激光原理、技术、器件及应用
实验指导书
目录
激光扫描技术 (3)
氦—氖激光器 (6)
相位式激光测距原理 (8)
CO
激光器 (11)
2
激光扫描技术
旋转多面镜扫描主要应用在激光高速扫描的情况。转镜扫描的最大特点是它
统来驱动。具有N Ψ=N
720度=N 4π弧度（N>2） 下面来介绍两种扫描形式转镜系统光路布置:
1. 入射型扫描
入射型扫描亦称为物空间扫
描.入射型扫描如图.
激光束经过扩束入射到旋转的转
镜上,而偏转的光束由一个透镜或
凹面镜聚焦到扫描平面上.值得注
意的是,扫描光斑轨迹在平面上,
所以,透镜设计应保证在接受平面
上聚焦成像时不产生大于设计要
求的像差.因为由图来看,光束经
过转镜扫描后会形成一个扇形非
匀速扫描平面,称为f-θ工作状态,
据此设计的透镜称为f –θ透镜.
这种透镜工作时能保证:平面聚焦,
在整个扫描范围内,聚焦光斑均匀,直径不变;在聚焦平面内光斑线形扫描(假设光束以均匀的角速度扫描入射);有一个足够大的视场.
2．出射型扫描 转镜扫描原理图
出射型扫描，也称为像空间扫描，这种扫描的特点是转镜位于扫描透镜之后，如图。
由于成像透镜位于转镜前，因此，入射到透镜上的光束是固定不动的，这样透镜设计就简单了。但出射型扫描的轨迹是一条曲线，曲线中心就是转镜表面上光斑的位置。一般来说，接收信号的存储介质是平面，所以我们往往选择大f 数，譬如f/50的透镜，这样，聚焦曲面的弦深会小于扫描光束的焦深，用平面型光电接收器接收时，光信号不会出现任何畸变。比较以上两种，本文建议在激光电视中采用前者，即入射型扫描。所以还需对其中的关键部件f -θ透镜进行一下说明。
设F-θ透镜焦距为f '，总扫描角度为2θ，扫描场的覆盖长度为L 。 在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：
H=f '.tg θ
将此式两边对时间微分得： dt dH =dt
d f θθ2sec ' 可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。
对F-θ透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为：
H=f '.θ
这样： ωθ..f dt
d f dt dH '='= 其中，ω是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2f '.θ范围内的等速扫描。这即是要求F-θ透镜故意产生正的畸变，当扫描角度θ增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的θθtg /倍，其线畸变为：
? H=f '.tg θ-f '.θ=(f 'tg θθ-）
其相对畸变为：
100?-='θ
θθtg tg T D % 故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。由于此镜头的像高等于f '·θ，故常简称为F-θ透镜。
在各种扫描应用中，
有四种类型的转镜：等边
多面转镜（简称多面镜，
柱形转镜或转镜），非等边
多面转镜，内多边形转镜
及塔形转镜。本实验是用
转镜扫描原理图
等边多面转镜。这种棱镜
主要优点是它能进行重复性直线扫描。由于等边棱镜本身的几何对称性，便于大批量生产，工厂制造时，可以若干块多面镜轴向叠加在一起加工，成本大大降低。
一束细激光束照射在转镜镜面上，转镜每转过一个角度θ，反射光就以θ2角反射出来，随着转镜的转动，光束在镜面上移动，直至镜面的边缘。此时，细激光束的一部分继续完成扫描，而另一部分已射到相邻的镜面，并准备下一次扫描。这个时刻叫“扫描间歇”，这时有一段信号空白。这个状态有以下特点：首先信号或信息的传输是不连续的，因为多面转镜的棱边在转动时会不断产生这种间歇。其次对给定的分辨率，最好增加转镜的直径，这样能使镜面口径增大，以减小空白区间。为了保证足够的镜面工作范围，镜面大小必须数倍于落在其上的光斑大小。如图（b）所示镜面宽度为D，光束直径为W，可以用镜面工作效率来表达它的工作范围U=（D-W）/D。假如D=10W，则U=90%，这意味着在整个扫描时间内，90%的时间在真正地扫描，其余10%的时间就是所谓的“扫描间歇”。U也称占空系数。还由于是细光束照明，只有很少一部分镜面被利用，并且由于转镜不得不增加尺寸，使得高速旋转时，惯性变大，无疑会给材料选择和结构设计带来困难。最后光斑扫描时，在径向偏离预定的轨迹，就产生了所谓的寻迹误差。寻迹误差会造成扫描图形的畸变。它来源于：转镜诸镜面与加工时选定基准面的角误差，这是无法消除的固有误差；转镜与驱动马达的装配误差，它直接造成反射光束的摆动，但可以控制；马达转子在高速旋转时，由于有限的刚性形变和产生的焦耳热的梯度变化所带来的动态不平衡；各转镜镜面的不平度误差。
实验目的：掌握转镜激光扫描和f –θ透镜原理，验证转镜激光扫描和f –θ透镜原理。
实验仪器：He-Ne激光器、He-Ne激光电源
氦—氖激光器
He-Ne激光器的基本组成是放电管、电极和谐振腔。
He-Ne激光器是目前应用最广泛的气体激光器，主要产生632.8nm的激光，功率只有几个毫瓦到几十毫瓦，但它有很好的光谱特性。
对管长350毫米的管子,电流为5毫安左右，输出功率2毫瓦左右。
He-Ne激光的放电管由毛细管和贮气管构成。放电的内管直径约2～3mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。毛细管的尺寸和质量是决定激光器输出性能的关键因素。贮气管与毛细管相连，并且毛细管的一端有隔板，这是为了使放电只限于毛细管，贮气管的作用是增加了放电管的工作气体总量，延长器件寿命。普通的He-Ne激光器的放电管一般用GG17硬质玻璃制成，对输出功率和波长要求稳定性高的器件通常用热胀系数更小的石英玻璃制作。
光学谐振腔由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹镜形式，平面镜为输出镜。毛细管长度约15～20cm的He-Ne激光器的输出镜的反射率98.5％～99.5％。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。凹面镜为全反镜，要求反射率接近100%。
管内主要按5：1～10：1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约200～400Pa。
He-Ne激光器结构分为三部分：既放电管、谐振腔和激发的电源。
He-Ne激光器的放电电极多采用冷阴极形式，冷阴极材料多用溅射率小和电子发射率高的铝或铝合金。为了增加电子发射面积和减低阴极溅射，阴极通常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸，阳极一般用钨针制成。
连续工作的He-Ne激光器多采用支流放电激励的方式，起辉电压和工作电压
与激光器的结构参数和放电条件有关，放电长度为1米的激光器，起辉电压在8千伏左右，He-Ne激光器的工作电流在几毫安到几十毫安的范围。
氦—氖激光器产生激光跃迁的是氖原子，氦是辅助气体。氦氖激光器是一种典型的四能级系统。氦—氖激光器还存在最佳总气压和最佳气体配比，如毛细管直径为3毫米管内气体配比为He3:Ne20=5:1,总气压p=1.5乇(1乇=133Pa, 1乇1mm汞柱，1Pa为1N/m2) ，毛细管直径2.56mm时He3:Ne20=7：1,总气压p=1.4乇。
