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1、激光原理复习笔记 第一 章 1 . 激 光 器 的 组 成 部 分 及 作 用 （ 1 ） 工 作 物 质 （ 激 活 物 质 ） ： 用 来 实 现 粒 子 数 反 转 和 产 生 光 的 受 激 发 射 作 用 的 物 质 体 系 。 （ 2 ） 泵 浦 源 ： 提 供 能 量 ， 实 现 工 作 物 质 的 粒 子 数 反 转 。 （ 3 ） 谐 振 腔 ： 提 供 轴 向 光 波 模 的 正 反 馈 模 式 选 择 ， 保 证 激 光 器 单 模 振 荡 ， 从 而 提 高 激 光 器 的 相 干 性 。 2 . 模 式 数 的 计 算 V c V c g 3 2 2 8 2 4 单

2、色 模 密 度 ： 3 2 8 c n 计 算 例 ： 封 闭 腔 在 5 0 0 0 处 单 色 模 密 度 。 H z c 1 4 1 0 8 1 0 6 1 0 5 0 0 0 1 0 3 3 5 3 8 2 1 4 3 2 s 1 0 3 5 . 3 1 0 3 1 0 6 1 4 . 3 8 8 m c n ） （ ） （ 3 . 光 谱 宽 度 的 计 算 c l c t / / 1 其 中 ， c l 为 波 列 长 度 。 4 . 本 征 状 态 的 定 义 给 定 空 间 内 任 一 点 处 光 的 运 动 情 况 ， 在 初 始 条 件 和 边 界 条 件 确 定 后 ，

3、原 则 上 就 可 求 解 麦 克 斯 韦 方 程 组 ， 一 般 可 得 到 很 多 解 ， 而 且 这 些 解 的 任 何 一 种 线 性 组 合 都 可 满 足 麦 克 斯 韦 方 程 ， 每 一 个 特 解 ， 代 表 一 种 光 的 分 布 ， 即 代 表 光 的 一 种 本 振 振 动 状 态 。 5 . 光 子 简 并 度 的 定 义 光 子 简 并 度 对 应 于 线 度 光 源 ， 在 单 位 时 间 单 位 立 体 角 内 发 出 单 位 频 宽 的 光 子 数 ( 处 于 同 一 个 相 格 中 的 光 子 数 ， 处 于 一 个 模 式 中 的 光 子 数 ， 处 于

4、相 干 体 积 内 的 光 子 数 ， 处 于 同 一 量 子 态 内 的 光 子 数 ， 都 有 相 同 的 含 义 ， 均 定 义 为 光 子 简 并 度 ) 。 并 用 表 示 ： S h P g n ) / 2 ( 26 . 光 子 简 并 度 与 单 色 亮 度 之 间 的 关 系 光 源 的 光 子 简 并 度 ， 从 微 观 上 反 映 出 光 源 的 单 色 亮 度 。 单 色 亮 度 ： S P B 。 光 子 简 并 度 与 单 色 亮 度 B 之 间 的 关 系 为 ： h v B v 2 2 7 . 光 子 平 均 能 量 的 表 达 同 一 种 光 子 运 动 状 态

5、 （ 或 同 一 种 光 波 模 式 ） 的 光 子 平 均 能 量 ： 1 ) e xp( K T h h E 8 . 光 的 自 发 辐 射 、 受 激 吸 收 、 受 激 辐 射 自 发 辐 射 ： 处 于 2 E 的 原 子 在 无 外 来 光 子 情 况 下 自 发 地 向 1 E 能 级 跃 迁 ， 发 射 能 量 以 光 辐 射 形 式 放 出 即 自 发 辐 射 。 特 点 ： 自 发 辐 射 是 仅 与 原 子 自 身 性 质 有 关 的 随 机 过 程 ， 自 发 辐 射 的 光 在 方 向 、 偏 振 、 相 位 方 面 都 没 有 确 定 的 关 系 ， 因 此 是 不

6、 相 干 的 。 受 激 吸 收 ： 原 子 在 外 来 光 子 2 1 h 作 用 下 ， 若 1 2 21 E E h ， 处 于 1 E 的 原 子 由 于 吸 收 该 光 子 而 受 激 跃 迁 到 2 E 的 过 程 。 特 点 ： 受 激 吸 收 几 率 与 外 来 光 的 频 率 有 严 格 的 选 择 性 ， 与 外 来 光 辐 射 能 量 密 度 大 小 有 关 。 外 来 光 频 率 等 于 2 E 、 1 E 的 间 隔 所 对 应 的 频 率 时 ， 受 激 吸 收 几 率 最 大 。 受 激 辐 射 ： 光 的 受 激 辐 射 是 受 激 吸 收 的 反 过 程 。

