北理工期末激光原理分析

内部资料，考试前★绝密 关键词：激光原理，60分，及格 名词解释 1 自发辐射，受激跃迁，受激辐射 处于高能级的原子在没有任何外界作用的情况下，自发地向低能级跃迁，并发射光子的过程称为自发辐射跃迁，发出的光辐射是自发辐射 处于低能级的原子在频率为v的辐射场作用下，吸收一个能量为hv的光子并向高能级跃迁的过程称为受激吸收跃迁 处于高能级的原子在频率为v的辐射场作用下，向E1能级跃迁并发射与外来光子能量相同的光子的过程称为受激辐射跃迁 2光子简并度 处于同一光子态或同一光波模式的光子数密度 3 增益饱和 由于光强增加导致反转粒子数减少，由于反转粒子数减少引起激光器增益系数下降 4 （固体）激光器斜率效率与总体效率 固体激光器的斜率效率是指超过阈值部分的输入能量（的功率）转化为输出能量（或功率）的效率，表达式为 斜率效率ηs=EoutEin-Eth P同理 总体效率指输入能量（功率）转化为输出能量（功率）的效率，表达式 总体效率ηt=EoutEin P同理 5 异质结，禁带宽度 异质结是由不同的材料构成的结，形成结的两种材料有相近的结构以保持晶格的连续性，但一般要求材料有不同的禁带宽度与电子亲和能，他们是决定结区能带结构及特性的主要因素。禁带宽度指在直接禁带半导体材料中，导带底与价带顶之间的能量间距。 6 主动稳频 稳频技术实质是稳定激光谐振腔腔长，主动稳频技术是指在稳定腔长过程中加入人为可控因素、方法是选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光振荡频率偏离这个标准频率，某一系统能鉴别这个误差信号，并将其反馈给控制系统自动调节腔长，使激光振荡频率回复到标准频率。常用的主动稳频方法有兰姆凹陷稳频，塞曼效应稳频。分子饱和吸收稳频。 7 稳定腔与非稳腔 稳定腔：光线在谐振腔内往返任意多次也不会横向逸出腔外的谐振腔 非稳腔：光线在谐振腔内往返有限次即横向逸出腔外 8 烧孔效应 参考下面的计算题 横模纵模选择 8 M²因子 M²因子:定义为实际激光束的光束参数积与理想基模高斯光束的光束参数积之比，是一个无量纲的数，用以表征实际激光束的光束质量 9 调Q与Q值 参考计算题 10 锁模 锁模是将各纵模的相位锁定，采取适当措施，使各个独立的纵模在相位上同步，则激光器可输出脉宽极窄、峰值功率极高的超短脉冲。 各振荡纵模的初相位锁定，相位差为一常数 各振荡纵模之间的频率间隔相等并固定为Dv=c/2nL . 11 选基模的机理 激光器的基模指的是基横模，谐振腔内基横模对比高阶横模，具有更小的衍射损耗。利用不同横模间的衍射损耗差异，通过在腔内放置小孔光阑，加入透镜或使用非稳腔方法可以抑制高阶横模振荡，从而选出基横模。 （横模的选择：参考基模的选择，利用损耗选出需要的横模 纵模的选择：不同纵模间有频率差别，相邻纵模频差为c/2nl，不同纵模有不同小信号增益，利用增益差异，引入与频率相关的损耗，使需要的纵模达到阈值起振。 12 振幅调制 使载波振幅随着信号变化而变化。 13 角度调制 改变光波的角宗量，使其按照信号变化而变化，为角度调制。引起角宗量变化的参数有频率与相位，角度调制包括频率调制与相位调制 14 光学倍频I类II类相位匹配 光学倍频中的I类相位匹配与II类相位匹配都是角度相位匹配、I类是指入射的基频光波只有一种偏振态，II类指入射的基频光波有两种相互垂直的偏振态。 （光学倍频中的角度相位匹配：使参与非线性相互作用的光波在非线性介质的某个特定方向上传播，该方向上基频光波与倍频光波折射率相同） 模拟试题 烧孔效应 █分别画出下面两种状况下非均匀加宽介质的反转粒子数按速度分布曲线，解释烧孔效应并标出烧孔位置 烧孔效应:对于非均匀加宽工作物质，当频率为υ的强光入射，会使得表观中心频率为υ及其附近的原子由于受激辐射与增益饱和效应使得增益曲线在υ及其附近形成一个凹陷。 频率为υ的光与速度为vz=c(υ-υ0)/ υ0的粒子共振相互作用，引起这部分反转粒子数减少 1）υ=(υ0+δυ）时，vz=c(υ-υ0)/ υ0=c δυ/υ0 υ=(υ0-δυ）时，vz= - c δυ/υ0 2） υ=(υ0+δυ）时，vz=c(υ-υ0)/ υ0=c δυ/υ0 υ=(υ0-δυ）时，且反方向入射vz= c δυ/υ0 稳定腔与ABCD矩阵 █如图光学谐振腔中，M1，M2为平面镜，F为薄透镜，f=L=200mm激光波长λ=1064nm 1）利用ABCD矩阵计算谐振腔是否为稳定腔 2）若为稳定腔，计算腔内束腰位置以及束腰大小，并做示意图。若为非稳腔，如何改变平面镜与薄透镜的间距得到稳定腔？ 解答1. 6 5 4 3 2 1 光路2，5 光路1,3,4,6为自由空间 因此矩阵为 M== 为稳定腔 显然符合 所以该谐振腔为稳定腔 2.腔内平面镜位置即为束腰位置，可能存在束腰位置位于第一个平面镜处 q=if=iπw0²/λ w0²=λf/π 代入f=200mm，λ=1064nm w0=0.26mm w0‘=0.26mm 补充： A-球面镜变换矩阵，凹面镜 *凸面镜为2/R B-共轴球面腔稳定性条件 补充试题： █有一平面镜与曲率半径为2m的凹面镜 1）如何摆放能形成基模腰斑半径最大的稳定腔？ 2）画出光束腰斑半径与腔长的关系曲线 解答1）= 基模束腰半径 f²=z（-z） 显然，Z=R/2时满足条件，z=1m 2）由上一问 ，f²=z（-z） = 图略 补充试题2 █有一平面镜与曲率半径为1m的凹面镜，若要构成稳定腔并获取最小基模远场发散角，该如何设计？画出光束发散角与腔长的关系曲线。 解：0<(1-L/R1)(1-L/R2)<1 平凹腔0< (1-L/R2)<1 0