激光原理复习

激光原理第一章激光器的组成部分及作用工作物质（激活物质）：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的物质体系。泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。谐振腔：①提供轴向光波模的正反馈②模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。模式数的计算单色模密度：计算例：封闭腔在5000Å处单色模密度。光谱宽度的计算其中，为波列长度。本征状态的定义给定空间内任一点处光的运动情况，在初始条件和边界条件确定后，原则上就可求解麦克斯韦方程组，一般可得到很多解，而且这些解的任何一种线性组合都可满足麦克斯韦方程，每一个特解，代表一种光的分布，即代表光的一种本振振动状态。光子简并度的定义光子简并度对应于线度光源λ，在单位时间单位立体角内发出单位频宽的光子数(处于同一个相格中的光子数，处于一个模式中的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一量子态内的光子数，都有相同的含义，均定义为光子简并度)。并用表示：光子简并度与单色亮度之间的关系光源的光子简并度，从微观上反映出光源的单色亮度。单色亮度：。光子简并度与单色亮度之间的关系为：光子平均能量的表达同一种光子运动状态（或同一种光波模式）的光子平均能量：光的自发辐射、受激吸收、受激辐射自发辐射：处于的原子在无外来光子情况下自发地向能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。特点：自发辐射是仅与原子自身性质有关的随机过程，自发辐射的光在方向、偏振、相位方面都没有确定的关系，因此是不相干的。受激吸收：原子在外来光子作用下，若，处于的原子由于吸收该光子而受激跃迁到的过程。特点：受激吸收几率与外来光的频率有严格的选择性，与外来光辐射能量密度大小有关。外来光频率等于、的间隔所对应的频率时，受激吸收几率最大。受激辐射：光的受激辐射是受激吸收的反过程。原子系统在外来光子作用下，若，处于的原子跃迁到，并辐射一个与外来光子相同的光子的过程。特点：受激辐射与外来光子有关，辐射的光子与引起受激辐射的外来光子有相同的频率、位相、偏振以及传播方向。通过受激辐射，能够实现同态光子数放大，可以得到高光子简并度的相干光。爱因斯坦三系数的相互关系在热平衡情况下，辐射率和吸收率应相等，即单位时间内物质辐射出的光子数，等于单位时间内被物质吸收的光子数：。谐振腔的谐振频率，其中为均匀介质折射率，为谐振腔腔长，为正整数。纵模（整个一节）定义：通常把由整数q所表征的腔内纵向稳定场分布称为激光的纵模。纵模频率间隔：腔内两相邻纵模频率之差：横模（自再现模）横模定义：腔内电磁场在垂直于其传播方向的横向面内存在稳定的场分布，通常称为横模。自再现模定义：光束在腔内多次往返传播后形成一种振幅和相位分布不再变化的稳态场，它的相对分布不再受衍射影响，在腔内往返一次能够“自再现”出发时的场分布，这种稳定场分布称为自再现模或横模。自再现模形成过程：入射光在进入第一个光阑之前，唱的振幅分布沿光阑是均匀的，经第一个光阑后，由于衍射作用将使波阵面发生畸变，部分光偏离原来的传播方向，产生一些衍射瓣，使光波的振幅和相位分布均发生一些变化。射到光阑以外的光将被黑体屏所完全吸收。每通过一次光阑，边缘部分的衍射波又被光阑所挡，使边缘强度比中心部分小，且振幅和相位分布又发生新的变化。通过一系列的光阑后，镜面上来回反射光波的相对振幅和相位分布不再发生变化，由此形成自再现模。光学谐振腔的损耗有哪些类型？选择性损耗（随不同横模而异）：几何损耗、衍射损耗非选择性损耗：腔镜反射不完全引起的损耗（吸收损耗、散射损耗、透射损耗）、非激活吸收散射等其他损耗。损耗：①几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。②衍射损耗：与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。③腔镜反射不完全损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。④材料中的非激活吸收、散射、腔内插入物所引起的损耗：与介质材料的加工工艺有关。光子的平均寿命定义：腔内的光强衰减为初始值的1/e所需要的时间。计算：；为腔的光学长度，C为真空中的光速，为腔损耗。Q值的定义Q值：衡量谐振腔的损耗大小。普通定义式：；其中为腔内电磁场的振荡频率。光频谐振腔的一般表达式：；腔的损耗越小，Q值越高。简单光学元件的光线传播矩阵符号规则：(1)X-轴线上方为“+”,-光线指向光轴上方为“+”；(2)折射面/反射面曲率半径R:凹面R>0，凸面R<0；(3)球面波波面曲率半径R:发散R>0，汇聚R<0。自由空间光线矩阵：薄透镜变换矩阵：球面反射镜：谐振腔的稳定性图，稳定腔：。非稳定腔的一般特点优点：大的可控模体积可控的衍射耦合输出易鉴别和控制横模易于得到单端输出和准直的平行光缺点：输出光束截面呈环状，远场暗斑将消失，光强分布不均而显示衍射环。选模技术定义：为了使输出的激光有很好的单色性和相干性，获得基横模、单纵模激光束的技术。横模的选择方法物理基础：不同横模有不同的衍射损耗。选模原则：在各个横模增益大体相同的条件下，不同横模间衍射损耗有差别，在稳定腔中，基膜的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。如果降低基膜的衍射损耗，使之满足阈值条件（基膜的单程增益至少能补偿它在腔内的单程损耗），则其它模因损耗高而不能起振被抑制。