激光原理考试基本概念..docVIP

第一章 激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。 激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。 光的一个基本性质就是具有波粒二象性。光波是一种电磁波，是一种横波。 常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。 具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δνv时，这种波叫作准单色波。 原子处于最低的能级状态称为基态，能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。 两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫作简并能级。 同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字母g表示。 辐射跃迁选择定则（本质：状态一定要改变），原子辐射或吸收光子，不是在任意两能级之间跃迁，能级之间必须满足下述选择定则： 跃迁必须改变奇偶态； ΔJ=0，±1（J=0→J=0除外）；对于采用LS耦合的原子还必须满足下列选择定则： ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）； ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。 大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。 处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。 因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。 光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。 普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。 与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。自发辐射的光是非相干光。 能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。 受激辐射的特点是： 只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。 受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。 受激辐射光子与入射（激励）光子属于同一光子态；受激辐射与入辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振，是相干的。 自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来单色能量密度乘积。 Δν=v2-v1，即相对光强为最大的1/2处的频率间隔，叫作光谱线的半值宽度（光谱线宽度） 处于低能级上的粒子大量地抽运到高能级上，造成一个n2/g2n1/g1的粒子数密度反转状态的介质叫作增益介质或激活介质。 简答题一： 产生激光的三个条件： 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、分子或离子）；（有合适的激光工作物质） 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。 第二章 简答题二：腔中任一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，这种谐振腔叫作稳定腔。 共轴球面腔的稳定性条件是：0(1-L/R1)(1-L/R2)1 共轴球面腔的稳定性条件：0g1g21;为稳定腔，当g1g2=0,或g1g2=1 时为临界腔。 稳定腔对光的几何损耗（因反射而引起的损耗）极小，中、小的气体激光器（增益系数G小）常用稳定腔，容易产生激光。 通过泵浦实现能级间的粒子数反转所采用的能级结构为三能级系统和四能级系统。 四能级系统所需要的激励能量要比三能级系统小得多，产生激光比三能级系统容易得多。 在抽运速率一定的条件下，当入射光的光强很弱，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强度的增大而减小，这种现象称为增益饱和。 激光器产生激光的前提条件是介质必须实现能级间的粒子数密度反正分布，即Δn0,或者说增益系数G0。 增益系数要大于一个下限值，为激光器的阈值，它的数值由各种损耗的大小决定。 激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，分为内部损耗（谐振腔内增益介质内部的损耗，它与增益介质的长度有关）和镜面损耗（可以折合到谐振腔镜面上的损耗）。 形成激光所要求的增益系数的条件是：G≥a总，即总损耗系数。 解释为：增益不小于总损耗。 三能级系统：阈值高，效率低；四能级系统：阈值条件低，效率高。 第三章 激光谐振腔的自在现模;当两个镜面完全相同时（对称开腔），稳态场（横向场）分布应在腔内经单程渡越（传播）后即实现“再现”。 本征函数解Umn表示的是在激光谐振腔中存在的稳定地横向场分布，就是自再现模，通常叫做“横模”。 谐振腔形成的每一列驻波称为一个纵模。 激光谐振腔的谐振频率主要决定于纵模序数Vmnq=qc/2μL 腔内两个相邻纵模频率之差Δνq称为纵模的频率间隔。 基横模（TEM00）行波场，激光应用常常只用它的基横模输出。 基横模行波输出在与光束前进的垂直平面上的强度呈高斯型分布，通常称为高斯光束。 注