激光产生的充分条件
激光的基本原理及其特性
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
•光的放大作用的大小通常用放大 光的放大作用的大小通常用放大 增益）系数G来描述。 （增益）系数G来描述。P8!
I ( z)
I (l ) I + dI I
dI = G ( z ) I ( z )dz
原子数按能级分布
热平衡时， 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律: 玻尔兹曼分布律:
N2 −( E2 −E1 ) kT =e N1
E E2 E1 N1 N2 N
高 能 级 低 能 级
物理与电子工程学院
《激光原理与技术》
§1.2.1 二能级系统的三种跃迁
3-01光源、光波叠加.exe
3、光子简并度与激光的强度 、
激光的强度： 激光的强度：
I = cωv= nchv /η
光子简并度越大， 光子简并度越大，同一光子态的光的能量越大 激光的简并度是很高的， 激光的简并度是很高的，如He—Ne激光器 激光器
n = 4×10 ×
11
对于普通光源到目前为止还没有发现 n > 1 的
光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿 单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 普通光源的亮度，太阳表面的亮度比蜡烛大30万 30 比白炽灯大几百倍。 倍，比白炽灯大几百倍。 普通的激光器的输出亮度， 普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大 10亿倍 亿倍。 10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高， 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很 光脉冲窄，光功率密度却非常大。 细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。
∴ B21 · ρ (ν21) · N1 >> B12 · ρ (ν21) · N2
激光的产生与特点
激光的产生与特点一、激光的产生激光的英文名字Laser，所以又称镭射，是受激辐射引起的光放大。
1.三种光辐射过程（1）自发辐射是指高能态粒子自发地向低能态跃迁。
（2）受激辐射是指高能态粒子在外来光子的激发下向低态跃迁。
（3）受激吸收是指低能态粒子吸收外来光子能量向高能态跃迁。
在激光器中是受激辐射，即高能态粒子在外来光子激发下向低能态跃迁，其频率、相位、偏振状态与外来光子相同。
只有受激辐射占优势时，外来光放大以后，才能发出激光，如高能态粒子数为N2，大于低能态粒子数N，时（即N，>N，时），才能把外来光放大，发出激光。
2.必要条件和充分条件产生激光的必要条件是要有使低能态粒子跃迁的激励过程，又称泵浦过程。
产生激光的充分条件是要有小损耗的谐振腔。
3.产生激光的三个条件1）实现粒子数反转。
2）满足阈值条件。
3）满足谐振条件。
泵浦过程实现了粒子数的反转，谐振腔内的两个反射镜，使受激辐射光在其中来回反射，满足阈值条件后发出激光。
二、激光的特点激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，用以自身辐射为基础的光源相比，具有单色性好、方向性好、亮度高以及相干性好等特点。
1.单色性好对于单色性，有如下几点说明：1）单色光的波长范围很小，谱线宽度窄，所以，波长范围很小的辐射，谱线宽度越窄的光，其单色性越好。
2）激光是受激辐射，谐振腔有选频作用，所以输出光的谱线宽度很小，因而能具有好的单色性。
3）单色性好的光越易于调制，因而在光通信中得到广泛的应用。
2.方向性好用光的发散角来描写方向性，发散角小，方向性好。
激光的发散角可达10弧度，所以方向性非常好。
3.亮度高高度是指单位面积的光源在给定方向上单位立体角范围内发出的辐射功率。
有书记载：激光可达104W，比太阳的亮度还高出上千亿倍。
4.相干性好相干性是指两束光能够发生干涉，形成明暗相间干涉图缘的特性。
激光是完全相干的，接近电磁波。
所以在光通信、全息摄影、精密测量中得到广泛应用。
q激光的原理
q激光的原理
激光的原理是通过受激辐射实现的。
激光是由一束相干光组成的，而相干光是指具有相同频率、相位和方向的光波。
激光的产生基于受激辐射现象，受激辐射是指一个光子与已经存在的一个处于激发状态的原子或分子相互作用后，使该原子或分子从激发态跃迁到基态，并放出一个与原光子具有相同频率、相同方向和相同相位的新光子。
激光的发射是通过三个过程实现的：吸收、激发和辐射。
首先，外部能量的输入被吸收，使得光源中的原子或分子激发到激发态。
然后，在光源中激发态的原子或分子受到外界的激励，使它们跃迁回基态，释放出一个光子。
最后，释放出的光子经过增强，与已经存在的光子相互作用，进一步产生更多的受激辐射，形成一个强大的激光束。
激光的增强过程是通过光源中的增强器实现的。
增强器通常是由具有光放大特性的物质构成的。
在增强器中，光子与激发态的原子或分子相互作用，导致受激辐射现象发生。
这样，激光在增强器中不断增强，从而形成了一束强大的激光束。
激光的性质与其相干性、单色性、方向性和高强度密切相关。
激光具有高度的相干性，光波的相位关系非常稳定，使得激光束能够保持在一个狭窄的光束中传播。
激光也具有很高的单色性，只包含非常狭窄的频率范围内的光波。
此外，激光束具有很强的方向性，即能量被高度集中在一个狭窄的角度范围内。
最后，激光的强度非常高，激光束能够携带大量的能量，并且
在很短的距离内保持高强度。
综上所述，激光的原理是利用受激辐射现象，在特定的条件下产生一束相干、单色、方向性和高强度的光波。
激光产生的充分条件讲解
1
式中
2 ln 2kT D 2 0 2 Mc
(7.1610 ) 0
7
T MN
原子量
4.多普勒加宽和 自然加宽的关系
D N
1.5 谱线加宽下的增益系数
由线型函数定义
I ( ) g ( ) I
这种加宽就是均匀加宽.
