激光原理复习资料整理总结

第一章1900年，普朗克(M.Planck)提出辐射能量量子化假说，精确的解释了黑体辐射规律。获得1918年诺贝尔物理学奖。能量子概念:物质吸收和发射电磁能量是一份一份的进行的。1905年，爱因斯坦(A.Einstein)为解释光电效应定律提出光量子假说。获得1921年诺贝尔物理学奖。光量子:简称光子或者photon，即光场本身的能量就是一份一份的。光量子的概念（爱因斯坦）：光量子简称光子或者photon，即光场本身的能量就是一份一份的。爱因斯坦假设：光、原子、电子一样具有粒子性，光是一种以光速c运动的光子流，光量子假说成功地解释了光电效应。光子（电磁场量子)和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量等。粒子属性:能量、动量、质量；波动属性:频率、波矢、偏振光子既是粒子又是波，具有波粒二象性!属性：①光子的能量：ε=hv，普朗克常数：②光子的运动质量m：m=③光子的动量P：P④光子的偏振态：光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。⑤光子的自旋：光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，处于同一状态的光子数目是没有限制的。光子相干性的重要结论：①相格空间体积以及一个光波模式或光子状态占有的空间体积都等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的。光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。具有以下几种相同的含义: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。好的相干光源:高的相干光强，足够大的相干面积，足够长的相干时间(或相干长度)。1913年，玻尔(NielsBohr)建立氢原子结构模型，成功解释并预测了氢原子的光谱。获得1922年诺贝尔物理学奖1946年，布洛赫(FelixBloch)提出粒子数反转概念。1947年，兰姆(WillisE.Lamb)和雷瑟福(R.C.Retherford)指出通过粒子数反转可以实现受激辐射。1948年，柏塞尔(EdwardPurcell)在实验上首次发现粒子数反转现象。1949年，卡斯特勒发明光泵。光泵:通过光照可使物质内的微观粒子实现粒子数反转状态1960年，梅曼(T.H.Maiman)发明第一台激光器——红宝石激光器自发辐射（只取决于（粒子）原子本身的性质，与辐射场无关）过程是杂乱无章的随机过程，产生非相干光；受激辐射（只与原子（粒子）本身性质有关）所产生的光即频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同，并产生相干光；受激吸收（只与原子（粒子）本身性质有关）。产生激光条件：①必要条件：光放大。粒子数反转——需要泵浦源的抽运（外因）；还需要具有亚稳态能级的工作物质也称激光介质（外因）；即内有亚稳态，外有激励源。②充分条件：增益大于损耗。光学谐振腔的作用：①选择激光模式，提高输出激光的相干性。②提供轴向光波模式的正反馈，实现光的受激辐射放大。③选频。谐振腔使具有一定频率的光波产生振荡，而抑制其它频率的光波振荡激光的特性：方向性好、单色性好、相干性好、高亮度。激光器的基本结构：工作物质、泵浦源、光学谐振腔。习题1：为使He-Ne激光器的相干长度达到1km，它的单色性∆λ/λ0应该是多少？（解：因为相干长度Lc単色性R=第二章开放式光学谐振腔腔的损耗主要包含：选择损耗（几何偏折损耗、衍射损耗）、非选择损耗（腔镜反射不完全引起衍射（包括吸收、散射、透射损耗等）、非激活介质吸收、散射等损耗）。高斯光束q参数物理意义：同时反映光斑尺寸及波面曲率半径随z的变化。q参数表征高斯光束的优点：将描述高斯光束的两个参数w(z)和R(z)统一在一个参数中，便于研究高斯光束通过光学系统的传输规律。高斯光束的远场发散角θ0=2θ=22λπL=2λπf共轴球面腔的稳定性条件：稳定腔（常见的有对称共焦腔：任意傍轴光线均可在腔内往返无限多次而不逸出腔外）为0<g1非稳腔为g1.g临界腔（常见的有平行平面腔、共心腔）为g1.gη1η2η1习题1ηηηd证明：T1=100η1dT=T3T2T习题2：激光器的谐振腔由一面曲率半径为1m的凸面镜（取负值）和曲率半径为2m的凹面镜（取正值）组成，工作物质长度0.5m,其折射率为1.52，求腔长L在什么范围内是稳定腔。习题3：由凸凹球面镜组成的球面腔，如果凸面镜曲率半径为2m，凹面镜曲率半径为3m，腔长为1m，腔内介质折射率为1,此球面腔是何种腔（稳定腔、临界腔、非稳腔）？当腔内插入一块长为0.5m，折射率为2的其他透明介质时（介质两端面垂直于腔轴线），谐振腔为何种腔（稳定腔、临界腔、非稳腔）？