激光器件与技术简答题

一．He-Ne激光器
1.谱线竞争的原因：具有相同上能级或者相同下能级的谱线之间，当产生辐射跃迁时，对公有能级的粒子数发生影响，存在相互作用，这就是谱线竞争。

2.如何抑制
3.39μm?
①.谐振腔的作用：对于较短的氦氖激光器，靠谐振腔的选择性来抑制3.39μm谱线，谐振腔采用对632.8nm高反射率的多层介质膜，使谐振腔对632.8nm有高的增益，而对3.39μm经反射镜反射后损耗很大，单程增益很低，使之不能振荡，只产生632.8nm的谱线输出。

②.谐振腔中加色散元件：在谐振腔一个反射镜和布儒斯特窗之间放置一块三棱镜，由于棱镜对632.8nm和3.39μm的折射率不同，通过棱镜后就有不同的偏向角，调整谐振腔的位置，使得3.39μm的辐射偏离出腔外，只让632.8nm在腔内振荡。

③.甲烷吸收法：甲烷（CH4）气体对 3.39μm处有强烈吸收，而对832.8nm是完全透明的。

④.外加轴向非均匀磁场：非均匀磁场引起的增宽对632.8影响不大，对3.39μm影响很大。

由于增益与线宽成反比，所以非均匀磁场造成的谱线加宽使3.39μm的增益明显下降，而632.8nm变化不大，因此大大提高了它对3.39μm的竞争能力，使632.8nm的增益增大。

二、二氧化碳（CO2）激光器
1.P支和R支：二氧化碳激光器的跃迁发生在振动能级（0001）—（1000）
和（0001）—(0200)之间。

从一个振动能级到另一个振动能级跃迁时，也可能同时发生转动量子数的变化，对二氧化碳分子的激光跃迁，其选择定则为：1
∆，，1-=
0±
=
∆J的跃迁称为R
∆J的跃迁称为P支，1+
=
支，0
∆J的跃迁称为Q支，在二氧化碳分子中，Q支是不存在的。

=
P支较R支先振荡的原因：由于P支跃迁的上能级的统计权重（2J+1）比下能级的（2J+1）要小，而R支跃迁的上能级的统计权重（2J+3）比下能级（2J+1）要大，这就使P支的跃迁比R支的跃迁容易建立起粒子数的反转分布，又由于P支的跃迁几率比R支大，因而P支的激光振荡就比较容易实现。

一旦P支跃迁的某些谱线的振荡建立之后，由于竞争效应的作用，R支跃迁更难产生激光振荡。

因而一般观察不到R支跃迁的激光谱线，只有在谐振腔内插入分光元件，或谐振腔具有高选泽特性的情况下，有意的抑制了P支谱线振荡后，才能使R支的跃迁实现激光振荡，从而激光器输出相应的激光谱线。

2.辅助气体的作用：
①.N2和CO：主要都是增大二氧化碳分子0001能级的激发速率，以增多激光上能级的粒子数。

N2和二氧化碳按比例混合后，能使二氧化碳激光器的输出功率提高一倍以上。

CO分子还能增加0110能级的驰豫速率，有利于下能级的“抽空”，并且不会形成N2O等有害物质，在放电管中充以CO，还可以起到抑制二氧化碳分子的离解，增长运转寿命。

②He:在CO2+N2的激光器中加适量氦，可以使激光输出功率增大几倍，氦能显著改善二氧化碳激光器输出特性。

主要是由于氦的热导率
比CO 2，N 2等约高一个数量级（He 为3.44×10-6卡/秒度，N2为5.7
×10-5卡/秒度），因而，氦的大量加入，能提高放电管内热量向管壁
传递速率，而使管内工作气体的温度明显下降。

这样可以使气体中激
光下能级的玻尔兹曼粒子数减少，从而加速二氧化碳分子的0110能
级到基态的热驰豫速率，有利于1000能级的抽空。

同时，氦也起到
缓冲气体的作用，减少0001能级的二氧化碳分子与其它分子或管壁
的消激发速率，有利于上能级粒子数的积累。

因此，氦的加入能加速
激光跃迁能级间的粒子数反转的形成，增大激光输出功率5倍以上。

③Xe ：增加激光管内工作气体的电离度，同时降低电子温度，减少
高能电子数，低能电子数增多，更有利于二氧化碳分子的0001能级
和氮分子（μ=1）能级的激励作用，从而有利于激光上能级粒子数的
积累，使激光输出增强。

此外，由于高能量的电子减少，又减少二氧
化碳分子离解的可能性，所以，氙气的加入，可以延长二氧化碳激光
器的运转寿命。

④H 2O （或H 2）：主要是加速激光下能级的“抽空”。

二氧化碳激光器
中加入适量H 2O 分子，有利于二氧化碳分子激光跃迁能级粒子数反
转，从而增强激光输出，此外，加H 2O 分子还能延长激光器寿命。

三、固体激光器三、四能级阈值问题：
粒子数反转阈值可以由下式算出：
22202th 4C n N N F ατμμπ∆=∆，式中：α为总损耗系数，τN 为激光上能级自
发发射寿命，n 为折射率，ΔμF 为荧光线宽，μ0为中心频率。

