激光原理复习

激光原理

第一章

1. 激光器的组成部分及作用

（1）工作物质（激活物质）：用来实现粒子数反转和产生光的受激发射作用的 物质体系。

（2）泵浦源：提供能量，实现工作物质的粒子数反转。 （3）谐振腔：①提供轴向光波模的正反馈

②模式选择，保证激光器单模振荡，从而提高激光器的相干性。

2. 模式数的计算

单色模密度：

计算例：封闭腔在5000 Å处单色模密度。

3. 光谱宽度的计算

其中，为波列长度。

4. 本征状态的定义

给定空间内任一点处光的运动情况，在初始条件和边界条件确定后，原则上就可求解麦克斯韦方程组，一般可得到很多解，而且这些解的任何一种线性组合都可满足麦克斯韦方程，每一个特解，代表一种光的分布，即代表光的一种本振振动状态。

5. 光子简并度的定义

光子简并度对应于线度光源λ，在单位时间单位立体角内发出单位频宽的光子数(处于同一个相格中的光子数，处于一个模式中的光子数，处于相干体积内的光子数，处于同一量子态内的光子数，都有相同的含义，均定义为光子简并度)。并用表示：

V c V c g 3

22824νπννλπ∆=⨯⨯∆=3

28c n πνν=Hz c

1410

8

106105000103⨯=⨯⨯==-λυ3

53821432s 1035.310310614.388-⋅⨯=⨯⨯⨯⨯==m c n ）（）（πυυc

l c t //1=∆≈δνc l

δν

λνδ∆∆Ω∆=

=

∆ΩS h P

g n )/2(2

6. 光子简并度与单色亮度之间的关系

光源的光子简并度，从微观上反映出光源的单色亮度。单色亮度：

。光子简并度与单色亮度之间的关系为：

7. 光子平均能量的表达

同一种光子运动状态（或同一种光波模式）的光子平均能量：

8. 光的自发辐射、受激吸收、受激辐射

自发辐射：处于的原子在无外来光子情况下自发地向能级跃迁，发射能量以光辐射形式放出即自发辐射。特点：自发辐射是仅与原子自身性质有关的随机过程，自发辐射的光在方向、偏振、相位方面都没有确定的关系，因此是不相干的。

受激吸收：原子在外来光子

作用下，若

，处于的原子由

于吸收该光子而受激跃迁到的过程。特点：受激吸收几率与外来光的频率有严格的选择性，与外来光辐射能量密度大小有关。外来光频率等于、的间隔所对应的频率时，受激吸收几率最大。

受激辐射：光的受激辐射是受激吸收的反过程。原子系统在外来光子作

用下，若

，处于的原子跃迁到，并辐射一个与外来光子相同的

光子的过程。特点：受激辐射与外来光子有关，辐射的光子与引起受激辐射的外来光子有相同的频率、位相、偏振以及传播方向。通过受激辐射，能够实现同态光子数放大，可以得到高光子简并度的相干光。

9. 爱因斯坦三系数的相互关系

在热平衡情况下，辐射率和吸收率应相等，即单位时间内物质辐射出的光子数，等于单位时间内被物质吸收的光子数：

。

∆Ω∆∆=

ννS P B δνB hv B v

22λδ=1

)ex p(-=

KT h h E νν

2E 1E 21

υh 1

221E E h -=υ1E 2E 2E 1E 21

υh 1

221E E h -=υ2E 1E ν

νρρ121212212B n B n A n =+

；为自发辐射爱因斯坦系数，

为受激吸收爱因斯坦系数，为受激辐射爱因斯坦系数。、分别表示能级和的简并度，上式称

为爱因斯坦关系式。当简并度=时，则=，即当其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。正常情况下低能级原子数＞高能级原子数

，即受激吸收比辐射更频繁发生，且波长越短，自发辐射的几率越大。

10. 速率方程理论的优点及局限性

优点：速率方程是在不考虑光子的相位特性和光子数的起伏特性情况下，它是全量子化理论的一种简化形式。速率方程理论主要用于描述激光的光强特性，近似地描述烧孔效应、兰姆凹陷与多模竞争等特性。

局限性：对于增益介质色散等频率特性和与量子起伏有关的激光特性研究，这一理论就不能解释。

11. 粒子数反转分布的定义

在激光器工作物质内部，由于外界能源的激励，破坏了热平衡，有可能使得处于高能级上的粒子数大大增加，达到＞，这种情况称为粒子数反转分布，也称为集居数反转分布。

12. 增益系数的定义

光在激活物质内部将越走越强，使该激光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程，其放大作用的大小通常用增益系数G 来描述。

增益系数相当于光沿着Z 轴方向传播时，在单位距离内所增加

光强的百分比，其单位为。

13. 阈值条件的概念及定义

阈值条件（起振条件）：激光器实现振荡所需要的最低条件。

定义式：

，式中，为增益系数，L 为谐振腔腔长，

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==1821

12213

3

2121B B

g g c h B A νπ21A 12B 21B 1g 2g 1E 2E 1g 2g 12B 21B 1n 2n 2E 2n 2n 1n ）（）

（）（Z Z dI I Z G d 1=

1

-cm ）（）（内21ln 21

r r L G -

≥αυ）（υG

和分别为量反射镜面的反射率，为除反射镜透射外的每单位长度上平均

损耗系数。

14. 能量的共振转移的定义

当激发态He 原子和基态Ne 原子发生非弹性碰撞并交换能量而将Ne 原子激励到Ne 的3s 和2s 能级，这个过程称为能量的共振转移。

15. 激光的特性（解释why ）

（1）方向性：激光束好的方向性主要是由于激光器受激辐射的机理和光学谐振腔对光束的方向限制所决定。

（2）单色性：原子的激发态总有一定的能级宽度，也总有一定的频率宽度。谱

线宽度和频率宽度越窄，光的单色性越好，激光的谱线宽度可窄到＜微米。

（3）高亮度：普通光源由于定向性很差，因此亮度极低；对于激光器来说，由

于谐振腔对光束的方向有限制作用，输出光束的发散角很小，因此定向亮度值很高。

（4）相干性：相干性分为空间相干性和时间相干性。激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。

第二章

1、光学谐振腔的作用

（1）提供光学正反馈作用（放大）：使激活介质中产生的辐射能多次通过介质，当受激辐射提供的增益超过损耗时，在腔内得到放大，建立并维持自激振荡。光学反馈作用取决于：腔镜反射率和几何形状。 （2）产生对振荡光束的控制作用：表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。 A 、控制腔内振荡光束纵向分布（纵模）：使腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中，从而提高单个模式内的光子数，获得单色性好、方向性好的强相干光。

B 、控制光束的横向分布持性、光斑大小及发散角等。

C 、改变腔内光束损耗

2、光学谐振腔的模式

通常将谐振腔内可能存在的电磁场本征状态称为腔的模式。腔的模式就是腔内可区分的光子状态，不同的模对应不同的场分布和振荡频率。光学谐振腔的模式可分为纵模和横模。

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