北理工期末激光原理分析报告

1、内部资料，考试前绝密关键词：激光原理，60分，及格名词解释1 自发辐射，受激跃迁，受激辐射 处于高能级的原子在没有任何外界作用的情况下，自发地向低能级跃迁，并发射光子的过程称为自发辐射跃迁，发出的光辐射是自发辐射处于低能级的原子在频率为v的辐射场作用下，吸收一个能量为hv的光子并向高能级跃迁的过程称为受激吸收跃迁处于高能级的原子在频率为v的辐射场作用下，向E1能级跃迁并发射与外来光子能量相同的光子的过程称为受激辐射跃迁2光子简并度 处于同一光子态或同一光波模式的光子数密度3 增益饱和 由于光强增加导致反转粒子数减少，由于反转粒子数减少引起激光器增益系数下降4 （固体）激光器斜率效率与总体效率

2、固体激光器的斜率效率是指超过阈值部分的输入能量（的功率）转化为输出能量（或功率）的效率，表达式为斜率效率s=EoutEin-Eth P同理总体效率指输入能量（功率）转化为输出能量（功率）的效率，表达式总体效率t=EoutEin P同理5 异质结，禁带宽度 异质结是由不同的材料构成的结，形成结的两种材料有相近的结构以保持晶格的连续性，但一般要求材料有不同的禁带宽度与电子亲和能，他们是决定结区能带结构及特性的主要因素。禁带宽度指在直接禁带半导体材料中，导带底与价带顶之间的能量间距。6 主动稳频稳频技术实质是稳定激光谐振腔腔长，主动稳频技术是指在稳定腔长过程中加入人为可控因素、方法是选取一个稳定的参

3、考标准频率，当外界影响使激光振荡频率偏离这个标准频率，某一系统能鉴别这个误差信号，并将其反馈给控制系统自动调节腔长，使激光振荡频率回复到标准频率。常用的主动稳频方法有兰姆凹陷稳频，塞曼效应稳频。分子饱和吸收稳频。7 稳定腔与非稳腔 稳定腔：光线在谐振腔内往返任意多次也不会横向逸出腔外的谐振腔非稳腔：光线在谐振腔内往返有限次即横向逸出腔外8 烧孔效应 参考下面的计算题横模纵模选择8 M因子 M因子:定义为实际激光束的光束参数积与理想基模高斯光束的光束参数积之比，是一个无量纲的数，用以表征实际激光束的光束质量9 调Q与Q值 参考计算题10 锁模 锁模是将各纵模的相位锁定，采取适当措施，使各个独立的

4、纵模在相位上同步，则激光器可输出脉宽极窄、峰值功率极高的超短脉冲。各振荡纵模的初相位锁定，相位差为一常数各振荡纵模之间的频率间隔相等并固定为Dv=c/2nL.11 选基模的机理 激光器的基模指的是基横模，谐振腔内基横模对比高阶横模，具有更小的衍射损耗。利用不同横模间的衍射损耗差异，通过在腔内放置小孔光阑，加入透镜或使用非稳腔方法可以抑制高阶横模振荡，从而选出基横模。（横模的选择：参考基模的选择，利用损耗选出需要的横模纵模的选择：不同纵模间有频率差别，相邻纵模频差为c/2nl，不同纵模有不同小信号增益，利用增益差异，引入与频率相关的损耗，使需要的纵模达到阈值起振。12 振幅调制使载波振幅随着信号

5、变化而变化。13 角度调制 改变光波的角宗量，使其按照信号变化而变化，为角度调制。引起角宗量变化的参数有频率与相位，角度调制包括频率调制与相位调制14 光学倍频I类II类相位匹配光学倍频中的I类相位匹配与II类相位匹配都是角度相位匹配、I类是指入射的基频光波只有一种偏振态，II类指入射的基频光波有两种相互垂直的偏振态。（光学倍频中的角度相位匹配：使参与非线性相互作用的光波在非线性介质的某个特定方向上传播，该方向上基频光波与倍频光波折射率相同） 模拟试题烧孔效应分别画出下面两种状况下非均匀加宽介质的反转粒子数按速度分布曲线，解释烧孔效应并标出烧孔位置烧孔效应:对于非均匀加宽工作物质，当频率为的强

