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激光元器件复习

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1.激光器的基本组成结构有哪些工作物质、谐振腔、泵浦系统（3个）2.泵浦系统的激励方式光激励、放电激励、热能激励、化学能激励、核能激励（5个）3.不同激光器的激励方式：气体激光器： He-Ne激光器：一般采用放电激励CO2激光器：放电激励气体激光器1.气体放电的基本种类:激发与电离的区别？ e ′ + A ―― e + A′（原子激发）e′ + A ―――― e + A+ + △e （原子电离）e ′高速电子He-Ne激光器（填空、判断）1.Ne气是工作气体，He气是辅助气体（用以提高Ne原子的泵浦速率）2.气压比He：Ne=5:1到7:13.峰值波长632.8nm4.四能级系统5.上能级激发途径：共振转移、电子直接碰撞激发、串级跃迁6.亚稳态能级回到基态的方式：跟据能量选择定则不可以自发的回落到基态，但可以和管壁碰撞，将能量传递给管壁，以能量热损失的方式使自己回落到基态。

这也是He-Ne激光器中要有一根内径很细的放电管的原因。

7.跟管壁碰撞是He-Ne激光器的必学要求，因此放电管要设计成毛细放电管便于碰撞He-Ne激光器的输出特性1.最佳放电条件：当放电电流i较小时，n3上能级粒子数与i成线性增大变化；当i很大时，呈饱和现象。

（当放电电流增大时，电子数目增多，碰撞机会增大，易产生消激发，影响上能级粒子数积累）。

N2下能级随放电电流i呈直线变化，不出现饱和。

（因为2P4上的粒子是电子直接激励基态Ne原子得到的，切2P4到1S自发辐射极快）2.放电电流过大和过小对粒子数反转的不良影响:放电电流小，上能级粒子数被激发的少；过大，电子数目增多，电子碰撞几率增大，影响电子的能量，消激发加剧，上能级粒子数增加变少。

放电电流过大时，由于下能级增加的粒子数比上能级多，反转粒子数就会下降。

因此反转粒子数存在最佳放电电流条件。

因增益正比于反转粒子数密度，因而增益野存在最佳放电电流。

3.气压高或低对粒子数反转的不良影响：气压过低，粒子数少，粒子数反转也减少；气压过高，电子碰撞次数增多，电子温度低，上能级粒子数降低。

4.Ne过少的影响是什么？当总气压一定时， Ne气含量过少，n1减少，使n3减少； Ne含量过多，因Ne比He易电离而导致电子能量和温度降低，使S/04和n3减小.由于Ne 原子激光上能级的粒子数主要是由He亚稳态原子共振转移而得到的，所以He原子的气压应该高于Ne原子的气压，才能有效的将原子从基态激发到高能态。

最佳气压比为He 气比Ne气为5:1到7:1He-Ne激光器的输出特性1. P=ATI+v0 (I+V0)A光束有效横截面积； T透过率； I~在中心频率处，正向传输光强的腔内光强值大小。

2.提升输出功率的6个方法：1适当增加毛细管长度l可使输出功率增加。

2选择最佳放电条件。

3减小腔内损耗。

4抑制3.39μm的辐射。

5使用氦的同位素氦－3。

6选取最佳透过率。

3.加非均匀磁场提升6328nm波长光的输出功率的原理？功率的稳定性1.漂移和噪声的定义：He-He激光器在工作过程中，输出功率会随时间做周期性的或随机的波动。

波动频率1Hz以下的为功率漂移，波动频率1Hz以上的为噪声2.减少飘逸的措施主动控制法：将激光的输出功率与基准值进行比较，并将差值放大反馈，用得到的反馈信号对产生激光的参数进行调整控制。

被动控制法：在激光的输出光路上加一个可控的衰减器，用部分激光功率去控制衰减的程度，是输出功率稳定在要求范围内。

3.什么是频率的稳定性？频率的稳定性包含稳定度和再现性稳定度：某一连续点燃工作时间内，频率变化量与平均频率之比。

分短期稳定度和长期稳定度再现性：不同时间不同地点或不同环境下，激光频率的再现程度4.稳频的几个方法主动稳频:兰姆凹陷法稳频、饱和吸收法、塞曼效应法稳频被动稳频：主要是采取一些措施减小外界干扰。

