激光原理复习知识点

一名词解释损耗系数及振荡条件即为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数线型函数引入谱线的线型函数线型函数的单位是S括号中的表示线型函数的中心频率且有并在加减时下降至最大值的一半按上式定义的称为谱线宽度多普勒加宽多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽纵模竞争效应在均匀加宽激光器中几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争结果总是靠近中心频率的一个纵模得胜形成稳定振荡其他纵模都被抑制而熄灭的现象谐振腔的Q值无论是LC振荡回路还是光频谐振腔都采用品质因数Q值来标识腔的特性定义为储存在腔内的总能量p为单位时间内损耗的总能量为腔内电磁场的振荡频率兰姆凹陷单模输出功率P与单模频率的关系曲线在单模频率等于0的时候有一凹陷称作兰姆凹陷锁模一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施总是得到多纵模输出并且由于空间烧孔效应均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定并具有确定的相位关系则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模光波模在自由空间具有任意波矢K的单色平面波都可以存在但在一个有边界条件限制的空间V内只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波这种能够存在腔内的驻波成为光波模注入锁定用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定谱线加宽实际中的谱线加宽由于各种情况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频率牵引自发辐射处于高能级的一个原子自发的向跃迁并产生一个能量为的光子受及辐射处于高能级的一个原子在频率为的辐射场作用下向跃迁产生一个能量为的光子激光器的组成部分谐振器工作物质泵浦源腔的模式将光学谐振腔内肯能存在的电磁场的本征态称为光子简并度处于同一光子态的光子数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激光的特性1方向性好最小发散角约等于衍射极限角2单色性好3亮度高4相干性好粒子数反转在外界激励下物质处于非平衡状态使得n2n1增益系数光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数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Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标品质因数纵模在腔的横截面内场分布是均匀的而沿腔的轴线方向即纵向形成驻波驻波的波节数由q决定将这种由整数q所表征的腔内纵向场分布称为纵模横模腔内垂直于光轴的横截面内的场分布称为横模菲涅尔数N即从一个镜面中心看到另一个镜面上可划分的菲涅尔半波带的数目表征损耗的大小衍射损耗与N成反比自在现模把开腔镜面上经一次往返能再现的稳态场分布称为自在现模或横模损耗系数光通过单位距离后光强衰减的百分数自激振荡不管初始光强多微弱只要放大器足够长就总能形成确定大小的光强Im满足振荡条件多普勒效应设一发光原子光源的中心频率为n0当原子相对于接收器以速度vz运动时接收器测得的光波频率变为略多普勒加宽由于作热运动的发光原子分子所发出的辐射的多普勒频移引起的加宽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谱线宽度线型函数在n0时有最大值下降至最大值的一半对应得宽度线性函数归归一化的自发辐射光功率描述单色辐射功率随频率变化的规律定义为分布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比用于表示谱线的形状均匀加宽引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的包括自然加宽碰撞加宽及晶格振动加宽每个发光原子都以整个线型发射不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献非均匀加宽原子体系中每个原子只对谱线内与它的表现中心频率相应的部分有贡献因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的包括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激光器振荡阈值工作物质自发辐射在光腔内因不断获得受激放大形成振荡所需要的门限条件可用反转粒子数密度阈值增益系数阈值泵浦功率来表示不满足阈值条件但处于集居数反转的工作物质对自发辐射光具有放大作用增益的空间烧孔效应在驻波腔激光器中腔内形成一个驻波场波腹处增益最小而波节处增益最大沿光腔方向增益系数的这种非均匀分布称为空间烧孔效应自选模设三个纵模v1v2v3同时起振随着振荡的持续光强