He-Ne激光器特点是在燃火管子之初给出高于管子着火电压的高压，正常放电以后，电源提供的电压则不宜过份高于激光管的工作电压。以免电源功率过多消耗在限流电阻上而降低效率。所以一般He-Ne激光器电源，获得高于激光管着火电压的瞬时高压后，电源电压马上降至略高于激光管的工作电压，但远比激光管的着火电压为低的水平。
如下是一个采用四倍压触发，二倍压工作的450mm长的He-Ne管电源，该管工作电压为1.8-2.0kV，着火电压为4.5-5.5 kV，工作电流为8-10mA ；限流电阻选用8个8 W， 30kΩ的电阻串联；整流二极管耐压大于5kV，电流为0.05A；
变压器选用输出1150V，功率30W；电容选C
1，C
2
为0.47f
μ，耐压为1.6 kV；对
于C
3，C
4
为容量为6800pf，耐压为5kV的瓷片电容。
实验目的：掌握He-Ne激光器原理与特性、了解He-Ne激光电源特点。实验仪器：He-Ne激光器、He-Ne激光电源、转镜和f –θ透镜组件
实验步骤：1、熟悉He-Ne激光器使用、
2、观察He-Ne激光光束特点
相位式激光测距原理
将相位式激光测距仪整置于A 点（称测站），反射器整置于另一点B （称镜站）。测距仪发射出连续的调制光波，调制波通过测线到达反射器，经反射后被仪器接收器接收。调制波在经过往返距离2D 后，相位延迟了Φ。如将B A ,两点之间调制光的往程和返程展开在一直线上，用波形示意图将发射波与接收波的相位差表示出来。
设调制波的调制频率为f ，它的周期f T /1=，相应的调制波长f c cT /==λ。调制波往返于测线传播过程所产生的总相位变化Φ中，包括N 个整周变化π2?N 和不足一周的相位尾数?Φ，即?Φ+?=Φπ2N
根据相位Φ和时间D t 2的关系式D wt 2=Φ，其中w 为角频率，则 )2(21/2?Φ+?=
Φ=ππN f w t D )()2/(2N N L N f
c D ?+=?Φ+=π
激光测距原理
发射波与接收波的相位展开
发射波与接收波的相位
式中 ： 2/2/λ==f c L ——测尺长度；
N ——整周数；
π2/?Φ=?N ——不足一周的尾数。
由此可以看出，这种测距方法同钢尺量距相类似，用一把长度为2/λ的“尺子”来丈量距离，式中N 为整尺段数，而2λ?
?N 等于L ?为不足一尺段的余长。 则L NL D ?+=
式中，L f c ,,为已知值，N ??Φ,或L ?为测定值。
现今的激光测距仪采用两个以上的固定频率为测尺的频率，不同的测尺频率的L ?或N ?由仪器的测相器分别测定出来，然后按一定计算方法求得待测距离D 。
相位式激光测距仪的工作原理
由光源所发出的激光进入调制器后，被来自主控振荡器（简称主振）的高频测距信
号1f 所调制，成
为调幅波。这种
调幅波经外光
路进入接收器，
会聚在光电器
件上，光信号立
即转化为电信
号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了Φ。
?Φ+?=ΦN π2
这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高频信号1f '经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频（11f f f '-=?）测距信号，用D e 表示。D e 仍保留了高频测距信号原有的相位延迟?Φ+?=ΦN π2。为了进行比相，主振高频测距信号1f 的一部分称为参考信号与本振高频信号1f '
相位式激光测距仪的工作原理图
同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为比相基准的低频（11f f f '-=?）参考信号，0e 表示，由于0e 没有经过往返测线的路程，所以0e 不存在象D e 中产生的那一相位延迟Φ。因此，D e 和0e 同时送人相位器采用数字测相技术进行相位比较，在显示器上将显示出测距信号往返于测线的相位延迟结果。
当采用一个测尺频率1f 时，显示器上就只有不足一周的相位差?Φ所相应的测距尾数，超过一周的整周数N 所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相位式测距仪中还包含一组粗测尺的振荡频率，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。
实验目的：学习激光测距原理、与使用。
实验原理：（略）
实验步骤：调好光路、用示波器和频谱分析找到两个频率并纪录，呼出测距波形。
本实验有关人身和设备的安全事项
1、本实验有高压和强辐射，注意人身安全。
2、激光器打开时，绝不允许移动功率探头，因功率探头外壳是铝制，铝对红外
线反射较强，防止的反射红外激光意外伤人。
3、开机时先通冷却水、关机时后断冷却水。防止激光管炸裂冷却系统带高压。
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CO2激光器
2
CO激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源所组成。
放电管大多采用硬质玻璃(如
17
GG)制成，只有少数因特殊要求(如要求输出功率稳定性好或频率稳定性好)的器件，才采用石英玻璃。放电管的内径和长度
变化范围很大，小型
2
CO激光器放电管的内径一般为4~8mm左右，长度在1m以下。大功率激光器的内径一般大于10mm，长度达几十米。为了防止内部气压和气压比的变化而影响器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出
功率，加有水冷装置。水冷套的间隙一般为5
~
10mm，间隙太小，虽流速大，但水流阻力大；间隙太大则水的流速低冷却效果不好。放电管一般采用多层套管结构，气体放电管、水冷套管和贮气管三者制成共轴套筒，称为三重套激光管。也可将贮气套旁袖放置，水冷套和放电管同轴放置，称此为二重套旁轴激光管。
2
CO激光器的放电电流很小，放电管的阴极也多采用冷阴极，一般是用金属材料做成，形状为圆筒形，电极由与圆筒焊在一起的钨棒引到管外。筒的材料一般是用相片或镍片，圆筒的面积随工作电流的增加而增加。如长1m、内径20mm
的管子，工作电流为30
~40mA时，圆筒面积约5×l02
cm。圆筒可以与放电管同
轴放置，也可旁轴放置，前者结构紧凑，但电极发热会影响激光输出的稳定性；后者制造方便，但电极溅射不会污染谐振腔反射镜，激光输出较稳定。
2
CO激光器的放电毛
细管较粗，为了增加输出功
率，一般采用大曲率半径的
平—凹谐振腔(R＞2L)，甚
至采用非稳腔以达到增大
体积的目的。这样虽然调整
精度要求高些，但由于
2
CO
2
CO激光器的典型结构
激光的增益高，容易出激光，比起He-Ne 激光器来，调整精度已不是主要矛盾。
2CO 激光器的输出功率大，
输出波长较长(10.6μm)，它的腔反射镜与He-Ne 激光器反射镜的结构形式有一定差别。中小型2CO 激光器的全反射镜一般用玻璃磨制而成，表面镀金膜。金对10.6μm 波长的反射率可达98％以上,其化学性质也比较稳定。高功率2CO 激光器的全反端常采用金属反射镜，基板用不锈钢或黄铜，抛光后再镀上金膜。金属反射镜导热性好，也便于通水冷却。玻璃的导热性差，在高功率条件下使用时，反射镜温度上升很快，容易破裂。
输出端反射镜有好几种形式，较简单的形式是在一块镀金反射镜的中心开一个合适的小孔，外面再密封一块能透过l0.6μm 波长的红外材
料，激光通过这个小孔输出到腔外，称为小孔耦合输出。也可以直接用