如采用热膨胀系数小的材料做激光管和谐振腔支架，采用好的防震和恒温措施，使用稳流电源。

5.塞满稳频效应:再外加磁场之后能级分裂形成了频差，频差与原中心频率V不同，选择其中一个单调变化的区域作为控制线，将变化的V1反馈回来控制压电陶瓷，以改变腔长，从而改变输出的频率达到稳频。

输出特性1.L腔长，R凹面镜曲率半径，Γ=R/L为了得到晓得发散角，要选用大R或大L，但又不能过大。

2. He-Ne激光器的偏振特性及获得偏振输出的方法在外腔和半外腔式He-Ne激光器中，由于布儒斯特窗的存在，输出的激光为偏振光（1）为克服调整困难，采用了内腔式激光器中加有布儒斯特窗的方法获得偏振光输出（2））在放电管上加有均匀横向磁场的磁起偏He-Ne激光器，既保留了全内腔激光器的特点，又可获得高偏振度的偏振光的输出3. He-Ne激光器的结构与设计1 结构：内腔式外腔式半外腔式旁轴式单毛细管式2 设计：1）确定放电毛细管长度l和谐振腔长度L，l＝PW/P0，L=l＋2 △l（△l＝35～40mm）（关键是P0的取值）（2）确定反射镜的曲率半径R： R=βl β为腔结构参数，取1 ～ 3.5，计算取值2 （3）确定放电毛细管直径D以光束强度分布的特点来确定ω凹＝0.3D，根据多纵模均匀增宽器件特性确定D≤118L/(3×104-32L)CO2激光器1.分子的能级构成C02分子内能包括：电子内能＋分子中原子间的振动能级＋分子的整体转动能级2.产生激光的能级：同一电子态的不同振动能级之间的跃迁。

3.CO2分子的基本振动形式：对称振动、形变振动、反对称振动4.0001能级的量子意义5.瓶颈效应：当CO2激光器中不加其他气体，只靠CO2分子之间的碰撞时，1000驰豫到0110的速率比从0110驰豫到0000的速率高得多，因此0110能级上的粒子将被堆积起来，而第一步过程是可逆的，这会使得1000和0200能级上的粒子数增加，造成反转粒子数下降6.辅助气体He气的作用：7.He：1 降低工作气体的温度，增加输出功率2 He对激光下能级的驰豫作用比对激光能级的驰豫作用影响大得多，这有利于粒子数反转，即有利于提高输出功率3 缓冲CO2向管壁扩散，减少0001态CO2分子与管壁的碰撞消激发作用CO2激光器输出、工作特性1.温度影响（3点）温度影响输出功率的原因：（1）. 温度升高使下能级粒子数增多，上能级消激发增大，反转粒子数减少，输出功率下降（2）.随气压的增高，线宽加大，输出功率下降（3）.温度升高增加了CO2分子的分解，输出功率下降降低温度采用冷却措施：扩散冷却对流冷却2.转动能级的竞争效应同一振动能级的各转动能级之间考的很近，能级转移很快，一旦某一转动能级上的粒子跃迁后，其他能级上的粒子就会立即按照玻尔兹曼分配律，转移到这个能级上来，而其他能级上的粒子减少，这就是能级的转动竞争效应。

CO2激光器的设计回气管3.横向激励高气压CO2激光器（TEA）工作气压高的原因TEA激光器是以脉冲方式工作的，在脉冲频率不太高的情况下，温度升高的程度要比连续工作方式低得多。

而且可以选择放电脉冲宽度，使之小于弛豫时间。

在脉冲放电时，激光上能级粒子数迅速增大，在来不及建立激光振荡时，激光介质的增益已经远远超过其震荡阈值，结果形成了巨脉冲的输出，形成这种脉冲的机理常称“增益开关效应”。

因此TEA激光器可在高气压下工作，工作气压越高，CO2分子的数目则越多，可以得到的激光脉冲能量越高。

同时，工作气压越高，放电脉冲宽度也越短。

因而激光输出的峰值功率随着气压的升高而又明显的提高。

4.横向激励均匀放电采取的措施有哪些：（1）用针板式的电极结构，针板的边角要磨成圆弧过渡，电极表面要相对圆滑，不能有明显的不平和毛刺（2）采用预电离技术，其实质是在电极放电之前，先使气体产生弱电离，然后再进行主放电。

预电离采用的三种方法是双放电法、紫外预电离、电子束预电离。

双放电法：在阳极和阴极之间靠近阴极附近加入第三个电极（预电离电极），在主放电之前，预电离电极和主放电的阴极间先加上高压，使他们之间发生电晕放电，在阴极附近形成均与的电离层，然后在阴极和阳极间加上高压并发生主放电。

