激光元器件复习

1、1. 激光器的基本组成结构有哪些工作物质、谐振腔、泵浦系统（3个）2. 泵浦系统的激励方式光激励、放电激励、热能激励、化学能激励、核能激励（5个）3. 不同激光器的激励方式：气体激光器： He-Ne激光器：一般采用放电激励 CO2激光器：放电激励气体激光器1. 气体放电的基本种类:激发与电离的区别？ e + A e + A （原子激发） e + A e + A+ + e （原子电离） e 高速电子 He-Ne激光器（填空、判断）1. Ne气是工作气体，He气是辅助气体（用以提高Ne原子的泵浦速率）2. 气压比He：Ne=5:1到7:13. 峰值波长632.8nm4. 四能级系统5. 上能级激发

2、途径：共振转移、电子直接碰撞激发、串级跃迁6. 亚稳态能级回到基态的方式：跟据能量选择定则不可以自发的回落到基态，但可以和管壁碰撞，将能量传递给管壁，以能量热损失的方式使自己回落到基态。这也是He-Ne激光器中要有一根内径很细的放电管的原因。7. 跟管壁碰撞是He-Ne激光器的必学要求，因此放电管要设计成毛细放电管便于碰撞He-Ne激光器的输出特性1. 最佳放电条件：当放电电流i较小时，n3上能级粒子数与i成线性增大变化；当i很大时，呈饱和现象。（当放电电流增大时，电子数目增多，碰撞机会增大，易产生消激发，影响上能级粒子数积累）。N2下能级随放电电流i呈直线变化，不出现饱和。（因为2P4上的粒

3、子是电子直接激励基态Ne原子得到的，切2P4到1S自发辐射极快）2. 放电电流过大和过小对粒子数反转的不良影响:放电电流小，上能级粒子数被激发的少；过大，电子数目增多，电子碰撞几率增大，影响电子的能量，消激发加剧，上能级粒子数增加变少。放电电流过大时，由于下能级增加的粒子数比上能级多，反转粒子数就会下降。因此反转粒子数存在最佳放电电流条件。因增益正比于反转粒子数密度，因而增益野存在最佳放电电流。3. 气压高或低对粒子数反转的不良影响：气压过低，粒子数少，粒子数反转也减少；气压过高，电子碰撞次数增多，电子温度低，上能级粒子数降低。4. Ne过少的影响是什么？ 当总气压一定时， Ne气含量过少，n

4、1减少，使n3减少； Ne含量过多，因Ne比He易电离而导致电子能量和温度降低，使S/04和n3减小.由于Ne原子激光上能级的粒子数主要是由He亚稳态原子共振转移而得到的，所以He原子的气压应该高于Ne原子的气压，才能有效的将原子从基态激发到高能态。最佳气压比为He气比Ne气为5:1到7:1He-Ne激光器的输出特性1. P=ATI+v0 (I+V0)A光束有效横截面积 ； T透过率； I在中心频率处，正向传输光强的腔内光强值大小。2.提升输出功率的6个方法：1适当增加毛细管长度l可使输出功率增加。2选择最佳放电条件。3减小腔内损耗。 4抑制3.39m的辐射。5使用氦的同位素氦3。 6选取最佳

5、透过率。3.加非均匀磁场提升6328nm波长光的输出功率的原理？功率的稳定性1. 漂移和噪声的定义：He-He激光器在工作过程中，输出功率会随时间做周期性的或随机的波动。波动频率1Hz以下的为功率漂移，波动频率1Hz以上的为噪声2. 减少飘逸的措施主动控制法：将激光的输出功率与基准值进行比较，并将差值放大反馈，用得到的反馈信号对产生激光的参数进行调整控制。被动控制法：在激光的输出光路上加一个可控的衰减器，用部分激光功率去控制衰减的程度，是输出功率稳定在要求范围内。3. 什么是频率的稳定性？频率的稳定性包含稳定度和再现性稳定度：某一连续点燃工作时间内，频率变化量与平均频率之比。分短期稳定度和长期

