激光原理xq完美版

1、1、相格I:测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时确定，在三维运动情况下，测 不准关系为AxAyAzAPxAPyAPz X ”3,故在六维相空间中，一个光子态占有的相空间体积 为AxAyAzAPv Ay Az X h3，上述相空间体积元称为相格。2、光子简并度:处于同一光子态的光子数叫做光子简并度，它具有以下四种含义为：同 态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。o 隹异电rR；柱 * J f 时 潇H n n J f 时 潇H n f / n f 1 冲时3、 果居数反转：有12时，满足：21 ； 12时，满足：n J n J A 1，此时Lr2

2、11 2称为满足集居数反转状态，是实现光放大的条件。4、激光的优良特性:激光的四性包括：单色性、方向性、相干性和高亮度；总结起来， 即激光具有高的光子简并度。 1入25、相干长度公式L E广c尽=危6、玻耳兹曼分布公式:n2n1exp(- EZ2)= f exp( f) kTh = 6.626 x 10-34 J S kT = 0.0259 x 10-19 vX = c /u7、He-Ne 激光器：632.8nm Nd： YAG 激光器：1.064um8、I开放式光学谐振腔损耗的种类及描述:人、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。称为几何偏折损耗。B、衍射损耗：由于腔的

3、反射镜面通常具有有限大 小的孔径，因而当光在镜面上发生衍射时产生的损耗。C、腔镜反射不完全引起的损耗。D、 材料非激活吸收、散射、腔内插入物引起的损耗。(L9、r = 1 - R 1v R1八稳定腔：0 v Y v 1R2 /临界腔：Y = 0或Y = 1。非稳腔：Y 1或Y v 0R：凹向腔内取“+”，凸向腔内取-”若腔不是空腔L = L + （n 1）1010、TEM帅模沿x方向有m条节线，沿y方向有n条节线。在方形镜谐振腔中，m与n分 别代表电磁场在谐振腔横截面上沿x方向和y方向的节线数。在圆形镜谐振腔中，m与n 分别代表电磁场在谐振腔横截面上沿幅角方向和径向的节线数。11、本征值和本征

4、函数的意义:决定着开腔自再现模的全部特征，包括场分布（镜面上唱 的振幅和相位分布）及传输特性（模的衰减、相移、谐振频率等）。12、非稳腔的优势及近似基膜描写:A非稳腔可获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力， 以实现高功率单横模运转，既能从激活物质中高效提取能量又能保持高的光束质量B非稳 腔中存在着唯一的一对轴上共轭像点及相应的一对几何自再现波型，它就是非稳腔基膜的近 似描写。13、光束衍射倍率因子：实际光束腰斑半径与远场发射角乘积和基模高斯光束腰斑半径与 远场发射角乘积的比值。即M 2因子，该因子越小，则光束质量越好。14、均匀平面波模型法分析平行平面腔的谐振条件、谐振频率和纵模间距甲=1

5、, 2L = q , 2兀（谐振条件）L = Qq q y（腔的光学长度）人2 v 2q - c.（q + 1）c qc cvq = 2L （谐振频率）Avq = 2L，一 2L7 = 云 （纵模间距）15、谱线加宽定义 由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率 附近一很窄范围内，这叫谱线加宽。种类：均匀加宽、（自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加 宽）；非均匀加宽（多普勒加宽、晶格缺陷加宽）。均匀加宽线型函数:司/ 2兀g (v, v ) =#（AvN为自然加宽线宽；Avl为碰撞加宽线宽） H 0(v - v )2 + (Av /2)2Av = Av +Avl H N L,1

6、+ v / c 、 。：1-U /C，这16、光学多普勒效应|:设发光原子静止时的中心频率为V0，当原子相对于接收器以速度z运V 一 一动时，接收器测得的光波频率不再是0，而与其运动速度有关，即v=v 种现象称为光学多普勒效应。17、九越强，反转集居数减少得越多，这种现象称为反转集居数的饱和。相比拟时，g （v ,I ）的值将随I的增加而减少，这就是增益饱和现象。两者关系:H 1v1v1g (v,i ) - gH(v)Hv11 + 1/101)18、兰姆凹陷:非均匀加宽单模激光器的输出功率P与频率v的关系曲线上，当振荡模频率Vq v0时，曲线有一凹陷，即是兰姆凹陷。19、|弛豫振荡:大量实验表

