激光原理 复习课(4)

采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡 的阈值很高，粒子数反转即使累积到很高水平也不会产生振荡；当粒子 数密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的 增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡，从而获得能量巨大的短脉冲 激光输出。
四、计算题（一） 计算题（
N2：提高激发转换效率；He：有效传热；
纵模频率间隔为 △vq=c/(2μL) , 谐振腔内可以同时振荡的 纵模数由△vF/△vq决定。 如图所示：
图(3-4) 腔中允许的纵模数
在频率为v1、强度为I 的光波作用下，可以计算出介质的增益系数:
0 GD (ν1 ) GD (ν1 ) = I (1 + )1 2 Is
五、论述题（二） 论述题（
2、气体激光器是常用的激光器，请从以下几个方面分别论述制造一台单模、 高功率、稳频激光器的设计原理和方案：（1）为何气体激光器一般是 多纵模输出？（2）如何实现高功率输出？（3）实现单纵模输出的原理 和具体方案；（4）实现稳频激光输出的原理和具体方案。 气体激光器是非均匀增宽型介质； 选择四能级系统； 采用法布里-珀罗标准具法或者复腔法选择单纵模； 采用兰姆凹陷法或饱和吸收发稳频。
12、三能级激光器的三个能级分别为 泵浦能级 、 激光高能级 和 激光低能级 （基态能级） 。 13、设在没有锁模前激光腔内有2N＋1个模式，则锁模后脉冲的光强可以增大到原来 的 2N＋1 倍。
三、简答题（一） 简答题（
1、简述受激辐射与自发辐射的相同点和不同点。 2、在He-Ne气体激光器中，激光工作物质是Ne原子，请说明为何加入He原子？ 3、简述在CO2激光器中加入N2和He的作用。 4、均匀增宽型介质激光器谐振腔内能同时振荡的纵模数主要由谐振腔长以 及激光工作物质的荧光谱线决定，简述其理由。 5、简述非均匀型介质激光器增益曲线上出现“烧孔”效应的原理。 6、激光器输出激光的频率一般会出现漂移，简述引起激光器漂移的主要因 素。
2、稳定谐振腔的一个反射镜的曲率半径R1=4L，求另外一个反射镜曲率半 径的取值范围。
0 ≤ (1 −
L L 3 L )(1 − ) ≤ 1 ⇒ 0 ≤ ⋅ (1 − ) ≤ 1 ⇒ R2 ≥ L或R2 ≤ −3L R1 R2 4 R2
五、论述题（一） 论述题（
1、通常一台固体激光器包含五大组成部分，请论述这五大部分的功能以及在设计激 光器时按照什么原则设计这五大部分。 激光工作物质：提供实现粒子束反转的物质基础，设计时主要从激光器的输 出的频率波段考虑； 泵浦系统：将工作物质的粒子从基态激发到激发高能态，从而实现工作物质 的粒子数反转。设计时主要从激光器输出功率大小，以及工作物质的吸收谱方面 考虑。 激光谐振腔：（1）延长了激光工作物质的工作长度，从而增加激光器的增 益；（2）约束激光器振荡光的方向，从而保证激光器输出光的方向性。设计时 主要从激光器的功率大小，输出频率波段的要求等方面考虑。 冷却系统：将激光器内的热能带走，确保激光器的温度不要过高，从而影响 激光器的寿命和正常工作。设计时主要从激光器的输出功率的大小以转换效率方 面考虑。
相同点：跃迁时都以光的形式释放能量； 不同点：自发辐射式随机的，发射的光子没有确定的方向性，各光子之间没 有相同的偏振性，也没有固定的相位关系，而受激辐射发射的光子与激 发光子具有相同的传播和偏振方向，并且具有固定的相位关系。
He原子容易被高速电子激发到高能级，而处于高能级的He原子很容易与Ne原 子发生共振能量转移从而将能量耦合给Ne原子，有助激光产生