7、原 子 系 统 在 外 来 光 子 2 1 h 作 用 下 ， 若 1 2 21 E E h ， 处 于 2 E 的 原 子 跃 迁 到 1 E ， 并 辐 射 一 个 与 外 来 光 子 相 同 的 光 子 的 过 程 。 特 点 ： 受 激 辐 射 与 外 来 光 子 有 关 ， 辐 射 的 光 子 与 引 起 受 激 辐 射 的 外 来 光 子 有 相 同 的 频 率 、 位 相 、 偏 振 以 及 传 播 方 向 。 通 过 受 激 辐 射 ， 能 够 实 现 同 态 光 子 数 放 大 ， 可 以 得 到 高 光 子 简 并 度 的 相 干 光 。 9 . 爱 因 斯 坦 三 系 数

8、 的 相 互 关 系 在 热 平 衡 情 况 下 ， 辐 射 率 和 吸 收 率 应 相 等 ， 即 单 位 时 间 内 物 质 辐 射 出 的 光 子 数 ， 等 于 单 位 时 间 内 被 物 质 吸 收 的 光 子 数 ： 12 1 21 2 21 2 B n B n A n 。 1 8 21 12 2 1 3 3 21 21 B B g g c h B A ； 2 1 A 为 自 发 辐 射 爱 因 斯 坦 系 数 ， 1 2 B 为 受 激 吸 收 爱 因 斯 坦 系 数 ， 2 1 B 为 受 激 辐 射 爱 因 斯 坦 系 数 。 1 g 、 2 g 分 别 表 示 能 级 1

9、E 和 2 E 的 简 并 度 ， 上 式 称 为 爱 因 斯 坦 关 系 式 。 当 简 并 度 1 g = 2 g 时 ， 则 1 2 B = 2 1 B ， 即 当 其 他 条 件 相 同 时 ， 受 激 辐 射 和 受 激 吸 收 具 有 相 同 几 率 。 正 常 情 况 下 低 能 级 原 子 数 1 n 高 能 级 原 子 数 2 n ， 即 受 激 吸 收 比 辐 射 更 频 繁 发 生 ， 且 波 长 越 短 ， 自 发 辐 射 的 几 率 越 大 。 1 0 . 速 率 方 程 理 论 的 优 点 及 局 限 性 优 点 ： 速 率 方 程 是 在 不 考 虑 光 子 的

10、相 位 特 性 和 光 子 数 的 起 伏 特 性 情 况 下 ， 它 是 全 量 子 化 理 论 的 一 种 简 化 形 式 。 速 率 方 程 理 论 主 要 用 于 描 述 激 光 的 光 强 特 性 ， 近 似 地 描 述 烧 孔 效 应 、 兰 姆 凹 陷 与 多 模 竞 争 等 特 性 。 局 限 性 ： 对 于 增 益 介 质 色 散 等 频 率 特 性 和 与 量 子 起 伏 有 关 的 激 光 特 性 研 究 ， 这 一 理 论 就 不 能 解 释 。 1 1 . 粒 子 数 反 转 分 布 的 定 义 在 激 光 器 工 作 物 质 内 部 ， 由 于 外 界 能 源 的

11、激 励 ， 破 坏 了 热 平 衡 ， 有 可 能 使 得 处 于 高 能 级 2 E 上 的 粒 子 数 2 n 大 大 增 加 ， 达 到 2 n 1 n ， 这 种 情 况 称 为 粒 子 数 反 转 分 布 ， 也 称 为 集 居 数 反 转 分 布 。 1 2 . 增 益 系 数 的 定 义 光 在 激 活 物 质 内 部 将 越 走 越 强 ， 使 该 激 光 工 作 物 质 输 出 的 光 能 量 超 过 入 射 光 的 能 量 ， 这 就 是 光 的 放 大 过 程 ， 其 放 大 作 用 的 大 小 通 常 用 增 益 系 数 G 来 描 述 。 ） （ ） （ ） （ Z

12、Z d I I Z G d 1 增 益 系 数 相 当 于 光 沿 着 Z 轴 方 向 传 播 时 ， 在 单 位 距 离 内 所 增 加 光 强 的 百 分 比 ， 其 单 位 为 1 c m 。 1 3 . 阈 值 条 件 的 概 念 及 定 义 阈 值 条 件 （ 起 振 条 件 ） ： 激 光 器 实 现 振 荡 所 需 要 的 最 低 条 件 。 定 义 式 ： ） （ ） （ 内 2 1 l n 2 1 r r L G ， 式 中 ， ） （ G 为 增 益 系 数 ， L 为 谐 振 腔 腔 长 ， 1 r 和 2 r 分 别 为 量 反 射 镜 面 的 反 射 率 ， 内 为

