激光技术的原理和应用
1. 激光技术的原理
• 激光的定义
激光全称为 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，即通过受激辐射放大的光。激光是一种特殊的光，具有相干性、单色性、定向性和高亮度等特点。
• 激光的工作原理
激光的产生是基于一种叫做光放大的现象。通过将能量输入到具有放大特性的介质中，激发和放大粒子的运动，产生放大的光。激光设备通常由激光源、增益介质和光学谐振腔组成。
1. 激光源：激光源是产生激光的根源，常见的激光源包括固态激光器、半导体激光器和气体激光器等。
2. 增益介质：增益介质是激光光子受激辐射释放的地方，它能够将受激辐射的力量放大。增益介质常用的有固态晶体、半导体材料和气体等。
3. 光学谐振腔：光学谐振腔是将光反射和放大的地方。谐振腔通常由两个反射镜构成，一个是半透镜，用于输入激发的光，另一个是全反射镜，用于阻止光的逃逸。
• 激光的特性
激光具有以下几个特性：
1. 相干性：激光的光波相位高度一致，能够产生干涉现象。
2. 单色性：激光光线非常单一，只包含一个波长的光。
3. 定向性：激光光束非常集中，具有非常高的方向性。
4. 高亮度：激光光束具有很高的光强。
2. 激光技术的应用
激光技术在众多领域中得到了广泛的应用，以下列举了一些主要应用领域： • 医疗领域
– 激光手术：激光可用于眼科手术、皮肤美容手术等精细操作，具有创伤小、出血少、愈合快等优点。
– 激光治疗：激光可用于物理治疗、癌症治疗等，通过选择性破坏物质分子使疾病得到治疗。
• 制造业
– 激光切割：激光切割技术可以用于加工金属、塑料、纸张等材料，广泛应用于汽车行业、电子行业等领域。
– 激光焊接：激光焊接技术用于高精度焊接，在电子设备制造、航空航天等行业得到广泛应用。
– 激光打标：激光打标技术可以用于在物体表面进行标记、刻字、图案等，广泛应用于商品包装、饰品制造等。
1 激光原理与激光技术试卷
姓名__________ 专业方向__________ 成绩__________
说明： 1 本试卷为2013级研究生2013-2014学年使用；
2 本试卷独立完成，考生可参考书及笔记本，要求2014年1月10日前完成。
一、 解释下列名词 (15分)
腔寿命――
纵膜频率间隔――
横膜――
等价共焦腔――
高斯光束焦参数――
二、 简答题 (25分)
1. 简述激光器的构成及各部分的功能；
2. 什么是单程功率损耗？单程功率损耗包括哪些方面？
3. 谐振腔的本征纵膜频率间隔与哪些因素有关，起振模式数指什么？
4. 影响频率稳定的原因是因为哪些参数发生变化？
5. 高斯光束聚焦和准直各有什么特点？与平行光束的聚焦和准直有什么区别？
三、 证明题 (20分)
请用光学变换矩阵的方法证明双凹共焦腔的稳定性。
四、 计算题
1. (15分) 一氦氖激光器腔长L = 30 cm，腔内气体折射率 n 1，其非均匀加宽的线宽 D= 1.5×105 MHz，求：
(1) 该激光器的纵膜频率间隔；
(2) 满足域值条件的纵膜个数；
(3) 为使满足域值条件的纵膜数限制为10，腔长应限制在什么范围？
2. (25分) 一台Nd:YAG激光器(波长 = 1.06 m) 采用对称共焦腔结构，腔长L = 1.2m，求：
(1) 求此激光器基膜高斯光束的腰斑半径及镜面上的基膜光斑半径；
(2) 求此激光器基膜高斯光束的远场发散角；
(3) 求此腔产生的高斯光束焦参数；
(4) 求腰处及与腰斑相距2米处的q参数；
(5) 请设计一个与该共焦腔腔长相等的，平凹腔结构的等价球面腔，并画出该共焦腔与等价球面腔的结构示意图。
1 《 激光原理与技术 》课程考试试卷( B卷)参考答案
一、选择题(每小题 3 分，共 30 分)
1 B 2 D 3 C 4 A 5 C 6 D 7 A 8 D 9 B 10 B
二、填空题(每小题 3 分，共 30 分)
1．理想的基模高斯光束 2．增益谱宽度 3．占有重要地位
4．泵浦功率 5．)()()(2tItIG 6．2N+1
7．被动锁模 8．相同 9．稳定 10．简并的
三、间答题(每小题 5 分，共 25 分)
1． 答：激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽0v和谐振腔的纵模间隔)2(nLcvq决定，短腔可增大qv，使得在0v范围内只存在一个纵模。
该方法的适用场合： 增益线宽较窄的激光器。
2．答：外注入再生放大技术是一种利用一个激光器（主振荡器）产生性能优良的较弱光信号并注入到另一个激光器（从动振荡器）获得光放大的技术。根据主振荡器产生信号的强弱，放大的信号可以是主振荡器产生的信号；或从动振荡器产生的信号。
3． 答：在单块双45°晶体调Q开关中，在未加电压之前，使入射光预先偏斜一个特定角度，从而o光和e光分别在光轴与感应主轴组成的平面内传播，并与光轴有相同的夹角，它们在两个45°反射面之间经历的路程相等，加半波电压后受到同样调制。
4．答： )(41414341414ASSnWndtdn
4343232303222333)(),()(WnASnNvvgnAnggndtdnlv1412121WnSndtdn
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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≈1.22λD(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𝐋𝐂=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=（dn21dt）sp1n2=−1n2dn2dt（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=（dn21dt）st1n2=−1n2dn2dt。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，吸收一个能量为hv21的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁，受激吸收恰好是受激辐射的反过程。受激吸收跃迁概率W12=（dn12dt）st1n1=1n1dn2dt，与上个概念类似，W12=B12ρv，B12称为爱因斯坦系数。三个爱因斯坦系数之间的关系为f1B12=f2B21，A21B21=8πhv3c3（fi为Ei能级的统计权重）；激光产生的两个基本（必要）条件：粒子数反转，光学谐振腔（减少模式数量）。原因：只要使发光物质处于粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收，当频率为v的光束通过发光物质，光强就会得到放大，这便是激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光，这就是激光器的基本原理。解决受激辐射与自发辐射的矛盾，使受激辐射占绝对优势，还需要利用光学谐振腔来实现光的自激震荡，即激光震荡。激光产生的两个充分条件：阈值条件，增益饱和。原因：因为谐振腔内存在着损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得到的增益大于同一过程中的损耗时，才能维持光震荡，这个条件是激光器实现自激震荡所需要的最低条件，又称阈值条件。三能级系统的构成、特点：受激辐射在E1和E2两个能级之间产生，其中E1作为基态，作为激光下能级，泵浦源将激活粒子从E1能级抽运到E3能级，E3能级的寿命很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁到达E2能级。E2能级的寿命比E3长得多，为亚稳态作为激光上能级。四能级系统的构成、特点：与三能级系统类似，其中E3为激光上能级，E2为激光下能级，泵浦源将激光激活粒子从基态E1抽运到E4能级，E4能级的寿命很短，立即通过非辐射跃迁方式到达E3能级。E3能级寿命较长，是亚稳态。而E2能级寿命很短，热平衡是基本是空的，因此易于实现E3与E2两能级之间的粒子数反转。增益系数的定义：G(z)=dI(z)dz1I（z）；受激辐射光放大的概念：在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态完全相同的光子，这种现象称为受激辐射光放大。
