 前沿引起的受激辐射以使反转集居数降低， 所以后沿只能得到较小的增益， 结果是输出脉冲形状发生畸变， 矩形脉冲变成尖顶脉冲， 脉冲宽度变窄5. ，工作物质可处于三种状态 :弱激发状态 ：激励较弱， n0，工作物质中只存在着自发辐射荧光，并且工作物质对荧光有吸收作用。 反转激发状态 ：激励较强。 0 n

3、 nt0 。 超阈值激发状态 ：若激励很强，使 ,0g /ln，则可形成自激振荡而产生激光。6.即在低 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， 上述方式称作 脉冲反射式调 。激光能量储存于谐振腔中 ,这种调Q 方式称作脉冲透射式调Q。7. 当(t+ )=2m 时，光强最大。最大光强 Im=(2N+1)2E02,锁模时；Im=(2N+1)E02，未锁模时。 =2 Vq8.红宝石激光器Cr3+ 694.3nm 三钕激光器 Nd3+ 1064nm 四He-Ne 激光器 Ne 632.8nm 四激发方式共振能量转移CO2 激光器 CO2 10.6

4、nm 四激发方式直接电子碰撞级联跃迁共振转移.简答1.光腔作用：（1）模式选择。保证激光器单模（或少数轴向模）振荡，从而提高激光器的相干性。 （2）提供轴向光波模的反馈。2.震荡条件： g0l3. 激光的四性：单色性、相干性、方向性和高亮度4.光腔损耗 ：（1）几何偏折损耗。光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，这种损耗为几何偏折损耗。 (2)衍射损耗。由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，因而当光在镜面上发生衍射时，必将造成一部分能量损失。(3)腔镜反射不完全引起的损耗。它包括镜中的吸收、散射以及镜的透射损耗。 (4) 材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物 (如布儒斯特窗、调 Q

5、元件、调制器等 ) 所引起的损耗。5. 光束衍射倍率因子 M 2 定义为 M 2=实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积 /基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积， 数值越小，激光束越亮； K=1/M 2 称作光束传输因子 ，它也是国际上公认的一个描述光束空域传输特性的量。6.自然加宽 ：在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发的向低能级跃迁， 因而受激原子在激发态上具有有限的寿命。 这一因素造成了原子跃迁谱线的自然加宽，线性函数：谱线宽度：7. 多普勒加宽 ： 多普勒 (Doppler)加宽是由于作热运动的发光原子 (分子 )所发出的辐射的多普勒频移引起的。线性函数：谱线宽度

6、：8. 当频率为 vq 的纵模在腔内形成稳定振荡时 ,腔内形成一个驻波场 ,波腹处光强最大 ,波节处光强最小。因此虽然 vq 模在腔内的平均增益系数等于 gt ,但实际上轴向各点的反转集居数密度和增益系数是不相同的 ,波腹处增益系数 (反转集居数密度 )最小 ,波节处增益系数 (反转集居数密度 )最大。这一现象称作增益的 空间烧孔效应 。由于轴向空间烧孔效应 ,不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡 ,这一现象叫做 纵模的空间竞争 。9. 对于由多普勒非均匀加宽工作物质组成的 驻波激光器， 当振荡模频率 vq v0 时，I+和 I- 两束光在增益曲线上分别烧两个孔。10. 单模输出功

7、率 P 和单模频率 vq 的关系曲线。在 vq=q0 处，曲线有一个凹陷，称作兰姆凹陷 。.11. Q 调制技术 ，它的基本原理是通过某种方法使谐振腔的损耗因子（或 Q 值）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因子 H，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， 使腔的损耗因子突然降低到， 阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值， 受激辐射极为迅速的增加。 于是在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量， 形成一个很强的激光巨脉冲输出。采用调 Q 技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为几十毫微

8、秒的激光巨脉冲。12. 一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。 但如果使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系， 则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。 这种激光器称为 锁模激光器 。腔内有 q=-N,-(N-1), 0, -(N1),N 等(2N+1)个模式振荡相邻模式的初位相之差保持一定称为 相位锁定 。.1.7证明当每个模式内的平均光子数(光子简并度 )大于 1时，辐射光中受激辐射占优势。证：受激辐射跃迁几率为 W21 B2121B21W受激辐射跃迁几率与自发辐射跃迁机率之比为A21A21n h式中，/ n 表

9、示每个模式内的平均能量，因此/(nh ) 即表示每个模式内的平均光子数，因此当每个模式内的平均光子数大于1 时，受激辐射跃迁机率大于自发辐射跃迁机率，即辐射光中受激辐射占优势。1.8(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) 一束光通过长度为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。I out解： (1) 出射光强与入射光强之比为e le 0.01 100e 10.37Iin所以出射光强只占入射光强的百分之三十七。(2) 设该物质的增益为g，则1lnI outln 20.6

