激光原理期末复习基本概念

激光原理期末复习

前言

1、（1960）年美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器—红宝石激光器。

2、激光是利用（光能）、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。

3、根据激光器工作物质分类有：固体激光器；（气体激光器）；液体激光器；染料激光器；半导体激光器等。

4、按激光器运转方式分类有：连续激光器；单次脉冲激光器；（重复脉冲激光器）；调Q激光器；锁模激光器；单模和稳频激光器；可调谐激光器等。

5、按激光激励方式分类有：光泵式激光器；（电激励式激光器）；化学激励激光器（又称化学激光器）；核泵激光器。

6、按激光器输出激光的波段范围分类有：远红外激光器；（中红外激光器）；近红外激光器；可见激光器；近紫外激光器；真空紫外激光器；X射线激光器等。

7、激光最突出的特性是：能量集中，（高方向性）；高亮度；单色性好；相干性强。

8、激光的方向性表示可以用平面角和（立体角）表示。

9、具有单一频率的光波称为单色光。单色性：用（/λ或）表示。

10、激光的辐射范围在1×10-3rad（0.06o）左右。氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有（10-8 ) nm 。

11、激光的单色性越好，相干长度越(长)；激光的相干长度可达105千米。

第1章辐射理论概要

1、电磁辐射同物质相互作用产生吸收和发射现象时，电磁辐射以（光子或光量子）不连续的形式交换能量。

2、光量子能量E与波长成反比：E ∝ 1/λ；波长越长；光量子能量E越

小；(频率越低) ；波长越短；光量子能量E越大； (频率越高)。

3、原子处于最低的能级状态称为（基态）。能量高于基态的其它能级状态称为激发态。

4、能级有两个或两个以上的不同运动状态称为简并能级。同一能级所对应的不同电子运动状态的数目称为（简并度）。

5、在热平衡条件下，原子数按能级分布服从（波尔兹曼定律）。

6、原子能级间跃迁发射或吸收光子的现象称为辐射跃迁。原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量的现象称为(非辐射跃迁)。

7、辐射场中单位体积内，(单位频率间隔)中的辐射能量称为单色辐射能量密度。

8、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：(自发辐射)；受激吸收；受激辐射。

9、自发辐射:高能级的原子自发地从(高能级E2)向低能级E1跃迁，同时放出能量为E=hv 的光子的现象称为自发辐射。

10、自发辐射系数（A21）:表示单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E

2

能级总粒子数密

度的百分比。即每一个处于E

2

能级的粒子在单位时间内发生的自发跃迁几率。自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身。

各个原子自发辐射的光向空间各个方向传播，是（非相干光）。

11、原子数密度由起始值降至它的1/e的时间为自发辐射的(平均寿命)。A21就是原子在能级E2的平均寿命的倒数。

12、当受到外来能量为hv=E

2-E

1

的光照射时，高能级E2上的原子向低能级E1跃迁，同时发射一个与

外来光子完全相同的光子的现象称为受激辐射。

λ

?λ

?

受激辐射的光子与外来光子的特性一样。频率、位相、偏振和传播方向相同称之为（全同光子）。

13、受激辐射的跃迁几率（W21)为单位时间内，在外来单色能量密度的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的（百分比）。受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。

14、处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，（完全吸收）外来光子的能量而跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收。

15、单位时间内，在外来单色能量密度的光照下，由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级上总粒子数密度的百分比称为（受激吸收几率W12）。

16、激光介质某一谱线在单位频率间隔的相对光强分布，叫做光谱线的（线型函数）。即在一定频率间隔范围内的光强占总光强的百分比。

相对光强为最大值的一半处的频率间隔，称为光谱线宽度

17、作为电偶极子看待的原子作衰减振动而造成的谱线增宽称为（自然增宽）。

18、原子的能级寿命越短，能级宽度越（宽）。亚稳态能级较窄。基态能级宽度趋于零。

19、自然增宽、碰撞增宽和多普勒三种谱线增宽比较，自然增宽远（小于）碰撞增宽和多普勒增宽。

20、自然增宽和碰撞增宽中每一个原子所发的光对谱线内任一频率都有贡献，这种增宽为均匀增宽。均匀增宽介质的线型为（洛仑兹线型）。

21、多普勒增宽中，各种不同速度的原子中对（不同频率）有贡献。不同原子的作用是不同的，这种增宽叫非均匀增宽。非均匀增宽介质的线型函数为高斯分布函数。

22、光在介质中传播时，高能级上的粒子辐射光子跃迁至低能级，介质的受激辐射使光子数密度增加。光能密度随光波穿过介质路程z的增长而（增大）。

23、吸收系数A代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对（衰减率）的大小，也代表介质对光波吸收能力的大小。