13、除 反 射 镜 透 射 外 的 每 单 位 长 度 上 平 均 损 耗 系 数 。1 4 . 能 量 的 共 振 转 移 的 定 义 当 激 发 态 H e 原 子 和 基 态 N e 原 子 发 生 非 弹 性 碰 撞 并 交 换 能 量 而 将 N e 原 子 激 励 到 N e 的 3 s 和 2 s 能 级 ， 这 个 过 程 称 为 能 量 的 共 振 转 移 。 1 5 . 激 光 的 特 性 （ 解 释 w h y ） （ 1 ） 方 向 性 ： 激 光 束 好 的 方 向 性 主 要 是 由 于 激 光 器 受 激 辐 射 的 机 理 和 光 学 谐 振 腔 对 光 束 的 方

14、 向 限 制 所 决 定 。 （ 2 ） 单 色 性 ： 原 子 的 激 发 态 总 有 一 定 的 能 级 宽 度 ， 也 总 有 一 定 的 频 率 宽 度 。 谱 线 宽 度 和 频 率 宽 度 越 窄 ， 光 的 单 色 性 越 好 ， 激 光 的 谱 线 宽 度 可 窄 到 1 1 - 1 0 微 米 。 （ 3 ） 高 亮 度 ： 普 通 光 源 由 于 定 向 性 很 差 ， 因 此 亮 度 极 低 ； 对 于 激 光 器 来 说 ， 由 于 谐 振 腔 对 光 束 的 方 向 有 限 制 作 用 ， 输 出 光 束 的 发 散 角 很 小 ， 因 此 定 向 亮 度 值 很 高

15、 。 （ 4 ） 相 干 性 ： 相 干 性 分 为 空 间 相 干 性 和 时 间 相 干 性 。 激 光 源 的 光 子 简 并 度 决 定 着 激 光 的 相 干 性 ， 光 子 简 并 度 越 高 ， 激 光 源 的 相 干 性 越 好 。 第二 章 1 、 光 学 谐 振 腔 的 作 用 （ 1 ） 提 供 光 学 正 反 馈 作 用 （ 放 大 ） ： 使 激 活 介 质 中 产 生 的 辐 射 能 多 次 通 过 介 质 ， 当 受 激 辐 射 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 。 光 学 反 馈 作

16、用 取 决 于 ： 腔 镜 反 射 率 和 几 何 形 状 。 （ 2 ） 产 生 对 振 荡 光 束 的 控 制 作 用 ： 表 现 为 对 腔 内 振 荡 光 束 的 方 向 和 频 率 的 限 制 。 A 、 控 制 腔 内 振 荡 光 束 纵 向 分 布 （ 纵 模 ） ： 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 ， 获 得 单 色 性 好 、 方 向 性 好 的 强 相 干 光 。 B 、 控 制 光 束 的 横 向 分 布 持 性 、 光 斑 大 小 及 发 散 角 等

17、。 C 、 改 变 腔 内 光 束 损 耗 2 、 光 学 谐 振 腔 的 模 式 通 常 将 谐 振 腔 内 可 能 存 在 的 电 磁 场 本 征 状 态 称 为 腔 的 模 式 。 腔 的 模 式 就 是 腔 内 可 区 分 的 光 子 状 态 ， 不 同 的 模 对 应 不 同 的 场 分 布 和 振 荡 频 率 。 光 学 谐 振 腔 的 模 式 可 分 为 纵 模 和 横 模 。 3 、 谐 振 腔 的 谐 振 频 率L C q q 2 ， 其 中 为 均 匀 介 质 折 射 率 ， L 为 谐 振 腔 腔 长 ， q 为 正 整 数 。 4 、 纵 模 （ 整 个 一 节 ） （

18、 1 ） 定 义 ： 通 常 把 由 整 数 q 所 表 征 的 腔 内 纵 向 稳 定 场 分 布 称 为 激 光 的 纵 模 。 （ 2 ） 纵 模 频 率 间 隔 ： 腔 内 两 相 邻 纵 模 频 率 之 差 ： L c q q q 2 1 5 、 横 模 （ 自 再 现 模 ） （ 1 ） 横 模 定 义 ： 腔 内 电 磁 场 在 垂 直 于 其 传 播 方 向 的 横 向 面 内 存 在 稳 定 的 场 分 布 ， 通 常 称 为 横 模 。 （ 2 ） 自 再 现 模 定 义 ： 光 束 在 腔 内 多 次 往 返 传 播 后 形 成 一 种 振 幅 和 相 位 分 布 不 再