解：因为凸面镜曲率半径R1=2m，凹面镜曲率半径R2=3mg1=1-LR1=g1.g所以此球面腔为临界腔当腔内插入一块长l为0.5m，折射率n为2的其他透明介质时又当工作物质长度l小于腔长L时，则L'g1=g1.因为0<g1.g例题：某激光器谐振腔腔长为45cm，激光介质长度为30cm,折射率为1.5，反射镜的反射率分别为1和0.98，其他往返损耗率为0.02，求此腔长的平均单程损耗率和无源腔的寿命？解：L输出镜的透过率T=1-0.98=0.02,则单程透射损耗因子近似0.01则总的平均单程损耗率δ=δ1+δ2+δ3+…=0.01+0.01=0.02腔的寿命τ例题：现有一平凹腔，R1=∞，R2=5m，L=1m，证明此腔是稳定腔，并指出它解：g1=0<g1所以此腔是稳定腔，位置在（1,0.8）。第三章谱线加宽的定义：由于各种因素的影响（发光粒子处在上能级的寿命是有限的），自发辐射并不是单色的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有一个频率范围，称为谱线加宽。均匀加宽的含义、定义、分类：引起谱线加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。每个发光原子的自发辐射光子频率在整个频带内的概率是相同的，不能把线型函数上的某一特定频率和某些原子联系起来，即每一个发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。均匀加宽包括自然加宽、碰撞加宽（气体）以及晶格振动加宽：温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。（固体）。非均匀加宽的定义、含义、分类：引起谱线加宽的物理因素不是对每一个原子都等同，原子系统中不同原子对谱线的不同频率的部分有贡献，因而可以区分谱线上某一频率范围是哪一部分原子发射的，则这种加宽机制统称为非均匀加宽。气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽均属于非均匀加宽类型。①E3,n3三能级系统及速率方程组（激光下能级E1E3,n3S21W21A21S32W12A31S31W13 dn3S21W21A21S32W12A31S31W13E2,nE2,n2E1,nE1,n1dE3,n3②四能级系统及速率方程组（激光下能级E1，基态能级E3,n3S32dn3dt=nS32E2,n2dn2dt=n3S32+n1W12E2,n2S10W03S30A30W12S21A21W21E1,nE1,n1n=nE0,nE0,n0第四章均匀加宽稳态激光为单纵模输出，并且单纵模的频率中是在谱线中心频率附近。弛豫振荡：一般固体脉冲激光器所输出的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‘尖蜂”序列。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小。人们把上述现象称作弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。极限线宽：这种线宽山自发辐射产生的无法排除称为极限线宽。实际激光器中由于各种不稳定因素，纵横频率本身的漂移远远大于极限线宽。频率牵引：在有源腔中，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。阈值条件：①阈值反转粒子数；②阈值增益系数：Gt阈值反转集居数∆n0≥∆n第六章调Q基本工作原理：当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。在这种情况下，由于光束的激励,激光上能级将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。调Q对激光器的要求：①工作物质上能级必须有较长的上能级寿命：自发辐射消耗上能级粒子数速率和泵浦速率达到平衡时，上能级达到最大反转粒子数，此时Wp(泵浦速率)=n2τ2②光泵的泵浦速率必须大于激光上能级的自发辐射速率：即泵浦的持续时间（波形的半宽度）必须小于激光介质的上能级寿命，否则，不能实现足够多的粒子数反转。③谐振腔的Q值改变要快（最好是突变)：如果Q开关时间太慢，会使脉冲变宽，甚至会发生多脉冲现象。④激光工作物质必须具有高抗损伤阈值：由于调Q是把能量以激活离子的形式存储在激光工作物质的高能态上，然后集中在一个极短的时间内释放出来，因此，要求激光工作物质必须能在强泵浦下工作，即抗光损伤阈值要求高。①电光调Q：反射、透射损耗；②声光调Q：衍射损耗；③被动调Q：吸收损耗。