I1I2I3逐渐增大当光强足够大可与Is比拟时由于增益饱和导致增益曲线在各频率处整体下降结果各纵模由于增益系数小于阈值增益系数先后熄灭最后仅剩下最接近中心频率vo的一个纵模维持自激振荡这一现象称模式的空间竞争由于空间烧孔效应的存在不同的纵模可利用空间内不同的粒子反转数获得增益从而实现多纵模振荡称为单模激光器的线宽极限输出激光是一个略有衰减的有限长波列具有一定的谱线宽度由自发辐射产生的无法排除谱线宽度称为极限线宽实际激光器中由于各种不稳定因素纵模频率本身的漂移远远大于极限线宽总量子效率发射荧光的光子数工作物质从光泵吸收的光子数物理意义抽运到E3的例子一部分无辐射跃迁到E2另一部分通过其他途径返回基态到达E2的粒子一部分自发辐射跃迁至E1发射荧光一部分无辐射跃迁至E1弛豫时间某种状态的建立或消亡过程纵向弛豫时间T1反转粒子数的增长与衰减所需时间横向弛豫时间T2宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的极化强度Pzt较Ezt落后的时间T2即是横向弛豫时间驰豫振荡固体脉冲激光器所输出的并不是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称作反兰姆凹陷在饱和吸收稳频中把吸收管放在谐振腔内并且腔内有一频率为n1的模式振荡若n1n0购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔若n1n0刚正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线则曲线出现凹陷激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰二简答题谱线加宽的类型什么是均匀加宽非均匀加宽他们各自的特点是什么类型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综合加宽均匀加宽及特点引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的特点每个发光原子都以整个线型发射不能把线型函数上某一特定原子联系起来每个发光原子对光谱线内任一频率都有贡献非均匀加宽特点原子体系中每一个原子只对谱线内与他的表观中心频率相应的部分有贡献因而可以区分谱线中的某一频率范围是哪一部分原子发射的什么是激光工作物质的纵模和横模烧孔效应他们对激光器工作模式的影响在非均匀加宽工作物质中频率为的强光只在附近宽度约为的范围内引起反转集聚数饱和对表观中心频率处在烧孔范围外的反转集聚数没有影响若有一频率V的弱光同时入射如果频率V处在强光造成的烧孔范围之内则由于集聚数反转的减少弱光增益系数将小于小信号增益系数如果频率V在烧孔范围之外则弱光增益系数不受强光的影响而仍等于小信号增益系数所以在增益系数频率曲线上频率为处产生一个凹陷此现象称为增益曲线的烧孔效应烧孔效应一般使激光器工作于多纵模和多横模的情况不利于提高光的相干性但有利于增加光的能量或功率锁模的目的和意义及其方法目的是为了得到更窄的脉冲方法主动锁模振幅调制锁模和相位调制锁模被动锁模简述速率方程所说明的问题及应用情况速率方程表征激光器腔内光子数和工作物质各有关能级上的原子数随时间变化的微分方程组它只能给出激光的强度特性而不能揭示出色散频率牵引效应也不能给出与激光场的量子起伏有关的特性对于烧孔效应兰姆凹陷多模竞争等则只能给出粗略的近似描述简述稳定球面腔中横模形成的过程及分布特点设想一均匀平面波垂直入射到传输线的第一个孔阑上第一个孔面波的强度分布应该是均匀的由于衍射再穿过该孔后波前将发生变化并且波束将产生若干旁瓣也就是说已不再是均匀平面波了当它达到第二孔时其边缘部分将比中心部分小而且第二个孔面将不再是等相位面了通过第二个孔时波束又将发生衍射然后经过第三个孔每经过一个孔波的振幅和相位将发生一次改变通过若干个孔后波的振幅和相位分布被改变成这样的形状以至于他们不再受衍射的影响当通过足够多的孔阑时镜面上的场的振幅和相位分布将不再发生变化即形成横模镜面中心附近的场振幅和相位分布可以用厄米特高斯函数描述横模在镜面上振幅分布的特点取决于厄米特多项式和高斯分布函数的乘积厄米特多项式的零点决定场的节线厄米特多项式的正负交替变化与高斯函数随XY的增大而单调下降的特性决定场分布的外形轮廓由于m阶厄米特多项式有m个零点因此横模在X方向有m条节线沿y方向有n条节线简述Q调制技术原理为了得到更高的峰值功率和窄的单个脉冲采用Q调制技术它是通过某种方法是谐振腔的损耗因子按照规定的程序变化在泵浦激励刚开始的时候使光腔具有高损耗因子激光器由于阈值高而不能产生激光振荡于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平然后在适当的时刻使腔的损耗因子突然降到阈值也随之突然降低此时反转集聚数大大超过阈值手机辐射也迅速的增强于是在极短的时间内上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量形成一个很强的激光巨脉冲输出方法电光调Q声光调Q被动调Q激光器的组成部分及作用激光器应该包括光放大器和光谐振腔两部分但对光腔的作用归结为两点模式选择保证激光器的单模振荡从而提高激光器的相干性提供轴向光波模的反馈q参数的定义