激光原理期末知识点总复习材料.doc

激光原理期末知识点总复习材料
2.激光特性：单色性、方向性、相干性、高亮度
3.光和物质的三种相互作用：自发辐射，受激吸收，受激辐射
4.处于能级u的原子在光的激发下以几率

向能级1跃迁，并发射1个与入射光子全同的光子，Bul为受激辐射系数。
5.自发辐射是非相干的。受激辐射与入射场具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同方向传播，因而具有良好的相干性。
6.爱因斯坦辐射系数是一些只取决于原子性质而与辐射场无关的量，且三者之间存在一定联系。
7.产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态
8.产生激光的充分条件：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Is
9.谱线加宽特性通常用线型函数描述：设辐射光强I中频率处于ν～ν+dν的部分为
I(ν)dν,则线型函数定义为 线型函数满足归一化条件：

10.速率方程：描述有关能级粒子数密度随时间变化的微分方程。速率方程理论是量子理论的简化形式。
11.三能级系统速率方程组：

其中：

四能级比三能级好的原因：更容易形成粒子数反转
画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组

12.激光器的工作方式主要由外抽运速率W13的时间行为决定。
13.有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数纵模频率更接近工作物质的中心频率，这种现象称为频率牵引。
14.光学谐振腔是常用激光器的三个主要组成部分之一，还有工作物质和泵浦源。
15.开放式光腔、无源腔，研究的基本问题：光频电磁场在腔内的传输规律，求解电磁场方程的本征函数和本征值。研究方法：①几何光学分析方法②矩阵光学分析方法③波动光学分析方法。处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔。
16.腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。
17.纵模间隔： 腔长和折射率越小，纵模间隔越大。对于给定的光腔，

纵模间隔为常数，腔的纵模在频率尺上是等距排列的
不同的横模用横模序数m,n描述。对于方形镜谐振腔这种轴对称系统来说，m,n分别表示沿腔镜面直角坐标系的水平和垂直坐标轴的光场节线数。对于圆形镜谐振腔这种旋转对称系统来说，m,n分别表示沿腔镜面极坐标系的角向和径向的光场节线数。
18.证明：讨论谐振腔内光子数密度随时间的变化

腔内光子的平均寿命就等于腔的时间常数。
19. δ：平均单程损耗因子，τR：腔的时间常数，Q：品质因数，三个量都与腔的损耗有关，都可用来衡量腔损耗的大小。
20.球面镜对傍轴光线的变换矩阵： 薄透镜对傍轴光线的变换矩阵：

21.共轴球面腔的稳定性条件：
当g1g2=0或1时是临界腔，当g1g2>1或<0时是非稳定腔。
22.所谓自再现模就是这样一种稳定场分布，其在腔内渡越一次后，除振幅衰减和相位滞后外，场的相对分布保持不变。
23.在腔的菲涅尔数足够大时，方形球面镜共焦腔（解析为长椭球函数）近似表示为厄米多项式与高斯函数乘积的形式；圆形球面镜共焦腔（解析为超椭球函数）可近似表示为拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。
24. 可见，共焦腔反射镜面是曲率最大的等相位面。
25.任意一个稳定球面腔唯一地等价于某一个共焦腔，反过来是对应多个。
26.使用稳定腔的激光器所输出的激光将以高斯光束的形式在空间传播
ZR为高斯光束的瑞利长度，实际应用中常称2ZR为高斯光束的准直距离。
27.基模高斯光束的性质：高斯光束既不是平面波，也不是一般的球面波，在其传输轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。在传播过程中其曲率中心与曲率半径不断改变，其振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性，强度集中在轴线附近，且等相面始终保持为球面。
28.当工作物质的增益较高时，采用非稳腔也可形成稳定的激光振荡，且与稳定腔相比，非稳腔具有大的模体积和好的横模鉴别力，从而可实现高功率单模运转，获得良好的激光输出特性。因此，高功率激光器多采用非稳腔。
29.弛豫振荡形成的主要原因：随着光泵的作用，激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度上升，输出激光。随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激发发射停止。此时由于光泵的继续抽运，反转粒子数密度重又上升，到高于阈值时，产生第二个激光脉冲。如此往复，直至光泵停止上述过程才结束。由于每个尖峰脉冲均产生于阈值附近，故脉冲的峰值功率水平不高，且增大泵浦能量也无助于提高其峰值功率，只能是增加尖峰脉冲的个数。在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变是产生弛豫振荡最根本的原因。
30.光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度n。
光子简并度还具有以下几种相同的含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。
31.横模选择的原理：谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。
32.典型激光器工作物质，能级结构，输出波长：
①红宝石：三能级，694.3nm
②He-Ne激光：四能级，632.8nm（其中He为辅助气体，Ne为工作物质）
33.结合激光四个特性，说出激光应用：①激光测距：方向性，相干性，测量变得更加精确和方便；②激光打孔：单色性，高亮度，实现了对细小物体的精密加工；③激光显微镜：高亮度，不需要做切片标本就能以很高的分辨力观察生物体；④激光信息处理：相干性，单色性，实现光盘中大量数据信息的写入和读取；