24、增益系数G(增益的相对速率)代表光波在介质中经过单位长度路程（光强）的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小。

25、增益介质中传播的光能密度随穿过增益介质的路程z按（指数规律）增长。z 越大，增益介质中传播的光能密度也越大。

增加增益介质的长度L能增加介质中传播的光能密度。采用光学谐振腔延长增益介质的长度L。

26、光学谐振腔能起（增加增益介质）的作用；提高光能密度及控制光束的传播方向，保证输出的激光有极好的方向性。

27、产生激光必须具备的三个条件：

(1)、有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子有适合产生受激辐射的能级结构。实现光放大的基本条件。

(2)、有外界激励能源。

（3）、在外部能源的激励下，使上下能级之间产生粒子数反转。

（4）、要有激光谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。

第2章激光器的工作原理

1、激发态能级的平均寿命约10-8秒，亚稳态能级平均寿命约（几毫秒）。

2、依靠泵浦源激发原子，粒子数反转态是非热平衡态。这种激发称为“泵浦”或（抽运）。

3、激光工作物质四能级系统所需要的激励能量要比三能级系统（小）得多，产生激光比三能级系统容易得多。

4、大多数激光工作物质是（四）能级系统。

5、参数n0对应着谐振腔的单色光能密度为零或者近似为零时的粒子数密度反转分布的大小。是粒子

数密度反转分布值可能达到的（最大值）。通常把这个状态叫作小信号工作状态，而参数 n0就被称作是小信号工作时的粒子数密度反转分布。

6、均匀增宽的介质的光谱线型函数的中心频率值为：

7、一般情况下的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 R1、R2以及介质能级的寿命等参量的有关。

8、当腔内光强的影响不能忽略时，粒子数密度反转分布值n将随光强的增加而

（减小），此现象称为粒子数密度反转分布值的饱和效应。

9、当激光器介质中未发生光放大时，与小信号工作状态时的粒子数密度反转分布值n0对应的增益

系数定义为（小信号增益系数）。

10、激光增益介质中小信号增益系数与光强无关,仅是（频率）的函数。

11、小信号增益系数与谱线的线型函数有相似的变化规律。

12、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）。

13、激光器增益介质传播的光能量只有在补偿损耗后还有剩余时，光波才能被放大。所以要求增益系数要大于一个下限值，此下限值即为激光器的（阈值）。

14、激光器损耗包括增益介质内部的损耗和镜面损耗。镜面损耗包括：镜面上透射出去的部分t1I(或t2I)；镜面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束扩散到反射镜范围以外造成的损耗a1I(或a2I)。

15、随着腔内光强的增大，增益系数不断下降，当它下降到下限值时，光强也到达最大值I M（平均值），增益系数的下限值为增益系数的（阈值）。

16、效率较高的激光器中的绝大多数都属于（四）能级系统。即输出的光能量占激励能源输入的总能量的百分比高的激光器大多数用的是四能级系统。

第3章激光器的输出特性

1、在激光谐振腔中存在的稳定的横向场分布，叫做（横模）。横膜是垂直于光轴的模式。m、n 称为横模序数。激光束在横截面上呈现各种光强的（不同花样）的稳定分布而不呈现均匀光强的稳定分布。

2、用TEMmn表示各种横模。m，n表示在x 轴和y 轴方向上光强为零的那些零点的个数。M=0,n=0时所对应的横模称为（基模（横向单模））。

基模的场集中在反射镜中心，是最简单结构，其他称为高价横模。

3、自再现模在腔内单程渡越时所引起的损耗包括衍射损耗和几何损耗，但主要是（衍射损耗），称为单程衍射损耗，用δ表示。

4、激光器谐振腔内频谱中每一个可以产生振荡的谐振频率为一个振荡（纵模）。谐振频率决定于纵模序数q。纵模沿纵向轴向传播。

5、激光器不同的纵模对应着不同的稳定的驻波场，具有不同的频率。谐振腔的作用使激光器内出现的振荡频率不是任意的，而是有一定间隔的(分立)谱。每个q 值对应一个驻波，称之为纵模序数，等于驻波的波节数。

