激光原理与技术各章重点(基本补全)

激光原理与技术期末总复习 第1章

1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布)

2.激光产生的充分条件(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) 3.饱和光强

定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强 2

S2

u1uu1u4.谱线加宽的分类:

均匀加宽和非均匀加宽 1112??H?(Aui?A1j?u?1?) 2?i?1?1?2j 2(ln2)kT1/2T?7???2?[]?(7.16?10)?D00 MNMc2

两种加宽的本质区别？ 5激光器泵谱技术的分类: 直接泵谱

缺点：首先从基态E1到激光上能级E3往往缺乏有效途径，即B13（对光泵浦）或σ13（对粒子泵浦）太小，难以产生足够的增益；其次即使存在E1?E3的有效途径，但同一过程可能存在由E1到激光下能级E2的有效途径，结果是W12/W13太大难以形成粒子反转分布。这些缺点是直接泵浦方式对很多激光器来说是不适用的。 间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式)

间接泵谱的优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而，Ei上很容易积累大量的粒子；其次，在有些情况下，将粒子从基态激发到Ei的几率要比激发到Eu的几率大得多，这就降低了对泵浦的要求；最后，依据选择定则，可以使Ei向Eu的弛豫过程比Ei向激光下能级Ei的弛豫过程快得多 6..频率牵引

有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率 7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？ 8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？ 9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度) 10. 证明光谱线型函数满足归一化条件

8??h?h?I??cA???????????证明:

则 ??g(?)d??1 ??11.激光器的输出特性。（43页） ？？？

第2章

1.光学谐振腔的分类和作用

分类：能否忽略侧面边界，可将其分为开腔，闭腔以及气体波导腔 按照腔镜的形状和结构，可分为球面腔和非球面腔 是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面，可以分为简单腔和符合腔

I??I(?)d???Ig(?)d??I?g(?)d??1???????

根据腔中辐射场的特点，可分为驻波腔和行波腔 从反馈机理的不同，可分端面反馈腔和分布反馈腔 根据构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔 作用：①提供轴向光波模的光学反馈； ②控制振荡模式的特性 2.光学谐振腔的损耗

分类:几何损耗、衍射损耗、输出腔镜的透射损耗和非激活吸收、散射等其他损耗

计算: 单程损耗：

???1?L?2m2D( D为平平腔镜面的横向尺寸（反射镜的直接）β两镜面直接的小角度L两镜面

直接的距离（腔长）)

单程衍射 p59开始带图

3.推导平平腔的两个相邻纵模的频率间隔

c??q??q?1??q?/

2L

证明：

2?

????2L/?q?2? ?0 /2L ?q?q c?q?q?/ 2L c

??q??q?1??q?/ 2L4.以平-平腔为例理解光学谐振腔横模的形成过程

5. 用g参数表示的谐振腔稳定性条件 0?g1g2?16..高斯光束

高斯光束既不是平面波、也不是一般的球面波，在其传播轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。在传播过程中其曲率中心和曲率半径不断改变，其振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性，强度集中在轴线附近，且等相面始终保持为球面。

计算: ?L??0 2?

?zz w(z)?w01?(2)2?w01?()2?w0zR

?w022zR2R(z)?z[1?()]?z[1?()] ?zz ?2???2?0 ?f??.0 11???i2 q(z)R(z)?w(z)

第3章

1.激光器的基本结构

激光器由工作物资、泵浦源、和光学谐振腔三个基本部分构成 工作物资：是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射、放大的源泉之所在 泵浦源：为工作物质中实现粒子反转分布提供所需能源，工作物资类型不同，采用的泵浦方式亦不同 光学谐振腔：为激光振荡的建立提供正反馈，同时具有选 模的作用，光学谐振腔的参数影响输出激光束的质量

2.激光器的分类 工作物质：气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器、化学激光器、自由电子激光器 工作方式：连续输出和脉冲输出

3.He-Ne激光器按谐振腔与放电管的放置方式分类: 内腔式、外腔式、半内腔式

4、He-Ne激光器最佳充气条件：最佳充气总气压与最佳He、Ne气压比 5、氦－氖激光器的谱线竞争及抑制３.３９um谱线可以采用的方法？ 6.CO2激光器输出特性的显著特点？

①输出功率或能量相当大，能量转换效率高

②输出波长分布在9~18μm，9~11μm红外波段中最重要的输出波长10.6μm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 7、LD泵谱固体激光器的优点.

①光谱匹配性好②固体激光器总体效率高③固体激光器体积小，结构简单，装调方便，使用寿命长 8. LD泵谱固体激光器的结构和原理？ 结构：直接端面泵浦：

光纤耦合端面泵浦： 侧面泵浦: 原理：?？？？？

9.He-Ne激光器半内腔式结构中,加入布鲁斯特窗的作用是使激光器可获得线偏振光输出.偏振度一般大于99%.

