西南科技大学激光原理重点.docx

1. 开放式光学谐振腔损耗种类描述：(1) 几何损耗：不平行于光轴的光线在某些几何结构腔的腔内经有限次往返传播后，有肯能 从 腔的侧面偏折出去，即使平行于光轴的光线仍然也存在有偏折出腔外的可 能 其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸其次，几何损耗的高低依横膜 阶次的 不同而异2) 衍射损耗：由于反射镜几何尺寸有限，因而光波在腔内往返传播时必然因腔镜边缘的衍射 效 应而产生损耗当在腔内插入其他光学元件，还应考虑其边缘或孔径的引起的 损耗3) 腔镜反射不完全引起的损耗： 包括镜中的吸收、散射以及镜的透射损耗4) 非激活吸收散射等其他损耗： 因为激光通过腔内光学元件和反射镜发生非激活吸收、散射等引起 前两种损耗常称为选择性损耗，它随不同横膜而异后两种损耗称为非选择性 损 耗，与光波的模式无关2. 传输矩阵对谐振腔稳定区域的判定按照光线传播通过的光学器件和空间将谐振腔从左至右相乘：~A\BlA2 B2A3 B3A4 B4ABCl DIC2 D2C3 D3C4 D4可得ABC D,稳定性条件为：-1<1/2 (A+D) <1 将矩阵带入，可得0<(1-L/R ) (I-L/R2XI3. 传输矩阵计算:取某一光学元件传输矩阵为 M 二则一束初始坐标为"方向「的光束通过该光学元件后的坐标参数与方向:4.Ab ‘C Dq因子用法及计算公式肿心x\01光束在谐振腔中循坏一周的变换矩阵ABCD为:1 0-2//?2 1A2 B2C2 D2A\Bl -Cl D\1 0-2/R2 ID\ BlCl AlC2 A2.设高斯光束从腔内某一参考面P出发时复参数为q,在腔内往返一周后其复参数 的q则按复参数传输的ABCD定律式可得：q‘ -Aq+B/Cq+D根据高斯光束在腔内形成自再现模的条件为：q 二 Aq+B/Cq+D对 q 求解：1/q=1/R-i (X/n w2)o可得高斯膜在参考面上的曲率半径R和光斑半径3为：R二2B/D-Au>2= (X/n) (2B/J4 - (A + D)\ 同时可得束腰到参看面的距离z与腰斑半径3。

入Rz=R/1 + (no)2)2 二 B(D-A)/2(1-AD)—〒 B&4_ (A + D〉2u) 2 =1+ (审〉二 2K (1—AD) \o模式匹配：将前后两个谐振腔的本征模式匹配，避免发生模的交叉激发作用而使 损耗 增加，激发起系统的多模5 谱线加宽的定义，种类及线性函数： 定义：介质自发辐射光谱中每一条谱线是在其对应的原子能级间跃迁的波尔频 率 附近呈现出某种频率分布自发辐射的这种特性通常称为光谱线的加宽线性函数： pcoIo :自发辐射总功率 I(V):频率分布g(v, Vo) = I(V)/ I o= A21 (V)/ A21A2I (v) = A21g(v. v0)g(v, Vo)光谱线轮廓形状I (v) = l°g(v, V)，满足的归一化条件Ls£(v,vO)dv二1，可将线性函数理解为自发 辐射跃迁几率按照频率V的分布函数从巳至能级自发辐射跃迁总几率为A21,其中分配在频率V处的单位频率间隔内的跃 迁几率记为 A“ (v)o%为光谱线中心的频率，v为白极值点，看做光谱线宽度，v/v是度量自发辐射场单 色性的优劣自然加宽：跃迁几率由原子字激发态的平均寿命决定，是原子本身的固有性质。

自 然加宽可看做介质中一个孤立，静止的原子在自发辐射时所产生的光谱线加 宽，是 自发过程所固有的，其光谱线具有最小值寿命加宽：原子处于激发态E2的寿命不仅取决于E2到E1间的辐射跃迁的纯辐射 寿命，还与其他的能量衰减过程有关这种由能级总平均春命所决定的光谱线 加宽 通常称为寿命加宽线性函数和线宽取决于原子激发态的平均纯辐射寿命或 平均总 寿命碰撞加宽：辐射原子间，辐射原子与其他辅助气体原子间的碰撞会导致发光过程 中 广场的相位随即调制的紊乱，导致引起辐射能量衰减率増大碰撞改变了原子 的能 量状态，缩减了原子处于激发态的平均寿命导致光谱线在自然加宽的基础 上进一 步被加宽多普勒加宽：由光波的多普勒效应引起的光谱线加宽固体离子掺杂型激光介质中的谱线加宽：发光的工作粒子以离子形式掺杂于晶体 或 玻璃基质中，晶格场热振动所引起的频率调制加宽和晶格随机缺陷所引起加 宽 壽体激光介质中谱线加宽机制：发光物质以分子形式溶解于液体中，由于液体介 质具 有流体性质且较高密度，工作分子受其他离子碰撞几率大，时间短，引起加 宽 均匀加宽：自然加宽、碰撞加宽、压力加宽、热声子加宽(引起谱线加宽物理 因素.对介质中每个粒子相同。

