嘉应学院激光原理实验讲义
嘉应学院激光原理实验讲
义
编写人：杨晓冬
一. 激光技术调节基本技能训练
一. 实验目的：
1.初步掌握准直光束调节方法
2.初步掌握反射面镜调节方法
3.初步掌握凸透镜的调节方法
二. 实验装置和调节方法
1. 准直光源调节:
在光学平台上装调激光之前,通常需要建立与光学平台平行、且空间方位固定的准直光束，以便于对光学元件的空间方位进行调整。产生准直光束的光源通常是氦氖激光器产生的632.8 nm光束，也可以采用655 nm的半导体激光器，要求必须是可见光束。在调节过程中，准直光源必须牢稳固定，如果在调解过程中光源移动，则准直光束必须重新建立，实验也必须重新开始。
在光学平台上建立准直光束通常需要不少于两块空间方位可调节的反射镜、一个标示高度的标高尺，标高尺制作如图1所示：ａ）将一片高度约为15 cm的钢板尺固定在一块规则平整的矩形金属块上，钢板尺本身的刻度就可以作为表明光束高度的标示，由于钢板尺刻度较多，因此可以标注的范围较大，但精度不一定很高；b）用金属板表面小孔作为标示光束高度的标示，该标高尺通常用于准直光束高度固定的情况下准直光束建立。标高尺正面做一条垂直标示线(如图中红线所示).
标示线
刻度钢
准直光束调节方法如图2所示：要建立一条与光学平台水平,沿AB方向准直光束,首先根据要确定光束的方位确定两块反射镜的位置,要求光束最后照到的反射镜2的中心大致位于所要建立的直线上,打开激光光源,使光束照在反射镜1的中心位置,调节反射镜1的位置和俯仰角使光束大致照在反射镜1的中心,同时保证反射镜2大致沿着AB直线方向.在AB直线的正下方选取M、N两点(N点远离反射镜2),用笔作标记,将标高尺标示线下端正对N点放置,调节反射镜2,使光束入射到标示线,高度达到所要求的准直光束高度,然后再将标高尺标示线下端正对M点,调节腔镜1,使光束达到所要求的标示高度,反复进行上述步骤,最终就可以使光束沿着所要求的AB方向.为了更清楚说明这一点举例如下: 准直光束离光学平台高度50 mm, 在
AB直线的正下方选取M、N两点(N点远离反射镜2)后，将标高尺首先放置于Ｎ点，调节反射镜１的俯仰角，使激光束照射在50 mm刻度处的标示线上，再将标高尺移到Ｍ点，调节反射镜１，使光束照射在50 mm刻度处的标示线上；反复进行此过程，激光束将逐渐逼近ＡＢ直线，最终就可以与ＡＢ直线重合．为方便记忆调节方法，我们作如下规定，并记如下口诀：将Ｎ点在光束的远端，将其称为远点，而Ｍ点称为近点；反射镜１被称为远镜，反射镜２被称为近镜，调节口诀为：远点（Ｎ点）调近镜（反射镜２），近点（Ｍ点）调远镜（反射镜１）．
2．利用准直光束对腔镜进行调节．
2.1 反射面镜调节-通常作为激光腔镜
1.平面腔镜的调节:
平面腔镜调节较为简单，可通过调节固定平面镜俯仰角使光束原路返回。具体调节如图3(a) 所示,将小孔光阑放置于入射光路中,使入射光束通过小孔。将平面腔镜放置于所要固定的位置，调节固定反射镜的镜架俯仰角旋钮，使入射到平面镜光束返回小孔光阑即可。
(a) (b)
(c)
图3 腔镜的调节：（a）平面镜的调节；（b）凹面镜的调节; (c) 凸面镜的调节
2. 凹面镜调节:
凹面镜（通常为平凹镜）的调节如图3（b）所示，调节固定凹面镜的镜架，使凹面反射光束返回。对于凹面镜的调节要注意以下两个问题：1）由于凹面反射光束会先汇聚，再发散，因此当凹面曲率半径较小时，光束发散较为严重，为了能够清晰分辨反射光斑，光阑距离腔镜的距离不能太远；2）由于平凹镜有两个反射面，反射光斑有两个，必须要注意区分反射光斑哪一个是凹面反射，哪一个是平面反射。请根据几何光学的原理思考怎样判定反射光斑哪一个是平面，哪一个是凹面。另外还必须注意，当平凹镜作为输出镜时，调节时应尽量使平面的反射光斑也靠近或返回小孔光阑，以减小输出镜对于输出光束的影响（由于存在偏心差，入射光束并不一定入射到平凹镜几何中心）。
3. 凸面镜的调节
凸面镜（假设为平凸镜）的调节如图3（C）所示，同样调节固定凸面镜的镜架，使凸面反射光束返回。对于凸面镜的调节要注意以下两个问题：1）由于凸面反射光束会发散，因此当凸面曲率半径较小时，光束发散较为严重，为了能够清晰分辨反射光斑，光阑距离腔镜的距离不能太远；2）必须要注意区分反射光斑哪一个是凸面反射，哪一个是平面反射。思考怎样判定反射光斑哪一个是平面，哪一个是凸面。另外还必须注意，当平凸面镜作为输出镜时，调节时应尽量使平面的反射光斑也靠近或返回小孔光阑，以减小输出镜对于输出光束的影响（由于存在偏心差，入射光束并不一定入射到平凸镜几何中心）。
2.2 薄透镜的调节
薄透镜的调节较为麻烦,这里简要介绍凸透镜和凹透镜的调节。透镜调节必须保证光束透过光心，且和光轴重合。
1. 薄凸透镜的调节
薄凸透镜调节装置如图所示，包括待调节透镜和光屏，由于光线经过透镜后，光束会先汇聚再发散，当光屏较远或透镜焦距较小时，光束发散，光屏上光斑较大，为了提高调节精度，可在光屏表面贴如上图所示同心圆靶（同心圆靶可以在计算机上画后打印），以准确确定光斑方位。调节时，可以在不加透镜时，放置同心圆靶，调节圆靶的上下或左右位置，使准直光束照射在圆靶中心；然后放置透镜，通过上下或左右移动透镜，使光束照射圆靶中心，
思考此时可断定入射光经过透镜哪一点？并调节透镜的俯仰角使透镜两表面反射光束返回小孔光阑，如果不能严格返回也要尽量使两反射光斑重合并靠近小孔光阑。
2. 薄凹透镜的调节
薄凹透镜调节装置与薄凸透镜调节装置相近，只不过待调节透镜变为薄凹透镜。调节方法与薄凸透镜调节方法也相近，在不加透镜时，放置同心圆靶，使准直光束照射在圆靶中心；然后放置透镜，通过上下或左右移动透镜，使光束照射圆靶中心，并调节透镜的俯仰角使透镜两表面反射光束返回小孔光阑，如果不能严格返回也要尽量使两反射光斑重合并靠近小孔光阑。
三．实验内容
1. 建立高度为50 mm与光学平台平行的准直光束。（光线位于M,N两点上方）
2. 利用准直光束调节平面镜（利用平凹透镜的平面作为反射面）
3. 利用准直光束调节凹面镜（利用平凹透镜的凹面作为反射面）
4. 利用准直光束调节凹透镜镜
5. 利用准直光束调节凸透镜
预习思考题
1.在图3所示装置中光阑距离反射镜距离对调节精度有何影响？
2.思考在图3（b）中，将光阑由紧贴反射镜位置逐渐远离反射镜，前后两面反射光斑会发
生怎样的变化？
二. He-Ne 激光器装调实验
一、He-Ne 激光器的工作原理与结构
He-Ne 激光器是最常用的连续工作气体激光器,采用气体放电激发泵浦方式.图1为
He-Ne 激光器能级跃迁图,其工作原理为: 在辉光放电状态下，工作物质中的自由电子从电
场中获得足够的能量，并与处于基态的He原子发生非弹性碰撞，将He原子激发到21S
0和23S
1
能
级上去。由于这两个能级的能量与Ne原子的3S和2S的能量几乎相同，所以当处于21S
0和23S
1
两
个激发态上的He原子与Ne原子产生非弹性碰撞，两者交换能量，结果，激发态的He原子回到基态，而Ne原子被激发到能级相近的3S和2S能级上去，这一过程称为共振转移。Ne原子的3S 和2S能级是两个亚稳态，所以当这两个能级上的受激Ne原子足够多时即可实现对3P和2P之间的粒子数反转，这样由于上下能级间的受激辐射产生激光。氖原子的激光谱线可达100多条，
而以3S
2→3P
4
、3S
2
→2P
4
和2S
2
→3P
4
能级间所产生的激光谱线3.39微米，0.6328微米，和1.15
微米为最强。处于下能级（3P和2P）上的Ne原子通过自发辐射回到ls能级，处于ls能级上的Ne原子通过与放电毛细管壁或其处于基态的气体分子多次碰撞放出能量回到基态。
图1 He-Ne 激光器能级结构图
以结构形式不同可分为外腔式激光器、半内腔式和内腔式.外腔式如图2（a）所示，激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离的。反射镜上有调整机构，可以随时进行调整。放电管的两端贴有布儒斯特窗片,是与毛细管轴线成布儒斯特角放置的平板玻璃,它即可密封放电管，又可减小光的损耗,还可使激光得到线偏振的激光输出.振腔与放电管分离，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。但由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便. 图2（b）半外腔结构示意图,两块腔镜中一块与放电管粘和固定在一起.