19、 变 化 的 稳 态 场 ， 它 的 相 对 分 布 不 再 受 衍 射 影 响 ， 在 腔 内 往 返 一 次 能 够 “ 自 再 现 ” 出 发 时 的 场 分 布 ， 这 种 稳 定 场 分 布 称 为 自 再 现 模 或 横 模 。 （ 3 ） 自 再 现 模 形 成 过 程 ： 入 射 光 在 进 入 第 一 个 光 阑 之 前 ， 唱 的 振 幅 分 布 沿 光 阑 是 均 匀 的 ， 经 第 一 个 光 阑 后 ， 由 于 衍 射 作 用 将 使 波 阵 面 发 生 畸 变 ， 部 分 光 偏 离 原 来 的 传 播 方 向 ， 产 生 一 些 衍 射 瓣 ， 使 光 波 的 振

20、 幅 和 相 位 分 布 均 发 生 一 些 变 化 。 射 到 光 阑 以 外 的 光 将 被 黑 体 屏 所 完 全 吸 收 。 每 通 过 一 次 光 阑 ， 边 缘 部 分 的 衍 射 波 又 被 光 阑 所 挡 ， 使 边 缘 强 度 比 中 心 部 分 小 ， 且 振 幅 和 相 位 分 布 又 发 生 新 的 变 化 。 通 过 一 系 列 的 光 阑 后 ， 镜 面 上 来 回 反 射 光 波 的 相 对 振 幅 和 相 位 分 布 不 再 发 生 变 化 ， 由 此 形 成 自 再 现 模 。 6 、 光 学 谐 振 腔 的 损 耗 有 哪 些 类 型 ？ （ 1 ） 选 择

21、 性 损 耗 （ 随 不 同 横 模 而 异 ） ： 几 何 损 耗 、 衍 射 损 耗 （ 2 ） 非 选 择 性 损 耗 ： 腔 镜 反 射 不 完 全 引 起 的 损 耗 （ 吸 收 损 耗 、 散 射 损 耗 、 透 射 损 耗 ） 、 非 激 活 吸 收 散 射 等 其 他 损 耗 。 （ 3 ） 损 耗 ： 几 何 偏 折 损 耗 ： 与 腔 的 类 型 、 腔 的 几 何 尺 寸 、 模 式 有 关 。 衍 射 损 耗 ： 与 腔 的 菲 涅 尔 数 、 腔 的 几 何 参 数 、 横 模 阶 次 有 关 。 腔 镜 反 射 不 完 全 损 耗 ： 与 腔 镜 的 透 射 率 、

22、 反 射 率 有 关 。 材 料 中 的 非 激 活 吸 收 、 散 射 、 腔 内 插 入 物 所 引 起 的 损 耗 ： 与 介 质 材 料 的 加 工 工 艺 有 关 。 7 、 光 子 的 平 均 寿 命 定 义 ： 腔 内 的 光 强 衰 减 为 初 始 值 的 1 / e 所 需 要 的 时 间 。计 算 ： C L R ； L 为 腔 的 光 学 长 度 ， C 为 真 空 中 的 光 速 ， 为 腔 损 耗 。 8 、 Q 值 的 定 义 Q 值 ： 衡 量 谐 振 腔 的 损 耗 大 小 。 普 通 定 义 式 ： 单 位 时 间 损 耗 的 能 量 腔 内 储 藏 的 能

23、量 2 Q ； 其 中 为 腔 内 电 磁 场 的 振 荡 频 率 。 光 频 谐 振 腔 的 一 般 表 达 式 ： c L Q R 2 2 ； 腔 的 损 耗 越 小 ， Q 值 越 高 。 9 、 简 单 光 学 元 件 的 光 线 传 播 矩 阵 符 号 规 则 ： ( 1 ) X - 轴 线 上 方 为 “ + ” , - 光 线 指 向 光 轴 上 方 为 “ + ” ； ( 2 ) 折 射 面 / 反 射 面 曲 率 半 径 R : 凹 面 R 0 ， 凸 面 R 0 ， 汇 聚 R 0 。 （ 1 ） 自 由 空 间 光 线 矩 阵 ： 1 0 1 ) ( L L M （ 2

