激光原理周炳坤
周炳坤激光原理与技术课件光与物质相互作用
η
=1+
χ ′ (ω )
2
=1+
ne2
mε 0ω0γ
⋅
1
(ω0 − ω)γ −1
+
4(ω
− ω0 γ2
)2
β
=
χ′′(ω )
2
=
−
ne2
2mε 0ω0γ
⋅ 1+
1
4(ω − ω0 )2 γ2
折射率虚部与吸收相关，β 也称为消光系数
（4.2.24）
（4.2.25） （4.2.26） （4.2.32） （4.2.27）
电子的运动方程为：
mx + kx = 0
（4.2.1）
x + ω02 x = 0
式中： ω 0 =
k m
固有振动频率
（4.2.3）
其解为：
x ( t ) = x 0 e iω 0 t ——电子作简谐振动
（4.2.2）
电偶极子振荡时发出的电磁辐射场 E ∝ ex 即： E (t ) = E 0ei(ω0t +ϕ )
Δν = ΔE2 − ΔE1
h
这种加宽是由于量子力学效应产生的，称为自然加宽。相应为自然宽度、
自然轮廓
• 经典理论
辐射原子——电子阻尼振子
E (t) =
x e e −γ t 2
i 2πν0 ⋅t
0
t≥0
其中
−γ
x0e 2
t
0
为振幅，对
x(t)
t<0
作傅立叶变换：
（4.2.10）
∫ x (t ) = +∞ x (ν )e i 2πν t dν −∞
τs
=
激光原理 第六版 周炳琨编著2章a
§2.1 光腔理论的一般问题 一、光学谐振腔
最简单的光学谐振腔：激活物质+反射镜片
平行平面腔：法布里-珀罗干涉仪（F-P腔）
共轴球面腔：具有公共轴线的球面镜组成
i.开放式光学谐振腔（开腔） ：在理论处理时，可以 认为没有侧面边界 （气体激光器）
根据几何逸出损耗的高低分为-稳定腔、非稳腔和临界腔
二、腔的模式 腔的模式：光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态 谐振腔所约束的一定空间内存在的电磁场，只能存在 于一系列分立的本征态
腔内电磁场的本征态
因此：
麦克斯韦方程组 腔的边界条件
腔的具体结构
腔内可能存在的模式（电磁场本征态）
模的基本特征主要包括：
1、每一个模的电磁场分布 E(x,y,z)，腔的横截面内的 场分布（横模）和纵向场分布（纵模）； 2、每一个模在腔内往返一次经受的相对功率损耗 ； 3、每一个模的激光束发散角 。
1 . 22 a
2
L
a
1
2
L
1 N
N 腔的菲涅耳数，表征衍射损耗大小，N，衍射损耗
1、光子在腔内的平均寿命
设，初始光强I0，在腔内往返m次后，光强为Im，则
I m I 0 (e
2 m
)
I 0e
2 m
则在 t 时刻时，往返次数 则 t 时刻光强
I (t ) I 0 e
E Nh V P hV dN dt
储存在腔内的总能量（E） 单位时间内损耗的能量（P）
t
Q的普 遍定义
2 nL
N N 0e
R
Q
R
c
前面定 义
Q
激光原理(周炳琨)
激光原理(周炳琨)激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，即激发辐射的光放大）是一种特殊的电磁辐射，它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。
激光是由一个叫做激光源的装置产生的，它是一种特殊的电磁辐射，它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。
激光源的工作原理是通过利用激发辐射的原理来产生激光，它是一种特殊的电磁辐射，它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。
激发辐射的原理是一种物理现象，它指的是一个原子或分子在受到外部光激发作用时，在其能级之间跃迁时发射出跟外部激发光一样频率的光，这种光称为激发辐射。
激发辐射的原理是激光源的基本工作原理，它的特点是具有高度的方向性、高度的空间和频率的纯度、高度的能量聚集度以及高度的能量稳定性。
激光源的结构一般包括激光器件、激光器件驱动电路、激光调谐电路、激光调制电路以及激光输出系统等组成部分。
激光器件是激光源的核心部件，它决定了激光源的性能。
激光器件分为半导体激光器件、离子激光器件、气体激光器件和激光晶体等类型。
激光器件的工作原理是在激光器件内部，电路设计的特殊形式和特殊的结构，使得原子或分子在受到外部光激发作用时，发生激发辐射，从而产生激光。
激光器件驱动电路是激光器件的基本组成部分，它的作用是将外部的电源转换成激光器件所需的电压和电流，从而使激光器件能够正常工作。
激光调谐电路是激光器件驱动电路的基本组成部分，它的作用是通过调节电路中的参数，使激光器件能够输出一定的频率和能量，从而使激光器件能够正常工作。
激光调制电路是激光调谐电路的基本组成部分，它的作用是通过调节电路中的参数，使激光器件能够输出一定的频率和能量，从而使激光器件能够正常工作。
激光输出系统是激光器件的基本组成部分，它的作用是将激光器件输出的激光聚焦到一个特定的位置，从而使激光器件能够正常工作。
激光原理(周炳琨)
激光原理(周炳琨)概述激光（Laser）是指由物质在受到外界能量激发时，通过放射出的光束具有高度的单色性、相干性和方向性的一种光源。
激光原理是指实现激光的产生以及激光的特性与作用的基本原理。
激光技术已经广泛应用于科学研究、医疗、通信、材料加工等领域。
激光产生原理1. 激光器的构成激光器通常由激活介质、光腔和泵浦三部分构成。
其中，激活介质是激光的源头，光腔用于放大激光信号，而泵浦则用于向激活介质输送能量。