2. 种类
自然加宽、 碰撞加宽、 晶格振动加宽
H 2 g H ( ) 2 ( 0 ) 2 H 2
谱线宽度
3. 线型函数
4.自然加宽
由测不准关系确定的加宽就是自然加宽. 线型函数
N 2 g N ( ) 2 ( 0 ) 2 N 2
3.多普勒加宽
多普勒效应
0
cv cv
0
cv cv
多普勒加宽 线型函数
c M 2 Mc 2 2 g D ( ) exp[ ( ) ] 0 2 0 2kT 2kT 0 2 D 4 ln 2 ln 2 2 exp ( 0 ) 2 D
A L l da
2.达到Is后， Is仍在增长，但增长速度大为衰减。
设介质已实现足够大的粒子数反转
Nul Nu
l A L da
如图，在l区域内，单位时间由自发辐射产生的
d A 到达介质另端的能量与总能量之比为 4 4L2
总辐射能为
( A l ) Nu Aul h
到达介质另端的能量为 ( A l ) N A h A u ul 4L2 1 A I 0 ( A l ) N u Aul h A 4L2 1 A GL I s ( A l ) N u Aul h e 2 A 4L
激光器件作业部分答案
《激光器件》作业（1）1.说明激光产生的必要和充分条件。
简述激光器的基本组成部分及其功能。
激光器基本构成：1)工作物质：激光器的核心。
谱线波段，增益，结构形态。
2)泵浦源：电、光、热、化学能、核能激励。
激光电源，控制电路，能量转换效率。
3)光学谐振腔：为激光振荡建立提供正反馈；其参数影响输出激光束的质量。
稳定性，模式；镜片加工和镀膜工艺，调整精度4)辅助设施：散热系统，滤光设施。
调Q ，锁模，稳频，选模，放大。
产生激光的必要条件——粒子数反转：受激辐射要得到放大，必须辐射作用大于吸收作用。
要求上能级的粒子数大于下能级粒子数. 理想能级结构：上能级：亚稳态（长寿命），粒子数积累。
下能级：尽量清空。
产生激光的充分条件——阈值条件：激活介质的增益不小于损耗，才能产生激光振荡。
21G R ≥2. 判断谐振腔的稳定性(单位:mm) (1)R1=90, R2=40, L=100 (2)R1=20, R2=10, L=45 (3) R1=-40, R2=75, L=60 (4) R1=∞, R2=-10, L=501、稳定腔——傍轴光线在腔内任意多次往返不会横向逸出腔外 ()2211211,1101211R L g R L g g g D A -=-=<<<+<-其中或2、非稳腔——傍轴光线在腔内有限次往返必然从侧面溢出腔外 ()()121012112121-<+<>+>D A g g D A g g 即或即3.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别R1=-1.25m 及 R2=1.6m 。
(1)这是哪一类型谐振腔?(2)试确定腔长L 的可能取值范围, 并作出谐振腔的简单示意图。
凹凸镜；|g 1g 2|<14、画出下图所示谐振腔的等效透镜光路，并写出往返矩阵。
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛000000211110111011011101θθθθr T r D C B A r L f L f r注意：相乘时要反序乘；5. 某CO 2激光器采用平凹腔，L=50cm ，R=2m ，2a=1cm ，λ=10.6μm 。
光电子技术作业解答
赖老师的课到期中考试为止一共有9次作业，依次分别由冯成坤、饶文涛、黄善津、刘明凯、郑致远、黄瑜、陈奕峰、周维鸥和陆锦洪同学整理，谨此致谢！作业一：1、桌上有一本书，书与灯至桌面垂直线的垂足相距半米。
若灯泡可上下移动，灯在桌上面多高时，书上照度最大？（假设 灯的发光强度各向通性，为I0） 解：设书的面积为dA ，则根据照度的定义公式：dAd I dA d E 0Ω==φ （1）其中Ωd 为上图所示的立体角。
因而有：2/32222)h (L hdA h L cos dA d +⋅=+⋅=Ωθ （2） 将（2）式代入（1）式得到：2/3220)h (L hI E += （3） 为求最大照度，对（3）式求导并令其等于零，0dhdE= 计算得：m 221h =因而，当高度为m 221时书上的照度最大。
2、设He-Ne 激光器中放电管直径为1mm ，发出波长为6328埃的激光束，全发散角为θ=10-3rad ，辐射通量为3mW ，视见函数取 V(6328)=0.24，求： （1）光通量，发光强度，沿轴线方向的亮度？（2）离激光器10米远处观察屏上照明区中心的照度？（3）若人眼只宜看一熙提的亮度，保护眼镜的透射系数应为多少？ 解：（1）光通量：lm 49.010324.0638V K 3m v =⨯⨯⨯=Φ⋅⋅=Φ-θ 发光强度：cd 1024.64d d I 52vv ⨯≈Φ=ΩΦ=θπ 亮度：211235m /cd 1059.7)10(41024.6dAcos dI L ⨯≈⨯⨯==-πθ轴（2）由题意知，10米远处的照明区域直径为： m 101010L D 23--=⨯=⋅=θ从而照度为：lx 9.6238)10(4149.0D 4E 222v=⨯⨯=Φ=-ππ（3）透射率：81141026.11095.710L 1T -⨯≈⨯==轴（熙提）作业二1、说明蓝色火焰与黄色火焰的色温谁高，为什么？ 答：色温是用黑体的温度来标度普通热辐射源的温度。
光的基本属性光的波粒二象性激光的特性方向性好单色性好
1.光的基本属性：光的波粒二象性。
2.激光的特性：方向性好、单色性好、亮度高、相干性好。
3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设。
定态假设：原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。
原子定态的能量只能采取某些分立的值，而不能采取其它值。
跃迁假设：只有当原子从较高能量的定态跃迁到较低能量的定态时，才能发射一个能量为h 的光子。
4.光与物质的共振相互作用的三种过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。
5.自发辐射跃迁几率的意义：在单位时间内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值；也可以理解为每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。
6.自发辐射跃迁寿命：粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命。
τ=1/A217.亚稳态：寿命特别长的激发态称为亚稳态。
8.受激辐射的光子性质：放出光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。
9.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系及其宏观表现：在外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个过程总是同时存在，相互竞争。
当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。
10.受激辐射与自发辐射的区别：最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。
11.光谱线加宽现象:实际上光强分布总在一个有限宽度的频率范围内,每一条谱线都有一定的宽度, v = v0只是谱线的中心频率.这种现象称为光谱线加宽。
12.谱线加宽的原因:由于能级有一定的宽度。
13.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？可以根据谱线加宽的物理机制，将谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽。
均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的。
发光粒子的光谱因物理因素加宽后中心频率不变,由它们迭加成的光源光谱形状与发光粒子相同。
产生激光的三个必要条件
产生激光的三个必要条件激光（Laser）是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高相干性等独特的特点。
要产生激光，需要满足三个必要条件。
本文将详细介绍这三个必要条件，并解释其原理和作用。
一、粒子的受激辐射粒子的受激辐射是产生激光的第一个必要条件。
当原子或分子处于激发态时，它们具有较高的能量。
当外界能量作用于这些激发态粒子时，它们可能发生跃迁，从而回到低能量的基态。
在这个过程中，粒子会释放出辐射能量，这种辐射即为受激辐射。
在产生激光的过程中，通过给粒子提供能量，使它们处于激发态。
当粒子回到基态时，将会释放出光子。
这些光子具有相同的频率和相位，从而形成一束高相干的激光。
因此，粒子的受激辐射是产生激光的首要条件。
二、反馈机制反馈机制是产生激光的第二个必要条件。
在激光器中，光通过一个光学共振腔多次来回反射，这样就形成了一个反馈环路。
反射光线经过增益介质时，会激发更多的粒子跃迁到激发态，并产生更多的受激辐射。
这些受激辐射光线又会被反射回来，继续激发更多的粒子，形成更多的受激辐射。
通过不断的反射和受激辐射，光线的强度和频率不断增强，最终形成一束高强度、单色性良好的激光。
因此，反馈机制是产生激光的重要条件之一。
三、增益介质增益介质是产生激光的第三个必要条件。
增益介质是激光器中的一个重要组成部分，它能够提供足够的能级差，使得粒子能够在受激辐射中得到充分的激发。
常见的增益介质包括固体、液体和气体等。
在固体激光器中，常用的增益介质有Nd:YAG和Nd:YVO4等。
在液体激光器中，常用的增益介质有染料溶液。
在气体激光器中，常用的增益介质有二氧化碳和氩离子等。
增益介质的作用是提供足够的粒子数，使得受激辐射能够发生，并且能够形成一束高强度的激光。
因此，增益介质是产生激光的不可或缺的条件。
产生激光的三个必要条件分别是粒子的受激辐射、反馈机制和增益介质。
这三个条件相互促进、相互作用，共同实现激光的产生。
激光的独特性质使其在科学研究、医疗、工业制造等领域有着广泛的应用前景。
光电子技术基础_第二版_(朱京平_著)_科学出版社_课后答案
放大，为此，我们引入激活介质的增益系数 G (υ )
G (υ ) =
dI (υ ) I (υ ) dx
式中， dI (υ ) 是传播距离 dx 时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强 度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于 dI (υ ) > 0 ，因而 G (υ ) > 0 ，所以 G (υ ) 可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3.计算与推导 ⑴λ＝0.5μm 时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K 时，什么波长下
= −µ0
∇(∇ E ) − ∇ 2 E ＝ − µ 0
课
∂ 2 (ε 0 E + P) ∂J ∂E ＝ − µ0 − µ 0σ − µ0 s 2 ∂t ∂t ∂t
后
答
∂J ∂2 D ∂E − µ 0σ − µ0 s 2 ∂t ∂t ∂t
案
网
在电介质中，一般有 M = 0 ,从而 µ = µ 0 ， B = µ 0 H ，于是上式可化为
课
后
答
成熟特别是量子阱激光器的问世以及 CCD 的问世。
案
20 世纪 70 年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的
网
20 世纪 60 年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。
ww
w.