红外材料磨成反射镜，表面镀金膜，而中心留一个小孔不镀金。这种小孔耦合法的优点是结构简单，缺点是输出容易出现01TEM 或10TEM 模输
出激光的光束强度分布不均匀。另外一种形式是用半导体材料直接耦合。由于半导体材料N 型锗对10.6μm 波长吸收小，同时它的折射率高(对10.6μm ，它的折射率M ＝4.02)，抛光后反射率可达50%~60％，所以锗可作输出反射镜。还有一种形式是用介质膜反射镜，它是用能透射10.6μm 的红外材料作基底，再在上面镀多层介质膜而制成的。这种形式需要大块均匀的红外材料且镀膜困难，故不常用。
目前能做2CO 激光器输出镜的红外材料主要有：氯化纳(NaCl)氯化钾(KCl)、N 型锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硫化镉(TeS)、硒化锌(ZnSe)等。NaCl 和KCl 这两种材料的吸收系数很小，用它做输出镜时，吸收损耗可忽略。但它们很容易潮解，机械性能差，容易破裂，当晶体温度稍高于室温时就容易产生塑性滑动或破裂，因此难以加工成表面质量高的光学元件，使用也不方便。Ge 不潮解，机械性能比NaCl 和KCl 还好，加工容易，但吸收系数比NaCl 和KCl 大，而且吸收系数随温度升高而变大。当温度超过50℃时，Ge 的吸收系数急剧上升，容易炸裂，故用于高功率的输出器件时，应注意冷却。实验证明，在没有采取冷却措施时,锗片允许的功率密度为26W/2cm ，采用压缩空气致冷时，允许功率密度提高到约30W/2cm ，当冷却到-40℃时，功率密度允许到88W/2cm 。选用半导体锗时，一般都用N 型锗，因为N 型锗的吸收系数比P 型锗低约10~20倍。GaAs 的吸收系数也非常小，它的机械性能、化学性能和热性能部比较好，吸收系数随温度的变化没有锗那样剧烈，因此，大功率器件一般都用GaAs 面不是锗片。但它比锗贵得多。TeS 的吸收系数也很小，它的化学稳定性机械性能和导热性都较好，但目前还比较难获得大块晶品材料。
连续2CO 激光器的电源大多采用直流辉光放电电源，电源能提供几千伏到上万伏的直流电压。由于辉光放电的负阻特性，必须串接限流电阻才能使放电稳定。限流电阻的值约为放电管等效内阻的几分之一。限流电阻越大，放电越稳定，但功率损耗增大。当放电管比较长时，需要分段进行激发，这时容易出现各段不能同时均匀放电的现象。为了解决
这个问题，设计电路时要有电压自动调节装置。
2CO 激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。
输出功率相放电管长度L 间有经验关系
P ＝KL
2CO 激光器在充2CO +2N +He 气且总气压和放电电流都为最佳条件下，对于长度为数米以下的管子，多横模输出时k=40~50W/m 单模输出时A ＝20~30W/m 对于l0米以上的则为100W/m,50米以上的为180W/m 。
2CO 激光器的输出功率与放电管的内径关系不大，
这是因为在总气压强一定时，内径增大，则总粒子数增加，这有利于提高输出功率；但内径大将造成管中心区域散热慢，以致使激光下能级抽空速率变慢及谱线宽度增加导致输出功率下降，总的结果使得频率基本不变。但内径的选取不是任意的，应从其他方面的要求去选择合适的管径。例如；为了选10TEM 模，可采用小口径的管子；为了实现单纵模输出，常用长度短和口径小的管子；对于大功率激光器，为了减小衍射损耗、防止在大功率输出时产生功率密度饱和及防止过高的功率密度造成谐振腔元件的发热损坏，这时要选较粗的放电管等等。
对2CO 激光器的输出功率来说，放电电流也有最佳值，这是因为电流升高，放电管内的电子数目增多，可以激发更多的反转粒子数，但电子过多又会因碰撞激发而使反转板子数减少。2CO 激光器的最佳放电电流与放电管的直径、管内的总气压以及气体混合比有关。实验发现，随着管径的增大，最佳放电电流增加，例如管径为φ30~30mm 时，最佳放电电流约为30~50mA ，管径为φ50~90mm 的最佳放电电流为120~250mA 。放电管两端的直流管压降V 受E ／P 值(或E ／N)和稳定放电两方面限制。当E ／P 值低时，放电管内的电子转换效率高，但因E ／P ＝V/LP(V 为放
电管端电压，L 为放电管长度)，E ／P 低意味着V 低或P 高，V 太低和P 过高都将影响放电管正常稳定放电。为了兼顾以上两方面，一般取
E ／P ＝0.075~0.15V .1-cm .1
-Pa 由此可确定最佳放电电压。
例如对1米长的放电管充气压为1333Pa 时，最佳放电电压为
V ＝(0.075~0.015)LP=10~20kV
CO 2激光器原理
CO 2线性对称排列的三原子分子，三个原子排成一直线，中央是碳原子，两端是氧原子。CO 2分子处于不断振动中，其基本振动形式有三类：对称振动、形变振动和反对称振动。
对称振动，即碳原子不动，两个氧原子在分子轴上同时相向或背向碳原子振动。对称振动的振动能量是量子化的，其大小与振动量子数（用1υ表示对称振动方式的振动量子数,1υ=0,1,2……）有关。
形变振动方式，三个原子的振动方向不是沿分子轴，而是垂直于分子轴，并且碳原子的振动方向与两个氧原子的相反。用2υ(2υ=0,1,2……)
氧 碳 氧
CO 2分子模型
CO 2分子对称振动
CO 2分子形变振动
CO 2分子反对称振动
表示这一振动方式的振动量子数，相应
的振动能量与2υ有关。这类振动是二度简并
的，因为它对应着两种振动方式，一种是在
纸面上下变形振动，另一种是在垂直纸面内
作前后变形振动。在没有外界干扰时，这两种振动方式所具有的能量相同。由于形变振动存在着二个相互垂直的振动，其合振动构成圆周运动，合振动的角动量在分子轴上的
投影也是量子化的，用量子数l 表示。于是
CO 2分子部分能级跃迁
形变振动应表示l 2υ为。
反对称振动方式，三个原子沿分子轴振动，其中碳原子的振动方向相反。
用3υ(3υ=0,1,2,……)表示这一振动方式的振动量子数，振动能量与3υ的大小有关。
CO 2分子的总振动能量应是上面三类振动方式的能量之和，所以振动的能量
状态应由三个振动量子数1υ、2υ和3υ来确定，其振动能级用1υl 2υ3υ标记。
CO 2分子可能产生的跃迁很多，但其中最强的有两条，一条是的跃迁00 1→10 0，跃迁波长为10.6um 。另一条是00 1→02 0,跃迁波长为9.6um.其跃迁过程是这样的：外界能量将分子从基态激发到激光上能级00 1、 00 1向10 0或02 0跃迁时辐射光子。CO 2分子跃迁到10 0和02 0能级后不能直接跃迁到基态，而是通过与基态粒子碰撞跃迁到0110能级，然后再通过与其它粒子碰撞后返回到基态。可见，CO 2属于四能级系统。CO 2激光器多以放电泵浦。
实验目的：学习CO 2激光器的发光原理测距原理，学习激光器输出功率的测试过程。
实验原理：（略）
激光原理及技术部分习题解答（陈鹤鸣） 第一章 4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ?应当是多少？ 解：相干长度C c L υ = ?，υ?是光源频带宽度 85 3*10/3*101C c m s Hz L km υ?=== 22 510 8 (/) 632.8*3*10 6.328*103*10/c c c c nm Hz c m s λλυυυυλλλυλ-=??=?=???=?== 第二章 4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？ 解： T k E E b e n 121 2 n -- = 其中1 2**E E c h E c h -= ?=λ ν λ h c h == ?*E （1）