在均匀增宽介质中，任何频率的纵模激光受激辐射消耗的反转粒子数对所有 纵模都是一样的，随着谐振腔能激光振荡的加强，由于增益饱和效应， 激光增益曲线会整体下降，所以只有增益最大的纵模可以继续振荡，而 其它低增益的纵模由于其增益系数小于损耗而消失。 非均介质的增益曲线很宽，而且不同纵模激光消耗的反转粒子数知识与其对 应的那部分反转粒子数，而不会消耗其它纵模对应的反转粒子数，所以 每一个纵模都只会在其频率附近形成烧空效应。
一、选择题（三） 选择题（ 选择题
10、激光器输出的纵模频率主要决定因素是：（ C ） A）激光介质的荧光谱线；B）激光器腔长；C）A和B 11、激光器工作物质缺陷造成的展宽机制主要是：（ B ） A）均匀展宽；B）非均匀展宽；C）碰撞展宽； 12、激光器产生稳定激光输出的条件之一是：（ B ） A）实现粒子数反转；B）激光物质的增益系数大于激光器的总体损耗阈 值；C）有小激光输入； 13、短焦距凸透镜对高斯激光束的作用为：（ A ） A）会聚作用；B）发散作用；C）准直作用； 14、激光共心腔是：（ B ） A）稳定腔；B）临界腔；C）非稳腔；
三、简答题（二） 简答题（
7、为何均匀增宽型介质中存在模式竞争，而非均匀增宽型介质中却没有模 式竞争？ 8、兰姆凹陷法稳频与饱和吸收法稳频是常用的两种激光器稳频方法，二者 原理有何不同？ 9、简述高斯激光束经过透镜变换后的特性变化。 10、简述激光锁模技术的原理。 11、简述声光调Q的原理。 12、简述激光纵模和横模概念的涵义及其二者的区别。
兰姆凹陷法稳频是利用激光增益饱和现象在激光增益曲线中心频率附近形成 的兰姆凹陷作为参考，若输出激光强调偏大则立即反馈信号给调整激光 腔长的压电调节器调整激光腔长从调整激光输出频率。而饱和吸收稳频 法是在激光谐振腔中加入一个吸收峰靠近激光输出频率的德饱和吸收盒， 这种吸收盒的吸收系数是激光谐振腔度的函数，谐振模越强对应的吸收 越小，所以当输出激光频率偏移是会导致激光强度下降，由此反馈激光 器一个调整谐振腔长度的信号。相对于兰姆凹陷，由于饱和吸收凹陷的 深度深，宽度窄，所以其稳频效果更好。
一、选择题（二） 选择题（ 选择题
6、掺钕钇铝石榴石（Nd3+: YAG）激光器常用输出激光波长是： （ A ） A）1060nm；B）550nm；C）10600nm； 7、与普通光源比较，激光具有如下特点： （ B ） A）方向性、来自百度文库色性和相干性；B）方向性、相干性和高亮度；C）单色 性、相干性和高亮度； 8、固体激光器工作物质的线型展宽机制主要是： （ A ） A）均匀展宽；B）非均匀展宽；C）碰撞展宽； 9、下列机制属于均匀增宽型物质机制是（ A ） A）自然展宽和碰撞展宽；B）自然展宽和缺陷展宽；C）自然展宽盒多 普勒展宽；
高斯光束经过透镜变换后仍然是高斯光束，只是其束腰半径大小以及束腰半径距离 透镜的距离会发生变换。如果入射高斯光束束腰距离透镜的距离远大于透镜的 焦距，那么高斯光束经过透镜的变换规律与几何光学成像规律一致；反之，成 像规律却与几何光学成像规律完全相反。
将所有纵模的相位锁定在一起，假设2N+1个纵模的振幅相同，则锁模脉冲的 光强I(t)正比于(2N+1)2E02, 可见锁模脉冲的光强度与2N+1个纵模简单的 叠加的强度扩大了(2N+1)倍，纵模数越多，锁模脉冲的宽度越窄，峰值 功率就越大。
五、论述题（三） 论述题（