征，是一门新兴的综合性交叉学科。
kh da w. co m
1
第二章 光学基础知识与光场传播规律
⒈填空题 ⑴光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效 应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。 ⑵两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装置有杨氏 双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是 δ = mλ (m = 0, ±1, ±2,LL) δ 为光程差。 ⑶ 两 列 同 频 平 面 简 谐 波 振 幅 分 别 为 E01 、 E02 ， 位 相 差 为 φ ， 则 其 干 涉 光 强 为
电子技术基础知识练习题与答案
电子技术基础知识练习题与答案电子技术基础知识练习题与答案电子技术是根据电子学的原理，运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
下面跟着小编来看看电子技术基础知识练习题与答案吧！希望对你有所帮助。
一、基础知识。
1.按照调制方式分类，光调制可以分为：强度调制、相位调制、波长调制、频率调制、偏振调制。
2.半导体激光器发光是由能带之间的电子空穴对复合产生的。
3.激励过程是使半导体中的载流子过程从平衡态激发到非平衡态。
4.固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型绝缘晶体和玻璃为工作物质。
5.光纤传感器中常用的光电探测器：光电二极管、光电倍增管、光敏电阻。
6.红外探测器的响应波长范围参数指探测器电压响应率与入射的红外波长之间的关系。
7.光子探测原理是指利用半导体在入射光的照射下产生光子效应。
8.利用温差电势制成的红外探测器称为热电偶。
9.红外辐射在大气中传播时由于大气中水分子、蒸汽等吸收和散射使辐射在传播过程中衰减。
10.当红外辐射照在热敏电阻上时，使温度上升，内部粒子无规则运动加剧，自由电子数随温度而上升，所以电阻会减小。
11.辐射出射度：辐射体单位面积向半空间发出的辐射通量。
12.光电磁是利用光生伏特效应将光能变成电能。
13.任何物质只要温度高于0K就会向外辐射能量。
14.红外无损检测是通过测量热流或热量来检测。
15.内光电探测器可分为光电导、光伏特、光电磁三种探测器。
16.红外探测器的性能参数：电压响应率、噪声等效功率、时间常数。
17.光束扫描根据其应用的目的可分为模拟扫描和数字扫描。
模拟扫描用于显示，数字扫描用于光存储。
18.固体摄像器件主要有：CCD、CMOS、CID。
19.声光相互作用分为：拉曼—纳斯衍射和布喇格衍射。
20.磁光效应：外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象。
D的基本功能：电荷存储、电荷转移。
按结构分为线阵CCD和面阵CCD。
光纤通信期末考试题及答案分析
光纤通信期末考试题及答案分析一、填空：1、1966年，在英国标准电信实验室工作的华裔科学家首先提出用石英玻璃纤维作为光纤通信的媒质，为现代光纤通信奠定了理论基础。
2、光纤传输是以作为信号载体，以作为传输媒质的传输方式。
3、光纤通常由、和三部分组成的。
4、据光纤横截面上折射率分布的不同将光纤分类为和5、光纤色散主要包括材料色散、、和偏振模色散。
6、光纤通信的最低损耗波长是，零色散波长是7、数值孔径表示光纤的集光能力，其公式为8、阶跃光纤的相对折射率差公式为9、光纤通信中常用的低损耗窗口为、1310nm、10、V是光纤中的重要结构参量，称为归一化频率，其定义式为11、模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。
12、阶跃折射率光纤单模传输条件为：13、电子在两能级之间跃迁主要有3个过程，分别为、和受激吸收。
14、光纤通信中最常用的光源为和15、光调制可分为和两大类。
16、光纤通信中最常用的光电检测器是和17、掺铒光纤放大器EDFA采用的泵浦源工作波长为1480nm和18、STM-1是SDH中的基本同步传输模块，其标准速率为：19、单信道光纤通信系统功率预算和色散预算的设计方法有两种：统计设计法和20、光纤通信是以为载频，以为传输介质的通信方式。
21、光纤单模传输时，其归一化频率应小于等于22．数值孔径表示光纤的集光能力，其公式为：23、所谓模式是指能在光纤中独立存在的一种分布形式。
24、传统的O/E/O式再生器具有3R功能，即在、和再生功能。
25、按射线理论，阶跃型光纤中光射线主要有子午光线和两类。
26、光纤中的传输信号由于受到光纤的损耗和的影响，使得信号的幅度受到衰减；波形出现失真。
27、半导体材料的能级结构不是分立的单值能级，而是有一定宽度的带状结构，称为28、半导体P-N结上外加负偏压产生的电场方向与方向一致，这有利于耗尽层的加宽。
29、采用渐变型光纤可以减小光纤中的色散。
30、SDH网中，为了便于网络的运行、管理等，在SDH帧结构中设置了31、SDH的STM－N是块状帧结构，有9行，列。
光电子技术复习总结
光电子技术复习题总结（2012.6.1）第一章：光的基础知识及发光源1.光的基本属性？光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。
2.激光的特性？（1）方向性好（2）单色性好（3）亮度高(4)相干性好3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设？（1）定态假设；原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。
原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、 E2 、……、En ，而不能采取其它值。
（2）跃迁假设；只有当原子从较高能量En的定态跃迁到较低能量Em的定态时，才能发射一个能量为h4.光与物质的共振相互作用的三种过程？受激吸收、自发辐射、受激辐射5.亚稳态？自发辐射的过程较慢时，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。
寿命特别长的激发态称为亚稳态。
其寿命可达10-3~1s，而一般激发态寿命仅有10-8s。
6.受激辐射的光子性质？受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。
7.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。
当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。
8.受激辐射与自发辐射的区别？最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。
9.光谱线加宽现象？由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率宽度，分布在中心频率v0附近一个有限的频率范围内，自发辐射的这种现象称为光谱线加宽。
10.谱线加宽的原因？由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△vn.11.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。
激光原理及应用