图2.（1）外腔式（2）半内腔式
本实验激光器为半内腔式激光器,输出镜为平面镜,与放电管固定,全反腔镜为平凹镜,凹
面都有高反膜,放电管长度为 ,全反镜与放电管间距可调,实验时可通过调节该镜俯仰角实现激光输出.
四、激光器的调整
实验内容
1.将曲率半径为50 cm全反射镜安装在镜架上,松动镜架固定螺丝,将镜架移动到距离放电管,
记录此时腔长.
2.用十字叉调光将激光调出:如图3所示,用白炽灯照十字叉丝板(叉丝中心为一小孔)，打开
放电管电源,使放电管处在工作状态，放电管向四周发射红光(思考此时发光原因),用眼睛在十字叉丝板背后通过小孔观察放电管，当眼睛适应放电管亮度后，可看到放电管内的亮白点，该白点半腔激光器另外一端的腔镜(输出镜)通过全反射镜及小孔所成的像点,移动叉丝板，使亮白点与出光孔同心，此时可认为小孔叉丝板与毛细管同轴;调节全反射镜俯仰角调节螺丝,使十字叉丝中心与亮白点中心重合,此时激光器应发射激光。(思考回答观测到十字叉丝像是怎样形成? 十字叉丝中心与亮白点中心重合意味什么?)
3.用功率计观察输出功率,同时调节腔镜俯仰角旋钮,时激光器输出功率达到最大,记录输出
功率.
4.将焦距为100 mm的凸透镜放置在光路中,使光束通过透镜中心,同时保持透镜与光束垂直,
观测照射到墙上光斑光强分布初步判断,激光横模是否为多模
5.改变输出镜位置,使腔长增加100 mm,调节腔镜俯仰角,使激光器输出功率最大,记录输出
功率.
三．激光纵模模式观测
1. 实验目的
1．了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。
2．通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
3．对本实验使用的分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。
2．激光器模的形成
激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式
将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布,由于自发辐射和受激辐射的作用,将有一定频率的光波产生,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大。被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小
功率的He-Ne激光器6328
A谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽
度约为1500MHz，只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。
而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即：
2μL＝qλ
q
（1）这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中，μ是折射率，对气体μ≈1，L是腔长，q是正整数，
每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布λ
q
，叫一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值。而关心的是有几个不同的q值，即激光器有几个不同的纵模。从式（1），我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数目。纵模的频率为
图1
L
c q
v q μ2= (2)
同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔
L
c
L
c v q 221≈
=
?=?μ (3) 从式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即腔越长，Δν纵
越小，满足
振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，Δν
纵
越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数
就越少，因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。
谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产生影响呢？答案是肯定的。这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次衍射。多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的干涉光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模
。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的迭加，下图是几种常见的基本横模光斑图样。
图2
总之，任何一个模，既是纵模，又是横模。它同时有两个名称，不过是对两个不同方向的观测结果分开称呼而已。一个模由三个量子数来表示，通常写作TEM mnq ，q 是纵模标记，m 和n 是横模标记，m 是沿x 轴场强为零的节点数，n 是沿y 轴场强为零的节点数。
前面已知，不同的纵模对应不同的频率。那么同一纵模序数内的不同横模又如何呢？同样，不同横模也对应不同的频率，横模序数越大，频率越高。通常我们也不需要求出横模频率，关心的是具有几个不同的横模及不同的横模间的频率差，经推导得
??
??????????????
--=??+?2
/1)1)(1(arccos 1221R L R L L c v n m πμ (4)
其中，Δm ，Δn 分别表示x ，y 方向上横模模序数差，R1，R2为谐振腔的两个反射镜的曲率半径。相邻横模频率间隔为
??
??????????????
