1.什么是光波模式
答:光波模式:在一个有边界条件限制的空间内,只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。这种能够存在于腔内的驻波(以某一波矢为标志)称为光波模式。
2.如何理解光的相干性何谓相干时间、相干长度答: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。
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
答:光子简并度: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: 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。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。
5.描述能级的光学跃迁的二大过程,并写出它们的特征和跃迁几率。
答:(1)自发辐射:处于高能级的一个原子自发的向跃迁,并发射一个能量为hv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V,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:
(2)受激吸收:处于低能态的一个原子,在频率为的辐射场作用(激励)下,吸收一个能量为的光子并向能态跃迁,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,还与辐射场的有关。受激吸收跃迁概率:(为受激吸收跃迁爱因斯坦系数,为辐射场)(3)受激辐射:处于上能级的原子在频率为的辐射场
作用下,跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。
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:(为受激辐射跃迁爱因斯坦系数,为辐射场)
6.激光器速率方程中的系数有哪些它们之间的关
系是什么
答:自发跃迁爱因斯坦系数,受激吸收跃迁爱因斯
坦系数,受激辐射跃迁爱因斯坦系数关系:
7.激光器主要由哪些部分组成各部分的作用是什
么
答:激光工作物质:用来实现粒子数反转和产生光的
受激发射作用的物质体系。接收来自泵浦源的能
量,对外发射光波并能够强烈发光的活跃状态,也
称为激活物质。泵浦源:提供能量,实现工作物质的
粒子数反转。光学谐振腔:a)提供轴向光波模的正反
馈;b)模式选择,保证激光器单模振荡,从而提高
激光器的相干性。
8.什么是热平衡时能级粒子数的分布什么是粒子
数反转如何实现粒子数反转
答:热平衡时能级粒子数的分布:在物质处于热平衡
状态时,各能级上的原子数(或集居数)服从玻尔
兹曼分布。粒子数反转:使高能级粒子数密度大于低
能级粒子数密度。
如何实现粒子数反转:外界向物质供给能量(称为激
励或泵浦过程),从而使物质处于非平衡状态。
9.如何定义激光增益什么是小信号增益大信号增
益增益饱和
答??激光增益定义:表示光通过单位长度激活物质
后光强增长的百分数。小信号增益:当光强很弱时,
集居数差值不随z变化,增益系数为一常数,称为
线性增益或小信号增益。大信号增益: 在放大器中入
射光强与(为饱和光强)相比拟时,,为大信号增
益。增益饱和:当光强足够强时,增益系数g也随着
光强的增加而减小,这一现象称为增益饱和效应。
10.什么是自激振荡产生激光振荡的条件是什么
答:自激振荡:不管初始光强多么微弱,只要放大器
足够长,就总是形成确定大小的光强,这就是自激
振荡的概念。
产生条件:满足腔的谐振条件,成为腔的梳状模之
一;频率落在工作物质的谱线范围内,即对应增益
系数大于等于阈值增益系数。
11.激光的基本特性是什么
答:激光四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。
这四性可归结为激光具有很高的光子简并度。
12.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
