激光原理及应用.docx

激光原理及应用辐射理论概要与激光产生的条件光波：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。光波既是电矢量的振动和传播，同时又是磁矢量的振动和传播。在均匀介质中，电矢量的振动方向与磁矢量的振动方向互相垂直，且、均垂直于光的传播方向。（填空）玻尔兹曼分布：（计算）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（指单位时间内发生自发辐射的粒子数密度，占处于能级总粒子数密度的百分比）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：（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）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。多普勒增宽：是由于发光原子相对于观察者运动所引起的谱线增宽。当光源和接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的光波频率不等于光源与接收器相对静止时的频率，叫光的多普勒效应。按照谱线增宽的特点可分为均匀增宽和非均匀增宽两类。要实现光的放大，第一需要一个激励能源，用于把介质的粒子不断地由低能级抽运到高能级上去；第二需要有合适的发光介质（或称激光工作物质），它能在外界激励能源的作用下形成的粒子数密度反转分布状态。要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须具备三个条件：有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或者离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。课后答案 激光器的工作原理激光是在光学谐振腔中产生的。谐振腔对激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长度，提高腔内的光能密度。两块平面镜就可以使平面镜垂直的光线在腔内来回反射任意多次，而不会投射到平面镜的通光口径之外。显而易见的是，不垂直于反射镜表面的傍轴光线经过有限次的反射，就会投射到平面镜的通光口径之外，使得激活介质作用的工作长度只得到有限的增长。所以，光线能够在谐振腔中反射的次数与其结构密切相关。腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光，这种谐振腔叫做稳定腔，反之称为不稳定腔。共轴球面腔的稳定性条件是非稳腔：非稳腔，因其对光的几何损耗大，不宜用于中小功率的激光器。但对于增益系数G大的固体激光器，也可用非稳腔产生激光，其优点是可以连续地改变输出光的功率，在某些特殊情况下能使光的准直性、均匀性比较好。（填空）区分稳定腔与非稳腔在制造和使用激光器时有很重要的实际意义。由于在稳定腔内傍轴光线能够往返传播任意多次而不逸出腔外，因此这种腔的几何损耗（指因反射而引起的损耗）极小。一般中、小功率的气体激光器（增益系数G）常用稳定腔，它的优点是容易产生激光。（填空）对称共焦腔是最重要和最代表性的一种稳定腔。（填空）三能级系统 四能级系统的原理、优缺点激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗。激光损耗的分类：内部损耗和镜面损耗。内部损耗是谐振腔内增益介质内部的损耗，与增益介质的长度有关；镜面损耗指可以折合到谐振腔镜面上的损耗。课后答案 激光器的输出特性自再现模概念：光学谐振腔是一种“开式”的谐振腔。所谓开式是指，谐振腔只靠两端的反射镜来实现光束在腔内的往返传播，对于光波没有任何其他限制。由于反射镜的有限大小，它在对光束起反射作用的同时，还会引起光波的衍射效应。腔内的光束每经过一次反射镜的作用，就使光束的一部分不能再次被反射回腔内。因而，反射回来的光束的强度要减弱，同时