电光调Q方法：①退压式λ2波片时过程：激光工作物质在泵浦光激励发射自然光（无规偏光），通过偏振器P1在未加Uλ/2电压/电光Q开关“打开”时，光沿着轴线方向（z轴）通过晶体，其偏振状态没有发生变化，且平行于偏振器P2的通光方向，并通过偏振器P2在施加半波电压Uλ/2/电光Q开关“关闭”时，由于纵向电光效应，当沿y轴方向的线偏振光通过电光晶体后，出射光沿x轴方向的线偏振光，垂直于偏振片P2的通光方向，且不能通过偏振片P2②退压式λ4波片时在未加λ/4电压/电光Q开关“打开”时，通过偏振片后y轴方向的线偏振光通过晶体后偏振态不发生变化，经全反镜反射后，偏振态再次无变化地通过电光晶体和偏振片，电光Q开关处于“打开”状态。在施加λ/4电压/电光Q开关“关闭”时,由于纵向电光效应，当沿y方向的线偏振光通过晶体后，两分量之间产生π/2的相位差，出射光合成圆偏振光，经全反镜反射回来后，再次通过电光晶体，两分量之间又产生π/2的相位差，两分量之间产生了π的相位差，合成后得到沿x方向的线偏振光，相当于其偏振面相对于入射光旋转了π/2，因此不能通过偏振片，此时，电光Q开关处于“关闭”状态。③加压式λ2波片时过程：加压式的偏振片P1的通光方向平行于电光晶体的y轴，偏振片P2的通光方向平行于电光晶体的x轴，且P1垂直于P2在未加λ/2电压/电光Q开关“关闭”时，光沿着轴线方向（z轴）通过晶体，其偏振态不发生变化，且垂直于偏振片P2的通光方向，则不能通过偏振片P2，电光Q开关处于“关闭”状态。在施加半波电压Uλ/2/电光Q开关“打开”时，由于纵向电光效应，当沿着y轴方向的线偏振光通过电光晶体后，出射光为沿着x方向的线偏振光，平行于偏振片P2的通光方向，并通过偏振片P2，④加压式λ4波片时过程：在电光晶体未加λ/4电压/电光Q开关“关闭”时，通过偏振片后沿y方向的偏振光经过电光晶体不产生相位差，但是经过λ/4波片后产生π/2的相位差，经全反经反射后，再次通过λ/4波片后又产生π在电光晶体施加λ/4电压/电光Q开关“打开”时，经过偏振片沿y方向偏振光分别通过电光晶体和λ/4波片两次，则电光晶体产生的相位差和λ/4波片产生的相位差相互叠加，使总的相位差为2π或零，光波可以通过偏振片，此时，声光调Q的基本原理：以声光相互作用原理为基础。声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，当光通过这样的介质时，发生衍射。声光调制器采用两种衍射方式，喇曼奈斯衍射和布拉格衍射。声光Q开关考虑效率问题只采用布拉格衍射。喇曼奈斯衍射产生多级衍射光，各级光的衍射效率比较低，不易实现调Q。（目前也有这种衍射的O开关）。声光调Q的工作原理：①当加上超声波时，光束按照布拉格条件决定的方向偏折出谐振腔，此时腔的损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡，在这一阶段，增益介质在泵浦源作用下，上能级粒子数大量积累，一定时间后。②去掉超声场，光束顺利的通过均匀的声光介质，不发生偏折，使得腔内Q值升高，从而得到一个强的激光脉冲输出。声光调制（Q开关）器件的结构：声光介质、电-声换能器、吸声材料和驱动电源。电光调Q和声光调Q都是主动式调Q，即人为的利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值得突变；而被动式调Q方式，是利用某些可饱和吸收体本身特性来改变激光谐振腔的损耗，达到调Q目的。被动调Q原理：可饱和吸收体是一种非线性吸收介质,即其吸收系数并不是常数,在较强激光的作用下,其吸收系数随着光强的增加而减小直至饱和。当达到饱和状态时.可饱和吸收体对光呈现概率透明的特性,利用可饱和吸收特性可以实现谐振Q值的调节，得到调Q脉冲。第八章锁模技术是获得超短脉冲的一种常用技术。超短脉冲的特性：①时间分辨率高；②空间分辨率高；③带宽宽；④峰值功率高。锁模的基本原理：锁模技术让谐振腔中可能存在的各个纵模同步振荡，让各振荡模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，使激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。主动锁模：在谐振腔内插入一个调制器，其调制频率等于腔内纵模间隔，得到重复频率为C2L'的锁模脉冲序列。根据调制原理可分：振幅小测试题与普通光源相比，以下哪项是激光的优势。()A相干性好B发散角小C谱线窄D以上都是光子简并度的含义表述错误的是哪一个（）A同态光子数B同一模式内的光子数C处于同一空间体积内的光子数D处于相干体积内的光子数要产生激光，下列哪个条件不是必须具备。()A实现粒子数反转B受激辐射跃迁C具有增益介质D自发辐射跃迁在有源谐振腔中，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()。A频率吸引效应B频率牵引效应C频率推斥效应D频率抑制效应在谐振腔中插入一薄层饱和吸收体（如染料盒）可构成()。A声光调Q激光器B主动锁模激光器C染