3、谐振腔是激光器的重要部件，对激光的产生以及产生的激光性质具有重要的作用。 请从如下几个方面详细分析激光谐振腔的作用及其作用的原理。1）延长工作物 质的长度；2）决定激光的方向性；3）决定激光的单色性；4）决定激光的相干 性；5）对激光输出频率的稳定作用。 5 激光在谐振腔之间来回传播反复经过激光工作物质，相当于延长了工作物质的长度； 由于只有在谐振腔轴附件而且方向偏离很小的光才有可能在谐振腔之间多次振荡而不 损耗，那些偏离方向大的光线被损耗了，所以谐振腔限制了激光的方向性； 根据驻波条件，只有那些在谐振腔之间满足驻波条件的纵模才能够形成激光，所以激 光的输出光频率是分离的而不是连续的；采用纵模频率间隔公式解释。 由于谐振腔的选模作用，激光具有很好的单色性，同时又限制了激光的方向性，所以 就决定了激光的相干性； 谐振腔的调整可以实现激光的稳频。举例兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频原理。
在非均匀增宽型介质中，频率为v1 、强度为I 的光波
1+
只在附近宽度约为 ，如图下图所示。
I ∆ν Is
的范围内有增益饱和作用
根据激光纵模频率与谐振腔长的关系，温度变化引起的热胀冷缩从而引起激光谐振 腔长的变换，从而引起激光器输出频率的漂移；另外一个重要因素是温度以及 湿度的变化会引起激光工作物质折射率的变化，从而引起激光器谐振腔的光学 长度的改变，并引起激光频率的漂移。
1、稳定谐振腔的两个反射镜曲率半径分别为R1=40cm，R2=100cm，求腔长 L的取值范围。
0 ≤ (1 −
L L L L )(1 − ) ≤ 1 ⇒ 0 ≤ (1 − )(1 − ) ≤ 1 ⇒ 0 ≤ L ≤ 40cm或100 ≤ L ≤ 140cm R1 R2 40 100
四、计算题（二） 计算题（
一、选择题(一) 选择题( 选择题
1、氩离子激光器是多谱线激光器，常用的几个光谱线是： （ C ） A）458nm、488nm和543nm；B）488nm、514nm和543nm；C）458nm、 488nm和514nm； 2、气体激光器工作物质的线型展宽机制主要是： （ B ） A）均匀展宽；B）非均匀展宽；C）碰撞展宽； 3、激光器谐振腔的损耗主要包括： （ B ） A）内部损耗和工作物质的吸收；B）内部损耗和镜面损耗；C）工作物质的 吸收和镜面损耗； 4、均匀增宽型介质激光器稳定工作后一般是单纵模输出，其机理是：（ C ） A）均匀增宽型介质的展宽函数带宽很窄；B）纵模频率间隔很大；C）增益 饱和效应引起的纵模竞争； 5、高斯激光束经过凸透镜变换后变为： （ A ） A）高斯光束；B）非高斯光束；C）不确定；
二、填空题（一） 填空题（
1、激光器主要由 工作物质 、 谐振腔 、 激励能源 三个部份组成。 2、光与物质相互作用的三个主要过程是 自发辐射 、 吸收 和 受激发射 。 3、光波在谐振腔内的主要损耗包括 衍射损耗 、 散射损耗 和 杂质吸收损 耗。 4、激光器驻波腔内光场沿轴向的分布叫 纵模 ，其指数 q 决定了驻波 的波腹数，通过它可以算出激光的 频率 ，驻波腔内光场沿轴向横切 面的分布叫 横模 ，其指数 m, n 决定了沿轴向横切面驻波的波节数， 通过它们可以算出激光的传播方向。 5、激光器振荡的阈值条件是 增益大于损耗 。 6、实验上只要由测定了工作谱线的 中心波长 和 线宽 ，其线型函数就被 唯一确定。对于工作物质来说，均匀加宽的特点是原子群内每一个原子 所发出的光对谱线内所有的频率都有贡献，所有原子的线型函数都是相同的 ， 而非均匀内加宽的特点是不同的原子群有不同的线型函数，而总的线型函数 是它们的包络曲线 。
二、填空题（二） 填空题（
7、饱和效应的存在使激光工作的反转粒子数N 随激光光强I 的增加而 减 少 。 8、四能级激光器的四个能级分别 泵浦能级 、 激光高能级 、 激光低能级 和 基态能级。 9、从稳定性的角度，可把光学谐振腔分为 稳定腔 、 非稳腔 和 临界腔三 种。 10、单纵模激光束的理论线宽是 自发辐射 的存在引起的。 11、按照工作物质原子对发光的贡献的不同，压力加宽的荧光线型函数属 均匀加宽 ，多普勒加宽的荧光线型函数属 非均匀加宽 。