（2） 10 * 425 .121 48 300 * 10 * 38 .1 10 10 *3 * 10 * 63 .6 1 223 6 8 34 ≈ = = = =- - - - - - - e e e n n T k c h b λ （3） K n n k c h b 3 6 23 8 34 1 2 10 * 26 .6 )1.0( ln * 10 * 10 * 8 .3 1 10 *3 * 10 * 63 .6 ln * T= - = - = - - - λ 9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数1 01 .0- =mm α (2) 0 1 01 100 366 0I . e I e I e I I. z= = = =- ? - α 即经过厚度为0.1m时光能通过36.6% 10.解：
习题I 1、He-Ne 激光器m μλ63.0≈，其谱线半宽度m μλ12 10-≈?，问λλ/?为多少？要使其相干长度达到1000m ，它的单色性λλ/?应是多少？ 解：63.01012 -=?λλ λλδτ?= ==2 1v c c L c 相干 = = ?相干 L λ λ λ 2、He-Ne 激光器腔长L=250mm ，两个反射镜的反射率约为98%，其折射率η=1，已知Ne 原子m μλ6328.0=处谱线的MHz F 1500=?ν，问腔内有多少个纵模振荡？光在腔内往返一次其光子寿命约为多少？光谱线的自然加宽ν?约为多少？ 解：MHz Hz L c v q 60010625 210328 10=?=??==?η
5 .2=??q F v v s c R L c 8 10 1017.410 3)98.01(25)1(-?=??-=-=τ MHz Hz L c R v c c 24104.2)1(21 7=?=-≈=πτδ 3、设平行平面腔的长度L=1m ，一端为全反镜，另一端反射镜的反射率90.0=γ，求在1500MHz 频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度？ 解：MHz Hz nL c v q 150105.1100 210328 10=?=??==? 10 150 1500==??q v v L c R v c c )1(21 -≈ =πτδ 4、已知CO 2激光器的波长m μλ60.10=处 光谱线宽度MHz F 150=?ν，问腔长L 为多少时，腔内为单纵模振荡（其中折射率η=1）。
解：L c v v F q η2=?=?， F v c L ?=2 5、Nd 3 —YAG 激光器的m μ06.1波长处光 谱线宽度MHz F 5 1095.1?=?ν，当腔长为10cm 时，腔中有多少个纵模？每个纵模的频带宽度为多少？ 解：MHz L c v q 3 10105.110 21032?=??==?η 130 =??q F v v L c R v c c )1(21 -≈ =πτδ 6、某激光器波长m μλ7.0=，其高斯光束束腰光斑半径mm 5.00=ω。 ①求距束腰10cm 、20cm 、100cm 时， 光斑半径)(z ω和波阵面曲率半径)(z R 各为多少？ ②根据题意，画出高斯光束参数分布图。
1.3 如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =
1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。 习题
《激光原理与技术》习题一 班级 序号 姓名 等级 一、选择题 1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1 = eV 。 （A ）1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间 隔约为 cm -1。 （A ）6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm 的He-Ne 激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz 。谐振腔长度为50cm 。假 设该腔被半径为2a=3mm 的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为 个。 （A ）6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的 二、填空题 1、光子学是一门关于 、 、 光子的科学。 2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从 统计分布。 3、设掺Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为10ms ，则其谱线宽度为 。 三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz 的某光源，相干长度为1m ，求此光源的单色性参数及线宽。 2．某光源面积为10cm 2，波长为500nm ，求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/ex p(1 kT hv 。
《激光原理与技术》习题二 班级 姓名 等级 一、选择题 1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W 。 （A ）1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 二、填空题 1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数 是 。 2、一束光通过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物 质的增益系数为 。 三、问答题 1、以激光笔为例，说明激光器的基本组成。 2、简要说明激光的产生过程。 3、简述谐振腔的物理思想。 4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？ 四、计算与证明题 1、设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分 别为2n 和1n ，求 (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？ 2、设光振动随时间变化的函数关系为 （v 0为光源中心频率）， 试求光强随光频变化的函数关系，并绘出相应曲线。 ? ??<<=其它,00),2exp()(00c t t t v i E t E π