第 9章

10.调Q和锁模的区别（脉宽和峰值功率）,：调Q技术是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术

11调Q技术可将激光器脉宽压缩至纳秒量级（峰值功率达10^6W以上）锁模技术则可将激光脉宽进一步压缩至皮秒或者飞秒量级

12谐振腔的品质因数Q Q?2??0?腔内存储的激光能量E2?nL =2??0??每秒损耗的激光能量?Ec/nL??013调Q的基本原理？（267页）？？？？？=

14调Q激光器的储能方式分类？

①工作物资储能调Q ②谐振腔储能调Q

15带偏振器的Pockels电光调Q激光器的结构和工作原理、关键问题和解决的方法？ 结构：

工作原理

关键问题：①做好“关门”试验。调Q激光器安装好后，给KD*P电光晶体加恒定的V1/4电压，并绕其光轴转动晶体，打激光。反复微调电光晶体，直至其x轴（或y轴）与偏振棱镜的起偏方向平行、同时，适当微调Vλ/4电压值，直至发射激光时，激光器完全不能振荡。说明电光Q开关已处于完全闭的状态。

②准确调整Q开关打开的延时时间。接通电光晶体上的高压退压电路。发射动态激光，微调氙灯开始泵浦到退去 V1/4电压之间的延迟时间电位器，边测量激光的强弱，边微调延时电位器旋钮，直到激光器输出最强为止

16可饱和吸收染料调Q原理？是利用可饱和吸收介质的吸收特性，将其置于谐振腔内，通过控制腔内的吸收损耗来实现Q值突变。

17锁模的定义包含的两个方面的内容：各种振荡纵模初相位锁定，即?q?1??q?常数；

各振荡纵模频率间隔相等并固定为??q=c/2nL

18锁模脉冲的特性（熟悉）？？？？？？？

19实现锁模的主要方法？主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、自锁模

20相位调制锁模中相位调制器的作用？一种频移,即振荡光波每一次通过相位调制器便会产生一定的频移、除特殊时刻外没经过调制器的光波频移为零外，其余时刻通过的光波，每经过调制器一次，便产生相对于中心频率v0向大或向小的方向的频移。

21同步泵谱锁模是通过调制谐振腔内的增益来实现的，

22同步泵谱锁模的定义和要求？ 用一台锁模激光器输出的锁模脉冲序列为种子脉冲，去泵浦另一台激光器并实习锁模，称为同步泵浦锁模，要求被泵浦激光器与泵浦激光器两者之间谐振腔长度相等或是其整数倍

23主动锁模的基本原理？在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。

第7章 1．光学倍频的定义

又称光学二次谐波，是指由于光与非线性媒质

（一般是晶体）相互作用,使频率为的基频光转变为2的倍频光的现象。这是一种常见而重要的二阶非线性光学效应 2．相位匹配因子

?k?k2?2k1?

4??1(n2?n1)

3．增大倍频转换效率可采取的措施？倍频转换效率正比于入射的基频光波的光强I1(0)，

倍频转换效率正比于有效倍频计划系数的平方deff

4．相干长度

在△k=0的情况下，即实现相位匹配的条件下倍频转换效率最高 倍频转换效率正比于包含L的“sinc”函数的平方 倍频转换效率与非线性晶体的长度有关，

2

Lc?

??k??k2?2k1??14(n2?n1)

5．实际应用中常采用的两种实现相位匹配的方法？（297页）

（1）角度相位匹配：是使参与非线性相互作用的光波在非线性介质的某个特定方向上传播，该方向上基频光波和倍频

光波的折射率相同。

（2）温度相位匹配：非线性晶体的所有四个参数n1on1en2on2e都与温度有关，原因是外部因素的改变会影响晶体的晶格空间，从而导致折射率的变化。因此对于某些非线性晶体可以通过改变晶体的温度实现相位匹配（△k=0）。当然这种情况下θ的选取也很重要，一般情况下温度相位匹配选在θ=90°的情况下实现，通过改变飞线性晶体的温度可以在不同的波长处满足△k=0和θ=90°的条件。这种实现90°方向上的相位匹配方法也称为非临界相位匹配，实现90°相位匹配所需的温度称为相位匹配温度。在非临界相位匹配条件下，倍频离散效应不再存在

6．倍频工作物质的选择原则？（303页）

1.不具有对称中心2.具有较大的非线性极化系数3.能以一定的方式实现相位匹配4.所选用的非线性晶体应对基频光和倍频光透明5.为了使倍频晶体能承受足够的基频入射功率，要求晶体的抗破坏阈值要尽可能高。

7．光学倍频系统的组成？（305页）

由1产生基频光波的激光器2倍频晶体3相位匹配系统三部分组成

8．实现倍频的两种方式：腔内倍频和腔外倍频） 计算题：作业。

考试题型：1.填空题20分 2.判断题 10分

3.简答题 （4题）30分

4.计算题（包括证明）5-6题 40分

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