2. 激活介质激活介质是产生激光所必需的物质，它具有可以被激活、通过受激辐射放出高度单色的光等特性。
常见的激活介质有气体、固体和液体。
2.1 气体激光气体激光器是使用气体作为激活介质的激光器，常见的气体激光器有CO2激光器、氦氖激光器等。
它们的激活介质分别是二氧化碳和氦氖气体，通过电子激活气体分子，使其达到受激辐射的能级，从而产生激射。
2.2 固体激光固体激光器是使用固体晶体作为激活介质的激光器，常见的固体激光器有Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等。
它们的激活介质通常是镨钇掺杂的钇铝石榴石晶体，通常使用光泵或电泵的方式来激发晶体。
2.3 液体激光液体激光器是使用液体作为激活介质的激光器，常见的液体激光器有染料激光器、红宝石激光器等。
它们的激活介质通常是含有染料的溶液，通过外界刺激能激活染料分子，产生激射。
3. 光腔光腔是激光器中光信号的放大装置，其作用类似于谐振腔。
光腔有两端透明的镜子，称为半反射镜和全透射镜。
其中，半反射镜只透过一部分光，而全透射镜使光完全透过。
4. 泵浦泵浦是为激活介质提供能量的装置，通过各种能量输入方式将能量输入到激活介质中。
常用的泵浦方式有光泵和电泵两种。
光泵是指通过光能量向激活介质输送能量，而电泵则是指通过电流向激活介质输送能量。
激光特性与应用1. 激光特性激光具有以下几个独特的特性：•高度单色性：激光光束的频率很单一，其波长非常狭窄，通常只有几个纳米的范围。
•相干性：激光具有相位高度一致的性质，可以保持光束的干涉性质，实现干涉光的实验和应用。
周炳坤激光原理与技术课件第九章 典型激光器与激光放大器
钕玻璃中Nd3+的吸收谱：
三、Nd:YVO4激光器
——掺钕钒酸钇激光器 优点：受激发射截面大，是Nd:YAG的5倍 在 λ = 809nm 存在很强的吸收带，更适用激光管泵浦，YVO4 是双折射 晶体，激光输出 π 方向偏振光，可避免多余的热致双折射
四、Nd:YLF激光器
• Nd:YLF（Nd:Li YF）发射 1053nm波长激光，与掺Nd的 磷酸玻璃的峰值增益相匹配， 适用于制作激光放大器 Nd:YLF的荧光寿命是Nd:YAG 的2倍，适合于激光二极管抽 运，由于荧光寿命长，Nd:YLF 提供的储能是Nd:YAG的两倍 Nd:YLF能级及其跃迁图 发射1053nm和1047nm。可用 腔内起偏器选择
Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线
Lexel Argon Laser
§9.2.3 二氧化碳激光器
一、 CO2激光器的特点
• • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
（a）同轴泵浦 （b）傍轴泵浦
• 钛宝石激光器的应用——双端差分吸收激光雷达
§9.2 气体激光器
主要气体：He-Ne、CO2、Ar+、Kr、He-Cd、N2等 优点：气体光学均匀性好 光束质量好：单色性高，相干性好，光束稳定性好 功率大：如CO2激光10.6um可达Kw以上 寿命长 激励方式： 导电激励为主 气体放电激励： 热激励 化学激励
三、抽运方式 1、气体放电灯（闪光灯）激励——光泵
常用氙灯、氪灯
泵浦光源应该满足两个基本条件：
(1)、闪光灯光泵应与激光物质吸收谱重合
高压氙灯的发射光谱
周炳坤激光原理与技术课件第五章-激光的振荡特性精选全文完整版
≈ hν0 σ21(ν1,ν0)τs
（4.5.8）
Ppt
=
hνpΔnt ⋅V ηF ⋅τS
=
hνpδ ⋅V ηFσ21(ν,ν0)τSl
（5.1.6）
将上三式代入（5.3.3）式可得输出功率
P
= ν0 νP
⋅
Aη
S
0η1Ppt
(
Pp Ppt
−1)
（5.3.5）
P
=
1 2
AT
hν0 σ21(ν ,ν0)τ2
η1
hν
=
η1σ 21
pδV (ν ,ν 0
)l
三能级系统光泵能量阈值为
（5.1.8）
E pt
=
hν pnV 2η1
（5.1.9）
关于t0与τ 2 可以比拟时，阈值泵浦功率的情况，待典型激光器讲
述后再回过头来看
§5.2 激光器的振荡模式
§5.2.1 均匀加宽连续激光器中的模式竞争
一、增益曲线均匀饱和引起的自选模式作用
( Pp Ppt
−1)
=
1 2
ATLeabharlann ηFν0L δν pV⋅
Ppt
(
Pp Ppt
−1)
η0
=T
2δ
,工作物质横截面S
=
V L
,ηF
→η1
= ν0 νP
⋅
SAη0η1Ppt
(
Pp Ppt
−1)
结论：1.由（5.3.3）和（5.3.5）式，输出功率正比于饱和
光增强加，Is输(ν出q )功且率随随激光发泵参泵数浦G功ο 率H (ν线q性)l
为
P
=
1 2
ATIS
激光原理 第六版 周炳琨编著9章
激光器种类
典型激光器
典型激光器
典型激光器
典型激光器
固体激光器
一、光泵激励 1. 气体放电灯激励
脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯
气体放电灯能量转换环节多，辐射光谱宽，激光效率低。
固体激光器
一、光泵激励 2. 半导体激光二极管激励
激光二极管泵浦可采用端面与侧面泵浦两种形式。
Sirah Dye Lasers
Lamda Physik XeCl及染料激光器
Lamda Physik XeCl及染料激光器
染料激光器