7、明，一般固体激光器所输出波型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。这种现象称为弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。20、频率牵引在有源谐振腔中，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。21、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，则反转集居数从而增益系数在波腹处最小，在波节处最大，形成增益 系数的轴向（或纵向）空间分布。此即为增益的轴向（或纵向）空间烧孔效应。22、三能级系统与四能级系统的阈值特性比较:（1）三

8、能级激光器所需的阈值能量比四能 大得多，这是因为四能级系统的激光下能级为激发态，七 0,所以只须把Ant个粒子激励 到E2能级去就可以使增益克服腔的损耗而产生激光。（2）三能级系统激光器中光腔损耗的 大小对光泵阈值能量（功率）的影响不大。（3）四能级激光器的阈值能量（功率）反比于发 射截面。21，而。21又反比于荧光谱线宽度、。所以阈值能量（功率）正比于七。23、单纵模激光器线宽极限产生的原因及使单纵模激光器线宽变窄的措施:原因：由于自 发辐射的存在而产生的；输出功率越大，线宽就越窄；减小损耗和增加腔长也可使线宽变窄。24、提高均匀加宽单模激光器的输出功率与能量的方法:增加泵浦功率（既提高小信

9、号增 益系数）及工作物质长度或降低损耗都将使输出功率提高。25、激光放大器的定义、分类及放大的意义:激光放大器:一段处于集居数反转的工作物质 就是一个激光放大器。分类：按时间特性激光放大器可分为连续激光放大器、脉冲激光放大 器和超短脉冲激光放大器按工作方式激光放大器可分为行波放大器和再生放大器。再生放大 器的优点是可获得较高的增益，缺点是频率匹配技术复杂。意义：在某些领域中，要求激光 束有很高的功率或能量，为了使激光振荡器输出极高的能量或功率，必须大大增加激光工作 物质的体积，但制造光学均匀性好的大体积固态激光材料却十分困难。而且大功率或大能量 激光振荡器往往难以产生性能优良的激光束。此外，谐

10、振腔内高功率激光束的往返传输还会 使腔内工作物质和光学器件遭到破坏。因此为了获得高质量高功率的激光光束，往往采用一 级或多级激光放大器将小功率激光器输出的优质光束放大。26、三、四能级系统的能级跃迁示意图，并写出速率方程组？能级跃迁和标注如下图：dnr = n W - n (S + A )dt1 133 3231r = -(n -心 n )b (v, v )vN - n (A + S )dt2 f 1210 l 221211n + n2 + n3 = n=(n - f2 n )b (v, v )vN - i2 f 1210 l T+ n S3 321dNidt27、激光频率稳定特性的含义及常用

11、稳频法:dnJ = nW - n (S + A )dt 0 0333230dn / f2 = -(n - r n )b (v, v )vN 一 n (A dt 2 f 1 210- idn0 = n S 一 n W + n A dt 1 100 033 30n + n + n + n = n 0123dN ,f、mi = (n - J n )b (v, v )vN dt 2f1 1210+ S ) + n Sl 221213 32_N_l TRl含义：由于各种不稳定因素的影响，实际激光频率的漂移远远大于线宽极限，在精密干涉测 量、光频标、光通信、个、激光陀螺仪及精密光谱研究等应用领域中，需要稳

12、定的激光。因 此为了改善频率稳定性常常采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频 器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。典型的稳频方法有兰姆凹陷稳频、可饱和吸收稳频（或反兰姆凹陷稳频）、塞曼效应稳频、 无源腔稳频（F-P标准具稳频。28、激光锁模按调制的分类、锁模的物理本质和对模式的要求：分类主动锁模（分振幅 调制锁模和相位调制锁模）、被动锁模、自锁模。|锁模的物理本质:为了得到锁模超短脉冲， 须采取措施强制各纵模初位相保持确定关系，并使相邻模频率间隔相等。庭相位差保 持恒定，模式要求相干叠加。29、激光单横模和单纵模选择的常用方法：为了实现单横模输出，常用方法主