--?=?=?=?+?2
/1)1)(1(arccos 12111R L R L v v q n m π (5)
从上式还可以看出，相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，例如上图分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定。腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。当腔长等于曲率半径时（L ＝R 1＝R 2，即共焦腔），分数值达到极大，即相邻两个横模的横模间隔是纵模间隔的1/2，横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率简并。 2.共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理
共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图1—2。反射镜的曲率半径R 1=R 2=L 。由于反射镜的反射率相当高，注入腔内的光束将在腔内多次反射形成多光束，经过两次往返程,光线闭合。从多光束干涉的角度来看，当波长为a λ的入射光束满足:
a a m L λη=4 （6）
时，光束间满足相干相长条件，该波长的透射率最大,而其邻近波长的激光透射率非常低，因此，透射极大的波长值和腔长值有一一对应关系，改变干涉仪腔长，就可以改变干涉仪透射率。（6）式中，η为折射率；L 为腔长。m 为一正整数，被称为干涉级数。
R 1
R 2
L
图3
为了改变干涉仪透射率，干涉仪上，R 1通常固定，而R 2装在一块管状压电陶瓷上。如果在压电陶瓷y 方向上加一周期性的信号电压，那么R 2将随压电陶瓷周期变形并沿轴向在中心位置附近做微小振动，因而干涉仪的腔长L 也做微小的周期变化。从（6）式看出，当L 变化时，干涉仪允许透射的光波波长也做周期的变化。因此干涉仪便对入射光的波长进行扫描。但从（6）可以看出当腔长由a L 变为b a L L =+4
λ时，(6)式变为:
a b a m L L ληλη)1(4)4
(4+=+ (7)
此时,波长为a λ的激光也具有最大透射率,但与(6)相比干涉仪的干涉级由原来的m 变为m+1。透射情况如图 所示。当扫描干涉仪腔长b a L L =+4
λ时，若波长为b λ的入射光束满足:
b b a m L L ληλη==+4)4
(4 （8）
波长为b λ的光束也有最大透射率，其对应的干涉级数为m 。因此当干涉仪腔长在从a L 到
b a L L =+4
λ扫描过程中，干涉级为m ，波长为a λ到b λ间的透射光不会出现重序，这里我们将
上述不重序的最大波长差或频率差称为自由光谱区，用F λ?或者F ν?表示。假如上例中l a 为
刚刚重序的起点，则λd -λa 即为此干涉仪的自由光谱范围值。经推导，可得
a
a
a b F l 4λλλλ=
-=? （9）
用频率表示，即为:
l
c
4F =
?ν （10） 在模式分析实验中，由于我们不希望出现图4中的重序现象，故选用扫描干涉仪时，必
须首先知道它的F ν?和待分析的激光器频率范围ν?，并使νν?>?F 才能保证在频谱面上不重序，即腔长和模的波长或频率间是一一对应关系。
自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为λ/4时所对应的扫描范围。因为光在共焦腔内呈x 型，四倍路程的光程差正好等于λ，干涉序数改变1。当腔长扫描范围为/42λ?，即两倍自由光谱区时，激光器的被增益曲线调制的纵模包络线将出现两次，如图4所示。
q
图4
只要注入光束的频谱宽度不大于ΔυF ，那么在干涉仪扫描过程中便能逐次透过，在干涉仪的后方使用光电转换元件接收透射的光强，再将这种光转换为电信号输入到示波器中，于是在示波器的荧光屏上便显示出如图4那样的激光频谱，不过在示波器的荧光屏上显示出的图4中，横坐标为时间轴，但任意两条谱线频率间隔与时间间隔成正比关系。如果已知激光谐振腔长度，根据上述频谱图像，可以确定扫描干涉仪的自由光谱区，具体方法为：根据激光谐振腔长度，利用（3）式可以计算激光器纵模间隔q ν?，利用示波器光标测量示波器荧光屏上显示激光器纵模q ν?与1+?q ν之间的时间间隔q t ?，以及图中中a λ与b λ两条谱线之间的时间间隔q t ?、q ν?、F t ?、F v ?四量满足下式：
F
q F q t t ??=
??νν （11）
三、实验仪器
实验装置如图2-8所示。实验装置的各组成部分说明如下：
1． He-Ne激光器,共两种:1):DH-HN250型腔长250 mm, TEM
模：２)由学生自行组装
00
半腔激光器输出特性由选择腔镜曲率半径和腔镜位置，以及腔镜清洁程度决定。
2．激光电源注意：严禁将激光电源正负极（由红黑两种线区分）接反。
3．小孔光阑。
4．共焦球面扫描干涉仪。使激光器的各个模按波长（或频率）展开，其透射光中心波长为632.8nm。仪器上有四个鼓轮，其中两个鼓轮用于调节腔的上下、左右位置，另外两个鼓轮用于调节腔的方位。
5．驱动器。驱动器电压除了加在扫描干涉仪的压电陶瓷上，还同时输出到示波器的X轴作同步扫描。为了便于观察，我们希望能够移动干涉序的中心波长在频谱图中的位置，以使每个序中所有的模式能完整地展现在示波器的荧光屏上。为此，驱动器还增设了一个直流偏置电路，用以改变扫描的电压起点。
图5 实验装置图
6．光电二极管。将扫描干涉仪输出的光信号转变成电信号，并输入到示波器Y轴。
7．示波器。用于观测He-Ne激光器的频谱图。
四、实验内容及步骤
v
A:观测DH-HN250型基横模激光器纵模模式，确定扫描干涉仪自由光谱区
F 1．按实验装置图连接线路。经检查无误，方可进行实验。
2．开启DH-HN250型激光器电源。
3．调节激光器高度，使其与扫描干涉仪大致同高，利用小孔光阑调节He-Ne激光管的高低、仰俯，使激光束与导轨平台平行，具体方法为：将小孔光阑放置在靠近选取激光器位置，通过调节小孔光阑下端平移台螺旋测微器旋钮，调节光阑左右位置，上下移动固定光阑金属杆调节小孔光阑高低，以便使激光束通过小孔光阑中心；再将小孔光阑沿导轨移动到远离激光器的位置，调节激光器的俯仰角控制螺丝，使激光束通过小孔光阑中心。重复上述步骤，
直到在两位置间移动时，光束都能通过小孔光阑中心。
4. 利用小孔光阑使使激光束通过小孔光阑。调节扫描干涉仪的上下、左右位置，使激光束正入射到扫描干涉仪中，再细调干涉仪上的四个鼓轮，使干涉仪腔镜反射回来的光点回到光阑的小孔附近（注意：不要使光点回到光阑的小孔中），且使反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合，这时入射光束与扫描干涉仪的光轴基本平行。
5．开启扫描干涉仪驱动器和示波器的电源开关。调节驱动器输出电压的大小（即调节“幅度”旋钮）和频率，在光屏上可以看到激光经过扫描干涉仪后形成的光斑。（考虑不开扫描干涉仪驱动器是否能够观测光斑）
注意：如果在光屏上形成两个光斑，要在保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合的条件下，调节扫描干涉仪的鼓轮，使经过扫描干涉仪后形成的两个光斑重合。
7．将光电二极管对准扫描干涉仪输出光斑的中心，调高驱动器的频率，观察示波器上展现的频谱图。进一步细调扫描干涉仪的鼓轮及光电二极管的位置，使谱线尽量强。
8．根据干涉序个数和频谱的周性期，确定哪些模属于同一个干涉序（具有相同m 值的不同纵模，可根据纵模间隔等进行确定）。