6.通常采用闪光灯、N2分子激光器、 准分子激光器、倍频Nd:YAG激光器 作为脉冲染料激光器泵浦源；连续 激光器使用氩或氙离子激光器。 7.泵浦光波长必须小于激光输出波 长。 8.采用光栅、棱镜、标准具、双折 射虑光片等波长选择元件进行波长 调谐。 9.在紫外（330nm）到近红外 （1.85um）连续可调谐输出。
0 0
9 . 6 m 激光。
气体激光器
三、CO2激光器
CO2通过以下三个过程激发到0001 1.直接电子碰撞 2.级联跃迁 3.共振转移
气体激光器
三、CO2激光器
激光下能级的抽空过程：
阻塞在0110能级上的CO2分子 与He原子碰撞，缩短了能级 寿命。 高气压下碰撞加宽占主导地位：
L
57
1.激发过程：
N2 X g e1
g
e
N2
C
g
3
u
e e
2.上下能级寿命分别为40ns 和10us。 3.上能级寿命比下能级寿命大 的多，在激励起始很短时间内 形成积聚数反转，超过这段时 间自行终止。 4.只能以脉冲方式运转，泵浦 放电脉冲小于40ns。 5.以火花脉冲放电方式激励。
激光原理周炳琨参考书
激光原理周炳琨参考书激光，这个词儿听起来是不是有点儿高大上？可别急，今天咱们就轻松聊聊这玩意儿。
激光其实是个光的魔法师，能把普通的光变成那种超专一、超亮的“光束”。
它的原理嘛，简单来说，就是通过激发一些分子，让它们发出光，然后再把这些光“聚集”起来。
想象一下，一个小小的派对，几个人在那儿随便聊，可一旦把大家都聚到一起，气氛立马热闹起来。
嘿，这就是激光的魅力。
要说激光的发明，那可是个传奇故事。
最早在上世纪五十年代，科学家们像是在拼图游戏一样，拼出了一种叫做“受激辐射”的现象。
听上去有点儿复杂，但其实就像是给光加了一剂兴奋剂，光一下子活跃了起来。
你能想象吗？光在那儿欢快地跳舞，咱们要做的就是把它引导到一个地方，结果就变成了激光。
这种光啊，不仅仅是亮，它的能量集中得很，可以穿透各种材料，简直是科技界的“超人”。
说到激光的应用，真是无处不在！从医疗到通信，再到工业制造，激光无所不在。
你去医院的时候，看到医生用激光做手术，嘿，那可是比刀子还精准，简直就像是给病人打了一针“精准疫苗”。
再比如，咱们平时用的光盘、激光打印机，都是激光在帮忙。
激光打印出来的东西，清晰得像是刚刚出炉的饼干，酥脆可口。
而在通信领域，激光更是个大功臣，帮助信息在光纤里飞速传递，快得让人眼花缭乱。
哦，对了，激光还有一种特别的“性格”，那就是单色性。
也就是说，激光光束几乎是单一颜色的，像一条直直的彩虹，不像普通光那样杂乱无章。
你想想，平时我们看到的灯光，有红有蓝有黄，但激光却能把这种“杂货铺”变成一条美丽的直线，简直就是视觉的享受。
这种独特的性格让激光在科学研究中大放异彩，比如在光谱分析中，它能够帮忙鉴别各种物质，简直就是科学家们的“金钥匙”。
激光的使用，真是有些“无所不能”的感觉。
不过，玩激光也得小心，别以为它光看起来帅气，实际上如果不小心照到眼睛上，那可是要出大事的。
就像开车一样，得遵守交通规则。
激光也有自己的“法规”，使用不当可不是什么好事。
周炳坤激光原理课后习题答案
《激光原理》习题解答第一章习题解答1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM ，它的单色性0λ∆应为多少？解答：设相干时间为τ，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即 c L c ⋅=τ根据相干时间和谱线宽度的关系 cL c ==∆τν1又因为 0γνλλ∆=∆，00λνc=，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=0ννλλ∆=∆=cL 0λ=101210328.61018.632-⨯=⨯nmnm解答完毕。
2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm 和Z MH 3000=γ输出1瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。
解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt 时间内输出的能量为dE ，则功率=dE/dt激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即d νnh E =，其中n 为dt 时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt 时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。
由以上分析可以得到如下的形式：ννh dth dE n ⨯==功率 每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：()()()13410626.61--⨯⋅⨯====s s J h dt n N s J νν功率每秒钟发射的光子数 根据题中给出的数据可知：z H mms c13618111031010103⨯=⨯⨯==--λν z H mms c1591822105.110500103⨯=⨯⨯==--λνz H 63103000⨯=ν把三个数据带入，得到如下结果：19110031.5⨯=N ，182105.2⨯=N ，23310031.5⨯=N3 设一对激光能级为E1和E2（f1=f2），相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求(a)当ν=3000兆赫兹，T=300K 的时候，n2/n1=? (b)当λ=1μm ，T=300K 的时候，n2/n1=? (c)当λ=1μm ，n2/n1=0.1时，温度T=？解答:在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即： TK E E T k h f f n n b b )(expexp 121212--=-=ν（统计权重21f f =） 其中1231038062.1--⨯=JK k b 为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。