激光原理及应用第1章 辐射理论概要与激光产生的条件1.光波：光波是一种电磁波，即变化的电场和变化的磁场相互激发，形成变化的电磁场在空间的传播.光波既是电矢量→E 的振动和传播,同时又是磁矢量→B 的振动和传播。
在均匀介质中，电矢量→E 的振动方向与磁矢量→B 的振动方向互相垂直，且→E 、→B 均垂直于光的传播方向→k 。
(填空）2.玻尔兹曼分布:e g n g n kT n n m mE E n m )(--=（计算） 3.光和物质的作用：原子、分子或离子辐射光和吸收光的过程是与原子的能级之间的跃迁联系在一起的。
物质（原子、分子等)的相互作用有三种不同的过程，即自发辐射、受激辐射及受激吸收。
对一个包含大量原子的系统，这三种过程总是同时存在并紧密联系的.在不同情况下，各个过程所占比例不同，普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用.（填空）自发辐射：自发辐射的平均寿命A 211=τ（A 21指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度，占处于E 2能级总粒子数密度的百分比）4.自发辐射、受激吸收和受激吸收之间的关系在光和大量原子系统的相互作用中,自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时发生的，他们之间密切相关。
在单色能量密度为ρV 的光照射下,dt 时间内在光和原子相互作用达到动平衡的条件下有下述关系：dt dt dt v v n B n B n A ρρ112221221=+ （自发辐射光子数） （受激辐射光子数) （受激吸收光子数）即单位体积中，在dt 时间内，由高能级E2通过自发辐射和受激辐射而跃迁到低能级E1的原子数应等于低能级E1吸收光子而跃迁到高能级E2的原子数。
（简答） 5.光谱线增宽:光谱的线型和宽度与光的时间相干性直接相关，对许多激光器的输出特性（如激光的增益、模式、功率等）都有影响，所以光谱线的线型和宽度在激光的实际应用中是很重要的问题。
（填空)光谱线增宽的分类：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽自然增宽：自然增宽的线型函数的值降至其最大值的1/2时所对应的两个频率之差称作原子谱线的半值宽度,也叫作自然增宽.碰撞增宽：是由于发光原子间的相互作用造成的。
激光器件作业试题5套含部分答案大学期末复习试题副本
?激光器件?作业〔1〕1.说明激光产生的必要和充分条件.简述激光器的根本组成局部及其功能.2.判断谐振腔的稳定性〔单位:mm〕⑴R1=90, R2=40, L=100⑵R1=20, R2=10, L=4533〕 R1=-40, R2=75, L=6044〕 R1=8, R2=-10, L=503.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别R1=-1.25m及R2=1.6m〔1〕这是哪一类型谐振腔⑵试确定腔长L的可能取值范围,并作出谐振腔的简单示意图.4、画出下列图所示谐振腔的等效透镜光路,并写出往返矩阵.5.某CO2激光器采用平凹腔,L=50cm, R=2m , 2a=1cm, =10.6 m.试计算镜面上的光斑半径W s1和W s2,光腰W0,远场发散角0,以及基横模损耗00各为多少6.半导体激光器输出1.55 m的光腰w0=0.6mm的高斯光束,为将它耦合到芯直径=10 m的石英光纤〔N.A.=0.2〕中,应如何建立耦合光路要求给出聚焦透镜的焦距和各部件的位置.?激光器件?作业〔2〕1.试说明气体放电伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念.2.提升He-Ne激光器632.8nm输出功率的方法有哪些3.实验测得He-Ne激光器以波长=632.8nm工作时的小信号增益系数为G0=3 10-3cm-1.①设饱和光强Is=30W/cm2时,以非均匀增宽计算腔内光强I =50W/cm2时的增益系数G;②为保持振荡稳定,设反射镜R2的反射率为100%,腔长l =10cm,问R1的反射率最小为多少〔除透射损耗外,腔内其它损耗的损耗率a =9 10-4cm-1〕?③又设光斑面积A = 1.1 x 10-2cm2,反射镜反射系数R1=99.2%,问R1端输出光功率为多少毫瓦.4.设计一款输出TEM00模、功率12mw的He-Ne激光器.5.为什么Ar+激光器要用弧光放电进行泵浦为此它的等离子管要采取哪些措施6.什么叫瓶颈效应对于He-Ne激光器和CO2激光器,分别可采用什么方法减小瓶颈效应?激光器件?作业〔3〕1.下列图是输出功率为1kW的闪光灯泵浦Nd:YAG激光器中的能量转换环节.请计算该激光器各个环节的效率〔包括泵浦灯的电光转换效率L,聚光腔的聚光效率c,激活离子的吸收效率ab和荧光量子效率0〕以及总的光电转换效率.2.与卤素灯相比,采用半导体激光器作为固体激光器的泵浦源有何优势3.简述激光棒热效应对固体激光器工作特性的影响及其消除或补偿的方法.4. 一个YAG激光器的棒直径为6mm,长度75mm；而泵浦灯的直径为5mm, 长度75mm.请为它设计一个单椭圆的聚光腔.5. 一台YAG激光器谐振腔的腔长为160mm,两个球面镜的曲率半径分别为100mm和250mm, YAG棒长80mm,折射率1.82,位于谐振腔的中央.假设考虑热透镜效应,求该激光器稳定运转时对应的激光棒屈光度的范围.?激光器件?作业〔4〕1.半导体激光器的光束质量较差是什么原因引起的2.简述半导体激光器系统与普通二能级系统的区别.3.为什么双异质结可以降低半导体激光器件的阈值功率密度4.如何实现半导体激光器的单纵模和单横模振荡?激光器件?作业〔5〕1.相对于半导体激光器,光纤激光器有何突出的优点2.基于光纤Fox-Smith谐振腔的光纤激光器,应如何设计谐振腔参数以便获得单纵模运转3.简述大功率双色层光纤激光器的结构和特点,为何其内包层光纤横断面要采用特殊的几何形状4.简述光纤激光器采用非线性偏振旋转〔NPR〕锁模的原理.〔蠹光器件?作业〔1〕1〕」.作物帧：激光舞的核心.谱线波段.增益,结构形态e2〕泵浦源,电、光、热、化学能、核能激团"激光电源,限制电路,能量转换效率,3〕光学谐振腔工为激光振荡建立提供正反应；其参数影响输出激光束：同量一稳定性,模式：镜片加工和镀膜工艺,调整精度4〕辅助设施।散热系统,滤光设施口置Q,缴模,稳频,选模.放大也产生激光的必要条件一粒子数反转；受激倔射耍得到放大.必须辐射作用大于吸收作用■要求上能级的粒子数大于下能级粒子数.理想能级结构工上能级：亚稔态〔长寿命〕,粒子数枳累.下能级；尽量清空U或目治<0即;(4+.)<-13.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别Rl=-L25m及R2=L6m.⑴这是哪一类型谐振腔(2)试确定腔长।的可能取值范围,并作出谐振腔的简单示意图.凹凸镜；|glg2|<l4、画出下列图所示谐振腔的等效透镜光路,并写出往返矩阵.产生激光的充分条件一一阈值条件：激活介顺的增益不小于损耗,才能产生激光振荡. G2R>\2.判断谐振腔的稳定性(单位：mm)(1)R1=9O, R2=40J=100(2)Rl=20, R2=10, L=4533) Rl=・40, R2=75, L=60(4)R1=CO/R2=-10/ L=501、稳定腔一一傍轴光线在腔内任意屡次往返不会横向逸士腔外-1 V：(.4 + 0)V1或0<弁限<1其中处=12、非稳脖一一傍轴光线在腔内有果次往返必然从侧面溢出腔外g思>1 即:(4 + 0)>1注意：相乘时要反序乘;5.