9．改变驱动器的输出电压（即调节“幅度”旋钮），观察示波器上干涉序数目的变化。改变驱动器的扫描电压起点（即调节“直流偏置”旋钮），使荧光屏上完整显示两个干涉序的所有模式（如图4所示）。
10. 利用光标测量荧光屏上F t ?、q t ?的数值，由于可以根据激光器腔长已知，q ν?可由（3）式计算获得，则根据（11）式，自由光谱区F ν?可由（11）式计算获得。 B. 测量半腔激光器腔长及输出横模模式
11．开启并调节半腔式激光器输出功率最大，按照以上介绍实验步骤（3）-(9)调节扫描干涉仪，观测根据自由光谱范围的定义，确定哪两条谱线之间对应着自由光谱范围..R S ν?(本实验使用的扫描干涉仪的自由光谱范围..R S ν?= 3.75GHz)。测出示波器荧光屏上与..R S ν?相对应的标尺长度，计算出二者的比值，既示波器荧光屏上1毫米对应的频率间隔值。
11．在同一干涉序内，根据纵模定义，测出纵模频率间隔1=??q ν。将测量值与理论值相比较 (注：待测激光器的腔长L 由实验室给出)。
提示：本实验使用的He-Ne 激光器发出的激光的偏振态有两个，它们互相垂直，相互独立。只有偏振态相同的纵模的间隔才符合（2-3）式。因此测量纵模间隔需要判断哪些模对应同一偏振态。
12．确定示波器荧光屏上频率增加的方向，以便确定在同一纵模序数内哪个模是基横模，哪些模是高阶横模。
提示：激光器刚开启时，放电管温度逐渐升高，腔长L 逐渐增大，根据（2-2）式，q ν逐
渐变小。在示波器荧光屏上可以观察到谱线向频率减小的方向移动，所以，其反方向就是示波器荧光屏上频率增加的方向。
13．测出不同横模的频率间隔n m ?+??ν，并与理论值相比较，检查辨认是否正确，确定
n m ?+?的数值。（注：谐振腔两个反射镜的曲率半径1R 、2R 由实验室给出）。
14．观察激光束在远处光屏上的光斑形状。这时看到的应是所有横模的叠加图，需结合图2-4中单一横模的形状加以辨认，确定出每个横模的模序,既每个横模的m 、n 值。 五、思考题
1．观测时，为何要先确定出示波器荧光屏上被扫出的干涉序的数目？ 六、注意事项
1．实验过程中要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。
2．开启或关闭扫描干涉仪的驱动器时，必须先将“幅度”旋钮置于最小值（反时针方向旋转到底），以免将其损坏。
2. 实验内容:
4.3共焦球面扫描干涉仪（电部分）使用说明
1接好工作负载电路（见仪器馈线连接指导），用馈线接通220V 电源; 2 将扫描‘幅度、频率、偏置’旋钮放置中间位置。
3按“开关电源”按钮，调节“扫描频率”旋钮，可改变锯齿波输出频率；锯齿波输出”和“锯齿波监测”有锯齿波输出；
4调节“扫描幅度”旋钮，改变“锯齿波输出”和“锯齿波监测”的锯齿波电压幅度 5调节“偏置调节”旋钮，可以改变偏压值；
6按“偏压开关”，则有电压加到锯齿波输出1和2上。“偏压显示”表头显示偏压值； 7使用完后，按“开关电源”按钮，关机。 注意事项:
1该电源负载为压电陶瓷类的高阻元件。不适用低阻负载。 2 偏压调节操作应缓慢，使电压缓慢加载到压电陶瓷上； 3 信号输出切勿短路，否则损坏电路。
4 该仪器出现问题，及时与厂家联系，不得自行拆卸；
六、注意事项
1．实验过程中要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。
2．开启或关闭扫描干涉仪的驱动器时，必须先将“幅度”旋钮置于最小值（反时针方向旋转到底），以免将其损坏。
四. 氦氖激光器横模模式及输出特性观测与测量
1. 实验目的
1. 利用CCD 观测单横模与多横模氦氖激光器横模模式光斑
2. 利用CCD 测量单横模氦氖激光器输出高斯光束特性
3. 初步掌握利用orgin 软件计算光束输出特性方法 2. 实验内容和原理
光束在激光谐振腔内多次反复传播过程中,由于衍射作用在谐振腔内形成稳定电磁场分布。将垂直于电磁场传播方向平面内的电磁场分布称为横模。图1中，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加。对于谐振腔内通常所存在的厄米高斯光束，激光的模式用mnq TEM 来表示，其中，m 、n 为横模的标记，q 为纵模的标记。m 是沿X 轴场强为零的节点数，n 是沿Y 轴场强为零的节点数。在多模激光器谐振腔内通常有多种不同的横模激光振荡,同时不同横模间存在模式简并(不同横模具有相同的振荡频率).因此激光谐振腔内振荡横模模式判断通常采用激光干涉扫描仪与CCD 观测激光横模光强分布相结合的方法确定。本实验将利用CCD 相机对激光横模光强分布加以判断，同时还将对单模氦氖激光输出特性进行测量。
对于多种横模模式中，基模高斯光束性质最为重要，其在任意位置z 处的光斑半径可以表示为:
))(
1())(1()(220202202λ
πωωωωz
f
z z +=+= 1
上式中,0ω为基模高斯光束束腰半径,为基模高斯光束光斑半径最小值.f 为描述基模高斯光束性质的物理量，被称为公焦参数,该数值也被称为基模高斯光束的瑞利长度,用zR 表示，其表达式为:
λ
πω2
0==zr f 2 从一式可以看出，光斑半径)(z ω随z 按双曲线规律变化，双曲线的两条渐近线间夹角θ2被称为基膜高斯光束的远场发散角，可表示为：
2)(2lim
2πωλ
ωθ==∞→z z z 3
可以证明，当取测量点zR f z 77=>时，远场发散角可以近似表示为：
z
z )
(22ωθ=
上式中，)(z ω为z 处光斑半径，可以证明用该值表示远场发散角误差小于1%.远场发散角还可以表示为: 2
121)
()(22z z z z --=
ωωθ
上式中, )(1z ω和)(1z ω为z 1和z 2处的光斑半径，z 1、z 2>7f 。实验中，利用CCD 相机可以测得基模高斯
光束光斑半径，根据以上两式就可以测得光束远场发散角。 3. 实验仪器
4. 实验内容:
一. 测量单模激光输出特性
1. 利用小孔光阑调节He-Ne 激光管(DH-HN250型)的高低、仰俯，使激光束与导轨平台平行，具体方法为(与纵模模式观测相同)：调节激光器高度，使其与扫描干涉仪大致同高,将小孔光阑放置在靠近选取激光器位置，通过调节小孔光阑下端平移台螺旋测微器旋钮，调节光阑左右位置，上下移动固定光阑金属杆调节小孔光阑高低，以便使激光束通过小孔光阑中心；再将小孔光阑沿导轨移动到远离激光器的位置，调节激光器的俯仰角控制螺丝，使激光束通过小孔光阑中心。重复上述步骤，直到在两位置间移动时，光束都能通过小孔光阑中心。
2.将3块滤光片和一块窄带滤波片放置在CCD 前端的支架内，再将CCD 放置于导轨上，使其与光束等高，连接CCD 电源，并将CCD 输出信号线连接到计算机上，将CCD 移动到紧贴氦氖激光器输出口位置，调节CCD 方位，使激光垂直照射到CCD 入孔中心，在计算机屏幕上找到激光光斑,测量光斑的直径,记录CCD 在导轨上的位置.
3.改变CCD 的位置,每隔5cm 测量不同位置光斑的大小，测量8个数据点
4. 选择某一位置，在计算机内记录存储光斑形状，打印后粘贴在实验报告上。
5. 利用origin 软件拟合氦氖激光器光斑半径随位置的变化曲线，并确定束腰半径的大小。（origin 软件用法单独讲解）
二. 观测多模激光横模光斑
1. 将反射镜R1放置于半腔镜靠近放电管位置,调节激光器出光最强.
2. 利用光阑调节半腔激光器,使之与导轨水平.(方法与上一节相同)
3. 将将2块滤光片和一块窄带滤波片放置在CCD 前端的支架内，按照上节所述方法调节
CCD 和激光器,使激光光斑显示在计算机屏幕上.
4. 在CCD 和激光器间放置偏振片,旋转偏振片使屏幕上光斑不出现饱和,根据光斑上光强分布初步判定激光输出是否是单模.