24、） 薄 透 镜 变 换 矩 阵 ： 1 / 1 0 1 ) ( f f M （ 3 ） 球 面 反 射 镜 ： 1 / 2 0 1 ) ( R R M 1 0 、 谐 振 腔 的 稳 定 性 图2 1 2 1 2 1 2 1 ) ) ( ( ) 1 ) ( 1 ( R R L R L R R L R L g g ， 稳 定 腔 ： 1 0 2 1 g g 。 1 1 、 非 稳 定 腔 的 一 般 特 点 优 点 ： （ 1 ） 大 的 可 控 模 体 积 （ 2 ） 可 控 的 衍 射 耦 合 输 出 （ 3 ） 易 鉴 别 和 控 制 横 模 （ 4 ） 易 于 得 到 单 端 输 出 和

25、 准 直 的 平 行 光 缺 点 ： 输 出 光 束 截 面 呈 环 状 ， 远 场 暗 斑 将 消 失 ， 光 强 分 布 不 均 而 显 示 衍 射 环 。 1 2 、 选 模 技 术 定 义 ： 为 了 使 输 出 的 激 光 有 很 好 的 单 色 性 和 相 干 性 ， 获 得 基 横 模 、 单 纵 模 激 光 束 的 技 术 。 1 3 、 横 模 的 选 择 方 法 （ 1 ） 物 理 基 础 ： 不 同 横 模 有 不 同 的 衍 射 损 耗 。 （ 2 ） 选 模 原 则 ： 在 各 个 横 模 增 益 大 体 相 同 的 条 件 下 ， 不 同 横 模 间 衍 射 损 耗

26、 有 差 别 ， 在 稳 定 腔 中 ， 基 膜 的 衍 射 损 耗 最 低 ， 随 着 横 模 阶 次 的 增 高 ， 衍 射 损 耗 将 迅 速 增 加 。 如 果 降 低 基 膜 的 衍 射 损 耗 ， 使 之 满 足 阈 值 条 件 （ 基 膜 的 单 程 增 益 至 少 能 补 偿 它 在 腔 内 的 单 程 损 耗 ） ， 则 其 它 模 因 损 耗 高 而 不 能 起 振 被 抑 制 。（ 3 ） 选 模 方 法 ： A 、 g 参 数 选 模 R L g 1 ， R 增 大 ， 谐 振 腔 向 临 界 腔 靠 近 ， 则 高 阶 模 损 耗 增 大 速 度 加 快 ； B 、

27、菲 涅 耳 数 N 选 模 L a N 2 ， a - - 腔 镜 口 径 ， a 减 小 则 高 阶 模 的 损 耗 增 大 速 度 加 快 ； C 、 小 孔 光 阑 法 ； D 、 腔 内 置 入 透 镜 法 ； E 、 聚 焦 光 阑 法 ； F 、 望 远 镜 腔 选 模 法 ； G 、 非 稳 腔 选 模 法 ； 1 4 、 纵 模 的 选 择 方 法 （ 了 解 ） （ 1 ） 选 模 原 则 ： 一 般 谐 振 腔 中 有 着 相 同 的 损 耗 ， 但 由 于 频 率 的 差 异 而 具 有 不 同 的 小 信 号 增 益 系 数 。 因 此 ， 扩 大 相 邻 纵 模 的

28、增 益 差 或 人 为 引 入 损 耗 差 是 进 行 纵 模 选 择 的 有 效 途 径 。 （ 2 ） 纵 模 选 择 方 法 ： 色 散 腔 ： 腔 内 置 入 棱 镜 、 光 栅 、 薄 透 镜 。 短 腔 法 ： 频 率 间 隔 与 腔 长 成 反 比 。 F - P 标 准 具 ： 对 不 同 波 长 的 光 束 具 有 不 同 的 透 过 率 环 形 行 波 腔 。 Q 开 关 法 第三 章 1 、 瑞 利 长 度 的 定 义 + 计 算 定 义 ： 当 0 z z 时 ， 0 0 2 ) ( z ； 即 光 斑 从 最 小 半 径 0 增 大 到 0 2 ， 这 个 范 围 为

29、 瑞 利 范 围 。 常 取 0 z z 范 围 为 高 斯 光 束 的 准 直 范 围 ， 从 最 小 光 斑 处 算 起 的 这 个 长 度 即 瑞 利 长 度 。 2 、 远 场 发 散 角 的 定 义 + 计 算 定 义 ： z 时 （ 远 场 处 ） 高 斯 光 束 振 幅 减 小 到 中 心 最 大 值 1 / e 处 与 z 轴 的 交 角 （ 半 角 ） 。 （ 理 论 上 为 双 曲 线 的 渐 近 线 与 光 轴 的 夹 角 ）计 算 ： R z f z z R z z z z ) ) ( ( ) ) ( ) ( ( ) ( 0 2 2 l i m ； 0 为 光 斑 最