答:(1)激光的方向性越好,它的空间相干性程度
越高。(2)激光的相干时间和单色性存在着简单关
系,即单色越好,相干时间越长。(3)激光具有很
高的亮度,激光的单色亮度,由于激光具有极好的
方向性和单色性,因而具有极高的光子简并度和单
色亮度。
13.什么是谐振腔的谐振条件如何计算纵模的频
率、纵模间隔和纵模的数冃
答:(1)谐振条件:谐振腔内的光要满足相长干涉
条件(也称为驻波条件)。波从某一点出发,经腔
内往返一周再回到原来位置时,应与初始出发波同
相(即相差为的整数倍)。如果以表示均匀平面波
在腔内往返一周时的相位滞后,则可以表示为。A
为光在真空中的波长,L为腔的光学长度,q为正
整数。
(2)如何计算纵模的频率、纵模间隔和纵模的数目、
纵模的频率、纵模间隔:
纵模的数目:对于满足谐振条件频率为的波,其纵
模数目,为小信号增益曲线中大于阈值增益系数的
那部分曲线所对应的频率范围(振荡带宽)。
14.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:a、几何偏折损耗:与腔的类型、腔
的几何尺寸、模式有关。b、衍射损耗:与腔的菲
涅尔数、腔的几何参数、横模阶次有关。c、腔镜
反射不完全引起的损耗:与腔镜的透射率、反射率
有关。d、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。
15.哪些参数可以描述谐振腔的损耗它们的关系
如何(P29-31)
答:(1)描述参数:a)平均单程损耗因子:(为初始光
强,为往返一周后光强)b)腔内光子的平均寿命:
c)品质因数:⑵去重:腔的损耗越小,平均单程损
耗因子越小,腔内光子的平均寿命越长,品质因数
越大。
16.如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模答:
开腔镜面上,经过足够多次往返后,能形成这样一
种稳恒场,其分布不再受衍射的影响,在腔内往返
一次能够再现出发时的场分布。这种稳恒场经一次
往返后,唯一可能的变化是,镜面上各点的场分布
按同样的比例衰减,各点的相位发生同样大小的滞
后。把这种开腔镜面上的经一次往返能再现的稳恒
场分布称为开腔的自再现模。
17.求解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分方程得到的本
征函数和本征值各代表什么
答:本征函数:描述腔的一个自再现模式或横模。其
模描述镜面上场的振幅分布,幅角描述镜面上场的
相位分布。本征倌:表示自再现模在渡越一次时的幅
值衰减和相位滞后。其模值量度自再现模在腔内往
返一次的功率损耗,幅角量度自再现模的单程相
移,从而也决定模的谐振频率。
18.什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性答:
(1)任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等
价;(2)任一满足稳定条件的球面腔唯一地等价于某一个共焦腔。即如果某一个球面腔满足稳定性条件,则必定可以找到而且也只能找到一个共焦腔,其行波场的某两个等相位面与给定球面腔的两个反射镜面相重合。
19.高斯光束的表征方法有哪些
答:(1)表征方法a)用束腰半径(或共焦参数)及束腰位置表征高斯光束;b)用光斑半径及等相位面曲率半径表征高斯光束。
20.为了使高斯光束获得良好聚焦,常釆用的方法有哪些
答:a)用短焦距透镜;b)使高斯光束腰斑远离透镜焦点;c)将高斯光束腰斑半径放在透镜表面处.
21.非稳腔和稳定腔的区别是什么举例说明哪些是非稳腔
答:(1)_:稳定腔中傍轴光线能在腔内往返任意多次而不致横向溢出腔外;而非稳腔中傍轴光线在腔内经过有限次往返后必然从侧面溢出腔外。
(2)非稳腔类型:所有双凸腔;所有平-凸腔;凹面镜曲率半径小于腔长的平-凹腔;一镜曲率半径小于腔长一镜曲率半径大于腔长的双凹腔-双凹非稳腔;两镜曲率半径之和小于腔长的双凹腔;凹面镜曲率半径小于腔长的凹凸非稳腔-凹凸非稳腔;两镜曲率半径之和大于腔长的凹凸非稳腔.
