激光课件原理复习

1、第一章 辐射理论概要与激光产生的条件1.1 光的波粒二象性光波是一种电磁波，是E和B的振动和传播。1、线偏振光2、光速、频率和波长三者的关系3、单色平面波二. 光子。1.2 原子能级和辐射跃迁一. 原子能级、简并度三. 波尔兹曼分布 (原子数按能级分布服从波尔兹曼定律)四. 辐射跃迁和非辐射跃迁(概念)二. 原子状态标记11.3 光的受激辐射一. 黑体辐射二. 光和物质相互作用1、自发辐射2、受激辐射3、受激吸收4、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 （在光和原子相互作用达到动平衡的条件下，三者关系；热平衡空腔 的单色辐射能量密度 ；爱因斯坦系数间的基本关系）5、自发辐射光功率与受激辐射光

2、功率21.4 光谱线增宽一. 谱线加宽1、由来（理解）2、线性函数（涵义、性质：归一化，线宽）3、光谱线型对光与物质的作用的影响二. 自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽1. 概念2. 机理 （引起的原因）3. 线性函数及相关性质三. 均匀增宽和非均匀增宽线型1. 特点3. 两者区别2. 线性函数及相关性质四. 综合增宽31.5 激光形成的条件一. 介质中光的受激辐射放大1. 产生激光的基本条件受激辐射占优势2. 光束在介质中的传播规律3.介质中产生受激光放大的条件、增益介质与增益系数。二. 光学谐振腔和阈值条件 (产生激光的三个基本条件：增益介质，粒子数反转，光 学谐振腔)4第二章 激光器的工作原

3、理2.1 光学谐振腔结构与稳定性*一. 共轴球面谐振腔的稳定性条件 ( )二. 共轴球面谐振腔的稳定图及其分类 1. 稳定腔、临界腔、非稳 (稳定图，包含种类)2.稳定图的应用（1）制作一个腔长为L的对称稳定腔，反射镜曲率半径的取值范围如何确定 （2）给定稳定腔的一块反射镜，要选配另一块反射镜的曲率半径，其取值范围何确定（3）如果已有两块反射镜，曲率半径分别为R1、R2，欲用它们组成稳定腔，腔长范 围如何确定 52.2 速率方程组与粒子数反转一. 三能级系统和四能级系统*二. 速率方程组三. 稳态工作时的粒子数密度反转分布四. 小信号工作时的粒子数密度反转分布五. 均匀增宽型介质的粒子数密度反

4、转分布*六. 均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应6三能级系统图:其中 E1基态能级, 又是激光下能级, 也是抽运能级。 E2激光上能级, 是亚稳能级( 21小)。 E3抽运能级, 非辐射跃迁几率大(32大(!) 其主要特征是激光的下能级为基态，极易积累粒子(几乎聚集了所有粒子),发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量,对抽运的要求很高。所以不易实现粒子数反转.三能级系统和四能级系统*7 由图可见:四能级系统要实现粒子数反转, 只要求n2n1而不必令n2 n0,而n0则是极易积累的基态粒子数。E0:基能级/光抽运能级E1:不是基态能级，而是一个激发态能级,是激光下能级, 10小 而

5、10大(迅速弛豫到E0, 抽空E1, 减少n1)在常温下基本上是空的。E2: 激光上能级/亚稳能级(易积累n2)E3: 光抽运能级, 32小而32 大(迅速弛豫到E2) 四能级系统图:8均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布* 饱和光强：粒子数密度反转分布：这就是均匀增宽型介质E2、E1能级之间粒子数反转分布的表达式。它给出能级间粒子数反转分布值与腔内光强、光波的中心频率、介质的饱和光强、激励能源的抽运速率以及介质能级的寿命等参量的关系。92.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和一. 均匀增宽介质的增益系数二. 均匀增宽介质的增益饱和*10 增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱时，

6、增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。 均匀增宽介质的增益饱和* 介质对频率为v0、光强为I的光波的增益系数: 介质对频率为v、光强为I的光波的增益系数: 均匀增宽型增益饱和曲线：11 频率增益系数 几种特殊频率下的增益系数：2.均匀增宽型增益饱和曲线性质： 线宽、物理意义.122.4 非均匀增宽介质的增益饱和一. 介质在小信号时的粒子数密度反转分布值二. 非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数*三. 非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布*四. 非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和13非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数*系数表达：中心频率处的小讯号增