周炳坤激光原理与技术课件新型激光器
• • • • §10.1光纤激光器 §10.2自由电子激光器 §10.3孤子激光器 §10.导体激光器泵浦，实 质上是一个将某一波长的泵浦光转化成另一 波长的激光的波长转换器，但其光束质量大 大优于半导体激光器。 • 光纤激光器可分为基于非线性效应的光纤拉 曼激光器和基于受激辐射的掺杂光纤激光器。 下面仅讨论掺杂光纤激光器。 • 与掺杂光纤放大器类似，掺杂光纤激光器的 增益介质是掺有稀土元素的光纤。光纤激光 器实质上是一种特殊形态的固体激光器。
§10.1.1优势
• 与传统的块状固体激光器相比，优势如下： a)泵浦光被束缚在光纤中，可实现高能量密度泵浦， 故泵浦阈值较低，可获得块状激光介质难以实现 的激光辐射； b)低损耗的长光纤，即使单位长度的增益低，也能 获得大的单程增益； c)单模光纤激光器的谐振腔具有波导的特点，容易 实现模式控制，获得高质量的激光束； d)光纤介质具有很大的表面积/体积比，散热好，无 需配备水冷、风冷等设施。 • 光纤激光器可用于光通信、光传感、激光加工、 激光医疗、激光印刷等领域。
§10.2.2优点
• 高功率
一般激光通过工作物质的受激放大来逐步增大功率。当激光功率高到 一定程度后就会与工作物质发生相互作用，使工作物质的受激状态受 到破坏，从而使激光失去放大的作用，这种现象称为工作物质的“击 穿”。自由电子激光的工作物质就是电子束本身，不存在击穿的问题。 而技术上制造高功率电子加速器并不是困难的事，故实现高功率自由 电子激光器原则上不成问题。
§10.1.2波长范围及谐振腔类型
• 掺杂光纤激光器家族的运转波长可覆盖 (0.4~4)μm的范围。 • 谐振腔类型 1)图9.5.4 (a)、(b)、(c)均为两端有反射镜的 F-P型腔 2)分布反馈型光纤激光器。(c)光纤DBR激光 器；(d)光纤DFB激光器 3)环形光纤激光器
激光原理周炳坤-第2章习题答案
第二章 开放式光腔与高斯光束习题（缺2.18 2.19 2.20）1． 题略证明：设入射光()11,r θ，出射光()22,r θ，由折射定理1122sin sin ηθηθ=,根据近轴传输条件，则1122sin ,sin θθθθ≈≈1122ηθηθ∴=，联立21r r =，则所以变换矩阵为 2． 题略证明：由题目１知，光线进入平面介质时的变换矩阵为:经过距离ｄ的传播矩阵为： 光线出射平面介质时： 故3. 试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限多次，而且两次往返即自行闭合。
证：设光线在球面镜腔内的往返情况如下图所示：其往返矩阵为：122212111210101122110101212(1) 222222[(1)][(1)(1)]A B L L T C D R R L L L R R L L L L R R R R R R ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫-- ⎪⎪= ⎪-+----- ⎪⎝⎭212211100r r θηηθ⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭21100T ηη⎛⎫= ⎪⎝⎭121100T ηη⎛⎫= ⎪⎝⎭2100d T ⎛⎫=⎪⎝⎭312100T ηη⎛⎫= ⎪⎝⎭3113213112211101010000r r r d T T T θθηηηηθ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭123211221101011000000d d T T T T ηηηηηη⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫∴=== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭由于是共焦腔，有 12R R L == 往返矩阵变为若光线在腔内往返两次，有可以看出，光线在腔内往返两次的变换矩阵为单位阵，所以光线两次往返即自行闭合。
于是光线在腔内往返任意多次均不会溢出腔外，所以共焦腔为稳定腔。
4. 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。
激光原理 第六版 周炳昆编著 第0-1章
۩ 小信号 dn2 dz dn1 dz 0 g g 0
۩大信号
dI ( z) I (z)
g(z)dz
I (z)
I0
exp(
g 0 z)
n2
n1
n20 n10 1 I Is
......饱. 和光强，解释增益饱和效应
g(I
3. 受激辐射
W21
(
dn21 dt
) st
1 n2
W21
B21
W21受激辐射跃迁几率； B21受激辐射跃迁Einstein系数
intensity(a.u.)