5. 存储记录光斑图像,答应后贴在实验报告上.(与单模贴在一起)
五. 半导体激光泵浦固体被动调
Q 激光器
一. 实验目的:
1. 训练半导体激光泵浦固体激光的装调
2. 测量半导体激光泵浦固体调Q 激光器输出特性 二. 理论：
半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser ，简称DPL ），是以激光二极管（LD ）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。
图1为泵浦源LD 发射光束空间分布光束，由于泵浦源LD 的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。本实验采用端面泵浦方式。图2为利用透镜组对于LD 发射光束进行整形的间接耦合装置示意图，半导体激光器（LD ）发射光束经光纤柱透镜对快轴方向发散光束进行准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光808 nm 的增透膜，耦合效率较高。
Optical
Slow axis
θ=10°
z
图.1 LD 发射光束空间分布示意图
图.2 LD 泵浦耦合装置
目前常用的调Q 方法有电光调Q 、声光调Q 和被动式可饱和吸收调Q,其中被动调Q 技术具有本实验采用的Cr 4+:YAG 是可饱和吸收调Q 的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、
脉宽小的巨脉冲。
Cr 4+:YAG 被动调Q 的工作原理为：图3为Cr 4+:Y AG 能级结构图，激发态能级E 1与基态E 0间能级差恰好等于谐振腔内振荡激光光子能量，Cr 4+:Y AG 晶体放置在腔内，当腔内激光振荡时,处于基态E 0能级的原子吸收振荡光子能量向E 1能级跃迁，Cr 4+:YAG 晶体对于激光有吸收作用，且吸收率与腔内光强的大小有关（透过率会随着腔内的光强而改变）。在激光振荡的初始阶段，增益介质的反转粒子数密度较小，腔内光强较弱，Cr 4+:YAG 内大部分原子处于基态E 0能级，Cr 4+:YAG 的透过率较低（初始透过率），Cr 4+:Y AG 在腔内产生较大的吸收损耗，增益小于损耗，谐振腔无法振荡，而增益介质的反转粒子数在泵浦作用下不断增加；当增益介质的反转粒子数增大到阈值反转粒子数时，谐振腔增益等于谐振腔损耗时，激光开始振荡，此时由于在Cr 4+:YAG 内，大部分原子仍处于基态E 0能级，激光通过可饱和吸收体的透过率仍为初始值（初始透过率），随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，基态E 0能级原子在受激吸收作用下跃迁到激发态能级E 1，基态原子数目减少，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，基态E 0能级原子被抽空时，可饱和吸收体的透过率最大，达到饱和。此时，Cr 4+:YAG 的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于增益介质反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr 4+:Y AG 的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr 4+:Y AG 的透过率也恢复到初始值，调Q 脉冲结束。以上为被动调Q 基本原理，Cr 4+:YAG 实际能级结构要比图3复杂。
νh
E 0
E 1
E 0
E 1
(a) (b) 图3可饱和吸收体能级: (a) 振荡初始阶段; (b)
能级达到饱和 3. 实验仪器
图4 被动调Q 激光装置示意图
图4为LD 泵浦Cr 4+:YAG 被动调Q 激光器结构示意图,半导体激光器(LD)被固定在半导体制冷器(TEC)上,LD 发射808 nm 泵浦光整形后耦合到Nd:Y AG 晶体内；Nd:Y AG 晶体左端面作为激光全发镜，镀808 nm 增透膜与1064 nm 高反膜(考虑为什么镀这样两种膜)，右端镀1064 nm 增透膜(T>99.5%)(考虑为什么镀这种膜？)。Cr 4+:Y AG 晶体被放置在激光谐振腔内，其两端镀有1064 nm 增透膜(T>99.5%)。输出镜为凹面镜，曲率半径为 ，透射率为 。
4. 实验内容
1. 摘除装置中的Nd：Y AG激光晶体与Cr4+:Y AG晶体，连接准直光源的电源，打开准直光源（650 nm 半导体激光器），调整准直光源的高低位置与方位，使准直光束照射到LD封装窗口的表面，并使窗口表面反射光束回到准直光源出光口。
2. 将Nd:Y AG激光晶体装入固定架，调节晶体在导轨上的前后位置及左右方位，使从LD发射的整形后的汇聚光束位于左侧端面的中央，同时使汇聚光束的束腰位于激光晶体内部，且非常靠近晶体的左端面。考虑为什么？
(以上两步由教师完成)
3. 调整激光晶体的俯仰角，使准直光源出光口位于Nd:Y AG激光晶体两个反射光斑中心位置。（为了抑制激光晶体的两端面形成激光谐振腔，形成所谓的寄生振荡，激光晶体两端面有一定夹角）
4. 将腔镜（平凹镜）固定在导轨上,使腔镜与激光晶体右端面间距离为10 cm，以确保能够在腔内放置被动Q晶体。调节腔镜使腔镜两表面内表面凹反射光束回到准直光源出光口，同时也使腔镜另一面（平面）反射光束也尽量靠近出光口。
5. 打开LD的驱动电源，缓慢增加电流至0.8 安，调节输出镜，同时用红外探片观测激光器是否出光，出光后调节腔镜使出光变强，然后将激光功率计放在输出镜后，调节腔镜使激光输出功率最大。（注意：红外探片仅用来观测功率较低输出光斑，当输出功率较高时，禁止将探片对准激光，以防止探片被烧毁）
6. 降低LD驱动电流，测量阈值，然后缓慢曾将电流每个0.2 A记录输出功率，直至驱动电流至1.8 A。将测量数据列表格，并画出输出曲线。（用origin软件画曲线）
7. 将LD激励电流调节到零，关闭电源，将Cr4+:Y AG晶体放入激光谐振腔内，调节晶体俯仰角使晶体表面反射光束回到准直光源出光口。此时可将准直光源去除。（1064nm激光长期打在准直光源内对光源有损害）
8.将激光功率计和光电探测器放置在输出镜后，开启LD泵浦电源，缓慢增大电流，用红外光探测器观测及光输出，当有激光输出时，移动功率计使激光射入功率计，继续增大电流至1 A，调节Cr4+:Y AG晶体使输出功率最大；
9. 降低驱动电流，测量阈值，比较加入Cr4+:Y AG晶体前后阈值变化；移去功率计，调节光电探测器使激光束入射到探测器中心，根据示波器输出激光脉冲的幅值，微调探测器，使激光脉冲最大；增大电流，每隔0.2 A测量输出功率、激光脉冲的频率和脉冲宽度，同时计算峰值功率，设计表格将上述测量和计算数据记录在表格内。
激光原理复习资料
1，全息照相是利用激光的相干性好特性的照相方法。 2，能够完善解释黑体辐射实验曲线的是普朗克公式, 3，什么是黑体辐射？写出公式,并说明它的物理意义。 答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。 公式： 物理意义：在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。 4，爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是自发 辐射、受激发射、受激吸收。 5，按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是（） A，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。 B，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光相干。 C，两个原子自发辐射的同频率的光不相干，原子受激辐射的光与入射光不相干。 D，两个原子自发辐射的同频率的光相干，原子受激辐射的光与入射光相干。6，Einstein系数有哪些？它们之间的关系是什么？ 答：系数：自发跃迁爱因斯坦系数A21，受激吸收跃迁爱因斯坦系数B12，受激辐射跃迁爱因斯坦系数B21
关系：，，f1, f2为E1, E2能级的统计权重(简并度)。7，自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（） A, B, C, D, 8，如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？ 答：光的相干性:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。 相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。 相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。 相干体积：如果在空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性，则称为相干体积。9，光腔的损耗主要有几何偏折损耗、衍射损耗、透射损耗和材料中的非激 活吸收、散射、插入物损耗。 10，若两块反射镜，其曲率半径分别为R1＝40cm，R2＝100cm组成稳定谐振腔，则腔长L的取值范围0≤L≤40cm或100≤L≤140cm 。 11，在激光谐振腔中一般有哪些损耗因素，分别与哪些因素有关？ 答：损耗因素 几何偏折损耗：与腔的类型、腔的几何尺寸、模式有关。 衍射损耗：与腔的菲涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。 腔镜反射不完全引起的损耗：与腔镜的透射率、反射率有关。 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。
半导体泵浦激光原理实验
半导体泵浦激光原理实验 理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人：余传祥 【实验目的】 1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。 2、掌握腔内倍频技术，并了解倍频技术的意义。 3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。 【实验仪器】 808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜（前腔片）、光功率指示仪 【实验原理】 激光的产生主要依赖受激辐射过程。 处于激发态的原子，在外的光子的影响下，从高能态向低能态跃迁，并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。 激光器主要有：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态，上的粒子通过无辐射跃迁，迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级，这样处于的粒子不断累积，上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现与能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，
部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。 激光倍频是将频率为的光，通过晶体中的非线性作用，产生频率为的光。 当外界光场的电场强度足够大时（如激光），物质对光场的响应与场强具有非线性关系： 式中均为与物质有关的系数，且逐次减小。 当E很大时，电场的平方项不能忽略。 ,直流项称为光学整流，当激光以一定角度入射到倍频晶体时，在晶体产生倍频光，产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比，通过非线性光学理论可以得到： 式中L为晶体长度，、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，所以相位失配，双折射晶体中的o光和e光折射率不同，且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变，可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散，实现相位匹配。 【实验装置】 图2 实验装置示意图
激光原理复习题答案