6、光入射，会使得表观中心频率为及其附近的原子由于受激辐射与增益饱和效应使得增益曲线在及其附近形成一个凹陷。频率为的光与速度为vz=c(-0)/ 0的粒子共振相互作用，引起这部分反转粒子数减少1）=(0+）时，vz=c(-0)/ 0=c /0=(0-）时，vz= - c /02）=(0+）时，vz=c(-0)/ 0=c /0=(0-）时，且反方向入射vz= c /0稳定腔与ABCD矩阵如图光学谐振腔中，M1，M2为平面镜，F为薄透镜，f=L=200mm激光波长=1064nm1）利用ABCD矩阵计算谐振腔是否为稳定腔2）若为稳定腔，计算腔内束腰位置以及束腰大小，并做示意图。若为非稳腔，如何改变平面镜

7、与薄透镜的间距得到稳定腔？解答1.654321光路2，5 光路1,3,4,6为自由空间 因此矩阵为M=为稳定腔显然符合所以该谐振腔为稳定腔2.腔内平面镜位置即为束腰位置，可能存在束腰位置位于第一个平面镜处q=if=iw0/w0=f/代入f=200mm，=1064nmw0=0.26mmw0=0.26mm补充：A-球面镜变换矩阵，凹面镜*凸面镜为2/RB-共轴球面腔稳定性条件补充试题：有一平面镜与曲率半径为2m的凹面镜1）如何摆放能形成基模腰斑半径最大的稳定腔？2）画出光束腰斑半径与腔长的关系曲线解答1）=基模束腰半径f=z（-z）显然，Z=R/2时满足条件，z=1m2）由上一问，f=z（-z）=

8、 图略补充试题2有一平面镜与曲率半径为1m的凹面镜，若要构成稳定腔并获取最小基模远场发散角，该如何设计？画出光束发散角与腔长的关系曲线。解：0(1-L/R1)(1-L/R2)1平凹腔0 (1-L/R2)10L1f=L（R-L）=/f=代入=1*L（R-L）显然R=L/2最小增益损耗某激光器工作物质的均匀加宽线宽为1200MHz，中心频率处小信号增益系数是单位距离谐振腔平均单程损耗的两倍，如果要获得单纵模输出，光学谐振腔腔长应满足什么条件？增益损耗 =2/L=c/2nL单纵模条件求得L 注意l为红宝石棒长代入gml 求得T9.15%2）设振荡带宽为求得=1.8708X1011=c/2nl+(L-

9、l)N=/+1=363.3长度l=120mm的红宝石激光器棒置于长度为L=200mm的谐振腔中,红宝石694.3nm自发辐射寿命为=4X10-4s，均匀加宽线宽为4X105Mhz，光腔单程损耗0.2，红宝石折射率1.761）计算阈值反转粒子数nt2）当光泵浦产生的反转粒子数n=1.5nt，有多少纵模可以振荡？解1）nt=l=0.2/=1/ V=C/n =c/ =4X105Mhz代入得到nt=6.67X10232）L=L-l+nl=c/2L=n/nt=-1N=/+1 N=550电光调Q说明激光器Q值的物理意义，并回答:1）画出带偏振器的KDP电光调Q激光器装置示意图2）说明退压式调Q工作原理3）

10、若改为加压式调Q，应怎样修改装置？解：Q值物理意义：激光器的Q值是谐振腔的品质因数Q值表征谐振腔的损耗大小；Q值小：谐振腔损耗大，不容易形成振荡,Q值大：谐振腔损耗小，容易形成振荡1) 2）1-泵浦开始，腔内光子通过偏振器后变为沿x轴的线偏光，电光晶体不加电压，偏振不变，经全反镜后再次通过偏振器，腔低损耗，Q开关处于“打开”状态；2-加1/4波电压，沿x方向的线偏光通过晶体后，其o光和e光产生p/2相位差，从晶体出射后变为圆偏光；经全反镜后再次通过晶体，又产生p/2相位差，合成后得到沿y方向振动的线偏光，不能再次通过偏振器，腔高损耗，Q开关处于“关闭”状态；3-当工作物质中反转粒子数达到最大时