《激光原理及应用》习题参考答案 思考练习题1 1.解答：设每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数为n 。 单个光子的能量：λνε/hc h == 连续功率：εn p = 则，ε/p n = a. 对发射m μλ5000 .0=的光： ) (10514.2100.31063.6105000.01188346 个?=?????= =--hc p n λ b. 对发射MHz 3000＝ν的光 )(10028.51030001063.6123634个?=???= = -νh p n 2.解答：νh E E =-12……………………………………………………………………..(a) T E E e n n κ121 2--=……………………………………………………………………….(b) λν/c =…………………………………………………………………………….(c) （1）由（a ），（b ）式可得： 11 2==-T h e n n κν （2）由（a ），（b ）,(c)式可得： )(1026.6ln 31 2 K n n hc T ?=- =κλ 3.解答： （1） 由玻耳兹曼定律可得 T E E e g n g n κ121 12 2//--=， 且214g g =，20 2110=+n n 代入上式可得： ≈2n 30（个）
（2）)(10028.5)(1091228W E E n p -?=-= 4.解答： (1) 由教材（1-43）式可得 31733 634 3/10860.3/) 106000.0(1063.68200018q m s J m s J h q ??=??????=?=---πλπρν自激 （2）9 34 4363107.59210 63.68100.5)106328.0(8q ?=?????==---ππρλνh q 自激 5.解答：（1）红宝石半径cm r 4.0=，长cm L 8=，铬离子浓度318102-?=cm ρ，发射波 长m 6 106943.0-?=λ，巨脉冲宽度ns T 10=?则输出最大能量 )(304.2)(106943.0100.31063.684.0102)(6 8 342 182 J J hc L r E =?????????==--πλπρ 脉冲的平均功率： )(10304.2)(10 10304 .2/89 W W T E p ?=?=?=- （2）自发辐射功率 )(10304.2)(10106943.0)84.0102(100.31063.6) (22 621883422 W W L r hc hcN Q ?=??????????== ---πλτ πρλτ ＝ 自 6.解答：由λν/c =，λλνd c d 2 =及λρνρλd d v =可得 1 1 85 -== kT hc e hc d d λνλλ πλνρρ 7.解答： 由 0) (=ννρd d 可得： 31 =-kT h kT h m m m e e kT h υυυ； 令 x kT h m =υ，则)1(3-=x x e xe ；解得：82.2=x 因此：11 82.2--=kh T m ν 同样可求得： 96.4=kT hc m λ 故c m m 568.0=λν
《激光原理与技术》习题一 班级序号姓名等级 一、选择题 1、波数也常见作能量的单位, 波数与能量之间的换算关系为1cm-1 = eV。 ( A) 1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm, 则产生该波长的两能级之间的能量 间隔约为 cm-1。 ( A) 6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm的He-Ne激光器, 谱线线宽为Δν=1.7×109Hz。谐振腔长度为50cm。 假设该腔被半径为2a=3mm的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为个。 ( A) 6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的 二、填空题 1、光子学是一门关于、、光子的科学。 2、光子具有自旋, 而且其自旋量子数为整数, 大量光子的集合, 服从统计分布。 3、设掺Er磷酸盐玻璃中, Er离子在激光上能级上的寿命为10ms, 则其谱线宽度 为。 三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz的某光源, 相干长度为1m, 求此光源的单色性参数及线宽。
2．某光源面积为10cm 2, 波长为500nm, 求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/ex p(1-kT hv 。 《激光原理与技术》习题二 班级 姓名 等级 一、 选择题 1、 在某个实验中, 光功率计测得光信号的功率为-30dBm, 等于 W 。 ( A) 1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、 激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 二、 填空题 1、 如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率, 则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数 是 。 2、 一束光经过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍, 则该物 质的增益系数为 。 三、 问答题 1、 以激光笔为例, 说明激光器的基本组成。 2、 简要说明激光的产生过程。 3、 简述谐振腔的物理思想。 4、 什么是”增益饱和现象”? 其产生机理是什么? 四、 计算与证明题 1、 设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2), 相应的频率为ν(波长为λ), 能级上的粒子数密度 分别为2n 和1n , 求 (a) 当ν=3000MHz , T=300K 时, 21/?n n =
激光原理及技术部分习题解答（鹤鸣） 第一章 4. 为使氦氖激光器的相干长度达到1km, 它的单色性0/λλ?应当是多少？ 解：相干长度C c L υ = ?，υ?是光源频带宽度 85 3*10/3*101C c m s Hz L km υ?=== 22 510 8 (/) 632.8*3*10 6.328*103*10/c c c c nm Hz c m s λλυυυυλλλυλ-=??=?=???=?== 第二章 4. 设一对激光能级为2121,,E E f f =，相应的频率为υ，波长为λ，能级上的粒子数密度分别为 21,n n ，求： （1）当3000,300MHz T K υ= =时，21/?n n = （2）当1,300m T K λμ= =时，21/?n n = （3）当211,/0.1m n n λμ= =时，温度T=？ 解： T k E E b e n 121 2 n --= 其中1 2**E E c h E c h -=?=λ ν λ h c h == ?*E （1） （2）010*425.12148300 *10*38.11010*3* 10 *63.61 2 236 8 34 ≈====--- ----e e e n n T k c h b λ
（3） K n n k c h b 3 6 238341 210*26.6)1.0(ln *10*10*8.3110*3*10*63.6ln *T =-=-=---λ 9. 解：(1) 由题意传播1mm,吸收1%，所以吸收系数101.0-=mm α (2) 010010100003660I .e I e I e I I .z ====-?-α 即经过厚度为0.1m 时光能通过36.6% 10. 解： m /..ln .G e .e I I G .Gz 6550314 013122020===?=?