1-5
2.5
2.0
1.5
1.0
1.2 at %
0.1 at % 0.5
0.0
-10
0
10
20
30
40
Lifetime(ms)
三. Einstein系数A21、B12 、 B21的相互关系 热平衡状态标志：
波动性：频率、波矢、干涉、衍射、偏振等 粒子性：质量、能量、动量等
一. 光子的基本性质
۩能量：
h: Planck常数， :光波频率
۩质量：运动质量-静止质量-- 0 ,
Einstein质能关系 10-54Kg
۩动量：
p
mcn0
h
c
n0
h
2
•
2
n0
k
۩两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。
( )2
c
c3
2 ( )2
激光原理 周炳琨版课后习题答案
当 时， 小
3. 在 波长时 ，试求在内径为 的 波导管中 模和 模的损耗 和 ，分别以 ， 以及 来表示损耗的大小。当通过 长的这种波导时， 模的振幅和强度各衰减了多少（以百分数表示）？
解：由
，
， 。
当 时， ，
4.试计算用于 波长的矩形波导的 值，以 及 表示，波导由 制成， ， ，计算由 制成的同样的波导的 值，计算中取 。
二、实验步骤
1．如上图所示，在高斯光束的轴线上某一点B处放入于光轴垂直的光阑(其孔半径为a)，用卷尺测量出B到光腰O(此题中即为谐振腔的中心)的距离z；
2．用激光功率计测出通过小孔光阑的光功率 ；
3．移走光阑，量出高斯光束的总功率 ；
4．将所得到的数据代入(III)及(IV)式即可求出f(根据实际情况决定(IV)式根号前正负号的取舍)。
解：
一、实验原理
通过放在离光腰的距离为z的小孔(半径为a)的基模光功率为
(I)
式中， 为总的光功率， 为通过小孔的光功率。记 ，则有
(II)
注意到对基模高斯光束有
在(II)式的两端同时乘以 ，则有
令
(III)
则
解此关于f的二次方程，得
因为 、 、 、 都可以通过实验测得，所以由(III)及(IV)式就可以求得基模高斯光束的共焦参数f。
解：入射高斯光束的共焦参数
已知 ，根据
得
时， ，即将透镜放在距束腰1.39m处；
时， ，即将透镜放在距束腰23.87m处。
18．如图2.2光学系统，如射光 ，求 及 。
图2.2
解：先求经过一个透镜的作用之后的束腰半径及位置
由于 ，所以
=2cm
所以对第二个透镜，有
激光原理答案 周炳琨
≡n e
20
t −t
s
τs =
1 A 21
6．某一分子的能级
E 4 到 三 个 较 低 能 级 E1 E 2 和 E 3 的 自 发 跃 迁 几 率 分 别 是
7 −1
A43 =5*10 s
7
−1
，
A42 =1*10 s
−7
和
A41 =3*10 s
7 −9
−1
，试求该分子
−8
E 4 能级的自发
τ 4 。若τ 1 =5*10 s ，τ 2 =6*10 s ，τ 3 =1*10 s ，在对 E 4 连续 n n n 激发并达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值 1 ， 2 和 3 ，并回答这时在哪两个 n4 n4 n4
A = D = 1− 3
L L + f f
2
由稳定腔的条件： − 1 <
L L 1 (A + D ) < 1 ，得： 0 < − 1 − 2 < 2 2 f f
L L < f < 或f > L 。 3 2
若为子午光线，由 f =
4L 2L 4L 1 或R > R cos 30 则 <R< 2 3 3 3 3 R L 3L ，则 或 R > 3R <R< 2 2cos30 3
r0 r1 r0 ， 往返一次后坐标变为 =T θ ,往返 1 θ0 θ0
两次后坐标变为
r0 r2 =T • T θ θ2 自发跃迁到 E1 ，单位时间内能级 E 2 减少的粒子
证明：自发辐射，一个原子由高能级 数为：
周炳坤激光原理与技术课件第一章 激光的基本原理
1 Lc = cΔt = cτ c = c Δν
τ c 即相干时间。对波列进行
频谱分析的频带宽度：
I (ν0 )
I (ν )
1 Δν = Δt
I (ν 0 ) 2
Δν
Δν 是光源单色性的量度： 1 Lc = cΔt = c Δν
相干时间与频带宽度的关系为：
ν0
ν
（1.1.16）
τ c = Δt =
1 2
cπ ⎛ m 2 n2 q 2 ⎞ ωmnq = ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ η ⎝ 4a 4b l ⎠ 结论：不考虑偏振态的情况下，一组(m、n、q)值 对应一个模，求出(m、n、q)值的数目就可以得到 空腔中的模数
1 2
（二）、波矢空间和模密度 1、波矢空间 ——用 k x 、 y 、 z 作为坐标建立的空间称为波矢空间 k k
2
ν
k=
2π
λ
=
2πνη c
2πη dk = dν c
模密度 nν ——单位体积内在频率ν 处单位频率间隔内的模式数：
Nν 8πν 2η 3 = nν = Vdν c3
（*）
（三）、光子状态相格
光子的运动状态，受量子力学测不准关系制约——微观粒子 的坐标和动量不能同时准确测定，遵循测不准关系：
一维： 三维：
Δk z =
π
l
⎛ 2π ⎞ 且有： k = k + k + k = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 ⎛ 2 ⎞ m2 n2 q2 = + 2 + 2 ⎜ 2 ⎜ λ mnq ⎟ ⎟ 4a 4b l ⎝ ⎠
2 2 2 x 2 y 2 z
ν mnq
c ⎛ m2 n2 q 2 ⎞ = ⎜ 2+ 2+ 2 ⎟ l ⎠ 2η ⎝ 4a 4b
激光原理周炳坤
激光原理周炳坤This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020填空1.线宽极限：这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的,因而是无法排除的2.频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率的现象3.按照被放大光信号的脉宽及工作物质驰豫时间的相对大小，激光放大器分为三类：连续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器。