30、小 半 径 ， f 为 共 焦 参 数 。 3 、 高 斯 光 束 的 传 输 规 律 （ 1 ） 球 面 波 在 自 由 空 间 的 传 输 规 律 ： 规 定 ： 沿 光 传 输 方 向 的 发 散 球 面 波 的 曲 率 半 径 为 正 ， 会 聚 球 面 波 的 曲 率 半 径 为 负 。 z z R ) ( ， L z R z z z R z R ) ( ) ( ) ( ) ( 1 1 2 1 2 （ 2 ） 高 斯 光 束 的 传 输 规 律 ： 高 斯 光 束 可 由 波 前 曲 率 半 径 R ( z ) 、 光 斑 半 径 ) ( z 和 位 置 z 中 任 意 两 个 量

31、来 描 述 。 高 斯 光 束 传 输 变 化 规 律 ： 光 斑 和 曲 率 半 径 如 下 ： 光 斑 半 径 ： 0 2 0 2 2 2 2 2 ) ( 1 ) ( 0 0 z z z z z 波 前 曲 率 半 径 ： z z z z z z R 2 0 2 2 2 ) ( 1 ) ( 0 已 知 波 前 曲 率 半 径 R ( z ) 和 该 位 置 光 斑 ) ( z ， 可 确 定 束 腰 位 置 和 大 小 如 下 ： 束 腰 位 置 ： 2 2 ) ( 1 R R z 束 腰 半 径 ： 2 2 2 0 ) ( 1 R 高 斯 光 束 传 输 规 律 ： 高 斯 光 束 的

32、复 数 曲 率 半 径 与 普 通 球 面 波 的 曲 率 半 径 遵 循 相 同 的 传 输 规律 。 第四 章 1 、 线 型 函 数 的 定 义 定 义 ： 自 发 辐 射 跃 迁 几 率 按 频 率 的 分 布 函 数 。 2 、 线 宽 的 定 义 定 义 ： 线 型 函 数 的 半 极 值 点 间 对 应 的 频 谱 宽 度 ， 记 作 。 3 、 光 谱 线 的 加 宽 机 制 和 类 型 （ 1 ） 均 匀 加 宽 ： 自 然 加 宽 （ 寿 命 加 宽 ） ： 仅 由 自 发 辐 射 跃 迁 几 率 所 决 定 的 光 谱 线 加 宽 。 可 以 看 做 是 介 质 中 一

33、个 孤 立 、 静 止 的 原 子 在 自 发 辐 射 时 所 产 生 的 光 谱 线 加 宽 ， 它 是 自 发 辐 射 过 程 所 固 有 的 。 光 谱 线 自 然 加 宽 的 线 型 函 数 为 洛 仑 兹 函 数 。 碰 撞 加 宽 ： 大 量 原 子 （ 分 子 ） 间 的 无 规 则 碰 撞 导 致 自 身 运 动 状 态 的 改 变 ， 从 而 引 起 的 谱 线 加 宽 。 晶 格 振 动 加 宽 ： 晶 格 热 振 动 ， 晶 体 中 激 活 离 子 的 能 级 所 对 应 的 能 量 在 某 一 范 围 内 变 化 而 引 起 谱 线 加 宽 。 （ 2 ） 非 均 匀

34、加 宽 ： 多 普 勒 加 宽 （ 气 体 ） ： 由 做 热 运 动 的 发 光 原 子 / 分 子 所 发 出 的 辐 射 存 在 多 普 勒 频 移 引 起 。 晶 格 缺 陷 加 宽 （ 固 体 ） ： 晶 格 缺 陷 部 位 激 活 离 子 的 能 级 发 生 位 移 ， 处 于 晶 体 不 同 部 位 的 激 活 离 子 的 发 光 中 心 频 率 不 同 即 产 生 非 均 匀 加 宽 。 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 ，

35、这 就 叫 谱 线 加 宽 。 加 宽 类 型 及 机 制 ： 均 匀 加 宽 自 然 加 宽 机 制 ： 原 子 的 自 发 辐 射 引 起 的 。 碰 撞 加 宽 机 制 ： 大 量 原 子 （ 分 子 、 离 子 ） 之 间 的 无 规 则 碰 撞 。 晶 格 振 动 加 宽 机 制 ： 晶 格 振 动 使 激 活 离 子 处 于 随 周 期 变 化 的 晶 格 场 ， 激 活 离 子 的 能 级 所 对 应 的 能 量 在 某 一 范 围 内 变 化 。 非 均 匀 加 宽多 普 勒 加 宽 机 制 ： 由 于 作 热 运 动 的 发 光 原 子 （ 分 子 所 发 出 ） 辐 射 的