某COz激光器采用平凹腔,L=50cm, R=2m , 2a=lcm> X=10.6pm>试计算镜面上的光斑半径w.和w〃,光腰w.,远场发放角00,以及基横横损耗6；u各为多少J',z〕■—> \c基模场振幅分布卬〔二〕〞<"=楞[吟〕吟卜6 基模光斑尺寸Y *1,〕72 * U1〕腰斑尺寸、/2 V2万V nMz〕=M±/〕=%〕&=2〕镜面上3〕远场发散角8= lim——0,2 — fi"1 -二-HO Z二—94〕基模衍射损耗va2 /N= [ 2=2阳：共焦腔TEMg近似公式:制’[LXV冗="小“乩+" 2尸Z y户由E0.9xl()3N6.半导体激光器输出L55Pm的光腰w o=O.6mm的高斯光束,为将它耦合到芯直径♦=10jun的石英光纤〔N.A.4,2〕中,应如何建立耦合光路要求给出聚焦透镜的焦矩和各部件的位置.?激光器件?作业〔2〕1.试说明气体放电伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念.使电介质击穿的电压,电介质在足筋强的电场作用下将失去算介电〞他成为导体,称为电介班击穿,所对应的电压称为击穿电压一当外加电压逐渐升高后,气体中的放电过程发生转变.此时假设去掉外界鼓励因素,放电仍继续开展,称为自持放电,通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电蚯放电等都届于自持放电当外加电压较低忖,只有由外界电离因素所造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流,一旦外界电离作用停止,气体放电现象即舶之中断,这种放电称为林自持放电,2.提升He-Ne激光器632.8nm输出功率的方法有哪些3.实验测得He-Ne激光器以波长X=632.8nm工作时的小信号增益系数为G产找1.・3cmz①设饱和光强/5=30W/cm2时,以非均匀增蜜计算腔内光强/=50W/cm2时的增益系ft G；②为保持振荡稳定,设反射镜R2的反射率为100%,腔长/=10cm,问R1的反射率最小为多少〔除透射损耗外,腔内其它损耗的损耗率a=9xl0< cm ］〕?③又设光斑面积A= LlXldcm〕反射镜反射系数81=99.2%,问R1端输出光功率为多少毫瓦.〔1〕增益：光在单位距离内光强增加的百分比..=上公Is〔2〕% = j2G/a-a；⑶R那么=1 -T那么；KI. = 3OW/cm2P^ATKIA^--1〕52a + T4.设计一款输出TEMoo模、功率12mw的He-Ne激光器.放电长度L =刍~ = — = 600m〃?/20L =600+60=660mm 0= 1 ：R=LP=660mm凹而反射镜上的光斑半径外鼻-r〔〕a R-L放电毛细管直径.= 3.3他D2萨涅尔数汽==-4AL基模衍射损耗40^0.3% 总的光学投失a =%十%,.〔图,包括全反射透过率.反射镜散射和吸收散射.可取0.6%〕最正确透过率7^=j2G/a-a, / ="笈〔,尸P ATK I S〔^--\〕a+T5.为什么Ar+激光器要用孤光放电进行泵浦为此它的等离子管要采取哪些举措?1）.笈离子激光器的工作能级是离子激发态.为了实现激发.要求管内电子仃很高的能量c根据正柱区的特性,气压越高,放电功率密度越大,热不稳定性增长所需要时间越短, 量离子激光器只能在较低气压〔低于1.06xl02Pa〕下工作.管内气压低,单位体积中Ar原子数日减少.为增加筲内电由和激发过程,以保证足够激光上能级粒子,需要提升管内的电子密度,Ar*激光器采用弧光放电鼓励,管内的电流密度可高达100—lOOOA/cn?,2）.因A「激光下能级的弛续依靠3P5〔离子基态〕粒子的首壁复合,所以它的放电管的管径一般较细,约2〜4mmeAr离子激光器工作时,放电管中通过的的工作电流约为几〜几I安培.其相应的电流密度可达数百安培/平方厘米,同时还要耗散120W/cm的热身,管壁温度往往在1000C以上.放电毛细管必须品用耐高温、导热性能好、气体消除速率低的材料划作.通常使用石英管、氧化被陶瓷菅、分段石屋管、铝放电管等.6.什么叫瓶颈效应对于He・Ne激光器和CO?激光器,分别可采用什么方法减小瓶颈效应1〕瓶颈效应,当CO2激光器中不加其他气体,只靠CO?分子之间的碰撞时,10..驰像到01^的速率比从01»0驰速到00°0的速率高得多,因此01%能级上的粒子将被堆枳起来. 而第一步过程是可逆的,这会使得10.0和02.0能级上的粒子数增加,造成反转粒子数卜.降, 2〕He-Ne：参加辅助气体He,更高质原子的泵浦效率,以及减小管的直径使管壁效应增大, 使Ne粒子主要通过与其他粒子的以及管壁的磁撞而回到基态.C02：参加辅助气体：N2：用大C02分子00.1能级的漱发速率,还能增加0M0能级的驰缘速率.co：增大CO2分子00°1能级的激发速率,还能增加0110能级的驱掾速率,但太高时会使00°1能级消激发.He： 1〕降低工作气体的温度,增加摘出功率.2） He 对激光下能级的地像作用比对激光能级的犯像作用影响大得多,这有利于粒 子数反转,叩有利于提升输出功率3〕缓冲CO2向管壁扩散.减少00.：!态CO?分子与管壁的碰撞消激发作用.Xe ：增加放电气件中的电器度,使得电子平均能量流低,从而提升激光器的效率H 2： H 2O:提升器件的输出功率,并且延长器件寿命Ar ：降低管内电了•温度,有利于上能级激发,但导热率不如He?激光器件?作业〔3〕1.下列图是输出功率为IkW 的闪光灯泵浦Nd:YAG 激光器中的能信转换环节.请计算该激光 密各个环节的效率〔包括泵浦灯的电光转换效率m,聚光腔的聚光效率中,激活离子的吸 收效率nab 和荧光量子效率n .〕以及总的光电转换效率.柬光,出J kW]3 k W 功率04kW光陵二聚光器光功率—光功率激光介质_激活粒子功率d一灯一电功率 /—一光功率聚光/一工作物质会聚光功率=_非辐射跃迁粒子数工E后发跃迁粒子束2—一辐射总粒子数X—E,总粒子数1〕光电转化效率高,节省能源半导体激光器是直接的电子一光子转换器,因而它的转换效率很高c目前最高光电蛙换效率接近70%；2〕半导体眼光曙所漫罡的波段范围最广一可以通过选用不同的半导体激光器书•源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分,而得到范闱很广的激射波长以满足不同的需要；3〕系统稳定性高,寿命长,维护便捷费用低；4〕波长较短,金属材料吸收效率高,加工质量好：5〕模块化设计,可以根据不同应用设计加工系统:6〕具有直接调制的水平；7〕体枳小巧,结构紧凑,质量轻.3.简述激光棒热效应对固体激光器工作特性的影响及其消除或补偿的方法.1.增强冷却降低棒的整体温度：2.光学补偿法：主要用于抵消热致双折射或热透境的影响.以改善光束质量；1〕棒端面修正法；曲率半径为R=2〔n〔rl〕fT,fT为热焦距e只磨一面,那么R=〔rb-l〕h2〕设计相应的谐振腔,以减小热透镜的影响：3〕在谐振腔内加一负透镜,透镜焦明与热焦距相同,由于热焦距为止透镜,那么可抵消其影响：4〕应力双折射的补偿方法是采用石英旋光片让.将两支热轨双折射效应相近的棒串接,中间置入石英旋光片.旋转角为90.,使第一热致双折射产生的径向与切向分量.恰好在第二支棒中互换,相互抵消,使光束的偏振方向保持不变.4. 一个YAG激光器的棒直径为6mm,长度75mmi而泵浦灯的直径为5mm,长度75mm. 