此时由于光信号与工作物质相互作用时间足够长，因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运所补充，因此反转集居数及腔内光子数密度可以到达稳态数值而不随时间变化，可以用稳态方法研究放大过程。
这类放大器称为连续激光放大器；因受激辐射而消耗的反转集居数来不及由泵浦抽运补充，反转集居数和光子数在很短的相互作用期间内达不到稳定状态。
这类激光放大器必须用非稳态方法研究，称为脉冲激光放大器；当输入信号是锁模激光器所产生的脉宽为 (10 -11~10-15 )s 的超短脉冲时，称为超短脉冲激光放大器4. 这是由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居数尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通过时，前沿引起的受激辐射以使反转集居数降低，所以后沿只能得到较小的增益，结果是输出脉冲形状发生畸变，矩形脉冲变成尖顶脉冲，脉冲宽度变窄5. ，工作物质可处于三种状态:①弱激发状态：激励较弱，△n<0，工作物质中只存在着自发辐射荧光，并且工作物质对荧光有吸收作用。
②反转激发状态：激励较强。
0<△n<△nt ,0<g0<δ/l。
③超阈值激发状态：若激励很强，使△n<△nt,g0l>δ，则可形成自激振荡而产生激光。
6.即在低Q值状态下激光工作物质的上能级积累粒子，当Q值突然升高时形成巨脉冲振荡，同时输出光脉冲，上述方式称作脉冲反射式调。
激光能量储存于谐振腔中,这种调 Q 方式称作脉冲透射式调 Q。
激光原理第六版周炳琨编著7章
激光器特性的控制与改善
模式选择
一、横模的选择
2. 谐振腔参数g、N选择法
TEM00单模运转的条件是：
e
0 g l 00
r r 1 1 1 2 00
高级模TEM10损耗条件是：
e
0 g l 10
r r 1 1 1 2 10
激光器特性的控制与改善
模式选择
一、横模的选择
c j j 2d cos
为标准具二镜间介 式中j为正整数； 质折射率；d标准具长度。
激光器特性的控制与改善
频率稳定
c q q 单纵模单横模激光器的纵模频率为： 2L
谐振腔长度及工作物质折射率受外界因素影响， 造成纵模频率发生变化。
L q q L q q L L
对称稳定腔的两个低次模的单程损耗比
00
10 / 00
平-凹稳定腔的两个低次模的单程损耗比
00
10 / 00
激光器特性的控制与改善
模式选择
一、横模的选择
1. 小孔光阑选模-减小腔的菲涅耳数N
物理基础：对平面腔、共心腔或各种稳定腔，模式的损耗 随菲涅耳数N值的增大而急剧减小。
a N L
3. 非稳腔选模 物理基础：非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有 很大差异。 4. 微调谐振腔（倾斜腔镜法） 物理基础：对于稳定腔，基模体积最小，高阶模的体 积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗显著增大， 基模受到的影响较小。
激光器特性的控制与改善
模式选择
二、纵模的选择
在激光工作物质中，往往存在多对激光振荡能级，可 以利用窄带介质膜反射镜、光栅或棱镜等组成色散腔 获得特定波长的跃迁振荡。 一般的谐振腔中，不同的纵模具有相同的损耗，因而进 行模式鉴别和选择时应可以利用不同纵模的不同增益。 同时，也可以引入人为的损耗差。
激光原理周炳坤-第5章习题答案
第五章 激光振荡特性1、证明： 由谐振腔内光强的连续性，有：I =I 'ηη''=⇒'⋅'=⋅⇒C N CNV N V N 谐振腔内总光子数 )(l L S N NSl -'+=Φ)(l L NS NSl -'+=ηη ηηη/])([l l L NS +-'=η/L NS '= , 其中)(l L l L -'+='ηηRNSl C n dt d τησΦ-∆=Φ21 R L NS NSl C n dt dN L S ητηση'-∆='21 , CL R δτ'=L CNL l CN n dt dN '-'∆=δσ212．长度为10cm 的红宝石棒置于长度为20cm 的光谐振腔中，红宝石谱线的自发辐射寿命3410s s τ-≈⨯，均匀加宽线宽为5210MHz ⨯。
光腔单程损耗0.2δ=。
求(1)阈值反转粒子数t n ∆；(2)当光泵激励产生反转粒子数 1.2t n n ∆=∆时，有多少个纵模可以振荡(红宝石折射率为 解：(1) 阈值反转粒子数为：222212112337217344210 1.764100.2 cm 10(694.310) 4.0610cm H s t n l l πνητδδσλπ----∆∆==⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=⨯(2) 按照题意 1.2m t g g =，若振荡带宽为osc ν∆，则应该有22221.222H t t osc H g g ννν∆⎛⎫ ⎪⎝⎭=∆∆⎛⎫⎛⎫+⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 由上式可以得到108.9410Hz osc H νν∆==⨯相邻纵模频率间隔为10831022( 1.76())2(10 1.7610) 5.4310Hzq c c l l L l ν⨯∆==='⨯+-⨯+=⨯ 所以1088.9410164.65.4310osc q νν∆⨯==∆⨯ 所以有164~165个纵模可以起振。
2023大学_激光原理第6版(周炳坤著)课后答案下载
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内容主要包括光和物质作用经典理论、速率方程理论、光学谐振腔理论，以及对连续激光器工作特性的分析。
对激光放大器、激光器性能改善技术也做了简要介绍。