输出光束的特性1.增益开关效应：激光器的光脉冲输出是由于腔内高增益的迅速建立而形成的2.激光脉冲的瞬时特性：双峰值：一个由电子直接碰撞激发形成，一个由N2分子激发形成CO2波导激光器1.放电管（此时又是波导管）材料：石英玻璃、氧化铍BeO或金属铝。

因为波导内径很小，使得散热面积小，因此要求波导材料导热性好2.波导激光器的耦合损耗：Ar离子激光器1.Ar激光器的三种激发方式：（1）电子于Ar院子碰撞，使Ar原子电离成正1价的氩离子，氩离子再与电子碰撞而被激发到高能态；（2）电子与Ar原子碰撞后直接把Ar原子电离并激发到激发态（3）通过电子碰撞先把正1价的氩离子激发到3p\4 5s和3p\4 4d 等高能态上，然后通过辐射，跃迁到激光上能级3p\4 4p上。

这种激发过程称为“串激跃迁”。

2.氩离子激光器激励源低气压大电流的原因：氩离子激光器的三种激发过程都要求电子的能量比较高，换句话说，就是要求放电管内有比较高的温度。

而气压低，电子自由程就长，能量损耗就小，则温度可提高。

其次为了增加电离和激发过程，就要提高电子数密度，这就需要大电流放电。

3.抽运效应：在大电流和低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，放电管内的气体会被从一端抽运到另一端，照成两端气压不均匀，严重时还会照成激光猝灭现象。

控制方法是：加回气管。

（回气管分为内回气管和外回气管）4.回气管为什么设计的又细又长：为了使放电不沿回气管进行，要求回气管的长径比要大于放电管。

5.Ar离子激光器外加磁场的作用和影响：存在最佳磁场值（磁场产生的洛伦兹力，减少了粒子与管壁的碰撞，增大了粒子密度;磁场过大，谱线变宽，增益下降。

同时粒子碰撞加剧，电子温度降低，激发速率下降，同时管壁受碰撞放气等影响了气体纯度）N2分子激光器1.N2分子激光器为什么不使用谐振腔：（1）采用的是上升沿很短的超短脉冲激励2.实现快速放电：电子束激励、快速放电装置1）行波放电法：使用火花塞2）同轴传输线放电激励法N2分子激光器的工作特性1.脉冲形状：图书P71，N2分子激光器的输出脉冲形状通常有多个峰。

多峰的原因主要是由于快速脉冲放电在时间上和空间上的分散性引起的。

在几个纳秒的脉冲时间内，沿整个放电长度上各处不会同时放电，因而粒子数反转达到最大值的时间不同，不同时刻所产生的激光脉冲功率也有差别，结果呈现出多个输出脉冲。

准分子激光器（工作物质是准分子）1.准分子：常态下为原子，在激发态下能够暂时结合成不稳定的分子。

2.为什么准分子激光器下能级可以看做是空能级？以及随之产生的特性是什么？能级结构的特点：基态为排斥态或弱束缚态，激发态为束缚态，因此下能级（排斥态或弱束缚态）近似为空的，容易形成粒子数反转（1）基态寿命短，对产生巨脉冲有利（2）下能级是基态，基本上无辐射损耗，量子效率很高，高效率的主要原因（3）下能级迅速离解，无瓶颈效应，拉长脉宽或高重复率工作容易（4）频率可调谐固体激光器1.固体激光器的效率图：2.固体工作物质的两部分组成：基质和激活离子3.固体基质材料分为玻璃和晶体两类，它们各自的优缺点是什么：4.激活离子本身是晶体组成部分的激光工作物质称为正分高浓度晶体。

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激光原理复习知识点

激光原理复习知识点

一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。

α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。

2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。

按上式定义的v∆称为谱线宽度。

3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。

4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。

5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。

定义p v P w Q ξπξ2==。

ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。

v 为腔内电磁场的振荡频率。

6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。

7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。

这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。

8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。

9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。

（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。

激光原理 复习课(4)

激光原理 复习课(4)

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。
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。
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（
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、简述激光纵模述题（三） 论述题（
激光器件考题