请为它设计一个单椭圆的聚光腔.1〕确定灯棒尺寸「八r L£〕=5 +4 ~ 6nun2〕确定D R.D L//D R二心 + 4 〜6mm3〕确定椭圆腔焦点距围2c = &+〞出—4〕确定椭圆腔长轴2a = 3 + 25. + 0配+ 225〕确定椭圆腔短轴力=〔/一..5YAG激光转谐振腔的脱长为160mm,两个球面镜的曲率半径分别为,YAG棒长80m m,折射率L82,位于谐振腔的中央.假设考虑热透镜效应. 转时对应的激光■屈光度的范围.D = - = - P p =-- P p屈光度 / F ".:用传输矩阵去求h =——1找出主面位置2〃2底定各个量：0<@G、vl定出D的范惘?激光器件?作业(4)1.半导体激光器的光束质量较差是什么原因引起的1,由于激光器的工作电流较大,电阻功耗很大•所以在室温卜的功率效率只有百分之几.2.半导体激光器对温度十分敏感,其输出功率随温&会发生很大变化,其主要原由于：(1)激光器的阈值电流M随温度升高而增大(2)量子处率必随温度升高而减小c3.由丁半导体激光器的谐振腔短小.激光方向性较差.特别把在PN结的垂直平而内,发散隹很大,可达200-30.,在PN结的水平面内,发散角约为几度.4.激光丹的伏安籽性与一段二极管相同,也具有单向导电性,凡电阻主要取决于晶体电羽和接触电阻.蛆然阻值不大,但因工作电流大,不能无视它的影响,5.简述半导体激光器系统与普通二能级系统的区别.1).导带和价带内很高的电子和空穴态密度使得半导体能带中可以容纳很商浓度的电子和空穴,从而获得很大的自发辐射和受激辐射几率,并提供较强的光增益作用.2).处于同能带内不同能量状态上的载流了几乎可以随时维持其能带内的局部平衡状态.3).半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移.半导体材料为这种特性使得可以通过简单的直接电流注入对半导体激光器进行泵消,产生小平窗战流不,并使材料处于粒子数反转分布状态.4).半导体内原子之间以及注入蝮流了之间的相互作用放宽了电子发生带间辐射跃迁的选择定那么.使得辐射跃迁可以发生在导带内的大母电子和价带内的大量空穴之间.♦为什么双异质结可以降低半导体激光器件的阈值功率密度?1).中间的窄带隙层对载流子形成了很好的限制作用2).窄带隙层一般还具有比拟高的折射率,光波导效应明显4.如何实现半导体激光器的单纵模和单横模振荡单纵模：在直流驱动卜,发射光波长只有符合激光袋船的相位条件的波长存在.这些波长取决于激光器纵向长度L,并称为激光器的纵膜.驱动电流变大,纵模模数变小,谱线宽度变窄. 这种变化是由于谐振腔时光波顼率和方向的选择,使边模消失、主模增益增加而产生的°当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,这种激光器称为仔态单纵模激光器：单横噢：近场和远场是由谐振睦(有源区)的桢向尺寸,即平行于PN结平面的宽度w和垂直手绢平面的厚度,所决定.并称为激光器的横模.平行于结平面的谐振腔宽发w由宽变窄,场图呈现出由多横填变为单横模：垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄,这个方向的场图总是单横隰?激光器件?作业〔5〕1.相对于半导体激光器,光纤激光器有何突出的优点1）.〕匕纤激光器具有波导式结构,可以在光纤纤芯中产生较宸的功率密度,使得激光效率大幅度提升.由此构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点；2）.光纤激光器基质是SiO?.具有躁好的温度稳定性：而光纤结构具有较高的而积一体积比, 所以其散热效果很好.3）.光纤具有极好的柔绕性,激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、性能价珞比的e4）.龙纤檄光器与常规光纤具有自然的通的性和兼容性,因此易于进行光纤集成,与通信线路粮令损耗低,使用方便可翕.2.基于光纤Fox-Smith谐振腔的光纤激光器,应如何设计谐振脱参数以便获得单纵模运转2.基于光纤Fox-Smith谐振腔的光纤激光器,应如何设计谐振腔参数以便获得单纵模运转?送挣适当的M 以致于在整个荧光线宽内只有一个织膜在揉荡那么可以实现单纵模运转.3,述大功।双包■光।,光器的结构和为何其内■■光।■■「■।采用।■的几何形状1）.高功率光纤激光器的关罐技术：1.用于泵浦的宽而、多模大功率激光二极管;2.磁而为梅花密形的内包层或多孔的双包层光纤;3.单模排传纤芯;锥形捆扎,或树叉形双包层光纤泵涌光导入I I：4.特殊耦合技术;5.光纤光栅谐振腔. 2〕.特点：L转换效率高〔可高达20%〕： 2.寿命长〔平均无故障工作时间在10万小时以上〕：3.可在恶劣的环境下工作〔由于其共振控置于光纤内部,即使在高冲击,高震动,高湿度,白灰尘的条件下皆可正常运转.而环境潟度范国允许在-20 C至+70 C之问〕；4.无论是连续或脉冲的运话方式皆无需庞大的水冷或风冷系统.只需一般的散热体或筒便的风冷即可；5.其外型紧凑体枳小〔光纤激光器模块的体枳大约有一本字典的大小〕；6.方便光纤导出：7易于系统集成：8.没有体积庞大的电源系统：3〕几何形状有要求的原因：常见的集合形状设汁：偏心圆式的内包层,矩形的内包层,花野形的内包层. 光纤内包层横断面的几何形状是很直要的,如果设计成圆形,而纤芯又居其中央,这样大部分的泵浦光就不能横穿过纤芯.设计出丈它光纤内包层横断面的几何形状,以使更多的泵浦光横穿过纤芯.4.简述光纤激光卷采用非线性偏振旋转〔NPR〕锁模的原理.通过光纤里的非线性效应〔SPM、XPM〕对腔内光脉冲迸行周期性调制,使强度大的光屡次振荡时经过偏振相关隔离器〔ISO〕损耗小,从而实现锁模.泉浦光通过偏振相关光纤陇离器的纹侑振光在经过第一个光纤偏振限制器(PC)后变为畸回偏 振光,它是两个相互垂直的、具有不同强度的线偏抿光的合成e精网偏振光经过掺银光纤得到增益放大,由于Kerr 效应,两个相互垂直的偏振分量经过相 同长度光纤的非线性相移不同,椭间偏振光的偏振态发生改变.第二个光纤偏振限制器的作用把调整光咏冲的偏振方向与偏振相关光纤隔离器的偏振 方向一致,从而使得光咏冲的峰值经历最小的损耗而通过,而光脉冲的两宾经历了较大的投 耗而被削掉,导致光脉冲发生窄化.光脉冲在腔内往返屡次后变窄,其作用相当于可饱和吸收 体,最终实现锁模咏冲激光输出. 输出 ISO。
光电子技术题目与答案
光电子技术题目与答案2) 自发跃迁是指处于高能级的粒子自发地跃迁到低能级上。
受激跃迁是指由于外界辐射场作用而产生的粒子能级间的跃迁。
3) 受激辐射下光谱线展宽的类型分为平均展宽和非平均展宽，其中平均展宽有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非平均展宽有多普勒展宽、残余应力展宽。
4) 常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器、钛宝石激光器（写出两种），常见的气体激光器有He-Ne激光器、Ar激光器、CO2激光器（写出两种）。
5) 光是一种以光速运动的光子流，光子和其它差不多粒子一样，具有能量、动量和质量；其静止质量为零。
6) 激光与一般光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好、强度大7) 简述光子的差不多特性。
答：1、光子能量E与光波频率v对应：E=hv2、光子具有运动质量m，m=E/c2=hv/c23、光子的动量与单色平面波矢对应：P=ħk4、光子具有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5、光子具有自旋性，同时自旋量子数为整数8) 简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。