《激光原理》可作为高校激光原理课程的`教材，也可供从事激光工作的研究人员、技术人员以及高校有关专业的研究生参考。
激光原理第6版（周炳坤著）：内容简介
第1章激光概论
第2章光和物质的近共振相互作用
第3章速率方程理论
第4章光学谐振腔理论
第5章连续激光器的工作特性
附录A常用物理常数表
附录B激光大事记及在国内发展足迹
激光原理第6版（周炳坤著）：目录
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填空1. 线宽极限：这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的，因而是无法排除的2. 频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率的现象3. 按照被放大光信号的脉宽及工作物质驰豫时间的相对大小，激光放大器分为三类：连续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器。
此时由于光信号与工作物质相互作用时间足够长，因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运所补充，因此反转集居数及腔内光子数密度可以到达稳态数值而不随时间变化，可以用稳态方法研究放大过程。
这类放大器称为连续激光放大器；因受激辐射而消耗的反转集居数来不及由泵浦抽运补充，反转集居数和光子数在很短的相互作用期间内达不到稳定状态。
这类激光放大器必须用非稳态方法研究，称为脉冲激光放大器；当输入信号是锁模激光器所产生的脉宽为(10 -11~10「15 )s的超短脉冲时，称为超短脉冲激光放大器4. 这是由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居数尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通过时，前沿引起的受激辐射以使反转集居数降低，所以后沿只能得到较小的增益，结果是输出脉冲形状发生畸变，矩形脉冲变成尖顶脉冲，脉冲宽度变窄5. ，工作物质可处于三种状态：①弱激发状态：激励较弱，△ n<0,工作物质中只存在着自发辐射荧光，并且工作物质对荧光有吸收作用。
②反转激发状态：激励较强。
0<^ *△ n t,0vg0v$ /I。
③超阈值激发状态：若激励很强，使△*△n t,g°l>S，贝U可形成自激振荡而产生激光。
6. 即在低Q值状态下激光工作物质的上能级积累粒子，当Q值突然升高时形成巨脉冲振荡，同时输出光脉冲，上述方式称作脉冲反射式调。
激光能量储存于谐振腔中,这种调Q方式称作脉冲透射式调Q。
7. 当(Q t+ B )=2m n时，光强最大。
最大光强l m=(2N+1『E02，锁模时；l m=(2N+1)E02, 未锁模时。
Q =2nA V q8. 红宝石激光器C产694.3nm三钕激光器Nd3+ 1064nm四He-Ne激光器Ne 632.8nm四激发方式共振能量转移CC2激光器CC2 10.6nm四激发方式直接电子碰撞级联跃迁共振转移简答1•光腔作用：（1）模式选择。
保证激光器单模（或少数轴向模）振荡，从而提高激光器的相干性。
（2）提供轴向光波模的反馈。
2. 震荡条件：g°l》S3. 激光的四性：单色性、相干性、方向性和高亮度4•光腔损耗：（1）几何偏折损耗。
光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，这种损耗为几何偏折损耗。
（2）衍射损耗。
由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，因而当光在镜面上发生衍射时，必将造成一部分能量损失。
（3）腔镜反射不完全引起的损耗。
它包括镜中的吸收、散射以及镜的透射损耗。
（4）材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物（如布儒斯特窗、调Q元件、调制器等）所引起的损耗。
5. 光束衍射倍率因子M2定义为M2=实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积/ 基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积，数值越小，激光束越亮；K=1M2 称作光束传输因子，它也是国际上公认的一个描述光束空域传输特性的量。
6. 自然加宽：在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发的向低能级跃迁，因而受激原子在激发态上具有有限的寿命。
这一因素造成了原子跃迁谱线的自然加宽，线性函数：谱线宽度：7. 多普勒加宽：多普勒（Doppler）加宽是由于作热运动的发光原子（分子）所发出的辐射的多普勒频移引起的。
线性函数：谱线宽度：8. 当频率为V q的纵模在腔内形成稳定振荡时，腔内形成一个驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小。
因此虽然V q模在腔内的平均增益系数等于g t，但实际上轴向各点的反转集居数密度和增益系数是不相同的，波腹处增益系数（反转集居数密度）最小，波节处增益系数（反转集居数密度）最大。
这一现象称作增益的空间烧孔效应。
由于轴向空间烧孔效应，不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡，这一现象叫做纵模的空间竞争。
9. 对于由多普勒非均匀加宽工作物质组成的驻波激光器，当振荡模频率V q M V0 时，I+和I-两束光在增益曲线上分别烧两个孔。
10. 单模输出功率P和单模频率V q的关系曲线。
在V q=q o处，曲线有一个凹陷，称作兰姆凹陷。
11. Q调制技术,它的基本原理是通过某种方法使谐振腔的损耗因子S (或Q值)按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗因子S H,激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。
