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激光技术与应用复习知识点

1、 激光的定义 激光是由受激发射的光放大产生的辐射。 2、 激光的基本特性 单色性,方向性,相干性,高亮度。 3、 空间相干性与时间相干性 波在空间不同区域可能具有不固定的相位差,只有在一定空间范围内的光波才有相对固 定的位相差,使得只有一定空间内的光波才是相干的。这种特性叫做波的空间相干性。 与波传播时间差有关的,由不确定的位相差导致的,只有传播时间差在一定范围内的波 才具有相对固定的位相差从而相干的特性叫波的时间相干性。 4、 光子简并度 光子属于波色子,大量光子集合遵从波色-爱因斯坦统计规律,处于同态的光子数不受限 制。 虽然处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化, 但其平均光子数是可以确定 的。这种处于同一光子态的平均光子数成为光子简并度。 5、 激光器的基本组成及其应用 激光器一般包括三个部分。 激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。 激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,传统上看,它 的研究范围一般可分为:激光焊接,激光切割,激光治疗,激光打标,激光打孔,激光热处 理,激光快速成型,激光涂敷等。 6、 自发辐射 处于激发态的原子中, 电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间, 就自发地跃迁到 较低能级中去,同时辐射出一个光子,这种辐射叫做自发辐射。 7、 受激辐射 在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的 粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它 的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。 8、 受激吸收 处于低能级的原子( El ),受到外来光子的激励下,在满足能量恰好等于低、高两能级之 差( ?E )时,该原子就吸收这部分能量,跃迁到高能级( Eh ),即 ?E ? Eh ? El 。受激吸收与 受激辐射是互逆的过程。 9、 激光产生的必要条件 受激幅射是产生激光的首要条件,也是必要条件。 工作物质必须具有亚稳态能级。

工作物质处于离子束反转分布状态。 激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的,其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯, 方向集中,就必须有一个振荡腔。 这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损 耗掉的光子多得多时,才能有放大作用,产生激光。 10、均匀加宽与非均匀加宽 均匀加宽分为自然加宽和碰撞加宽。 由测不准关系确定的谱线加宽称为自然加宽。 自然 加宽的特点是对同类原子中的每个个体都是相同的。 另一种重要的均匀加宽是碰撞加宽。 当 原子密度足够高时,原子之间的碰撞就会引起碰撞加宽。 原子系统中不同原子或原子群对谱线不同部分有贡献, 这就是非均匀加宽。 属于此类加 宽的, 在气体器件中主要是 Doppler 加宽, 而在固体工作物质中则由非晶态或晶格缺陷引起。 11、增益饱和 饱和条件下的增益系数。此时的增益系数为小信号是的一半。 12、激光速率方程 描述有关能级粒子数密度随时间变化的微分方程称为速率方程。 13、激光的横模与纵模 激光的横模就是谐振腔所允许的(也就是在腔内往返传播,能保持相对稳定不变的)光 场的各种横向稳定分布。 通常将由整数 q (驻波的波节数) 所表征的平行平面腔内纵向稳定场分布称为腔的纵模。

14、激光产生的阈值条件: A、必要条件:工作物质处于粒子数反转分布状态;满足此条件的介质 对光具有增益,故称为增益介质。 (粒子数反转) B、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。 (能达到饱和光强) 当谐振腔的增益大于损耗时,可形成激光。 15、四能级系统的结构和跃迁过程:

16、共轴球面腔的稳定条件: 共轴球面腔的稳定,即是要求激光束在腔内经过多次往返后仍不 会横向溢出腔外。其稳定条件表达式为:

? L ?? L ? 0 ? ?1 ? ? ?1 ? ? ? 1 ? R1 ? ? R2 ?

其中 L 为腔长, R1 , R2 分别为谐振腔两个谐振面的曲率半径。 17、高斯光束的基本性质: (1)在瑞利长度范围内,高斯光束可近似认为是平行的; (2)光斑半径随 z 按双曲线规律扩展 (3)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。 (4) 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。 (5) 在传播过程中等相面始终保持为球面, 其曲率中心与曲率半径不断改变。 18、DPSL 及其特点 (1) DPSL:LD 泵浦全固态激光器 (2)特点:体积小而坚固,功率大,输出功率可达几十兆瓦 A、可作为大能量和高功率的相干光源; B、运行方式的多样性 C、谱线多,达数千条,分布于可见到近红外区,可以通过频 率变换技术可到紫外区。 D、结构紧凑,牢固耐用,价格便宜 19、调制的基本概念: (1)调制:将信息加载到激光的过程; (2)激光为载波,所要传递的信息称为调制信号。 (3)调制器:完成这一过程的装置 (4)分类: A、调制器与激光器的相对关系: 内调制——指在激光振荡过程中加载调制信号,即以调制信号区 改变激光器的振荡参数,从而使输出的激光带有要传 递的信息; 外调制——激光形成后,在激光器外的光路上放置调制器,用调 制信号改变调制器的物理特性,激光通过调制器后, 光波的某参量受到调制,从而带有要传递的信息;速 率高,调制带宽宽。 B、调制器的工作机理:电光、声光、磁光和直接调制 C、按其调制的对象:调幅、调相(或调频)和强度调制