10、9m 1glI in即该物质的增益系数约为0.69m 1 。2.4 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。0g1LL解：共轴球面腔的稳定性条件为? g 2 1,其中 g 1 =1-,g 2 =1-R 1R 2（a 对平凹腔： R2 =,则 g 2 =1,L1，即 0LR101-R 1(b)对双凹腔： 0g 1 ? g 2 1, 01L1L1R1R 2R1L ，R2L或R1LR2 L且R1R2L(c)对凹凸腔： R1 = R 1 ,R 2 =- R 2 ,LL1，R1L且R1|R2| L0 11R 1R 2.2.6图 2.1 所示三镜环形腔，已知l ，试画出其等效透镜序列图，并求球面镜的

11、曲率半径R在什么范围内该腔是稳定腔。图示环形腔为非共轴球面镜腔。在这种情况下，对于在由光轴组成的平面内传输的子午光线，式(2.2.7)中的 f (R cos) / 2 ，对于在与此垂直的平面内传输的弧矢光线， fR /(2cos) ，为光轴与球面镜法线的夹角。平面镜llRlR解：AB1l1011012lCD011011f1f13ll 22214l4l3l2lAD 1f 22fff 2f2l 2212lf2lf稳定条件1l 23l11f 2fl 23l20f 2f所以有 l2 或 l左边有1ll210ffff对子午线：f子午Rcos对弧失线：f弧失2 R2cos有：22L3或2L1所以R cos

12、R cos424R3ll 或 Rl333同时还要满足子午线与弧失线4 3 l R3 l或 R4 3 l923.2.23如图 2.2 光学系统， 如射光=10.6，F12cmF2 5cm3mmm000求0 及 l3 。l 1l2 15cml 32cm解：先求经过一个透镜的作用之后的束腰半径及位置由于 l1F1 ，所以 l1 F1 =2cm0F22.49m0所以对第二个透镜，有24f01.49910ml l 2 l13cm已知 F20.05m ，根据l3F2(lF2 )F22(lF2 )2f 2得00F2(lF2 )2f 20 14.06m，l3 8.12cm2.24某高斯光束0 =1.2mm ，

13、=10.6mR 1m。今用一望远镜将其准直。主镜用镀金反射镜R=1m，口径F1 2.5cm0 1.2mm为 20cm；副镜为一锗透镜，F1 =2.5cm，口径为 1.5cm；l高斯束腰与透镜相距l =1m ，如图 2.3 所示。求该望远系统对高斯光束的准直倍率。解：入射高斯光束的共焦参数为f200.427m由于 F1 远远的小于 l ，所以高斯光束经过锗透镜后将聚焦于前焦面上，得到光斑的束腰半径为F10.028mm002f 2(l F1 )这样可以得到在主镜上面的光斑半径为(R)R10cm6cm0即光斑尺寸并没有超过主镜的尺寸，不需要考虑主镜孔径的衍射效应。这个时候该望远系统对高斯光束的准直倍

14、率为R 1l2M2101.9F10.4.2长度为 10cm 的红宝石棒置于长度为20cm 的光谐振腔中， 红宝石 694.3nm 谱线的自发辐射寿命s4 10 3 s ，均匀加宽线宽为2105 MHz 。光腔单程损耗0.2。求 (1)阈值反转粒子数nt ； (2)当光泵激励产生反转粒子数n1.2nt 时，有多少个纵模可以振荡？(红宝石折射率为 1.76)解： (1)阈值反转粒子数为：nt4 2H2s21ll24 2210111.762410 30.2 cm 310(694.310 7)24.061017cm 3(2)按照题意 gm1.2gt ，若振荡带宽为osc ，则应该有2H1.2gt222

15、gtoscH22由上式可以得到osc0.2H8.941010 Hzqcc31010相邻纵模频率间隔为2l2(l1.76( Ll )2(101.7610)5.43 108 Hz所以osc8.941010164.6，所以有 164165 个纵模可以起振。5.43108q4.4脉冲掺钕钇屡石榴石激光器的两个反射镜透过率T1 、 T2 分别为0 和 0.5。工作物质直径 d=0.8cm，折射率=1.836，总量子效率为1，荧光线宽F1.951011 Hz ，自发辐射寿命s 2.310 4 s。假设光泵吸收带的平均波长P0.8m。试估算此激光器所需吸收的阈值泵浦能量 Ept 。解：1 ln10.3521 T2hp( d )2hc d232HEpt22132p06.62610 340.353101031.83621.9510110.822.310 40.810 4(1.06