11、，迅速撤去晶体上的1/4波电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，Q开关打开，输出激光巨脉冲。1/4玻片3)补充简述加压式调Q原理（略，即未加压前Q开关关闭，第2步说明略作修改）简述调Q技术与锁模技术的异同相同点：均为压缩激光脉宽，提高峰值功率；可利用电光效应，声光效应，饱和吸收效应实现不同点：调Q与锁模压缩脉宽机理不同。调Q是控制腔内损耗，可将脉宽压缩至ns量级，峰值功率到Mw。调Q技术不受腔内振荡模式数限制。锁模技术通过保持各振荡纵模间相位差恒定产生干涉，满足干涉条件的振荡模式数越多锁模脉宽越窄，锁模技术可将脉宽压缩至ps/fs量级He-Ne激光器1）画出内腔式He-Ne激光器结构示意图2）说明

12、激光器主要组成部分及功能3）什么是He-Ne激光器的谱线竞争答1）2)激光器三大组成部分：工作物质，泵浦源，光学谐振腔。工作物质就是放电管中的He-Ne气体泵浦源为高压直流电源光学谐振腔为平凹腔He-Ne气体为增益介质（Ne为工作气体,He为辅助气体），泵浦源为在增益介质中实现粒子数反转提供能量，光学谐振腔提供光学正反馈，同时有选模作用3）谱线竞争指的是3.39um与632.8nm谱线间的竞争，二者具有相同的激光上能级，一条谱线振荡后会抑制另一条谱线的振荡，为保证He-Ne激光器632.8nm谱线震荡并提高其输出功率，需采取措施抑制3.39um谱线振荡锁模的计算一锁模钕玻璃激光器，钕玻璃的荧光

13、线宽vf=7.51012Hz，钕玻璃的折射率为1.52，激光棒长l=10cm，激光谐振腔长L=50cm，若位于荧光线宽内的纵模均被锁定，求该激光器锁模激光功率是自由振荡时的多少倍？解：L=L+（n-1）l=55.2cm纵模间隔vq=C/2L=272MhzN=vf/vq=27600一锁模钕玻璃激光器，工作波长=1.064um，钕 玻璃的荧光线宽vf=7.51012Hz，钕玻璃的折射率为1.52，激光棒长l=20cm，激光谐振腔长L=45cm，若位于荧光线宽内的纵模均被锁定，求该激光器锁模激光功率是自由振荡时的多少倍？1）求被锁定的纵模个数，锁模脉宽及周期2）画出锁模激光器装置图并说明工作机理及特

14、点解：1）L=L+（n-1）l=0.554m纵模间隔vq=C/2L=271MHz被锁定纵模个数 2N+1=vf/vq+1=27701锁模脉宽=1（2N+1）vq=1.33X10-13s锁模周期T=2L/C=3.693ns2）图为振幅调制锁模激光器利用调制频率为fm=c/2L声光或电光调制器实现振幅调制锁模，调制周期等于激光在腔内往返一次的时间，腔内的激光束通过调制器时总处于相同的调制周期部分。在t1时刻通过调制器的光信号受到的损耗为a, 光脉冲在腔内往返一周后通过调制器时受到同样的损耗。如果t1时刻通过调制器的脉冲受到的损耗不为0，则以后每次经过此处都会受到损耗而逐渐停止振荡；如果t1时刻通过

15、调制器的脉冲受到的损耗为0，则会不断得到增大，最后输出周期为2L/c的超短脉冲声光调制*一个PbMnO4声光调制器，对Nd：YAG（=1.064um）激光进行调制，声功率Ps=20W声光相互作用强度L=2.4mm，换能器厚度H=1mm，M2=3.63X10-14s3/kg，求其布拉格衍射效率解：=14.15%线宽半导体激光器腔长为l=0.1mm，折射率为3.5，激光器线宽为104MHz，将此半导体激光器与距离激光器输出面L=100mm的平面反射镜（输出镜透过率0.1）构成外腔半导体激光器，估算激光线宽的量级。解：=c/2l=2l/c=0.0733= c/2L=c（+T/2）（nl+L）=58.7MHz量级为107四能级666 试证明一个四能级激光系统均匀加宽工作物质的反转居集数密度速率方程可表示为略，有能力的同学去推一下，我们这道题建议写出四能级公式后再补几个结论拿10-15分走人计算咱不费那脑子，直接写结论，混个15分，剩下5分咱不要了有能力多背一点，拿14分写到这里拿8分走人光的相干性如果一台激光器输出光线宽为v=30kHz，如果用它作为精密测量距离相干光源，理论上相干探测最大可测距离为多少？激发态寿命=1/v相干长度l=c=104m可测距离L=l/2=5000m不全之处敬请谅解，固体激光器可参考编者的话：整体试卷结构一、6道