激光原理复习题 1. 麦克斯韦方程中 0000./.0t t μμερε????=-???????=+????=???=?B E E B J E B 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果？ 答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两个分别表 示电场和磁场的散度； (2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋 电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的; (3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 t E ??=? 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这 种交替的不断变换会导致电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？ 答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶 极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？ 答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？ 答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有 关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射 方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。
拉盖尔高斯光束经透镜传输光场计算
成绩评定表 学生姓名吴宪班级学号1109020117 专业光信息科学 与技术课程设计题目拉盖尔高斯光束经 透镜传输光场计算 评 语 组长签字： 成绩 日期20 13 年12 月 27 日
学院理学院专业光信息科学与技术 学生姓名吴宪班级学号1109020117 课程设计题目拉盖尔高斯光束经透镜传输光场计算 实践教学要求与任务: 要求： 1）角向节线0，径向节线2的拉盖尔高斯光束（共焦参数=12000倍波长）通过薄透镜； 2）薄透镜（前置圆形光阑）焦距=1500倍波长，光腰在透镜处； 3）光阑半径=120倍波长。 任务： 1）计算该拉盖尔高斯光束经过薄透镜后时的轴上光强变化，分析焦点变化； 2）计算该拉盖尔高斯光束经过薄透镜前时的径向光强变化，计算截断参数； 3）计算该拉盖尔高斯光束经过薄透镜后的径向–轴向光强变化； 4）撰写设计论文。 工作计划与进度安排: 1. 第一周教师讲解题目内容、任务和论文要求，学生查阅资料，星期四提出设计方案； 2. 第一周星期四到第二周星期三（包括星期六星期日）完成设计； 3. 第二周星期四上交论文； 4. 星期四教师审查论文，合格者星期五论文答辩。 指导教师： 2013年月日专业负责人： 2013年月日 学院教学副院长： 2013年月日
目录 摘要 (4) 设计原理 (5) 一．普通球面波的传播规律 (5) 二．高斯光束的基本性质及特征参数 (6) 三．柯林斯（Collins）公式 (7) 四．基模高级光束的特征参数 (6) 计算结果10 一. 计算该拉盖尔高斯光束经过薄透镜前时的轴上光强变化，分析焦点变化 (10) 二. 计算该拉盖尔高斯光束经过薄透镜前时的径向光强变化，计算截断参数 (11) 三．计算该拉盖尔高斯光束经过薄透镜后的径向–轴向光强变化 (12)
激光原理实验
激光技术及应用实验 Lasers Experiments 一、实验课简介 本课程是面向应用物理学专业学生开设的一门学科基础课程，在第五学期开设。本实验是在本科生接受了大学物理等系统实验方法和实验技能训练的基础上开设的，主要与理论课程《激光技术与应用》同步，训练学生的自主设计能力。该课程具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。 二、实验课目标 进一步加强学生的基本科学实验技能的培养，提高学生的科学实验基本素质，并与理论课程的教学融汇贯通，加深对理论课程学习的理解。通过本课程的学习，要使学生熟悉激光器的基本工作原理、激光振荡及放大的条件、高斯光束的变换，熟练使用几种常用激光器，如氦氖激光器、半导体激光器、脉冲激光器和可调谐燃料激光器。使学生通过实际动手操作，掌握激光器的一般构造，加深对激光特性的理解，了解激光在精密测量中的使用。 培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。提高学生的科学素养，培养学生积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作的优良品德。 三、实验课内容 实验项目一：气体激光器（3学时） 1. 实验属性：综合性实验。 2. 开设要求：必开。 3. 教学目标： （1）掌握气体激光器的主要结构和原理； （2）掌握气体激光器的调节方法； （2）了解激光输出的特性及其测量； （3）了解高斯光束的传播规律，掌握光束基本特性的测量。 4. 主要实验仪器设备：游标卡尺、开放式He-Ne激光器等。 5. 实验内容（至少做两个子项目）： （1）调节He-Ne激光器的谐振腔镜，获得激光稳定输出； （2）测量激光光束的发散角和束腰半径（选作）； （3）测量激光激励电压与激光输出功率之间的相互关系（选作）； （4）进行简单的高斯光束变换（选作）。 实验项目二：固体连续激光器（3学时） 1. 实验属性：综合性实验。 2. 开设要求：必开。 3. 教学目标：
激光原理考试复习资料
1.激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。刺激、激发，散发、发射，辐射 2.激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好： 3.激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。 4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硬目标。软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硬目标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。 软目标的回波机制： （1）Mie散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。因此是一种弹性散射。 （2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。 （3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。 （4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。 （5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。 硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。硬目标对激光能量的反射机制最为重要。 硬目标回波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射 1.机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等 2.机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地面点三维坐标的数学本质是：对一空间向量，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向量起
激光原理实验(山科大)
实验一 He-Ne 激光器模式分析 （一）实验目的与要求 目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。 要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。 （二）实验原理 1．激光器模的形成 我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用， 将有一定频率的光波产生，在腔内传播， 并被增益介质逐渐增强、放大，如图1-1所示。实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图1-2所示，图中)(νG 为光的增益系数。只有频率落在这个范围 内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中 图 1-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续 振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即 q q L λμ=2 （1-1） 式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长；q 为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q 称作纵模序数。q 是一个很大
的数，通常我们不需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的q 值，即激光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式 存在的， q 值反映的恰是驻波波腹的 图 1-2 光的增益曲线 数目，纵模的频率为 L c q q μν2= （1-2） 同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 L c L c q 221≈ = ?=?μν （1-3） 从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗， 使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、 镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图2-3所示，有五个纵模满足谐振条件，其中有两个纵模的增益小于损耗，所以，有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测，由于q 值很大，相邻纵模频率差异很小，一般的分光仪器无法分辨，必须使用 精度较高的检测仪器才能观测到。 谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产 生影响呢？回答是肯定的，这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次 图 1-3 纵模和纵模间隔 衍射，多次反复衍射，就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。图2-4中，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本
不得不看的激光原理试题考试必备
激光原理复习题(页码是按第五版书标注的，黄色底纹的页码是按第六版书标注的) 填空 6424''?= 简答 6636''?= 计算 121527'''+= 论述 11313''?= 1.什么是光波模式和光子态？什么是相格？Page5 答：光波模式(page5):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。这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢k 为标志）称为光波模式。 光子态(page6):光子在由坐标与动量所支撑的相空间中所处的状态,在相空间中，光子的状态对应于一个相格。 相格(page6):在三维运动情况下，测不准关系为3x y z x y z P P P h ??????≈，故在六位相空间中，一个光子态对应（或 占有）的相空间体积元为3x y z x y z P P P h ??????≈，上述相空间体积元称为相格。 2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度、相干面积和相干体积？Page7 答：光的相干性(page7):在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。 相干时间(page7)：光沿传播方向通过相干长度c L 所需的时间，称为相干时间。 相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。 ?相干面积： 相干体积(page7)：如果在空间体积c V 内各点的光波场都具有明显的相干性，则c V 称为相干体积。 3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？Page9 答：光子简并度(page9)：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。 光子简并度有以下几种相同含义(page9)：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。 联系：激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。 4.什么是黑体辐射？