题号一二三四总分阅卷人 得分 得分 2011 ─2012学年 第 2 学期 长江大学试卷 院（系、部） 专业 班级 姓名 学号 …………….……………………………. 密………………………………………封………………..…………………..线…………………………………….. 《 激光原理与技术 》课程考试试卷( A卷)专业：应物 年级2009级 考试方式：闭卷 学分4.5 考试时间：110 分钟相关常数：光速：c=3×108m/s, 普朗克常数h =6.63×10-34Js, 101/5=1.585 一、选择题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 掺铒光纤激光器中的发光粒子的激光上能级寿命为10ms ，则其自 发辐射几率为 。 （A ）100s -1 (B) 10s -1 (C) 0.1s -1 (D) 10ms 2. 现有一平凹腔R 1→∞，R 2=5m ，L =1m 。它在稳区图中的位置是 。(A) (0, 0.8) (B) (1, 0.8) (C) (0.8, 0) (D) (0.8, 1) 3. 图1为某一激光器的输入/输出特性曲线，从图上可以看出，该激光器的斜效率约为 。
(A) 10% (B) 20% (C) 30% (D) 40% 图1 图2 4．图2为某一激光介质的吸收与辐射截面特征曲线，从图上可以看出，该激光介质可用来产生 的激光。
得 分 (A) 只有1532 nm (B)只能在1532 nm 附近 (C) 只能在1530 nm-1560nm 之间 (D) 1470 nm-1570nm 之间均可 A 卷第 1 页共 6 页 5. 电光晶体具有“波片”的功能，可作为光波偏振态的变换器，当晶体加上V λ/2电场时，晶体相当于 。 （A ）全波片 (B) 1/4波片 (C) 3/4波片 (D) 1/2波片 6. 腔长3m 的调Q 激光器所能获得的最小脉宽为 。（设腔内介质折射率为1） （A ）6.67ns (B) 10ns (C) 20ns (D) 30ns 7. 掺钕钇铝石榴石（Y 3Al 5O 12）激光器又称掺Nd 3+:YAG 激光器，属四能级系统。其发光波长为 。 （A ） 1.064μm （B ）1.30μm （C ） 1.55μm （D ）1.65μm 8. 在采用双包层泵浦方式的高功率光纤放大器中，信号光在 中传输。 （A ） 纤芯 （B ）包层 （C ）纤芯与包层 （D ）包层中（以多模） 9. 脉冲透射式调Q 开关器件的特点是谐振腔储能调Q ，该方法俗称 。 （A ）漂白 （B ）腔倒空 (C ）锁模 （D ）锁相 10. 惰性气体原子激光器，也就是工作物质为惰性气体如氩、氪、氙、氖等。这些气体除氙以外增益都较低，通常都使用氦气作为辅助气体，借以 。 (A ）降低输出功率 (B ）提高输出功率 C ）增加谱线宽度 （D ）减小谱线宽度 二、填空题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 在2cm 3空腔内有一带宽为1×10-4μm ，波长为0.5μm 的跃迁，此跃迁的频率范围是 120 GHz 。 2. 稳定球面腔与共焦腔具有等价性，即任何一个共焦腔与无穷多个稳定
激光的特性：方向性好、单色好、相干性好、亮度高。由于谐振腔对 光振荡方向的限制，激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大，所以激光具有很高的方向性。半导体激光器的方向性最差。衍射极限θm≈1.22λ D (λ为波长，D为光束直径)；激光是由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，所以单色性极好。单模稳频气体激光器的单色性最好，半导体激光器的单色性最差；激光是通过受激辐射过程形成的，其中每个光子的运动状态（频率、相位、偏振态、传播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一种相干光这是激光与普通光源最重要的区别；激光的高方向性、单色性等特点，决定了它具有极高的单 色定向亮度。相干性包括时间相干和空间相干，有时用相干长度L C=C ?V 来表示相干时间。自发辐射：处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hv=E2?E1的光子，这个过程称为自发跃迁。 自发辐射跃迁概率（自发跃迁爱因斯坦系数）A21=（dn21 dt ） sp 1 n2 = ?1 n2dn2 dt （n2为E2能级总粒子数密度；dn21为dt时间内自发辐射跃迁 粒子数密度）；受激辐射：在频率为v=(E2?E1)/h的光照激励下，或在能量为hv=E2?E1的光子诱发下，处于高能级E2上的原子可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这 个过程称为受激辐射跃迁W21=（dn21 dt ） st 1 n2 =?1 n2 dn2 dt 。受激辐射跃 迁与自发辐射跃迁的区别在于，它是在辐射场（光场）的激励下产生的，因此，其月前概率不仅与原子本身的性质有关，还与外来光场的单色能量密度ρv成正比，W21=B21ρv，B21称为爱因斯坦系数；受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为v的光场作用（照射）下，吸收
激光原理及应用 考试时间:第18周星期五(2007年1月5日) 一单项选择（30分） 1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（B） 2．爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（C） 3．自然增宽谱线为（C） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（B） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5．阈值条件是形成激光的（C） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6．谐振腔的纵模间隔为（B） 7．对称共焦腔基模的远场发散角为（C） 8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的（C） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9．锁模激光器通常可获得（A）量级短脉冲 10．YAG激光器是典型的（C）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 二填空（20分） 1.任何一个共焦腔与等价，
而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分) 2.光子简并度指光子处于、 、、。（4分） 3．激光器的基本结构包括三部分，即、 和。（3分） 4．影响腔内电磁场能量分布的因素有、 、。（3分） 5．有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 个。（2分） 6．目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是、、和。（4分） 三、计算题（42分） 1．（8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知＝6328?，1/f(ν) ＝109Hz，＝1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率R＝l－L ＝98.33％，＝10—7s，腔长L＝0.1m。 2．（12分）稳定双凹球面腔腔长L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R 1＝3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。 ＝1.5m,R 2 3．（12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横模就不可能存在。试估算在L＝30cm,2a=0.2cm的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大？ 4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。 四、论述题（8分） 1．（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程