6、稳定度再现性：不同时间不同地点或不同环境下，激光频率的再现程度4. 稳频的几个方法主动稳频:兰姆凹陷法稳频、饱和吸收法、塞曼效应法稳频被动稳频：主要是采取一些措施减小外界干扰。如采用热膨胀系数小的材料做激光管和谐振腔支架，采用好的防震和恒温措施，使用稳流电源。5.塞满稳频效应:再外加磁场之后能级分裂形成了频差，频差与原中心频率V不同，选择其中一个单调变化的区域作为控制线，将变化的V1反馈回来控制压电陶瓷，以改变腔长，从而改变输出的频率达到稳频。输出特性1. 发散角L腔长，R凹面镜曲率半径，=R/L为了得到晓得发散角，要选用大R或大L，但又不能过大。2. He-Ne激光器的偏振特性及获得偏振输出

7、的方法 在外腔和半外腔式He-Ne激光器中，由于布儒斯特窗的存在，输出的激光为偏振光 （1）为克服调整困难，采用了内腔式激光器中加有布儒斯特窗的方法获得偏振光输出（2）在放电管上加有均匀横向磁场的磁起偏He-Ne激光器，既保留了全内腔激光器的特点，又可获得高偏振度的偏振光的输出3. He-Ne激光器的结构与设计1 结构：内腔式 外腔式 半外腔式 旁轴式 单毛细管式2 设计：1）确定放电毛细管长度l和谐振腔长度L，lPW/P0，L=l2 l（l3540mm） （关键是P0的取值） （2）确定反射镜的曲率半径R： R=l 为腔结构参数，取1 3.5，计算取值2 （3）确定放电毛细管直径D以光束强度

8、分布的特点来确定 凹0.3D，根据多纵模均匀增宽器件特性确定 D118L/(3×104-32L) CO2激光器1. 分子的能级构成C02分子内能包括： 电子内能分子中原子间的振动能级分子的整体转动能级2. 产生激光的能级：同一电子态的不同振动能级之间的跃迁。3. CO2分子的基本振动形式：对称振动、形变振动、反对称振动4. 0001能级的量子意义5. 瓶颈效应：当CO2激光器中不加其他气体，只靠CO2分子之间的碰撞时，1000驰豫到0110的速率比从0110驰豫到0000的速率高得多，因此0110能级上的粒子将被堆积起来，而第一步过程是可逆的，这会使得1000和0200能级上的粒子数

9、增加，造成反转粒子数下降6. 辅助气体He气的作用：7. He：1 降低工作气体的温度，增加输出功率 2 He对激光下能级的驰豫作用比对激光能级的驰豫作用影响大得多，这有利于粒子数反转，即有利于提高输出功率 3 缓冲CO2向管壁扩散，减少0001态CO2分子与管壁的碰撞消激发作用 CO2激光器输出、工作特性1.温度影响（3点）温度影响输出功率的原因： （1）. 温度升高使下能级粒子数增多，上能级消激发增大，反转粒子数减少，输出功率下降 （2）.随气压的增高，线宽加大，输出功率下降 （3）.温度升高增加了CO2分子的分解，输出功率下降降低温度采用冷却措施：扩散冷却 对流冷却2. 转动能级的竞争效

10、应同一振动能级的各转动能级之间考的很近，能级转移很快，一旦某一转动能级上的粒子跃迁后，其他能级上的粒子就会立即按照玻尔兹曼分配律，转移到这个能级上来，而其他能级上的粒子减少，这就是能级的转动竞争效应。CO2激光器的设计回气管3. 横向激励高气压CO2激光器（TEA）工作气压高的原因TEA激光器是以脉冲方式工作的，在脉冲频率不太高的情况下，温度升高的程度要比连续工作方式低得多。而且可以选择放电脉冲宽度，使之小于弛豫时间。在脉冲放电时，激光上能级粒子数迅速增大，在来不及建立激光振荡时，激光介质的增益已经远远超过其震荡阈值，结果形成了巨脉冲的输出，形成这种脉冲的机理常称“增益开关效应”。因此TEA激