写出Planck 公式,并说明它的物理意义。Page10 答：黑体辐射(page10)：当黑体处于某一温度T 的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。 Planck 公式(page10)：3 3 811 b h k T h c e ννπνρ= - 物理意义(page10)：在单位体积内，频率处于ν附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。 5.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。Page10 答：(1)自发辐射 过程描述(page10)：处于高能级2E 的一个原子自发的向1E 跃迁，并发射一个能量为h ν的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。 特征：a) 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场νρ无关的自发过程,无需外来光。b) 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为ν，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。 自发跃迁爱因斯坦系数：211 s A τ= (2)受激吸收 过程描述(page12)处于低能态1E 的一个原子，在频率为ν的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为h ν的光子并向2E 能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。 特征：a) 只有外来光子能量21h E E ν=-时，才能引起受激辐射。b)跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的νρ有关。 受激吸收跃迁概率(page12)：1212v W B ρ=（12B 为受激吸收跃迁爱因斯坦系数，v ρ为辐射场） (3)受激辐射 过程描述(page12)：处于上能级2E 的原子在频率为ν的辐射场作用下，跃迁至低能态1E 并辐射一个能量为h ν的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。 特征：a) 只有外来光子能量21h E E ν=-时，才能引起受激辐射；b) 受激辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全相同。 受激辐射跃迁概率：2121v W B ρ=（21B 为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，v ρ为辐射场） 6.Einstein 系数有哪些？它们之间的关系是什么？Page13 答：系数(page11-12)：自发跃迁爱因斯坦系数21A ，受激吸收跃迁爱因斯坦系数12B ，受激辐射跃迁爱因斯坦系数21B
激光原理复习题重点难点
《激光原理》复习 第一部分知识点 第一章激光的基本原理 1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系 2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。 3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？ 4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？如何理解激光的空间相干性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？ 5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？ 4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？ 5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？ 6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？ 7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？ 8、如何理解激光横模、纵模？ 第二章开放式光腔与高斯光束 1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？ 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？ 3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？ 4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射 5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？ 7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义 8、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积 9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征 10、高斯光束的特征参数？q参数的定义？ 11、如何用ABCD方法来变换高斯光束？ 12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。 第三章电磁场与物质的共振相互作用 1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？ 2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？ 3、光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。 4、画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。建立相应能级系统的速率方程。 5、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。 6、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明它们的原理。
激光原理课程设计
激光原理课程设计 ——基于Matlab激光谐振腔模式模拟 作者: 光电0905 唐世豪 一、原理分析 1.基本原理 在分析激光器工作原理的过程中，谐振腔中的模式分布占据着重要的意义。经典的研究激光谐振腔内激光模式分布及传播规律的方法是，运用菲涅耳—基尔霍夫衍射积分公式。其关系式如式（1）： u x,y=ik 4π u x′,y′e?ikρ ρ 1+cosθ S ds′ (1) 式中，ρ为(x’,y’)与(x,y)连线的长度，θ为S面上点(x’,y’)处的法线和上述连线之间的夹角，ds’为S面上的面积元，k为波矢的模。 一般而言，腔长比镜面的线度大很多，(1+cosθ)/ρ近似取为2/L。同时，假定腔面的线度a远大于波长，被积函数中的e?ikρ不能简单的近似，我们只能根据不同几何形状的腔型来进行合理近似。于是，将公式（1）作用于开腔的两个镜面上的场分布，可以镜面S1上场u1(x′,y′)与镜面S2上场u2(x,y)联系起来，经过q次传播后，根据上述的假设有公式（2）： u q+1x,y=i λL u q(x′,y′)e?ikρ S1 ds′ (2) 对于对称开腔，当光波在腔内传播足够多次后（即在稳定情况下），镜面S1上光场传播到S2，出了表示振幅衰减和相位移动常数因子γ外，u q+1可以再现 u q ，形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布，即实现了模的“自再现”。简化后有公式（3）和（4）: u mn x,y=γmn K x,y,x′,y′ S1 u mn(x′,y′)ds′ (3) K x,y,x′,y′=ik 2πL e?ikρ(x,y,x′,y′)=i λL e?ikρ(x,y,x′,y′) (4) 2.Fox-Li数值迭代法 积分方程（3）和（4）的解通过数学证明是存在的，但是实际求解是很困难的，所以在大多数情况下只能使用近似方法求数值解。Fox-Li数值迭代法就是运用标量近似来分析模场特性。其运用的就是迭代的思想，其迭代公式为式（3）。 此方法的基本物理解释是将初始场分布视为由无数多个本征函数以一定比例叠加的结果，不同的本征函数对应不同的模式，在腔内往返渡越过程中，不同模的衍射损耗不同，经过足够多次往返渡越后，衍射损耗大的模受到的衰减程度比衍射损耗小的模大得多，当损耗大的模的贡献与损耗小的模的贡献相比可以忽略时，剩下的便是小损耗模的稳定场分布。 二、实现方案 1.计算流程 跟据原理进行迭代计算的设计，流程图如图（1）所示。运用Matlab设计实现Fox-Li 数值迭代法程序的编写。
激光原理实验
激光原理实验 指导老师陈钢 1实验目的：加深对激光原理理论概念的认识和理解，培养实验动手能力。 2实验内容： （1）谐振腔参数认识、调节，调节外腔式He-Ne激光器，使其激光输出，并达到最大值，记录相关实验结果，包括工作电流和激光功率； （2）光学谐振腔的稳定范围； （3）激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系； （4）波长选择，通过选频元件，调出可能的5条谱线，记录波长和相对功率； （5）横模特征观测与判断。 此5个内容，第一个大家都要做一遍，其余四个选两个做，但最好分配好，把每个内容 都做到。 3实验原理： 实验从调整基本装置开始，这部分内容老师讲解。只要调整好基本装置，就可以开始下面的各项实验。 3.1光学稳定性 He-Ne激光器的光学谐振腔是根据激活介质Ne以及所要求的光束质量而设计的。 稳定性的目标就是要获得尽可能好的光束输出，也就是基模高斯光束TEM 00模式。 一般来说，要获得高功率输出和较好的光束质量是两个相矛盾的要求，因为高功率输出需要较大的激活体积，而基模运转时的激活体积却被限制在他所要求的模体积之内。这也 就说明了为什么平凹腔对He-Ne激光器是最佳的结构。 3.2光学谐振腔的稳定范围； 实验可以这样进行，在激光稳定运转过程中，通过改变球面镜的位置，直到激光不能产生为止。球面镜位置改变的具体方法为：把球面镜调节支架上的固定螺丝轻微松动，同时又 使得它能够在轨道上保持静止不动。位置改变过程尽量保持不要破坏激光的振荡。重新固定 调节支架到新的位置，并且通过调节球面镜的垂直和水平调节螺丝，使得激光功率重新达到 最大值。重复这些过程，直到达到一个不能获得激光震荡的新位置为止。测量此时两面镜子 的距离，并与由稳定性条件给出的最大距离L进行比较。 0乞g l乜2乞1 g i =1and g2 =1 丄 R i R2 12 实验的测量方法如下，松开激光管支架的固定螺丝，使得它的位置可以在轨道上改变。第一步准直已经调节好了，在这个实验中要保证激光管支架的机械轴要和准直光给出的光轴
激光原理考试基本概念
激光原理考试基本概念 https://www.360docs.net/doc/699134173.html,work Information Technology Company.2020YEAR