激光器件考题

调Q方式：转镜调Q，电光调Q，声光调Q，饱和吸收调Q。
9.超短脉冲的原理与实现方式。
答：形成原理：采用适当的方法，对激光束进行特殊的调制，使激光束中不同的振荡模式具有确定的相位差关系，从而使各个模式相干叠加，形成超短脉冲。
通过锁模来实现。主动锁模：振幅调制锁模，相位调制锁模。被动锁模：饱和吸收锁模
激光器的应用举例。
2.CO2激光器中N2、He、Xe、H2等辅助气体的作用。
答：N2的作用是提高激光上能级的激励效率。
Xe增加放电气体中的电离度，使得电子平均能量降低，从而提高激光器的效率
H2提高器件的输出功率，并且延长器件寿命
He降低工作气体的温度，增加输出功率
3.闪光灯泵浦的固体激光器的能量转换过程。
4.列出固体激光器的工作物质并指出吸收带与典型的激光波长。
答：频率的稳定性描述激光频率在参考标准频率 附近的漂移。通常指激光器在连续运转时，在一定的观测时间内频率的平均值̅与该时间内频率的变化量Δ之比，即 显然，变化量Δ()越小，则越大
答：电光晶体在电场作用下，其折射率发生改变，使通过它的不同偏振分量产生相位差，从而使出射光的偏振态发生改变，称为电光效应。
1.He-Ne 激光器的能级图与激发机理。
原理：由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比 Ne 原子被激发的概率大。He 的23S，21S这两个能级都是亚稳态，集聚了较多的原子。由于Ne的 5S和 4S与 He的 21S和 23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”；He 把能量传递给Ne而回到基态，而 Ne则被激发到 5S或 4S态。正好Ne的5S，4S也是亚稳态，下能级 4P，3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数 。放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。借助这样可及时减少3S态的Ne原子数，有利于Ne原子的下能级4P与3P态的“抽空”。这种碰撞，3S态的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态。
激光复习总结要点

激光复习总结要点

激光复习总结要点(总21页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--复习提纲2011年10月第一章 激光产生的基本原理一. 相干性的光子描述（概念、概念~~~）1. 光波的模式和光子态的概念、统一性：模式的概念、光子态的概念、基本推导过程。

（注意看pps 文件。

）2. 光子的相干性如何描述（相干时间、相干长度、相干体积、时间相干性、空间相干性、光子的简并度）。

3. 一种光波模式和一种光子态在相空间中均占据一个相格3h 。

二者是等价的4. 光子简并度越大，则相干光强越大。

二. 光的受激辐射基本概念 1. 热辐射、黑体辐射、近似黑体的定义；黑体辐射的Plank 公式；2. 光与物质相互作用的三种主要的过程是什么各自的特点是什么几个系数之间的关系是什么？3. 掌握每一种数学表示方法！!!!!三. 光的受激辐射放大与振荡（重点复习）1. 如何理解小信号系统、大信号系统、增益饱和、光强放大的过程、增益系数、增益曲线、粒子数反转和阈值条件的推导？理解光在工作物质中的增益系数的定义和表达式。

2.3.处于粒子数反转状态的物质——激活介质、激光介质或增益介质； 增益系数：表示光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数；0ln 1I I L G 当(n 2-n 1)不随着z 的变化而变化，而且I 0很小，G 0可以认为是常数，这种情况称为小信号增益。

（增益曲线）当(n 2-n 1)随着z 的变化而变化，称为大信号增益，用G 00表示；增益饱和现象激光上能级粒子数n 2减小到小信号时的1/2时候对应的光强 I 就是饱和光强I S ；SI I G I G +=1)(0如果在增益介质中光强始终满足条件I<<I S ， 则增益系数0)(G I G =为常数且不随Z 而变化，这就是小信号的情况；如果在增益介质中光强不能满足条件I<<I S ，则增益)(I G 随着z 的增加而减小，这就是大信号的情况；在光放大同时，总存在着光的损耗，损耗系数定义为：)(1)(z I dz z dI ⋅-=α 阈值条件为：210ln 21)(r r L z G total -=≥αα4. 激光的产生具备的两个条件是什么？粒子数反转；增益大于损耗当能量为h 21=E 2-E 1的光子通过增益介质时，引起的受激辐射将超过受激吸收，使得输出的光能量大于入射的光能量，增益介质对光进行了放大，这就是激光放大器的基本原理，这样的增益介质即为——光放大器5. 理解粒子数反转过程、光放大过程、增益饱和过程、激光振荡过程（激光器）和微波激射器的区别；当激光放大器的长度足够大时，它可能成为一个自激振荡器6. 完整叙述叙述从粒子数反转到阈值条件到最后形成激光振荡的整个过程。