选模方法：A、g参数选模，R增大，谐振腔向临界腔靠近，则高阶模损耗增大速度加快；B、菲涅耳数N选模，a--腔镜口径，a减小则高阶模的损耗增大速度加快；C、小孔光阑法；D、腔内置入透镜法；E、聚焦光阑法；F、望远镜腔选模法；G、非稳腔选模法；纵模的选择方法（了解）选模原则：一般谐振腔中有着相同的损耗，但由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。因此，扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。纵模选择方法：①色散腔：腔内置入棱镜、光栅、薄透镜。②短腔法：频率间隔与腔长成反比。③F-P标准具：对不同波长的光束具有不同的透过率环形行波腔。④Q开关法第三章瑞利长度的定义+计算定义：当时，；即光斑从最小半径增大到，这个范围为瑞利范围。常取范围为高斯光束的准直范围，从最小光斑处算起的这个长度即瑞利长度。远场发散角的定义+计算定义：时（远场处）高斯光束振幅减小到中心最大值1/e处与z轴的交角（半角）。（理论上为双曲线的渐近线与光轴的夹角）计算：；为光斑最小半径，f为共焦参数。高斯光束的传输规律球面波在自由空间的传输规律：规定：沿光传输方向的发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负。，高斯光束的传输规律：①高斯光束可由波前曲率半径R(z)、光斑半径和位置z中任意两个量来描述。②高斯光束传输变化规律：光斑和曲率半径如下：光斑半径：波前曲率半径：③已知波前曲率半径R(z)和该位置光斑，可确定束腰位置和大小如下：束腰位置：束腰半径：④高斯光束传输规律：高斯光束的复数曲率半径与普通球面波的曲率半径遵循相同的传输规律。第四章线型函数的定义定义：自发辐射跃迁几率按频率的分布函数。线宽的定义定义：线型函数的半极值点间对应的频谱宽度，记作。光谱线的加宽机制和类型均匀加宽：①自然加宽（寿命加宽）：仅由自发辐射跃迁几率所决定的光谱线加宽。可以看做是介质中一个孤立、静止的原子在自发辐射时所产生的光谱线加宽，它是自发辐射过程所固有的。光谱线自然加宽的线型函数为洛仑兹函数。②碰撞加宽：大量原子（分子）间的无规则碰撞导致自身运动状态的改变，从而引起的谱线加宽。③晶格振动加宽：晶格热振动，晶体中激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化而引起谱线加宽。非均匀加宽：①多普勒加宽（气体）：由做热运动的发光原子/分子所发出的辐射存在多普勒频移引起。②晶格缺陷加宽（固体）：晶格缺陷部位激活离子的能级发生位移，处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同即产生非均匀加宽。标准答案：谱线加宽：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个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。加宽类型及机制：①均匀加宽自然加宽机制：原子的自发辐射引起的。碰撞加宽机制：大量原子（分子、离子）之间的无规则碰撞。晶格振动加宽机制：晶格振动使激活离子处于随周期变化的晶格场，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化。②非均匀加宽多普勒加宽机制：由于作热运动的发光原子（分子所发出）辐射的多普勒频移引起的。晶格缺陷加宽机制：晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷部位的理想晶格场不同，因而处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于镜体不同部位的激活离子的发光中心频率不同。③综合加宽气体工作物质的综合加宽机制：由碰撞引起的均匀加宽和多普勒非均匀加宽。固体激光工作物质综合加宽机制：由晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。液体工作物质的综合加宽机制：溶于液体中的发光分子与其它分子碰撞而导致自发辐射的碰撞加宽。第五章吸收截面、发射截面的定义吸收截面：下能级的每个原子对入射光波吸收功率所具有的有效俘获截面积。发射截面：上能级的每个原子由于负吸收或受激发射所具有的有效俘获截面积。稳态增益、增益饱和的定义稳态增益：增益饱和：当光强足够强时，增益系数g也随着光强的增加而减小，这一现象称为增益饱和效应。非均匀加宽介质“烧孔”效应的解释烧孔效应：由于介质的强非均匀加宽跃迁特点，入射光仅与介质中表观中心频率的原子产生强的共振互作用，且使其发生受激跃迁，结果使介质中原子数反转密度按表观中心频率的分布，在与饱和光频率相应处产生局部饱和，小信号增益曲线在饱和光作用下呈现“烧孔”效应。饱和信号愈强，烧孔愈深且愈宽。兰姆下陷的定义定义：激光器振荡模的频率被调谐至介质跃迁中心频率时，即输出功率呈现出某种程度的降低即兰姆下陷（或拉姆下陷）。下陷宽度大致等于介质中均匀加宽的线宽。频率牵引的定义定义：激光器振荡模的精确谐振频率总是偏离无源腔相应模的频率，且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率的现象。原因：振荡模与介质原子相互作用引起的介质极化。第六章尖峰的定义定义：激光器开启时发生的不连续的、尖锐的、大振幅脉冲为“尖峰”。驰豫振荡的定义定义：连续运转时发生在稳态振荡附近的小振幅、准正弦阻尼振荡即“弛豫振荡”。调Q及巨脉冲形成过程的描述调Q：即调制谐振腔的损耗/阈值。在泵浦激励开始时，谐振腔处于低Q值状态，此时激光器具有高的阈值，使激光振荡不能形成，上能级反转粒子数和腔内储能大量积累（储存时间决定于上能级寿命）。当积累到饱和值时，突然降低腔的损耗到正常值，Q值突增，激光器的振荡阈值降低到正常水平，此时激光振荡迅速建立，在极短时间内上能级的反转粒子数以单一脉冲形式释放出来。介质的增益迅速下降，继而由于介质增益的继续饱和而使增益低于阈值，激光振荡迅速熄灭，于是在激光器