36、 多 普 勒 频 移 引 起 的 。 晶 格 缺 陷 加 宽 机 制 ： 晶 格 缺 陷 部 位 的 晶 格 场 将 和 无 缺 陷 部 位 的 理 想 晶 格 场 不 同 ， 因 而 处 于 缺 陷 部 位 的 激 活 离 子 的 能 级 将 发 生 位 移 ， 导 致 处 于 镜 体 不 同 部 位 的 激 活 离 子 的 发 光 中 心 频 率 不 同 。 综 合 加 宽 气 体 工 作 物 质 的 综 合 加 宽 机 制 ： 由 碰 撞 引 起 的 均 匀 加 宽 和 多 普 勒 非 均 匀 加 宽 。 固 体 激 光 工 作 物 质 综 合 加 宽 机 制 ： 由 晶 格 热 振 动

37、 引 起 的 均 匀 加 宽 和 晶 格 缺 陷 引 起 的 非 均 匀 加 宽 。 液 体 工 作 物 质 的 综 合 加 宽 机 制 ： 溶 于 液 体 中 的 发 光 分 子 与 其 它 分 子 碰 撞 而 导 致 自 发 辐 射 的 碰 撞 加 宽 。 第五 章 1 、 吸 收 截 面 、 发 射 截 面 的 定 义 吸 收 截 面 ： 下 能 级 的 每 个 原 子 对 入 射 光 波 吸 收 功 率 所 具 有 的 有 效 俘 获 截 面 积 1 2 。 发 射 截 面 ： 上 能 级 的 每 个 原 子 由 于 负 吸 收 或 受 激 发 射 所 具 有 的 有 效 俘 获 截

38、面 积 2 1 。 2 、 稳 态 增 益 、 增 益 饱 和 的 定 义 稳 态 增 益 ： 增 益 饱 和 ： 当 光 强 足 够 强 时 ， 增 益 系 数 g 也 随 着 光 强 的 增 加 而 减 小 ， 这 一 现 象 称 为 增 益 饱 和 效 应 。 3 、 非 均 匀 加 宽 介 质 “ 烧 孔 ” 效 应 的 解 释 烧 孔 效 应 ： 由 于 介 质 的 强 非 均 匀 加 宽 跃 迁 特 点 ， 入 射 光 仅 与 介 质 中 表 观 中 心 频 率 1 0 的 原 子 产 生 强 的 共 振 互 作 用 ， 且 使 其 发 生 受 激 跃 迁 ， 结 果 使 介 质

39、中 原 子 数 反 转 密 度 按 表 观 中 心 频 率 的 分 布 ， 在 与 饱 和 光 频 率 1 相 应 处 产 生 局 部 饱 和 ， 小 信 号 增 益 曲 线 在 1 I 饱 和 光 作 用 下 呈 现 “ 烧 孔 ” 效 应 。 饱 和 信 号 1 I 愈 强 ， 烧 孔 愈 深 且 愈 宽 。4 、 兰 姆 下 陷 的 定 义 定 义 ： 激 光 器 振 荡 模 的 频 率 被 调 谐 至 介 质 跃 迁 中 心 频 率 0 时 ， 即 输 出 功 率 呈 现 出 某 种 程 度 的 降 低 即 兰 姆 下 陷 （ 或 拉 姆 下 陷 ） 。 下 陷 宽 度 大 致 等 于

40、 介 质 中 均 匀 加 宽 的 线 宽 。 5 、 频 率 牵 引 的 定 义 定 义 ： 激 光 器 振 荡 模 的 精 确 谐 振 频 率 总 是 偏 离 无 源 腔 相 应 模 的 频 率 ， 且 较 后 者 更 靠 近 激 活 介 质 原 子 跃 迁 的 中 心 频 率 0 的 现 象 。 原 因 ： 振 荡 模 与 介 质 原 子 相 互 作 用 引 起 的 介 质 极 化 。 第六 章 1 、 尖 峰 的 定 义 定 义 ： 激 光 器 开 启 时 发 生 的 不 连 续 的 、 尖 锐 的 、 大 振 幅 脉 冲 为 “ 尖 峰 ” 。 2 、 驰 豫 振 荡 的 定 义 定