22.什么是谱线加宽有哪些加宽类型加宽机制是什么答:(1)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,这就叫谱线加宽。
(2)加宽类型及机制:
幻.均_勾迦宽
自然加皇机制:原子的自发辐射引起的。碰撞加宽机制:大量原子(分子、离子)之间的无规则碰撞。.晶格振.动加宽.机制:晶格振动使激活离子处于随周期变化的晶格场,激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化。
幻.非_均51加宽
多.普勘加窟机_制:由于作热运动的发光原子(分子所发出)福射的多普勒频移引起的。
晶.格缺陷加宽.机劁:晶格缺陷部位的晶格场将和无缺陷部位的理想晶格场不同,因而处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移,导致处于镜体不同部位的激活离子的发光中心频率不同。c) ?绩盒加宽
气旌工作物质的综佥加宽机制:由碰撞引起的均勻加宽和多普勒非均勻加宽。
固体激光_工作_物质緣合加宽 1制:由晶格热振动引起的均勻加宽和晶格缺陷引起的非均勻加宽。液体工作_物质的综佥加宽机.制:溶于液体中的发光分子与其它分子碰撞而导致自发辐射的碰撞
加宽。
23.如何理解均匀加宽和非均匀加宽
答:均匀加宽:引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的,对于均匀加宽,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,每一个原子对光谱内
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是由哪一部分原
子发射的。
24.分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之
间的跃迁过程,画出示意图,为什么三能级系统比
四能级系统需要更强的激励
答:这是因为四能级系统系统的激光下能级为激发
态,所以只需把Am个粒子激励到能级就可以使增
益克服腔的损耗而产生激光。而在三能级系统中,
激光下能级是基态,至少要将(n+Am) /2个粒子激
励到能级上去,其中n远远大于Am 才能形成集居
数反转,所以三能级系统的阈值能量或阈值功率要
比四能级系统大得多。
25.说明均匀加宽和非均勻加宽工作物质中增益
饱和的机理。
答:均匀加宽增益饱和机理:在均勻加宽情况下,每
个粒子对谱线不同频率处的增益都有贡献,也就是
说均匀加宽的激光工作物质对各种频率入射光的
放大作用全都使用相同的反转粒子数,因此强光会
导致反转集居数密度的下降,而反转集居数密度的
下降又将导致弱光增益系数的下降,结果是增益在
整个谱线上均匀地下降。
非均匀加宽增益饱和机理:对非均勻加宽工作物质,
频率为v1的强光只引起表观中心频率在V1附近
的反转集居数饱和,因而在增益曲线上形成一个烧
孔。
26.饱和光强的含义怎样定义的(pl51)
答:饱和光强的物理意义是:当入射光强度可以和比
拟时,受激辐射造成的上能级集居数衰减率才可以
与其它弛豫过程(自发辐射及无辐射跃迁)相比拟。
因此当时,与光强无关,而当可以和相比拟时,随
着的增加而减少,减少到小信号情况下的倍。
27.在强光入射下,均匀加宽和非均勻加宽工作物
质中,弱光的增益系数如何变化(P157)
答:(1)均勻加宽物质中频率为v。的强光入射不仅
使自身的增益系数下降,也使其它频率的弱光的增
益系数也以同等程度下降,结果是増益在整个谱线
上均匀的下降。(2)非均匀加宽工作物质中频率为
的强光入射时,会形成以为中心,宽度为的烧孔,
若入射频率为的弱光处在烧孔造成的烧孔范围之
内,则弱光增益系数将小于小信号增益系数,若处
于烧孔范围之外,则弱光增益系数不受强光的影响
仍等于小信号增益系数。
28.描述非均匀加宽工作物质中的增益饱和的
“烧孔效应”,并说明原理。(Pl56、pl57)
答:(1)描述:对于非均匀加宽工作物质中,在其增益
曲线曲线上,在频率处产生一个凹陷,凹陷宽度约
为,频率处的凹陷最低点下降到小信号增益系数的
倍,以上现象称为增益曲线的烧孔效应。
(2)原理:在非均匀加宽工作物质中,频率的强光只
在附近宽度约为的范围内引起反转集
居数的饱和,对表观中心频率处在烧孔范围外的反
转集居数没有影响。若有一频率为的弱光同时入
射,如果频率处在强光造成的烧孔范围之内,则由
于反转集居数的减少,弱光增益系数将小于小信号
增益系数。如果频率处于烧孔范围之外,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,
所以在增益曲线曲线上,在频率处产生一个凹陷,
凹陷宽度约为。
29激光器的振荡条件是什么稳定工作条件答:(1)
振荡条件:满足腔的谐振条件,成为腔的梳状模之
一;频率落在工作物质的谱线范围
内,即对应增益系数大于等于阈值增益系数。
(2)稳定工作条件:增益系数等于于阈值增益系数。
30.在均匀加宽和非均匀加宽激光器中模式竞争
有什么不同
答:均匀加宽激光器中只要有几个满足阈值条件的
纵模,就会在振荡过程中相互竞争,结果总是靠近
中心频率的一个纵模得胜,形成稳定振荡,其它纵
模都被抑制而熄灭。因此理想情况下,均匀加宽稳
态激光器的输出应是单纵模的,单纵模的频率总是
在谱线中心频率附近。非均匀加宽激光器中也存在
模式竞争,当纵模形成的烧孔重叠时会发生竞争,
竞争模的输出功率无规则起伏。
31.什么是兰姆凹陷定性解释其成因。
答:(1)激光器的单模输出功率和单模频率的关系
曲线中,在处,曲线有一凹陷,称为兰姆凹陷。 (2)