激光原理及应用 第1章 辐射理论概要与激光产生的条件 1.光波：光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播。光波既是电矢量→E 的振动和传播，同时又是磁矢量→B 的振动和传播。在均匀介质中，电矢量→ E 的振动方向与磁矢量→B 的振动方向互相垂直，且→E 、→B 均垂直于光的传播方向→k 。（填空） 2.玻尔兹曼分布：e g n g n kT n n m m E E n m )(--=（计算） 3.光和物质的作用：原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。物质（原子、分子等）的相互作用有三种不同的过程，即自发辐射、受激辐射及受激吸收。对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时存在并紧密联系的。在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用。（填空） 自发辐射：自发辐射的平均寿命A 211=τ（A 21指单位时间内发生自 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） 4.自发辐射、受激吸收和受激吸收之间的关系 在光和大量原子系统的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时发生的，他们之间密切相关。在单色能量密度为ρV 的光照射下，dt 时间内在光和原子相互作用达到动平衡的条件下有下述关系：dt dt dt v v n B n B n A ρρ112221221=+ （自发辐射光子数） （受激辐射光子数） （受激吸收光子数）
即单位体积中，在dt 时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。（简答） 5.光谱线增宽：光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对许多激光器的输出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。（填空） 光谱线增宽的分类：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽 自然增宽：自然增宽的线型函数的值降至其最大值的1/2时所对应的两个频率之差称作原子谱线的半值宽度，也叫作自然增宽。 碰撞增宽：是由于发光原子间的相互作用造成的。 多普勒增宽：是由于发光原子相对于观察者运动所引起的谱线增宽。当光源和接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的光波频率不等于光源与接收器相对静止时的频率，叫光的多普勒效应。 6.按照谱线增宽的特点可分为均匀增宽和非均匀增宽两类。 7.要实现光的放大，第一需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽运到高能级上去；第二需要有合适的发光介质（或称激光工作物质），它能在外界激励能源的作用下形成g n g n 1 122 的粒子数密度反转分布状态。 8.要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须具备三个条件： （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（原子、分子或者离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； （2）有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能
激光传感器的工作原理 及其应用 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。常见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光传感器的应用 利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。 激光测长 精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氪-86灯）还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。 激光测距 它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪。 激光测振 它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决
2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1．填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性 为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？ 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么？ 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响？ 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模
《激光原理及技术》课程标准 适用专业：光电信息科学与工程专业 所属教研室（系）：光电信息教研室 课程名称：激光原理及技术（Principles and Techniques of Laser） 课程类型：专业核心课程 学时学分：32学时（学分） 一、课程概述 （一）课程性质 《激光原理及技术》是光电信息科学与工程专业的一门专业核心课程。本课程的目的在于介绍激光的基本理论知识和掌握激光器的使用技术。 通过《激光原理及技术》课程的教学，使学生了解和掌握激光器的基本结构、工作原理和基本操控技术，培养学生分析解决激光原理问题的能力。激光原理及应用的预修课程为高等数学、线性代数、数学物理方法和大学物理等基础课程，激光原理为后继课的学习和专业训练提供必要的准备，是高等学校光学工程类和光电信息类各专业学生的一门重要的必需专业课程。我校光电信息科学与工程专业的人才培养目标是要求本专业毕业生在光电信息科学与工程领域方向上具有宽厚的理论基础、扎实的专业基础知识、熟练的实验技能，并具有综合运用专业理论技术分析解决工程问题的基本能力。激光是本专业中应用最为基本、最普遍的工具之一，例如在光纤通信、光存储、激光切割、激光雷达等方面都起着至关重要的作用，为了培养出符合社会需求的应用型人才，就必须要学生掌握激光的基本知识和操作技能。特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光电子方向和相关专业的教学和科研打下扎实的理论基础。该课程共分五章，包括激光的基本原理，开放式光腔和高斯光束，激光介质的增益线形和增益系数，激光器稳态振荡特性，激光器和技术。 本课程应先修《大学物理（电磁学、光学部分）》、《高等数学》、《线性代数》、《数学物理方法》等课程，同时它又是《半导体物理与器件》、《光电子技术》、《光电探测和信号处理》和《光电成像原理与技术》等课程的基础。 （二）基本原则 本课程主要围绕着提高学生知识、技能和思维等方面能力为目标，遵循“掌握原理”、“了解技术”的原则。“掌握原理”是指教学内容要符合物理学专业的培养目标的需要和满足物理学专业学生能力发展的需求。“了解技术”是指教学内容既要保持本课程在以后工作中的应用性和实践性，又要“重难点突出”，让学生了解激光器的广泛应用和使用中常用的技术。 （三）设计思路。 1.教学改革基本思路 本课程依据光电信息科学与工程专业人才培养的目标和规格，在目标设定、教学过程、课程评价和教学资源的开发等方面突出以学生为主体、教师为主导的思想，以提高学生理性思维能力、逻辑推理能力和实际应用能力为主要目标，把知识与技能，