11、光器可在高气压下工作，工作气压越高，CO2分子的数目则越多，可以得到的激光脉冲能量越高。同时，工作气压越高，放电脉冲宽度也越短。因而激光输出的峰值功率随着气压的升高而又明显的提高。4. 横向激励均匀放电采取的措施有哪些：（1）用针板式的电极结构，针板的边角要磨成圆弧过渡，电极表面要相对圆滑，不能有明显的不平和毛刺（2）采用预电离技术，其实质是在电极放电之前，先使气体产生弱电离，然后再进行主放电。预电离采用的三种方法是双放电法、紫外预电离、电子束预电离。双放电法：在阳极和阴极之间靠近阴极附近加入第三个电极（预电离电极），在主放电之前，预电离电极和主放电的阴极间先加上高压，使他们之间发生电晕放电，

12、在阴极附近形成均与的电离层，然后在阴极和阳极间加上高压并发生主放电。输出光束的特性1. 增益开关效应：激光器的光脉冲输出是由于腔内高增益的迅速建立而形成的2. 激光脉冲的瞬时特性：双峰值：一个由电子直接碰撞激发形成，一个由N2分子激发形成CO2波导激光器1. 放电管（此时又是波导管）材料：石英玻璃、氧化铍BeO或金属铝。因为波导内径很小，使得散热面积小，因此要求波导材料导热性好2. 波导激光器的耦合损耗： Ar离子激光器1. Ar激光器的三种激发方式：（1）电子于Ar院子碰撞，使Ar原子电离成正1价的氩离子，氩离子再与电子碰撞而被激发到高能态；（2）电子与Ar原子碰撞后直接把Ar原子电离并激发

13、到激发态（3）通过电子碰撞先把正1价的氩离子激发到3p4 5s和3p4 4d等高能态上，然后通过辐射，跃迁到激光上能级3p4 4p上。这种激发过程称为“串激跃迁”。2. 氩离子激光器激励源低气压大电流的原因：氩离子激光器的三种激发过程都要求电子的能量比较高，换句话说，就是要求放电管内有比较高的温度。而气压低，电子自由程就长，能量损耗就小，则温度可提高。其次为了增加电离和激发过程，就要提高电子数密度，这就需要大电流放电。3. 抽运效应：在大电流和低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，放电管内的气体会被从一端抽运到另一端，照成两端气压不均匀，严重时还会照成激光猝灭现象。控制方法是：加回气管。（回气

14、管分为内回气管和外回气管）4. 回气管为什么设计的又细又长：为了使放电不沿回气管进行，要求回气管的长径比要大于放电管。5. Ar离子激光器外加磁场的作用和影响：存在最佳磁场值（磁场产生的洛伦兹力，减少了粒子与管壁的碰撞，增大了粒子密度;磁场过大，谱线变宽，增益下降。同时粒子碰撞加剧，电子温度降低，激发速率下降，同时管壁受碰撞放气等影响了气体纯度）N2分子激光器1. N2分子激光器为什么不使用谐振腔：（1）采用的是上升沿很短的超短脉冲激励2. 实现快速放电：电子束激励、快速放电装置 1）行波放电法：使用火花塞 2）同轴传输线放电激励法N2分子激光器的工作特性1. 脉冲形状：图书P71，N2分子激

15、光器的输出脉冲形状通常有多个峰。多峰的原因主要是由于快速脉冲放电在时间上和空间上的分散性引起的。在几个纳秒的脉冲时间内，沿整个放电长度上各处不会同时放电，因而粒子数反转达到最大值的时间不同，不同时刻所产生的激光脉冲功率也有差别，结果呈现出多个输出脉冲。准分子激光器（工作物质是准分子）1. 准分子：常态下为原子，在激发态下能够暂时结合成不稳定的分子。2. 为什么准分子激光器下能级可以看做是空能级？以及随之产生的特性是什么？能级结构的特点：基态为排斥态或弱束缚态，激发态为束缚态，因此下能级（排斥态或弱束缚态）近似为空的，容易形成粒子数反转（1）基态寿命短，对产生巨脉冲有利 （2）下能级是基态，基本