答：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数充分条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗稳固振荡条件：增益饱和效应组成：工作物质、泵浦源、谐振腔作用：工作物质：在这种介质中能够实现粒子数反转泵浦源：将粒子从低能级抽运到高能级的装置谐振腔：1、使激光具有极好的方向性2、增强光放大作用3、使激光具有极好的单色性1) 声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平稳位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用能够分为 拉曼-纳斯衍射，布喇格衍射 两种类型。
2) 磁光效应是指 外加磁场作用所引起的材料光学各项异性 ，法拉第磁光效应的规律（1） 关于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度成正比 （2） 光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换 。
激光原理
25
26
充分条件：大于阈值电流； F-P 腔满足正反馈条件，相位应满足
2nL q c 2nL
2
2nL
27
半导体激光器的特性 （1）波长
h E g hc 1.24 Eg Eg 1eV 1.6 10
19 34
J J S
28
h 6.628 10
1
一、 光辐射的量子理论基础
（1) 受激吸收
处于低能级态的电子在一定条件 下的辐射场作用下，吸收一个光 子， 跃迁到高能级态。
(2) 自发辐射
处于高能级态的原子自发跃迁到低 能级态，并同时向外辐射出一个光 子（自发辐射只与原子本身性质有 关） 。
(3) 受激辐射
处于高能级态的原子在一定条件 下的辐射场作用下，跃迁到低能 级态，并同时辐射出一个与入射 光子完全一样的光子。
11
8、谐振腔
谐振腔的作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光 束发散角及相干性都有影响。
光学谐振腔结构
12
谐振腔的作用
(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线)
(2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )
13
9、起振条件－－阈值条件， 稳定振荡条件－－增益饱和效应
8
6、工作物质、亚稳态
前面分析了产生激光是受激辐射，而粒子数反转 是产生激光的一个必要条件，激光的产生必须选择合 适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。 在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光 的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反 转是非常必须的。
9
激光物质是三能级或四能级结构
2
二、激光的产生 1、普通光源的发光——受激吸收和自发 辐射
哈工大《激光原理》研究生入学考试简答题
的变换规律遵循 q2
Aq1 B 公式。 Cq1 D
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
31．简述描述高斯光束的（f，z）参数、 （ω，R）参数、q 参数之间的关系。 答：
32．简述衍射场自洽积分方程本征值γ的物理意义。 答： （1）
1 e
h / kT
1
，
激光： n
p c ，其中 T 为绝对温度，p 为激光器向单模发射的功率，τc 为相干时间。 h
20．三能级系统和四能级系统最本质区别是什么？为什么三能级系统实现粒子数反转 比四能级系统困难（或者说对泵浦源的要求更高）？ 答：三能级系统的激光下能级为基态，而四能级系统的激光下能级为激发态。由 于热平衡情况下绝大部分粒子处于基态，所以三能级系统要实现粒子数反转需要至少 把一半的基态粒子泵浦到激光上能级。而四能级系统的激光下能级为激发态，热平衡 情况下其基本处于排空状态， 将很少的粒子泵浦到激光上能级就可以实现粒子数反转。 因此三能级系统实现粒子数反转比四能级系统困难（三能级系统比四能级系统对泵浦 源的泵浦能力要求更高） 。 21．什么是增益饱和？均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益饱和的基本特征分别是 什么？ 答：当激光器内光强达到一定值时，反转粒子数密度（增益）随光强的增大而减 小的现象为增益饱和。 均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线整体下降，增益曲线最大值变小，宽度 变宽；非均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线局部下降，产生烧孔效应。 22．均匀加宽激光器中的模竞争的概念。 答：在均匀加宽激光器中，通过饱和效应靠近中心频率的模总是把别的模抑制下
第二部分
1. 调 Q 技术的基本原理。 答：采用某种办法使光腔在泵浦开始时处于高损耗（低 Q 值）状态，这时激光的 振荡阈值很高，反转粒子数即使积累到很高水平也不会产生激光；当积累的反转粒子 数达到很大值时，突然使光腔的损耗降低（高 Q 值） ，这时发转粒子数远大于阈值，存 储到上能级的粒子迅速跃迁到下能级，输出一个峰值功率高、宽度窄的激光脉冲。 2. 什么是主动调 Q？什么是被动调 Q？ 答：主动调 Q：谐振腔 Q 值的变化由外部驱动源控制，与腔内激光光强无关。被 动调 Q：谐振腔 Q 值取决于腔内激光光强。 3．声光调 Q 工作原理。 答：通过电声转换形成超声波，使调制介质折射率发生周期性变化，对入射光起 衍射栅作用，使之发生衍射损耗，Q 值下降，激光振荡不能形成。在光泵激励下上能 级反转粒子数不断积累并达到饱和值，这时突然撤除超声场，衍射效应立即消失，腔 内 Q 值猛增，激光振荡迅速建立，其能量已巨脉冲形式输出。 4. 简述可饱和吸收染料调 Q 基本原理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 种类
自然加宽、 碰撞加宽、 晶格振动加宽
H 2 g H ( ) 2 ( 0 ) 2 H 2
谱线宽度
3. 线型函数
4.自然加宽
由测不准关系确定的加宽就是自然加宽. 线型函数
N 2 g N ( ) 2 N ( 0 ) 2 2
N ul0 g ，式中 N ul0 N u0 u N l0 g I l 1 Is
显然，I=Is时， N ul 1 N ul0
2
2.增益系数
将 N ul 代入 G N ul ( )
G ( )
( )N ul0
Eu 0 El 0 0 h EuM Elm h Eum ElM h
h
EuM Eu0 Eum
ElM El0 Elm
Eu
El
0
谱线宽度:
Eu El h 1 ( Aui Alj ) 2 i j
2. 线型函数
4L 2 2 ( ) 400 da 0.1
2
148 400
不能达到饱和
1.4 谱线加宽 一、 概述 1. 谱线宽度
h E Au 2
上能级宽度: Eu EuM Eum 下能级宽度: El ElM Elm 中心频: 上边频: 下边频:
1.3 激光产生的充分条件
一、饱和光强定义
I I 0 e Gz
所以,只要G>0,I就会 分析 ,那么是否就会产生激光呢?