6、激光谐振腔内原则上有（无限多）个振荡纵模。

7、对同一横模，腔内两个相邻纵模频率之差称为纵模的频率间隔。两个相邻纵模之间的频率间隔的表示式为

纵模的频率间隔与谐振腔的光学长度(μL）成反比，与 q 无关，L为常数，腔内的纵模频率是等距离排列的。

8、普通光源发出线宽为?ν的光，而在光学谐振腔中，只留下?ν中满足谐振条件及(阈值)条件的

那些频率，其它的频率都被谐振腔抑制掉了。

9、实现横向单模可采用平行平面腔或腔内（加小孔）以限制高阶模的产生。

10、实现纵向单模可（缩短）腔长或增大损耗。

11、激光距离镜中心处的场振幅下降为镜中心振幅值的（ ）倍时的范围称为镜面上基模的光斑有效截面半径。对称共焦腔的光斑非常小。

12、对同一纵模，两个相邻横模之间的频率间隔的表示式为

13、激光应用中基横模行波输出在于光束前进方向的垂直平面上的强度呈（高斯型）分布。

14、在激光器的各种模式输出的光强中，只有基模的强度中心沿（直线）传播。

15基模在高斯光束的传播过程中，除了光轴外，高斯光束的光线沿（双曲线）传播。

16、激光腔中心处的波阵面是个平面。无穷远处的波阵面对应的发光点是腔中心，波阵面的曲率半径为无穷大，波阵面变成平面。

17、激光器的输出功率P 与激光器的饱和光强Is 成（正比）。

18、谱线线型是自然宽度、碰撞宽度或压力宽度、多普勒宽度三者共同作用的结果，这种谱线叫做发光物质的（荧光谱线）。

19、当激光器稳定工作时，其增益正好（等于）总损耗。

20、激光线宽与激光器输出功率成（反比）。

21、造成激光线宽的影响因素：自发辐射，（温度的波动）,机械振动,大气压力,损损耗的波动,增益的波动,荧光中心频率漂移等。

22、自发辐射因素造成的线宽是消除了其他各种使激光线宽增加的因素后，最终可以达到的（最小）线宽，叫做（线宽极限）。

第4章 激光的基本技术

1、在激光技术中，直接作用激光器谐振腔内光束的激光技术有：（选模技术）、稳频技术、调Q 技术和锁模技术等。

2、在激光技术中，作用激光器谐振腔外光束的激光技术有：光束变换技术、（调制技术)和偏转技术等。

3、当强度很大的光通过均匀增益型介质时，粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。增益曲线按（同一比例）降低，而线宽和频率分布都不发生变化。

4、通过增益的饱和效应，使某个纵模逐渐将别的纵模的振荡抑制下去，最后只剩下该纵模的振荡的现象叫做（纵模的竞争）。纵模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。

5、单纵模激光器通常采取的选频方法有：短腔法；（法布里-珀罗标准具法）；三反射镜法。

6、要想得到单一纵模的输出，只要（缩短）腔长，使 的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度即可。

7、在激光谐振腔内振荡的基横模是高斯光束。由于反射镜的有限尺寸的限制，每一次反射都会有一部分光能衍射到镜面之外，造成能量损失。这种由于衍射效应形成的光能量（损失）称为衍射损耗。

8、在谐振腔内插入一个适当大小的(小孔光阑)，实现选取单横模的基本方法。

9、激光器通过选模获得单一频率振荡后，由于内部和外部条件的变化，谐振频率仍然会在整个线型宽度内移动。这种现象称为（频率的漂移）。

13、激光器频率的变化取决于腔长的变化和（平均折射率）的变化。

)(μ

μ?+?-=?L L νν

14、：利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。（减小）腔长的变化实现稳频的方法称为被动式稳频方法。

15、把单频激光器的频率与某个稳定的（参考频率相比较），当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。误差信号经放大后通过反馈系统返回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上实现稳频的方法称为主动式稳频。