13、要有光阑法 选横模、谐振腔参数g、N选择法选横模、非稳腔选横模、微调谐振腔法选横模。常用的单 纵模选择法有短腔法、行波腔法、F-P标准具法（选择性损耗法）如图，设开始时，有三个谐振频率-1、 q、30、均匀加宽激光器中的模竞争与输出模式特点:U时1均落入均匀加宽增益曲线范围内，且各自 的小信号增益系数g0)均大于阈值增益系 数gt，则三者的光强匕-1、0和q+1都逐渐 上升，由于增益饱和，增益曲线将逐渐下降，当下降到曲线1时，g q+1 = g，则1 q+1停止上升，而匕-1和0还要继续上升，增益曲线 继续下降，使g q+? g，则+1很快下降到零而熄灭。当增益曲线继续下降到2时， g C )

14、= g I .一，I -, g C ) g Iq-1t， q-1停止上升，而q还要继续上升，增益曲线继续下降，使“q-1t，q-1很快下降到零而熄灭。当增益曲线继续下降到3时，g I gt，则1达到稳态值。所以，在均于加宽激光器中，由于增益曲线均匀饱和引起的自选模作用，几个满足阈值条件 的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率0的一个纵模竞争得胜，形成稳定 的单纵模振荡。31、|掺铒光纤激光放大器中，放大增益与光纤长度的定性关系掺杂光纤长度有一最佳值lm 当l 时，泵浦光功率因吸收而下降至阈值泵浦功 率网以下，信号光在此段光纤中传输时，因吸收而衰减，因此，当i !时，光纤长度的 增加反

15、而导致增益的下降，当i=im时放大器具有最大增益G*，小信号Gm随输入泵浦光 功率P0的增加而增大，泵浦光过强时未被充分吸收的过剩泵浦光能量将从输出端溢出，对 提高放大器的增益不起作用。215 一32、多普勒线宽公式：Av = 7.163 x 10-7vT/M = 1。由(1)可得：dJ(z)/dz = An0/2 aJ(z)G (l) = J (l)= An 0 (1 - eal ) + ealJ (0)2aJ (0)(2)无损耗：即a - 0人、输入光脉冲极弱时:G(l) = expAn018 )21J (l) = J (0)exp(lAn 08 )21An 0 An 0一8、输入光脉冲极

16、强时：J(l) = J(0) + G(l) =+12a2J (0)4-1静止氖原子的3% t 2七谱线中心波长为632.8纳米，设氖原子分别以0.1C、O.4C、O.8C的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少？nnC 1) 一解：v =v j(1 + )/(1一_)人v =n由以上两个式子联立可得：人=：x人0? ccC +n 0代入不同速度，分别得到表观中心波长为：人=572.4nm，人=414.26nm，人=210.9nm0.1C0.4C一.0.9C1-1为了使氦氖激光器的相十长度达到1KM，它的单色性A时气应为多少？atAvT0Y 0又因为单色性=A人T-0Av人 632.8

17、nm0 = 6.328 x 10-10L 1 x 1012 nm解答：设相干时间为T，则相干长度为光速与相十时间的乘积，即 1尸.c根据相十时间和谱线宽度的关系Av =1 =c，v =c， T = 632.8nm0 T 0由以上各关系及数据可以得到如下形式：1-3.设一对激光能级为E2和气(匕=f),相应的频率为v (波长为1)，能级上的 粒子数密度分别为n和n，求(a)当v=3000MHz , T=300K时，n /n = ?2121(b)当 1=1四m，T=300K 时，n /n = ? (c)当 1=1四m，n /n = 0.1 时，温度 T=?2121解：当物质处于热平衡状态时，各能级

18、上的粒子数服从波尔兹曼统计分布：n-2 =exP n _1(气-生Kt 1(a)当 v=3000MHz，T=300K 时:(b)当入fm , T=300K 时:(c)当 1=1m ， n / n = 0.1 时:=exp I-Kt jnt = exp n1(hc =exp -KTT)(6.626x 10-34 x 3 x109)1.38 x10-23 x 300 )n2 = exP n16.626x 10-34 x 3 x108、 v 1.38 x 10-23 X10-6 x 300/6.626 x 10-34 x 3 x108=6.26 x 103K丁 hc T =KT ln(n /n ) 1.38 x 10-23 x10-6 x ln102-5.激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m的凸面镜和曲率半径为2m的凹面镜组成，工作物质长0.5m，其折射率为1.52，求腔长L在什么范围内是稳定腔。2，1解：设两腔镜M和M的曲率半径分别为R和R，R = -1m,R2 = 2m12工作物质长l = 0.5m，折射率门=1.52根据稳定条件判据:其中(l，Y0 L 1