41、义 ： 连 续 运 转 时 发 生 在 稳 态 振 荡 附 近 的 小 振 幅 、 准 正 弦 阻 尼 振 荡 即 “ 弛 豫 振 荡 ” 。3 、 调 Q 及 巨 脉 冲 形 成 过 程 的 描 述 调 Q ： 即 调 制 谐 振 腔 的 损 耗 / 阈 值 。 在 泵 浦 激 励 开 始 时 ， 谐 振 腔 处 于 低 Q 值 状 态 ， 此 时 激 光 器 具 有 高 的 阈 值 ， 使 激 光 振 荡 不 能 形 成 ， 上 能 级 反 转 粒 子 数 和 腔 内 储 能 大 量 积 累 （ 储 存 时 间 决 定 于 上 能 级 寿 命 ） 。 当 积 累 到 饱 和 值 时 ， 突

42、 然 降 低 腔 的 损 耗 到 正 常 值 ， Q 值 突 增 ， 激 光 器 的 振 荡 阈 值 降 低 到 正 常 水 平 ， 此 时 激 光 振 荡 迅 速 建 立 ， 在 极 短 时 间 内 上 能 级 的 反 转 粒 子 数 以 单 一 脉 冲 形 式 释 放 出 来 。 介 质 的 增 益 迅 速 下 降 ， 继 而 由 于 介 质 增 益 的 继 续 饱 和 而 使 增 益 低 于 阈 值 ， 激 光 振 荡 迅 速 熄 灭 ， 于 是 在 激 光 器 中 就 形 成 了 一 个 调 Q 巨 脉 冲 输 出 。 4 、 锁 模 的 基 本 原 理 定 义 ： 采 用 一 定 的

43、 技 术 ， 使 各 振 荡 纵 模 的 频 率 间 隔 相 等 、 相 位 互 相 锁 定 ， 则 激 光 器 将 输 出 一 列 时 间 间 隔 一 定 的 超 短 脉 冲 ， 这 种 技 术 即 锁 模 技 术 。 （ 1 ） 激 光 器 输 出 是 间 隔 为 T = 2 L / c 的 规 则 脉 冲 序 列 。 两 相 邻 主 脉 冲 间 有 2 N 个 零 点 ， 2 N - 1 个 极 大 值 （ 次 脉 冲 ， 相 对 于 主 脉 冲 可 忽 略 ） 。 （ 2 ） 振 荡 线 宽 决 定 了 锁 模 脉 冲 宽 度 的 极 限 。 （ 3 ） 脉 冲 峰 值 功 率 为 自

44、 由 运 转 时 功 率 的 ( 2 N + 1 ) 倍 。 （ 4 ） 各 振 荡 模 发 生 功 率 耦 合 不 独 立 ， 每 个 模 的 功 率 由 所 有 振 荡 模 提 供 。 5 、 锁 模 的 常 见 方 法 （ 1 ） 主 动 锁 模 在 谐 振 腔 内 置 入 一 个 受 外 部 信 号 控 制 的 调 制 器 ， 用 一 定 的 调 制 频 率 周 期 性 地 改 变 谐 振 腔 内 振 荡 模 的 振 幅 或 相 位 ， 调 制 频 率 应 精 确 地 等 于 纵 模 间 隔 ， 得 到 重 复 频 率 f = c / 2 L 的 锁 模 脉 冲 序 列 。 通 常 有

45、 相 位 调 制 锁 模 和 振 幅 调 制 锁 模 两 种 。 （ 2 ） 被 动 锁 模 在 谐 振 腔 内 置 入 可 饱 和 吸 收 体 ， 光 场 弱 时 对 光 吸 收 很 强 ， 透 过 率 很 低 ； 光 强 增 加 吸 收 减 小 ， 当 达 到 某 特 定 值 ， 透 过 率 达 1 0 0 % ， 使 强 度 最 大 的 激 光 脉 冲 经 受 最 小 的 损 耗 ， 从 而 得 到 很 强 的 锁 模 脉 冲 。 三 个 阶 段 ： 线 性 放 大 阶 段 、 非 线 性 吸 收 阶 段 、 非 线 性 放 大 阶 段 。 （ 3 ） 自 锁 模 （ 克 尔 透 镜 锁 模 ） 高 斯 分 布 的 光 场 通 过 介 质 时 ， 产 生 自 聚 焦 效 应 ， 若 腔 内 存 在 光 阑 ， 脉 冲 的 中 间 部 分 不 断 增 强 ， 前 沿 和 后 沿 不 断 损 耗 ， 脉 宽 被 压 缩 。 两 个 阶 段 ： 初 始 脉 冲 的 形 成 、 稳 定 锁 模 脉 冲 的 形 成 。 （ 4 ） 同 步 碰 撞 锁 模 用 一 台 锁 模 激 光 器 脉 冲 序 列 作 为 泵 浦 源 ， 通 过 调 制 另 一 激 光 器 腔 内 增 益 的 方 法 实 现 锁 模 。