16、主动式稳频方法有：（兰姆凹陷法）。

17、激光调制就是把(信息)加载到激光束上去，激光作为载波携带低频信号。

18、激光调制的方法：(振幅调制)、强度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式。

19、在激光形成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的（输出）特性实

现调制的方法称为内调制。

20、在激光形成以后，用调制信号对激光进行调制，调制不改变激光器的参数，

而是改变已经输出的（激光束）的参数，称为外调制。

21、利用晶体(电光效应)控制光在传播过程中的强度称为电光强度调制。

22、激光偏转依据使用目的分成两类：模拟式偏转和(数字式)偏转。

23、机械偏转调制技术：机械偏转是利用反射镜或多面反射棱镜的(旋转)或反射镜的振动实现光束扫描。机械偏转具有偏转角大、分辨率高、光损失小且可适应光谱范围大。多用于各种显示技术及微型图案的激光加工装置中。

24、激光器谐振腔的损耗大，Q值（低），振荡阈值高；谐振腔的损耗小，Q值（高），振荡阈值低。

25、用调节激光器谐振腔的Q值以获得激光(巨脉冲)的技术称为激光调Q 技术。

26、激光调Q 技术的类型有：电光调Q技术、染料调Q技、术、(声光调Q)技术等。

27、电光调Q是利用电光效应作为(Q开关)元件，实现调Q的技术。

28、染料调Q技术是利用某种有机染料材料对光的吸收系数随(光强)变化的特性，实现调Q的技术。这种调Q方式中，Q开关的延迟时间由材料本身决定，不受人控制，故又称为被动调Q技术。

第5章典型激光器介绍

1、固体激光器用（固体材料）作为激光器的工作物质。工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等

2、气体激光器的工作物质是气体或金属蒸气。

气体激光的特点是激光输出波长范围（较宽）。常用的氦-氖激光器，是通过气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长为632.8nm（红光）。

3、气体激光器能长时间较稳定（连续）工作的特点，能以脉冲和连续两种方式工作。

4、半导体激光器以半导体为工作物质，产生激光的方法有p-n结注入式、（电

子束）激发、光激发、雪崩式击穿等。

5、液体激光器（染料激光器）常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的输出波长（连续可调），且覆盖面宽。波长分布在0.32～1.3微米.

6、自由电子激光器以自由电子为工作物质。把凡是利用自由电子与电磁波相互作用所产生的从微波到X射线的受激辐射均称为自由电子激光。其峰值功率和平均功率高且可调，相干性好，可获得（偏振）输出，因此具有很诱人的前景。特点是：输出功率高，因此而成为战略激光武器的首选器件。

7、化学激光器通过化学反应提供能量，形成受激辐射的激光器。其特点是：频率高，光子能量大，穿透力强，破坏效能高。

8、固体激光器基本上都是由绝缘晶体工作物质、泵浦系统、谐振腔和（冷却系统）、滤光系统构成的。一般都采用光泵浦激励。

9、红宝石激光器属于(三能级)系统。特点：机械强度高，能够输出大能量的单模激光。在室温下不宜连续和高重复率工作。

10、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)属于(四能级)系统

11、固体激光工作的泵浦光源多为工作于(弧光放电)状态的惰性气体放电灯。

12、固体激光器的泵浦系统还要冷却和（滤光）。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。

13、固体激光器的总体效率定义为：固体激光器的激光输出与泵浦灯的（电输入）之比。

对于连续激光器的总体效率用功率表示；脉冲激光器,用能量描述总体效率表示。通常红宝石激光器的总体效率为 (0.5-1.0)%,，YAG激光器的总体效率可达 (1-2.0)%。

14、半导体激光器泵浦固体激光器的结构有端泵浦方式和（侧泵浦）方式。

15、He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和（半内腔）式三种.

He-Ne激光器是典型的（四能级）系统，其激光谱线主要有三条 0.6328μm；1.15μm； 3.39μm。

16、CO2激光器的转换效率很高，最高可达（40％）。有其余的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降；还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。

17、染料激光器的工作物质是有机染料溶液。每个染料分子都由许多原子组成，其能级结构十分复杂。染料分子能级图是（准连续态）能级结构。

18、染料分子是一种（四能级）系统，容易实现粒子数反转，阈值很低；染料激光发射的荧光波长比吸收的泵浦光波长长；染料激光的荧光光谱范围是准连续宽带结构，可使染料激光器在（大范围）内可以调谐。