然后在适当的时刻，使腔的损耗因子突然降低到S,阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速的增加。
于是在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。
采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为几十毫微秒的激光巨脉冲。
12. 一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。
但如果使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种激光器称为锁模激光器。
腔内有q=-N,-(N-1),…0, ••-(N,N等(2N+1)个模式振荡相邻模式的初位相之差保持一定称为相位锁定。
1.7 •证明当每个模式内的平均光子数(光子简并度)大于1时，辐射光中受激辐射占优势。
证：受激辐射跃迁几率为 W 21B 21_ W 21 B 21 受激辐射跃迁几率与自发辐射跃迁机率之比为 A 1A 21~nh式中， /n 表示每个模式内的平均能量，因此 /(n h )即表示每个模式内的平均光子数，因此当每个模式内的平均光子数大于 1时，受激辐射跃迁机率大于自发辐射跃迁机率，即辐射光中受激辐射占优势。
所以出射光强只占入射光强的百分之三十七。
即该物质的增益系数约为 0.69m 1。
2.4试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。
(a 对平凹腔：R 2 =,则g 2 =1,1.8 . (1)一质地均匀的材料对光的吸收系数为 ■10.01mm ，光通过10cm 长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几?(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，试求该物质的增益系数。
解：(1)出射光强与入射光强之比为IoutI in0.01 100e1e 0.37⑵设该物质的增益为g ,贝U1 I g -In -I I i noutIn 2 0.69m 1解：共轴球面腔的稳定性条件为o<g 1?g 2<1,其中Lg 1 =1-_R 1L ,g2 =1-R 2L0<1-一 R 1<1,即 0<L<R 1(b)对双凹腔:L 0<g 1 ?g 2 <1,0< 1 TT R1 L1 <1R 2R 1 L ，R 2 L 或 R 1R 2 L 且 R 1 R 2 L(c)对凹凸腔:R1=R 1 ,R 2 =- R 2 ,0< 1R 1 R 2<1,R 1且R 1 |R 2|2.6 •图2.1所示三镜环形腔，已知I ，试画出其等效透镜序列图，并求球面镜的曲率半径R在什么范围内该腔是稳定腔。
图示环形腔为非共轴球面镜腔。
在这种情况下，对于在由光轴组成 (227)中的f (Rcos )/2，对于在与此垂直的平面内传输的弧矢同时还要满足子午线与弧失线辽R 込或R 辽9 2 3的平面内传输的子午光线，式 光线，fR /(2cos为光轴与球面镜法线的夹角。
解:2I4I4I 223I2I 2 2I 222I稳定条件I 2 23I左边有 对子午线: 对弧失线: 有：2I 2 2子午弧失2L Rcos3IR cos 2R 2cos 3或所以有2L 所以43」RRcos 24』或R IRF 0(I F 2得2I■*为R(R)2R IMF i2 02 0F 2 5cmF 1 2cmI 3 R 1 m0 F 2.(I F 2)2I 2 15cm(I F 2)2解：先求经过一个透镜的作用之后的束腰半径及位置 统对高斯光束的准直倍率。
即光斑尺寸并没有超过主镜的尺寸，不需要考虑主镜孔径的衍射效应。
这个时候该望远系统对高斯光束的准直倍率为由于 I 1 F-!，所以 I 1F-! =2cm高斯束腰与透镜相距I =1m ，如图2.3所示。
求该望远系 解：入射高斯光束的共焦参数为由于F 1远远的小于I ，所以高斯光束经过锗透镜后将聚焦于前焦面上，得到光斑的束腰半径101.92.23.如图2.2光学系统，如射光 =10.6 口m .求0及I 3。
22.49 口m已知F 20.05m ，根据2 -0.427m0 .0.028mmV (I F 1)2 f 2这样可以得到在主镜上面的光斑半径为6cm 10cm所以对第二个透镜，有I 丨2 I 13cm1.499 10 4m 014.06 口m , I 3 8.12cm为20cm ；副镜为一锗透镜，F 1 =2.5cm ，口径为1.5cm ;F 12.5 cm1.2mm__—J J2cm2.24 .某高斯光束0=1.2mm ,= 10.6 口m 。
今用一望远镜将其准直。
主镜用镀金反射镜 R=1m ，口径4.2 .长度为10cm 的红宝石棒置于长度为 20cm 的光谐振腔中，红宝石694.3nm 谱线的自发 辐射寿命s 4 10 3s ，均匀加宽线宽为 2 105MH Z 。
光腔单程损耗 0.2。
求⑴阈值反转 粒子数 n t ; (2)当光泵激励产生反转粒子数 1.2 n t 时，有多少个纵模可以振荡？ (红宝石折 射率为1.76) 解：(1)阈值反转粒子数为:21l4 2 2H s l 11 2 3 2 10 1.76 4 10 0.2 3cm 10 (694.3 10 7)24.06 1017cm(2)按照题意g m1.2g t ，若振荡带宽为osc ，则应该有由上式可以得到OS C相邻纵模频率间隔为1.2g tc2l 5.43 10108 q 5.43 10 所以一osc 8・94164.6 2H""2-2osc2- —10 8.94 10 Hz 2(l 1.76 (L l))108Hz，所以有164~165 4. 4.脉冲掺钕钇屡石榴石激光器的两个反射镜透过率 径d=0.8cm ,折射率 =1.836,总量子效率为 1,荧光线宽 g t103 102(10 1.76 10)个纵模可以起振。
T 1、T 2分别为0和0.5。
工作物质直 11F 1.95 10 H Z ，自发辐射寿命 P 0.8 口 m。