一方面,介质长度有限; 另一方面,I 的代价是Δ Nul
因此，I增加到一定值时，就不再增长了，这时的光强 就为饱和光强Is。 饱和发生的介质长度就叫做饱和长度Ls 。
二、饱和光强Is的计算
三、产生激光的充分条件
如果在增益介质的有效长度内，光强可以 从微小信号增长到饱和光强，那么对产生激 光来说就是充分的。
说明 1.Is有一定的任意性。
例：如图，请估算满足充分条件的工作物质长度 面积
1 2 A d a 4
A L l da
2.达到Is后， Is仍在增长，但增长速度大为衰减。
设介质已实现足够大的粒子数反转
5.碰撞加宽
τ 1加宽、 τ 2加宽
6.总的均匀加宽
1 1 1 2 H ( Aui Alj u l ) 2 i 1 1 2 j
三、非均匀加宽 1. 定义
原子系统中不同原子或原子群对谱线的不同部分有
贡献,这类加宽就是非均匀加宽.
2. 种类
多普勒加宽、非晶态加宽
Bul(ν )I/c
Eu
Wu
Blu (ν )I/c
Aul El 以Ａl代表能级l的驰豫衰减
Wl
dN u I I Wu N l B lu () N u A ul B ul () dt c c
dNl I I Wl N l Al Blu ( ) N u Aul Bul ( ) dt c c
多普勒加宽
G 0 ( ) 4 ln 2 2 GD ( ) exp ( 0 ) GD ( 0 ) D 2 D 1 I Is G 0 ( 0 ) 4 ln 2 2 exp ( 0 ) D 2 D 1 I I s
1 I
Is
G 0 ( ) 1 I Is
0 式中 G 0 ( ) ( )N ul
小信号增益 系数
可见，I=Is时，
1 0 Gs ( ) G ( ) 2
饱和条件下的增益系数为小信号时的一半 3.增益系数G(ν )、中心频率处增益系数G(ν 0)、小信号 增益系数G0(ν )及小信号中心频率处增益系数G0(ν 0)
c Is u Bul
8h 3 Aul Bul 3 c
c 8h 3 8 2 h h Is 2 3 u c Aul c Aul u u ul
式中 ul
c2 8
2
Aul
叫做受激辐射截面
h G N ul Bul N ul ul c
e1000.08来自 4 0.08 d a 0.0059 m 5.9mm d a
2
例题2 已知：Nd:YAG激光材料增益系数G=10m-1，材 料长度L=0.5m，da=0.1m 求 ：小信号单次通过该介质光强可否达到饱和？ 解 ： GL e e5 148
H c2 2 Aul N ul GH ( ) 2 2 8 2 H 2 4 ( 0 ) 2
增宽介质：
对于多普勒加宽介质：
GD ( ) c2 1 ln 2 4 2 D 4 ln 2 2 exp ( 0 ) Aul N ul 2 D
（1） （2）
小信号时
Nu
Nl
0
I 0
0
Wu Aul
（3） （4）
Wu Wl Al
（1）+（2）得
Wu Wl Nl N l0 Al
可见，下能级粒子数密度不随光强而改变！ 由（1）得
Nu Wu N l Blu ( ) Aul Bul ( )
560m/s。求此时接收器接收频率与中心频率相差
多少？
1
I c
I c
设
Aul
u
由饱和光强定义 1 Bul I s
u
c
Aul
Bul I s c
g N u0 u I N l0 g I l s Nu 1 I Is
三、 反转粒子数及增益饱和 1.反转粒子数密度
g N u0 u I N l0 g I g g l s N ul N u u N l u N l0 g g I l l 1 Is
一个通过泵浦实现了粒子数反转的二能级系统，
当光在此增益介质传播时，上能级粒子数变化率
dNu 1 Bul I Wu N u ( ) dt u c
达到稳态时
dNu 0 dt
Wu Nu 1 Bul I u c
小信号情况时， 随着I ,Nu
I 0, Nu Wu u
饱和光强 Nu 减小至小信号值的1/2时的光强。 1 Bul I u c
定义: 设辐射光强I中频率处于ν ～ν +dν 的部分为
I
I(ν )dν ,则线型函数定义为 g ( ) I ( )
线型函数满足归一化条件
g ( )d 1
3. 种类
谱线加宽
均匀加宽 非均匀加宽 综合加宽
二、均匀加宽 1. 定义
引起加宽的物理因素对每个原子都是相同的,
这种加宽就是均匀加宽.
e GL
Is h u ul
I s 4L2 ( A l ) N u Aul h 4L2 ANu Aul ul u l
令
1 l G
Nul Nu
G N ul ul
Aul 1
u
4L 2 ( ) 1 2 da d a Gl 4
e
GL
4L2
即：
4L 2 ( ) da
的关系
均匀加宽
H G 0 ( ) 2 GH ( 0 ) H GH ( ) 2 2 1 I H 2 Is 4 ( 0 ) 2 H G 0 ( ) 2 H 0 2 2 H 1 I I 2 s 4 ( 0 ) 2
关于L的 超越方程
讨论 1.已知L和da时,就可求出满足充分条件的G. 2.通过对已知G 的比较,就可判断是否满足充分条件. 3.已知L和G 时,就可求出满足充分条件da的. 4.可判断已知的da是否满足充分条件. 5.已知G 和da时,则只有用作图法才能求解L或判断L.
例题1 已知：G=100m-1，L=0.08m 求 ： 满足充分条件的da 解 ： 4L 2 GL e ( ) da
Nul Nu
l A L da
如图，在l区域内，单位时间由自发辐射产生的
d A 到达介质另端的能量与总能量之比为 4 4L2
总辐射能为
( A l ) N u Aul h
到达介质另端的能量为 ( A l ) N A h A u ul 4L2 1 A I 0 ( A l ) N u Aul h A 4L2 1 A GL I s ( A l ) N u Aul h e 2 A 4L
二、 速率方程的稳态解
稳态时
dNu dNl 0 dt dt
I I Wu N l B lu () N u A ul B ul () 0 c c I I Wl N l Al Blu ( ) N u Aul Bul ( ) 0 c c
作 业 1.(1)一质地均匀的材料对光的吸收为 0.01mm-1、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）一光束通过长度为 1m的均匀激活工作物质，如果出射光强为入射光 强的2倍，求该物质的增益系数。 2.设氖原子静止时发出0.6328μ m红光的中心频率
为4.74×1014Hz,室温下氖原子的平均速率设为
当 0 时，即在中心频率处获得最大值
0 1 GH ( 0 ) Aul N ul 2 4 H
2
0 1 GD ( 0 ) 4 2 D
2
ln 2
Aul N ul
1.6 激光器的速率方程 一、速率方程的建立
1. 实现上下能级之间粒子数反 转产生激光的物理过程：三能 级和四能级系统，为简化问题， 以二能级系统为例。