第一章 1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν< c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）； d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 17、受激辐射的特点是： a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 18、受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 、概念题: 1?光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度 n 。（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。） 2?集居数反转：把处于基态的原子大量激发到亚稳态 E2,处于高能级E2的原子数就可以大 大超过处于低能级 E1的原子数，从而使之产生激光。称为集居数反转（也可称为粒子数反转）。 3?光源的亮度：单位截面和单位立体角内发射的光功率。 4?光源的单色亮度：单位截面、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率。 5?模的基本特征：主要指的是每一个摸的电磁场分布，特别是在腔的横截面内的场分布；模 的谐振频率；每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗；与每一个模 相对应的激光束 的发散角。 6?几何偏折损耗：光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，这种损耗为几何偏折 损耗。（其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸，其次几何损耗的高低依模式的不同而异。 ） 7?衍射损耗：由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径， 当光在镜面上发生衍射时所造成 一部分能量损失。（衍射损耗的大小与腔的菲涅耳数 N = a 2 / L 入有关，与腔的几何参数 g 有关，而且不同横模的衍射损耗也将各不相同。 ） 8?自再现模：光束在谐振腔经过多次反射，光束的横向场分布趋于稳定，场分布在腔内往返 传播一次后再现出 来，反射只改变光的强度大小，而不改变光的强度分布。 9?开腔的自再现模或横模 :把开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再 现模或横模。 10.自再现变换：如果一个咼斯光束通过透镜后其结构不发生变化 ，即参数3。或f 不变，则称 这种变换为自再现变换。 11?光束衍射倍率因子 M 2定义：实际光束的腰半径与远场发射角的乘积与基模高斯光束的 腰半径与远场发散角的乘积的比。 12?均匀加宽：如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的 ，则这种加宽称作均匀加宽。 （均匀加宽，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，或者说，每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。包括自然加宽、碰撞加 宽及晶格振动加宽。） 13?非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观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，这种加宽称作均匀加宽。 （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非均匀加宽。 ） 14?表观中心频率：沿z 方向传播的光波与中心频率为 °并具有速度 z 的运动原子相互作用 16. 反转集居数的烧孔效应：一定频率v 和光强i 的光入射时使表观中心频率在一定范围内的 粒子有饱和作用， 在反转集居数曲线上形成一个以 v 为中心的孔的现象称为反转集居数的烧 孔效应。 17. 空间烧孔效应 ：轴向各点的反转 集居数密度和增益系数不相同 ,波腹处增益系数 （反转集居 数密度 ）最小 ,波节处增益系数 （反转集居数密度 ）最大。这一现象称作增益的空间烧孔效应。 15.反转集居数的饱和： 0 r 0 反转集居数 n n ，当I 1足够强时，将有 n n 0 , I 1越 1 I 1 I s （ 1） 时，原子表现出来的中心频率为运动原子的表观中心频率。 强，反转集居数减少得越多，这种现象称为反转集居数的饱和。 激光应用课程设计报告 大范围激光防盗报警器设计 姓名： 班级： 学号： 指导老师：日期：2012.12.10～2012.12.21 华南农业大学工程学院 摘要 防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。 本设计论文从硬件和软件两方面对系统进行了详细的设计。介绍了系统的构成，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件。通过555产生振荡，让74LS90不停的计数，大概50S左右清零计数器，产生一个进位去控制关蜂鸣器和停止延时电路的计数。通过控制电路控制NPN三极管的截止和导通，来控制蜂鸣器的鸣响。系统硬件电路简单、安装方便、操作简单，并且具有低成本的优点，可适用于各种类型的住宅和人群。 关键字: 防盗报警蜂鸣器激光报警器 目录第一章绪论 1.1 设计背景 1.2 报警器的分类 1.3 设计要求 第二章系统设计方案 2.1 总体方案及设计原理 2.2 所需器材 2.3 实验电路及说明 第三章.总结与发展趋势 1.1 设计背景 随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。同时，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出增长趋势，传统的依靠安装防盗门窗、或靠人防的防范方式已经越来越不能满足人们的要求。于是各种自动报警系统应运而生，被广泛地应用于需要高安全要求的各种场所。 激光引入安防系统的优异性，激光是一种高亮度的定向能束，单色性好、方向性好、具有优异的相干性。因此，激光不会象无线电波、红外光那样，受到背景、不同温度物体的干扰，无线电波也容易受电磁波的干扰，即抗干扰能力强。 ①激光是一种特殊光源与普通光不同②强穿透、远距离③抗干扰、不误报、不漏报④体积小、易隐蔽⑤用人眼看不见的激光设防，保密性好，难回避⑥可兼容各种形式的探测器同时探测⑦耗电少寿命长。主要针对户内外大型公共场所，如厂矿企业、大型油田、图书馆、银行、博物馆、展览馆、学校、养殖场、监狱以及有重要物品的商铺和仓库等，同样使用在家庭防盗上也更有安全保证！此方案有着较大的未来经济效益。 1.2 报警器的分类 （1）报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外\微波报警探测器、玻璃破碎报警器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。（4）防盗探测器是否采用电源分类可分为无源和有源两种。（5）从防盗报警器与报警主机（后端处理器）的连接方式可分为有线与无线。除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。报警探测器作为传感探测器，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。 激光原理期末知识点总复习材料 2.激光特性：单色性、方向性、相干性、高亮度 3.光和物质的三种相互作用：自发辐射，受激吸收，受激辐射 4.处于能级u 的原子在光的激发下以几率 向能级 1跃迁，并发射1个与入射光子全同的光子，Bul 为受激辐射系数。 5.自发辐射是非相干的。受激辐射与入射场具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同方 向传播，因而具有良好的相干性。 6.爱因斯坦辐射系数是一些只取决于原子性质而与辐射场无关的量，且三者之间存在一定 联系。7.产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态 8.产生激光的充分条件：在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强Is 9.谱线加宽特性通常用I 中频率处于ν～ν+d ν的部分为 I(ν)d ν,则线型函数定义为线型函数满足归一化条件： 10.的简化形式。11. 四能级比三能级好的原因：更容易形成粒子数反转 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ? ?--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul ul B W =1 )(=?∞ ∞-ννd g 1 21212)(-+=S A τ建议收藏下载本文，以便随时学习！ 12 E 2 1 12.13.14.15.程的本征函数和本征值。研究方法：①几何光学分析方法②矩阵光学分析方法③波动光学 分析方法。处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔。 16.腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场 分布称为谐振腔的横模。 17. 腔长和折射率越小，纵模间隔越大。对于给定的光腔，纵模间隔为常数，腔的纵模在频率尺上是等距排列的 不同的横模用横模序数m,n 描述。对于方形镜谐振腔这种轴对称系统来说，m,n 分别表示 沿腔镜面直角坐标系的水平和垂直坐标轴的光场节线数。对于圆形镜谐振腔这种旋转对称 系统来说，m,n 分别表示沿腔镜面极坐标系的角向和径向的光场节线数。 18. 腔内光子的平均寿命就等于腔的时间常数。 19. δ：平均单程损耗因子，τR ：腔的时间常数，Q ：品质因数，三个量都与腔的损耗有 20. 21.共轴球面腔的稳定性条件： 当g 1g 2=0或1时是临界腔，当g 1g 2>1或<0时是非稳定腔。 22.所谓自再现模就是这样一种稳定场分布，其在腔内渡越一次后，除振幅衰减和相位滞后 外，场的相对分布保持不变。 学习必备欢迎下载 《激光原理》复习 第一部分知识点 第一章激光的基本原理 1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系 2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。激光器有哪些类型？ 如何对激光器进行分类。 3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同 一概念吗？何谓光子的简并度？ 4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？如何理解激光的空间相 干性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？ 5、 EINSTEIN系数和 EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出 EINSTEIN 关系？ 4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？ 5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？ 6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？ 7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？ 8、如何理解激光横模、纵模？ 第二章开放式光腔与高斯光束 1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？ 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？ 3、如何理解无源谐振腔的损耗和 Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么 是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？ 4、写出（ 1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（ 3）凹面镜反射 5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？ 7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义 8、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑 的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积 9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中 高斯光束的特征 10、高斯光束的特征参数？q 参数的定义？ 11、如何用 ABCD方法来变换高斯光束？ 12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。 第三章电磁场与物质的共振相互作用 1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽 和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？ 2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？ 3、光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物 质的线型函数。 4、画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。 建立相应能级系统的速率方程。 5、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。 6、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明它们的原理。激光原理问答题复习资料
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