) 非均匀加宽：多普勒加宽、晶格随机缺陷加宽 (对每个粒子影响和贡献度不同) 差别：(1) 从谱线加宽角度，均匀加宽谱线介质中各粒子间不可区分非均匀加宽粒 子 可区分2) 均匀加宽谱线每个发光粒子对介质整体谱线内任一频率贡献相同非均匀 加 宽谱线中某类发光粒子只对某一特定频率有贡献3) 均匀加宽谱线整个介质线性和线宽与任一单个粒子相同，非均匀加宽某类 粒 子谱线加宽型与线宽不等于所有粒子集合4) 当某一频率准色光与介质互相作用，均匀加宽介质中每个工作粒子有相 同受 激跃迁和极化强度非均匀加宽介质入射场仅与介质中表观中心频率与其频 率相应 的某类粒子发生共振并引起受激跃迁7调 Q 的原理过程方法：调Q是采用一定的技术和装潼来控制激光器谐振腔的Q值按一定的程序和规律变 化，从而达到改善激光脉冲的功率和时间特性的目的调 Q 通常都是对谐振腔的损耗的调制来实现当泵浦激励刚开始时，激光器处于高损耗低Q值的状态，此时激光器具有高的阀 值在泵浦激励下，此时介质中的原子集居数反转及腔内储能随时间増大并提 高到某 个较通常激光器大得多的水平上，但由于高的震荡阀值而不能产生激光震 荡当泵浦 结晶终了，介质中的原子集居数反转已达到最大时，突然降低谐振腔 的损耗到正常 值，使激光器处于低损耗高 Q 状态，激光器的震荡阀值亦降低到正 常水平。

由于此 时激光介质中的集居数反转远大于阀值，激光震荡迅速形成，腔 内光子数从最初自大 辐射噪声水平立即以非常快的速率増长并形成一个巨脉冲 激光震荡激光震荡的迅 速増大致使在一个很短的时间内就消耗掉反转原子，介 质的增益便迅速下降当达到 新的腔损耗值时，激光震荡模的光子数达到极大值， 继而由于介质増益的继续饱和而 使增益低于阀值，激光迅速熄灭于是，在激光 器中就形成了一个调 Q 激光巨脉冲 输出Q二2 rw 3/d 3二谐振腔内储存能量/没震荡周期损耗的能量调Q的方法：(主动式 调Q)：电光调Q、声光调Q、转镜调Q被动式调 Q 开关八 染料调 Q激光锁模按照调制的分类，物理本质，对模式的要求： 按照其工作原理可以分成主动锁模，被动锁模，同步泵浦锁模，注入锁模，对撞锁模 及其组合方式激光锁模：由于不同振荡模式皆由不同的自发辐射噪声光子经由介质中受激辐射 放 大形成因此各模式振幅、初始相位一般无确定关系且不相干经对激光器进步一压缩获得更小时间量级的激光脉冲利用锁模技术对激光束进 行 调制使不同振荡模式具有确定的相位关系，使振荡模的频率间隔保持一定，初 始相位 关系保持一定，诸多模相干叠加可得到超短脉冲。

当诸纵膜实现相位锁定 且振幅相等 时，激光器将输出周期性脉冲序列物理本质：将谐振腔的纵膜按纵膜间隔的频率做幅度调制，以强制各纵膜间保持 确 定相位关系并是相邻模间频差相等要求模式和其他模式保持固定相位11. 激光纵膜的计算方法：C纵膜：波峰波谷数量 九二％ LVf駆 横膜（边界条件+频率分布）：横截面花纹12. 说明激光的基本特性？说明描述激光的时间相干性的两个物理量以及两者 之间 相互关系？（7分） 答：激光具有单色性好、方向性好、良好的相干特性以及亮度高的特性3 分） 描述激光时间相干性的物理参量为相干时间T和相干长度L,两者之间的相互关系为 L = c「,上式中c为光速4分） 13光与物质存在那三种相互作用？激光放大主要利用其中那种相互作用？说 明在 激光产生过程中，最初的激光信号来源是什么？（10分） 答：光与物质间相互作用为：自发辐射、受激发射和受激吸收 （3 分）激光放 大 主要利用其中的受激发射（3分）激光产生过程中，最初的激光信号是激光 介质 自发辐射所产生的荧光激光介质自发辐射所产生的沿轴向传播的荧光反复 通过激 光介质，当增益大于损耗时，这些荧光不断被放大，最后形成了激光发射。

4 分） 14说明均匀增宽和非均匀增宽的区别？说明为什么均匀增宽介质内存在模式竞 争？ （10分） 答：均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献，所有 原子对 发射谱线上每一频率的光波都有相同贡献，所有原子的作用相同；非均匀 增宽介质发 射的不同的光谱频率对应于不同的原子，不同的原子对中谱线中的不 同频率有贡献， 不同原子的作用不同的（5分）均匀增宽激光介质发射谱线为 洛仑兹线型，中心频 率处谱线增益最大，该频率处附近纵模优先起振，山于均匀 增宽介质内每一个原子对 谱线内任一频率光波都有相同的贡献，中心频率处纵模 振荡发射激光将引起激光上 能级原子数下降，激光增益曲线形状不变，但整体下 降，当中心频率处纵模增益降低 为激光振荡阈值时，该处纵模稳定输出，其它频率的纵模增益都小于阈值，无法振荡15•说明激光谐振腔损耗的主要来源？答：激光谐振腔损耗可以分为：1.内部损耗：来源为激光介质不均匀所造成的散射 以及激光介质本身的吸收损耗（2 分）；2.腔镜损耗：来源为腔镜投射损耗、 腔镜的 衍射损耗以及腔镜的吸收损耗16.画出声光调Q激光器原理图，说明声光调Q基本原理？（10分）答：首先Q开关关闭，腔内声光晶体衍射产生的损耗高，腔内Q值低，激光振荡阈值高，激光不振 荡，上能级聚集大量反转粒子：Q开关迅速开启，腔内损耗迅速下降，Q值急剧升高，阈值迅速下 降，反转粒子数远大于阈值反转粒子数，上能级聚集大量反转粒子变为峰值 功率很髙的激光脉冲。