7、益系数：14非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布*非均匀增宽型粒子数密度反转分布的饱和作用：“烧孔”效应性质：孔的深度、宽度和面积152.5 激光器的损耗与阈值条件*一. 激光器的损耗二. 激光谐振腔内形成稳定光强的过程三. 阈值条件四. 对介质能级选取的讨论16激光器的损耗内部损耗镜面损耗激光谐振腔内形成稳定光强的过程谐振腔光放大过程 腔内光放大倍数谐振腔稳定出光过程17阈值条件获得激光所要求的双程放大倍数：形成激光所要求的增益系数的条件：均匀介质增益系数阈值：粒子数密度反转分布值的阈值 ：总阈aIIGGSMD=+=210)1(总阈aIIGGSM=+=01 非均匀介质增益系数阈值：对介质能

8、级选取的讨论三能级系统阈值输运功率：四能级系统阈值输运功率：18第三章 激光器的输出特性3.1 光学谐振腔的衍射理论一.菲涅耳-基尔霍夫衍射公式二. 自再现模概念三. 激光谐振腔的谐振频率和激光纵模*19激光谐振腔的谐振频率和激光纵模*共焦腔镜面上的场分布1.方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解 ：本征值近似解：Hm(X)和Hn(Y)均为厄密多项式，其表示式为：202. 镜面上自再现模场的特征 振幅分布： 单程衍射损耗 单程相移与谐振频率：（纵模间隔、激光器中出现的纵模数、横模间隔） 相位分布高阶模的光斑尺寸与基模的关系：213.3 高斯光束传播特性* （高斯光束各特征参量）束腰半径：波阵面

9、曲率半径：光束有效截面半径：镜面光束半径：远场发散角：223.4 稳定球面腔的光束传播特性*一. 稳定球面腔的等价共焦腔二. 稳定球面腔的光束传播特性23任意一个满足稳定性条件的球面腔只可唯一地与一个共焦腔等价稳定球面腔的等价共焦腔假设双凹腔两镜面M1与M2的曲率半径分别为R1和R2，腔长为L，而所要求的等价共焦腔的共焦参数为f。以等价共焦腔中点为z坐标的原点。M1、M2两镜的z坐标为z1和z2。如图(3-10)所示。则有：图(3-10) 球面腔的等价共焦腔24稳定球面腔的光束传播特性等效共焦腔的束腰半径和原球面腔镜面的基横模光束有效截面半径 等效共焦腔的束腰半径2.原球面腔镜面的基横模光束有

10、效截面半径 251.方形腔的谐振频率：谐振频率 2.圆形腔的谐振频率：263.5 激光器的输出功率一. 均匀增宽型介质激光器的输出功率二.非均匀增宽型介质激光器的输出功率*27非均匀增宽型介质激光器的输出功率* 激光器的输出功率 单频激光器的输出功率若腔内只允许一个谐振频率，且 ，激光器在理想的情况下，仍有：此时腔内的平均光强为：激光器的输出光强为：若 光束的截面为A，则激光器的输出功率为：激光器输出光强为：若腔内单纵模的频率为 ，激光器腔内平均光强为：若 光束的截面为A，激光器的输出功率为：28第四章 激光的基本技术4.1 激光器输出的选模一. 激光单纵模的选取*（选取机理，及用何种方法）二

11、. 激光单横模的选取29激光单纵模的选取*（选取机理，及用何种方法）均匀增宽型谱线的纵模竞争 理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模，其频 率在增益曲线中心频率附近，其它纵模被抑制而熄灭。在模的竞争过程中，频率越远离中心频率的光越先熄灭。竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。非均匀增宽型谱线的纵模竞争非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 单纵模选取短腔法、法布里-珀罗便准具法、三反射镜法304.3 激光束的变换一. 高斯光束通过薄透镜时的变换*二. 高斯光束的聚焦*三. 高斯光束的准直*四. 高斯光束的扩束31用薄透镜假设和计算公式，计算透过薄透镜生成的新的高斯光

12、 束的波阵面曲率半径R和光束有效截面半径高斯光束通过薄透镜时的变换*高斯光束传播到薄透镜处的波阵面曲率半径R 和光束有效截面 半径：薄透镜变换出的高斯光束的束腰位置s和束腰半径32高斯光束的聚焦*高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形1.象方腰斑位置:2.象方束腰半径:高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形1.象方腰斑位置:2.象方束腰半径:33高斯光束的准直*核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角用单透镜用望远镜：定义： 高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。 倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。344.5 激光偏转技术一. 机械偏转二. 电光偏转三. 声光偏转*35原理：声波对光波的衍射效应。 控制：光的强度、频率和传播方向声光偏转*当声频改变时 ，偏转角的改变量为：364.7 激光锁模技术一. 锁模原理*二. 主动锁模三. 被动锁模37锁模原理*输出脉冲的峰值(最大光强) 周期 (T) 相邻脉冲峰值间的时间间隔 注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率