激光原理复习自整理详解.doc

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1、第一章激光的特性：1.方向性好，最小发散角约等于衍射极限角2.单色性好3.亮度高4.相干性好波尔兹曼定律：根据统计规律，大量粒子组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：推论：假设gi=gj1.当E2-E1很小，且<E1时，n2E1,,说明绝大多数粒子为基态普朗克公式：爱因斯坦关系：自发辐射，受激辐射，受激吸收之间的关系光子简并度g：处于同一光子态的光子数。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

2、一相格内的光子数自发辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子自发的向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子特点：1各粒子自发，独立的发射光子；2非相干光源光功率密度：受及辐射：处于高能级Ｅ２的一个原子在频率为ｖ的辐射场作用下，向Ｅ１跃迁，并产生一个能量为ｈｖ的光子特点：1只有外来光频率满足；2受激辐射所发射的光子与外来光特征完全相同，相干光源【频率，相位，偏振方向，传播方向】，光场中相同光子数量增加，光强增加，入射光被放大，即光放大过程光功率密度：光功率密度比：增益系数：光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数增益饱和：在抽运速率一定的条件下，当入射光的

3、光强很弱时，增益系数是一个常数；当入射光的光强增大到一定程度后，增益系数随光强的增大而减小。谱线宽度：线型函数在n0时有最大值，下降至最大值的一半，对应得宽度。谱线加宽：由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近一个很小的频率范围内。线性函数：把归一化的自发辐射光功率，描述为单色辐射功率随频率变化的规律，定义为分布在某一频率附近单位频率间隔内的自发辐射功率与整个频率范围内的自发辐射总功率之比。用于表示谱线的形状多普勒效应：设一发光原子(光源)的中心频率为n0，当原子相对于接收器以速度vz运动时，接收器测得的光波频率变为（

4、略）；多普勒加宽：由于作热运动的发光原子(分子)所发出的辐射的多普勒频移引起的加宽均匀加宽：引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，包括自然加宽v、碰撞加宽c及晶格振动加宽。每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。洛伦兹形函数：非均匀加宽：原子体系中每个原子只对谱线内与它的表现中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的，包括气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽。高斯函数：线宽：激光实现光放大条件：1.激

5、励能源，把介质中粒子不断由低能级抽运到高能级2.增益介质，外界激励下形成粒子数反转激光产生的三个条件：1.增益介质2.粒子数反转，；3.提高简并度使受激发射光强超过自发发射，激光器的结构：1.增益介质。其激活粒子有适合于产生受激辐射的能级结构2.激励源。能将下能级粒子抽运到上能级，使激光上下能级产生粒子数反转光学谐振腔。增长激活介质长度，控制传播方向，选择被放大受激辐射光频率提高单色性光学谐振腔作用1提供光学正反馈，使激活介质中产生的辐射能多次通过介质，当受激辐射所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。2控制腔内振荡光束的

6、特性，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量，获得单色性好，方向性好的强相干光。光学谐振腔构成要素1激活介质：用于补偿腔内电磁场在振荡过程中的能量损耗，使之满足阈值条件2两个镀有高反射率膜的反射镜：使得激活介质中产生的辐射能多次通过介质获得增益同时控制光束的输出3腔长：影响谐振腔稳定性、损耗等第二章光腔按几何损耗分类：稳定腔，临界腔，非稳腔定义：,稳定腔：非稳腔：临界腔：共焦腔：共心腔：光学谐振腔稳定条件：要求腔内傍轴光线不会因腔镜的反射偏折而逃出谐振腔，没有考虑光波的衍射逃逸损失，只考虑几何损失，属于

7、对谐振腔稳定性的最低要求。稳定谐振腔可能的腔镜组合形式有：双凹型，平凹型，凸凹型。稳定图：粒子数反转：在外界激励下，物质处于非平衡状态，使得n2>n1实现粒子数反转手段：激励、泵浦、抽运建立多模激光器速率方程组需要做脱耦近似假设：忽略各模式频率和横向模场分布不同所带来的差异，采用如下近似假设1各模式腔损耗、光子寿命、近似相同2各模式光子所引起的受激跃迁速率近似相等速率方程;，稳态下：，，则，结论，二能级不能实现粒子数反转稳态反转粒子数密度分布：，抽运=跃迁小信号反转粒子数密度小信号粒子数反转物理条件：1.激光上能级E2的寿命长，例子不能轻易非

8、受激辐射离开2.激光下能级E1的寿命短，粒可很快衰减均匀增宽型介质：反转粒子数密度分布粒子数反转分布饱和效应：介质已实现粒子数反转并达到阈值。入射光频率含时，强烈的