思考练习题1 1． 试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=3000MHz 的光，每秒从 上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为：18 8 346341105138.21031063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=） 则有：1]300 1038.11031063.6exp[23 93412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为 1.64×l0－18 J ，设火焰(T ＝2700K) 中含有1020 个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2 为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 181221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且20 2110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918 8 10084.510 64.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 q q 激自1 = 2000 ，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ??=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求 q q 激 自 为若干？ 答：（1）
《激光技术原理与实验》 课程代码： 课程名称：激光原理与技术实验 学分：3 学时：48 （其中实验学时：16） 先修课程：普通物理、物理光学 一、目的与任务 本课程是测控技术与仪器专业一门理论与实验并重的专业基础课，其教学目的是通过该课程理论部分的学习，使学生系统掌握激光的基本概念和基础理论，掌握各种类型激光器和基本激光技术的工作原理与设计方法，了解激光器件和激光技术领域的发展趋势和技术前沿。通过实验环节的锻炼，进一步加深对激光器和激光技术基本工作原理的理解，认识和熟悉常见激光器的基本构造、工作特性和调试方法，掌握激光器主要特性参数的测试方法，并学会使用激光实验研究常用的测试仪器。以期通过本课程的学习，培养学生理论联系实际、综合运用所学基础知识解决实际工程问题的能力。 二、教学内容及学时分配 理论部分 绪论（1学时） 第一章激光的物理基础（4学时） 1.激光的特性 2.光波模式和光子状态 3.原子的能级、分布和跃迁 4.激光产生的必要条件与充分条件 第二章场与物质的相互作用（4学时） 1.谱线加宽与线型函数 2.激光器的速率方程理论 3.均匀加宽工作物质的增益系数 4.非均匀加宽工作物质的增益系数 第三章光学谐振腔理论（5学时） 1.光学谐振腔的基本知识
2.光学谐振腔的损耗 3.光学谐振腔的稳定性条件 4.谐振腔的衍射积分理论 5.平行平面腔的自再现模 6.对称共焦腔的自再现模 7.一般稳定球面腔的模式特征 8.高斯光束 第四章激光器的工作特性（4学时） 1.连续激光器和脉冲激光器 2.激光振荡的阈值条件 3.激光器的振荡模式 4.激光器的输出特性 5.单模激光器的线宽极限 6.激光器的泵浦技术 第五章典型激光器（4学时） 1.概述 2.气体激光器 3.固体激光器 4.光纤激光器 5.半导体激光器 6.其他类型激光器 第六章激光调制技术（2学时） 1.调制的基本概念 2.电光调制 3.声光调制 4.直接调制 第七章调Q技术与锁模技术（4学时） 1.调Q技术的基本原理 2.常用的调Q技术
各章内容总结 第1章 1.光的波粒二相性，光子学说 光是由一群以光速 c 运动的光量子（简称光子）所组成 2三种跃迁过程（自发辐射、受激辐射 和受激吸收） ? 3.自发辐射和受激辐射的本质区别？ ? 4.在热平衡状态下，物质的粒子数密度按能级分布规律（正常分布） ? 5.激光产生的必要条件:实现粒子数反转分布 ? 6.激光产生的阈值条件：增益大于等于损耗 ? 7.激光的特点？ ? (1)极好的方向性（θ≈10-3rad) ? (2)优越的单色性(Δν=3.8*108Hz,是单色 性最好的普通光源的线宽的105倍. ? (3)极好的相干性(频率相同,传播方向同,相位差恒定) ? (4)极高的亮度 ? 8激光器构成及每部分的功能 1激光工作物质 提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因 νh E =λνc h c h c E m ///2 2===
2.）泵浦源 提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因 3.）光学谐振腔 ①提供光学正反馈作用 ②控制腔内振荡光束的特性 9.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) 10.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. 11.谱线加宽的分类: 均匀加宽和非均匀加宽 两种加宽的本质区别？ 12激光器泵谱技术的分类: 直接泵谱 缺点：（49页） 间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式) u u u u S h A c h I τσντνπν1122 8==)211(2121111τττπν++++=?∑∑u j j i ui H A A N D M T Mc kT 072/120)1016.7(])2(ln 2[2ννν-?==?
激光原理、技术、器件及应用 实验指导书
目录 激光扫描技术 (3) 氦—氖激光器 (6) 相位式激光测距原理 (8) CO 激光器 (11) 2
激光扫描技术 旋转多面镜扫描主要应用在激光高速扫描的情况。转镜扫描的最大特点是它 统来驱动。具有N Ψ=N 720度=N 4π弧度（N>2） 下面来介绍两种扫描形式转镜系统光路布置: 1. 入射型扫描 入射型扫描亦称为物空间扫 描.入射型扫描如图. 激光束经过扩束入射到旋转的转 镜上,而偏转的光束由一个透镜或 凹面镜聚焦到扫描平面上.值得注 意的是,扫描光斑轨迹在平面上, 所以,透镜设计应保证在接受平面 上聚焦成像时不产生大于设计要 求的像差.因为由图来看,光束经 过转镜扫描后会形成一个扇形非 匀速扫描平面,称为f-θ工作状态, 据此设计的透镜称为f –θ透镜. 这种透镜工作时能保证:平面聚焦, 在整个扫描范围内,聚焦光斑均匀,直径不变;在聚焦平面内光斑线形扫描(假设光束以均匀的角速度扫描入射);有一个足够大的视场. 2．出射型扫描 转镜扫描原理图
出射型扫描，也称为像空间扫描，这种扫描的特点是转镜位于扫描透镜之后，如图。 由于成像透镜位于转镜前，因此，入射到透镜上的光束是固定不动的，这样透镜设计就简单了。但出射型扫描的轨迹是一条曲线，曲线中心就是转镜表面上光斑的位置。一般来说，接收信号的存储介质是平面，所以我们往往选择大f 数，譬如f/50的透镜，这样，聚焦曲面的弦深会小于扫描光束的焦深，用平面型光电接收器接收时，光信号不会出现任何畸变。比较以上两种，本文建议在激光电视中采用前者，即入射型扫描。所以还需对其中的关键部件f -θ透镜进行一下说明。 设F-θ透镜焦距为f '，总扫描角度为2θ，扫描场的覆盖长度为L 。 在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为： H=f '.tg θ 将此式两边对时间微分得： dt dH =dt d f θθ2sec ' 可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。 对F-θ透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为： H=f '.θ 这样： ωθ..f dt d f dt dH '='= 其中，ω是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2f '.θ范围内的等速扫描。这即是要求F-θ透镜故意产生正的畸变，当扫描角度θ增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的θθtg /倍，其线畸变为： ? H=f '.tg θ-f '.θ=(f 'tg θθ-） 其相对畸变为： 100?-='θ θθtg tg T D % 故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。由于此镜头的像高等于f '·θ，故常简称为F-θ透镜。