及应用q参数可以用来分析高斯光束的传输问题用于分析高斯光束的聚焦和准直分析高斯光束的自再现变换9电光调节q开关注意的问题要获得一高峰值功率的窄脉冲对同步电路的要求是a给出可靠的触发信号去点燃氙灯b在点燃氙灯的同时给出一脉冲信号经过一段延迟时间后退去晶体上的电压打开Q开关延迟时间可靠准确可调c退电压要快开关速度快d晶体上加四分之一波长电压要求稳定可调e保证Q开关关的及时YAG激光器开始工作时泵浦等上有高压调制是不要碰及实验中激光器输出的光能量高功率密度大应避免直射到眼睛特别是532nm绿光避免用手接触激光器的输出镜晶体的镀膜面膜片应防潮10简述用扫描干涉仪确定激光器输出光中纵横模的原理扫描干涉仪接受的信号连接到示波器上拍下示波器上的纵横模分布图根据干涉序个数和频谱的周期性确定哪些模式属于同一个干涉序在同一个干涉序内根据纵模的定义测出纵模频率间隔确定示波器荧光屏上频率增加的方向一遍确定同一个纵模序数内哪些模是基横模哪些是高阶横模测出不同横模的频率间隔观察激光器在远处屏上的光斑形状辨认出每个横模的序数即mn11简述NdYAG激光器的结构和输出特性NdYAG激光器以NdYAG晶体为工作物质它属四能级系统并具有量子效率高受激辐射面大的优点其阈值非常小而且钇铝石榴石晶体还具有较高的热导率易于散热因此NdYAG激光器不仅可以单次脉冲运转出功率已超过1000W每秒5000次重复频率的输出峰值功率已达千瓦以上每秒几十次还可以高重复率或者联系运转目前NdYAG激光器的最大输重复频率的调Q激光器的峰值功率可达几百瓦NdYAG激光器的应用非常广泛它主要用在加工方面用于打孔切割划片焊接阻值微调打标和表面改性等12Ne激光器的结构和输出特性HeNe激光器的基本结构由激光管和电源两部分组成其中激光管主要包括放电管电极和谐振腔三部分放电管是HeNe激光器的核心放电管通常由毛细管和储气室构成当在电极上施加高压后毛细管中的气体开始放电使氖原子产生粒子数反转按照谐振腔与放电管的放置方式不同可分为内腔式外腔式和半内腔式特点HeNe激光器输出连续光主要工作波段在可见光到近红外区域其中最常用的工作波长为6328nm红光其次是115m和339m以及152m5435nm等HeNe激光器输出光束质量很高表现为单色性好器件结构简单造价低廉应用HeNe激光器广泛应用于准直精密计量信息处理医疗照排印刷等领域13co2激光器CO2激光器的输出特性有两个显著的特点其一是输出功率或能量相当大能量转换效率高CO2激光器连续输出功率可达数十万瓦是所有激光器中连续输出功率最高的器件脉冲输出能量可达数万焦脉宽可压缩到纳秒量级脉冲功率密度可达太瓦量级其二是输出波长分布在918m波段已观察到的激光谱线二百多条其中911m红外波段中最重要的输出波长106m处于大气传输的窗口有利于激光测距激光制导大气通信等方面的应用且该波长对人眼安全14红宝石激光器从应用观点看红宝石激光器输出可见光极具吸引力一是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见光区而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长则位于近红外区域二是对于全息照相等应用需要使用可见光作为光源缺点能级结构属三能级系统器件阈值高晶体性能随温度变化明显室温下不适于做连续和高重频器件15钛宝石激光器激活离子为三价钛离子Ti3激光波长在660nm11m叫范围内连续可调峰值波长在800nm附近是目前调谐范围最宽的激光器之一钛宝石激光器的激光上能级寿命较短只有32s用灯泵较困难通常用氩离子激光NdYAG倍频激光泵浦采用自锁模技术钦宝石激光器可直接输出脉宽短至65fs的激光脉冲这是所有激光器中从谐振腔直接输出的最窄激光脉冲调谐范围最宽和锁模脉宽最窄两大特点使得钛宝石激光器成为目前最重要的激光器之一16N2激光器氮分子激光器是一种重要的近紫外相干光源它的输出峰值功率高Peakpower45kW脉冲持续时间短浦光源可以获得从近红外到近紫外的连续可调激光输出是激光喇曼光谱仪的一种理想光源此外氮激光器在激光分离同位素荧光诊断超高速摄影污染检测以及医疗卫生农业育种等方面也得到广泛应用由于其短波长更易聚焦得到小光斑因此被用于加工亚微米量级的元件了例如光掩模复杂的集成电路薄膜电阻的生产17影响模式的因素不同的激光器结构输出模式不同自发辐射使得谱线加宽烧孔效应模式竞争等会使得多纵模输出不稳定因素的影响使得频率漂移振荡线宽与纵模间隔之间的关系纵模间隔大于振荡线宽可单模输出18谐振腔与激光模式之间的关系由谐振腔结构确定激光模式的常用方法腔的模式光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称场的每一个本征态将具有一定的振荡频率和一定的空间分布腔与模的关系腔内电磁场的本征态应由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定不同类型和结构的谐振腔的模式各不相同不管是开腔闭腔一旦给定了腔的具体结构则其中振荡模的特征也随之确定下来模的基本特征模在腔的横截面内的场分布模的谐振频率模在腔内往返的相对功率损耗模的光束发散角常用方法方形镜共焦腔输出光斑为轴对称圆形镜共焦腔输出的是旋转对称的环形腔一般可以实现单纵模振荡均匀激光器一般为单纵模振荡非均匀激光器一般为多模振荡