16、上无辐射损耗，量子效率很高，高效率的主要原因（3）下能级迅速离解，无瓶颈效应，拉长脉宽或高重复率工作容易 （4）频率可调谐 固体激光器1. 固体激光器的效率图：2. 固体工作物质的两部分组成：基质和激活离子3. 固体基质材料分为玻璃和晶体两类，它们各自的优缺点是什么：4. 激活离子本身是晶体组成部分的激光工作物质称为正分高浓度晶体。5. 多掺：掺入了一种以上的施主离子敏化：敏化指在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种称为敏化剂的施主离子。敏化指在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种称为敏化剂的施主离子。6. 工作物质几何尺寸和加工要求：圆柱棒长径经验： 10:120:1

17、；端面：平行度，510；垂直度，<1 ；粗糙度P级，平整度小于半个光圈侧面磨毛的原因：防止。振荡7. 为什么YAG激光器比其他激光器应用的多？为何很少用铷玻璃？YAG激光器量子效率高，产生高功率物理机制好铷玻璃，玻璃散热差，量子效率低8. 工作物质的热效应：作业题，见PPT689. 热致双折射原理：端面效应产生的机理： 正负透镜效应：单脉冲工作的激光器呈负透镜效应，连续脉冲工作的激光器则相反。10冷却与滤光：虑光，滤出紫外光，使之转化为有用的可见光。 冷却（1）全腔冷却：是冷却液直接流经密封的聚光器腔内空间，同时冷却棒、灯和聚光器。它结构简单、经凑，适用于小型聚光器。但聚光器反射表面直接

18、与冷却液接触，易受冷却液沉淀物污染。这将导致激光输出功率下降，因而需要定时清洗。（2）分别冷却：棒、灯和聚光器分别冷却。优点，冷却液沿灯、棒的玻璃套管流过。流速大而均匀，冷却效果好，并且可以防止对聚光器反射表面的污染。缺点是，器件体积大，结构复杂，玻璃套管的吸收影响光泵效率。此种方法适用于大功率输出的器件。10. 光学补偿法：热透镜效应的补偿通常用修磨端面法（连续或高重复率脉冲器件热透镜为正透镜，在谐振腔内加入一个焦距相同的负透镜则可与负透镜抵消）。为调整方便可将端面的一面磨凹，另一面仍为平面。此时透镜的曲率半径为R=(n0-1)fT,f/T是测得的热焦距。11. 怎么补偿双折射（怎么补偿热应

19、力的双折射）:加玻片12. 工作物质为什么要做成非圆柱状：（1）增大散热面积（2）改变热流方向固体激光器的泵浦系统1. 惰性气体放电灯脉冲工作灯使用平圆头电极，避免高电场损伤灯。（尖锐电极利于放电，易形成高电场）非脉冲工作灯，尖锐电极放电管管壁：石英管。优点:耐高温，透过率高，耐冲击，耐强电流缺点：紫外光的高透过率，破坏工作物质，出现色心。 通过在石英中掺铈（Ce），铕（Eu）等稀土元素转换紫外光为可见光。同时防止紫外线使工作物质劣化。2. 电灯的电阻特性等效电阻： K0电阻系数 i放电电流 K等离子体系数3. 输出特性气体灯的光辐射由强烈加宽的线状光谱和连续谱叠加而成线状光谱对应于受激原子或

20、离子从激发态向基态的辐射跃迁。高温下的碰撞，使特征谱线强烈加宽。连续谱对应于自由电子和正离子的空间复合及电子、离子碰撞而产生的韧致辐射。4. 影响气体灯输出的因素：（1） 充气种类的影响（2）充气气压影响. 充气压增高，效率提高；高充气压不易触发；高充气压灯，在触发时对灯管的冲击大。（3）灯电流密度影响，存在最佳电流密度。（4）灯管内径，存在最佳管径. 直径大，电弧无法充满管径，热中心气体密度低。直径大，放电充满横截面时间长，对于短脉冲泵浦，未完全电离，输入功率已经下降，造成效率低。直径小，管壁损失，效率降低。（5）放电脉宽的影响。脉冲宽度过短，大部分能量用于电离，效率低。脉冲时间过长，电流密