20、振幅调制 使载波的振幅随着信号的变化规律而变化 21、频率调制和相位调制 使光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变。 因为这两种调

制波都表现为总相角的变化,因此统称为角度调制 22、强度调制 光载波的强度(光强)随调制信号变化的调制 23、谐振腔 Q 值的定义及意义 (1)定义:在激光技术中,用 Q 值来描述一个谐振腔的质量,称其为谐 振腔的品质因数。
Q ? 2? v0 腔内存储的激光能量 E ? 2? v0 ? Ec 每秒损耗的激光能量 ? nL 2? nL

??0

(2)意义:用来描述一个谐振腔的质量,用 Q 值可以表征谐振腔损耗的 大小。Q 值低,则腔损耗大,器件阈值高,不容易形成激光震 荡;Q 值高,则腔损耗小,器件阈值低,容易形成激光振荡。 24、调 Q 的基本概念 (1)调 Q 技术:通过某种方法控制谐振腔的 Q 值(也就是控制谐振腔的损 耗) ,使其随时间按照一定程序变化的技术。 (2)工作原理:可以通过改变器件的阈值来提高工作物质上能级粒子数的 积累水平,即设法在光泵浦初期将器件的振荡阈值调高, 从而抑制激光振荡的产生,使工作物质上能级粒子数得到 积累。随着光泵的继续激励,上能级粒子数逐渐积累到最 大值。此时,突然将器件的阈值调低,那么,积累在上能 级的大量粒子便雪崩式地跃迁到下能级,在极短的时间内 将储存的能量释放出来,从而获得峰值功率极高的激光脉 冲输出。 (3)种类: A、控制反射损耗:电光调 Q、机械转镜调 Q B、控制吸收损耗:可饱和吸收燃料调 Q C、控制衍射损耗:声光调 Q D、控制输出损耗:透射式调 Q (还有一个散射损耗) 25、工作物质储能调 Q 与谐振腔储能调 Q 按照能量储存方式,调 Q 激光器可以分为工作物质调 Q 和谐振腔储能调 Q。 (1)工作物质储能调 Q A、工作原理:也叫脉冲反射式调 Q,简称 PRM 法。是将能量以激活 离子的形式储存在工作物质中。能量储存的时间,取决 于激光上能级的寿命。 B、工作过程:在泵浦过程的大部分时间里,谐振腔处于高损耗低 Q 值 状态,器件因阈值高而不能起振,激光上能级粒子数积 累,△n(t) 增大,至 to 时刻,△n(t) 达到其最大值△ni。 在这一时刻,腔损耗δ (t) 阶跃下降,Q 值猛增,器件阈 值下降,激光振荡开始建立。因腔内受激辐射的增强极

为迅速,光子数密度Φ 迅速增大,工作物质中的储能在 极短的时间内转变为受激辐射场的能量,输出一个峰值 功率很高的巨脉冲。从激光振荡开始建立到形成巨脉冲 输出,二者之间有一定的延迟时间△t,该时间就是 Q 开 关开启的持续时间。巨脉冲峰值产生于△n=△nt 的那一 时刻。 C、特点:输出方式为腔内边形成激光振荡边输出,因此输出光脉冲的 形状与腔内光强的变化状态一致;在激光振荡终止时, 工作物质中残留了一部分反转粒子数△nf,即工作物质 中的储能没有被全部取出。 (2)谐振腔储能调 Q A、工作原理:也叫脉冲透射式调 Q,简称 PTM 法。是将能量以光子 的形式储存在谐振腔中,当腔内光子数密度达到最大值 是, 瞬间将腔内能量全部 输出, 因而也叫做腔倒空法。 B、特点:不是边振荡边输出,而是当工作物质的储能全部转化为腔内 激光能量时,再将腔瞬间倒空;巨脉冲的宽度更窄,峰 值功率更高;调 Q 脉冲的能量利用率更高。


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