若棒长L=10cm ，反射率r 1=0.5,内损耗系数α内=0，则算得红宝石激
光器粒子反转阈值为：317th cm /10*7.8=∆N
红宝石是三能级系统，则总粒子数密度N 0=1.58×1010/cm 3,N 2和N 1分
别为上、下能级粒子数密度，则有：012N N N =+；th 12N N N ∆=-
由于0th N N <<∆，所以0th 022
1][21N N N N ≈∆+=
上能级的粒子数是靠脉冲氙灯的照射抽运上去的，如果脉冲氙灯照射
的时间足够短（比上能级寿命短很多，自发辐射的影响可以忽略），
则上能级的粒子数达N 0/2时，晶体至少需要吸收的能量为：
130min /h 2ημV N E =，其中h μ3=E 2为抽运能级的平均能量；η1为抽运的量子效率（荧光效率）；V 为增益介质的体积。

因红宝石的N 0=1.58×1010/cm 3,h μ3=4×10-10焦耳（相应于
λ3=500.0nm ）,η1=0.5,则算得单位体积红宝石晶体需要吸收的能量为：3min /3.6cm J V
E = 由于光泵的电能量先转换为灯管发光，再由聚光腔反射到晶体上，晶
体吸收的光能中，只有波长与吸收带对应的那部分波长的光对发射激
光才有效，设这些环节的总效率为η3，则三能级系统的光泵阈值能量为：2
130min 2min 2h 1
ηημηξV N E == 对四能级系统，激光下能级粒子数01≈N ,所以有：th N N ∆=2
V h N E th n 21mi 1
μη∆= 光泵阈值能量为：V h N th μηηξ∆=21min 1
由于2
N 0th <<
∆N 显然，所以四能级系统的阈值能量E min 比三能级系统低得多。

四、电光调制器工作点的选择：输出光强与调制电压的正弦平方成正
比，并不都是线性关系。

只有一段是很接近线性关系，所以，调制器
的工作点应选择在线性区域，输出信号的失真小。

选择工作点有两种
方法：①.在晶体上加一固定的直流电压V λ/4 ②.用等效的光学方
法实现，按光路中加入一个与直流偏压V λ/4相对应的固定相位差，就
是用V λ/4波片来实现。

五、锁模和自持性的比较：
多模激光器锁模的结果，出现以下有意义的现象：
1.激光输出间隔为τ=2L/C 的规则脉冲序列。

2.每个脉冲的宽度q
112μτ∆*+=∆）（N
可以近似等于振荡线宽的倒数，因为振荡线宽不会超过激光器的净增益线宽F μ∆，因此在极限情况下，
q
μτ∆=∆1min ==>增益线宽越宽，越可得到窄的锁模脉冲宽度。

在调Q 激光器中，输出脉宽最窄只有C L 2min =
∆τ，因此，锁模脉冲宽度比调Q 脉宽压缩了（2N+1）倍。

3.输出脉冲的峰值功率正比于E 02(2N+1),而自由运转激光器的平均功
率正比于E 02(2N+1)，因此，由于锁模，峰值功率增大了（2N+1），在
固体激光器中，振荡模数量达到103-104，所以单个脉冲的峰值功率
可以提高。

4.多模（q ωω∆+q 0）激光器相位锁定的结果，即实现φ
q+1-φq =常数，
导致其输出成为一个单频脉冲振幅振荡（A(t)max =E 0(2N+1)）。

因此多
模激光器的锁模后，各振荡模发生功率耦合而不在独立，每个模的功
率看成是所有振荡模提供的。

六、短枪法选纵模的原理：根据激光原理可知，对给定的谐振腔，在高于阈值的增益带宽之内存在多个纵模振荡频率，谐振频率为：
q nL
C q 2=
μ，式中n 为激活介质折射率，q 为正整数。

相邻纵模间的频率差为：nL C 2q =∆μ==>纵模间的频率差与谐振腔长度成反比，所以为了在增益曲线内获得单一频率振荡，可以设法增大纵模频率间隔Δμq ,
使之在增益带宽内只有一个频率振荡，这就是缩短谐振腔选模。

七、调节反射镜选横模的原理：激光谐振腔的反射镜与激活介质的轴
线垂直时，各个横模的衍射损失小。

如果调整谐振腔的一块反射镜，
使它偏离轴线，则各模式的衍射都相应增加，高阶横模的衍射损失要
比基模大得多，以致不能满足阈值条件，停止振荡，而基模损失小，
仍然可以产生激光振荡，用这种方法，可以容易地得到基模振荡光束，
但是，激光输出功率显著降低。

例如：当激光器两端的反射镜对准时，
则激光器输出的光束是多模状态，若将其中一个反射镜逐渐调偏，则
可以看到光束的模式序数由高到低的变化，即光束的光斑数目由多到
少，最后出现一个亮点，这就是基模（TEM 00），同时看到光强度显著
下。