21、度下降，效率降低。5. 惰性气体灯的技术参数和寿命（三个电压）着火电压：在正常触发下，能产生弧光放电的灯两极间所加的最低电压触发电压：由于惰性气体是绝缘体，必须先用极高的电压使灯内气体电离，当灯内电子和正离子达到一定数量后，工作电压才会通过灯放电发光。内触发：将触发脉冲直接加在灯电极板上，使灯内气体电离。外触发：高压脉冲不直接加在灯电极上的触发方式统称为外触发。6. 什么是预燃？为什么要预燃？预燃是在触发电路的基础上，在灯电极上再加一个几百伏的辅助电源。灯经一次触发后可由辅助电源长时间维持等的小电流弧光放电通道。这样在重频工作时，无需每次都进行触发，只需打开放电开关即可。采用预燃措施后，有效降

22、低了电极溅射，延长了灯的寿命并降低了电磁干扰。同时，由于预燃是灯内气体预先导通，降低了电弧阻抗，放电时间可以缩短，放电峰值电流相应加大，从而转换效率提高。此外，鱼然后放电通道和发光稳定性也得以提高。充放电系统1.一般给定输入能量，闪光时间，灯参数，取=0.8 求：L，C，VcPPT47，PPT51. 7.5*80mm2 直径7.5mm 长度80mm3. 聚光腔内表面材料的选择决定因素金属：铝轻型系统；铜热膨胀系数小，导热率高；不锈钢不生锈，光洁度高，热导率低玻璃：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀。陶瓷：易碎，导热性差，不生锈，耐腐蚀4. 聚光效率公式。（计算题）PPT63重点5. 为什么二极管泵

23、浦工作效率会提升：（1）1为激光二极管驱动电源的效率，很容易达到90%以上；（2）2激光二极管的发光效率很容易达到20%40%（3）半导体激光能方便的耦合到工作物质上去，耦合效率3可以做的很高（4）半导体激光波长与工作物质吸收波长一致，可以达到较高的光谱匹配效率4.综上所述，半导体激光二极管泵浦的固体激光器总效率可达720%，远远高于灯泵浦的固体激光器。 染料激光器1.三重态影响对荧光量子效率的影响：（1）系际交叉使参与荧光跃迁的粒子数减少；（2） 由于T1态寿命比较长，T1T2的受激吸收很强，因此会对发生的荧光产生吸收，甚至导致荧光猝灭；减小影响的方法：（1） 在染料中加入少量三重态猝灭剂，

24、缩短T1态的寿命（2）采用足够高功率和足够快上升时间的泵浦光，使染料分子在T1态积聚之前就完成激光振荡，从而可以忽略三重态的作用2.振荡条件：在一定频率范围内，即使未在S1同S0之间达到净反转分布，也能产生光受激放大，且有很高的量子效率。 此时实现脉冲激光振荡的条件为：2. 系际交叉：3. 波长调谐：光栅调谐（公式）。PPT64. 加扩束镜作用：（1）提高光栅分辨率M倍（分辨率与光栅被照刻划线数N成正比）；（2）光束的发散角得以准直（减小约M倍），有利于提高光栅分辨率（3）光能密度减小，保护光栅表面5. ASE：自发辐射的光放大输出6. 染料激光器泵浦光的形状要求：泵浦光束截面一般有圆形和矩形两种。（1）横向泵浦形式：是矩形的泵浦光束经一柱面镜汇聚成宽度约0.150.3mm的细线于染料盒上，染料中的细线即成为谐振腔的轴线。若是YAG等固体激光器，则光束截面为圆形。（2）纵向泵浦，泵浦光的入射方向与腔的光轴