成因:当频率接近,且时,两个烧孔部分重叠,烧
孔面积的和可能小于时两个烧孔面积的和时,两个
烧孔完全重合,此时只有附近的原子对激光有贡
献,虽然它对应着最大的小信号增益,但由于对激
光作贡献的反转集居数减少了,即烧孔面积减少
了,所以输出功率下降到某一极小值,从而出现兰
姆凹陷。
32.什么是激光器的驰豫振荡现象答:一般固体脉
冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲,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,把上述现象称为弛豫振荡效应或尖峰振荡效
应。
33.为什么存在线宽极限它取决于什么
答:(1)由于存在着自发辐射,稳定振荡时的单程
增益略小于单程损耗,有源腔的净损耗不等于零,
虽然该模式的光子数密度保持恒定,但自发辐射具
有随机的相位,所以输出激光是一个具有衰减的有
限长波列,冈此具有一定的谱线宽度,这种线宽是
由于自发辐射的存在而产生的,因而是无法排出
的,因此称为线宽极限。(2)取决于输出功率、损耗
及腔长。输出功率越大,线宽就越窄;减小损耗和增加腔长也可以使线宽变窄。
34.简述横模和纵模选择的原理及具体方法。
答:(1)横模选择
原理:在各个横模增益大体相同的条件下,不同横模间衍射损耗有差别,在稳定腔中,基膜的衍射损耗最低,随着横模阶次的增高,衍射损耗将迅速增加。如果降低基膜的衍射损耗,使之满足阈值条件(基膜的单程增益至少能补偿它在腔内的单程损耗),则其它模因损耗高而不能起振被抑制。
横模选择方法:小孔光阑选模、谐振腔参数法,非稳腔选模,微调谐振腔。
(2)纵模选择
原理:一般谐振腔中有着相同的损耗,但由于频率的差异而具有不N的小信号增益系数。因此,扩大和充分利用相邻纵模间的增益差,或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。
纵模选择方法:短腔法、行波腔法、选择性损耗法。
35.激光器主要的稳频技术有哪些
答:兰姆凹陷稳频、饱和吸收稳频、无源腔稳频。
36.调制激光器的工作原理,目前常用的几种调方法。
答:(1)工作原理:通过某种方法使谐振腔的损耗因子值按照规定的程序变化,在泵浦源刚开始时,先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,此时反转集居数大大超过阈值,受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内,上能级存储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。(2)调制方法:电光调制(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)、声光调制(利用晶体声光效应控制光在传播过程中的强度称为电光强度调制)、被动调Q (可饱和染料调Q,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)。
37设么叫内调制什么叫外调制
答: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应调制。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。
38、第一台激光器是谁制造的是什么激光器,它属于哪一类型的激光器激光器分类有哪些 (I960)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一红宝心激
光器,属于固体激光器。
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。
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。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;气体激光器的工作物质是气体或金属蒸气。
按激光器运转方式分类有:连续激光器;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。
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。
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。
39、固体激光器的基本组成一般采用的泵浦方式冷却方式有哪些
答: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,多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯和霸道体激光器激光。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。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。
只有红宝石激光器属于(三能级)系统,其他均为
四能级系统。掺钕钇铝石榴石(Nd3+: YAG),
1. 06um、C02激光器属于(四能级)系统1. 06um、He-Ne激光器是典型的(四能级)系统。
40、染料激光器为什么在大范围内连续可调如何实现波长的调谐
答: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。染料激光器要有一个波长选择装置如光栅、棱镜等,就可以调谐激光器的输出频率。