雷射原理基礎知識總結

第一章 雷射產生的條件

1、解釋黑體和黑體輻射？並描述它們的物理意義。

2、解釋自發輻射、受激輻射、受激吸收的物理意義，並寫出它們的特徵和躍遷機率。

3、理解三個愛因斯坦係數及其關係。

4、解釋光譜線寬、相干時間、相干長度。

5、解釋雷射的空間相干性、時間相干性。

6、描述光的都卜勒效應。

7、解釋均勻增寬與非均勻增寬。

光譜線寬

8、描述波爾茲曼分布，解釋輻射躍遷與非輻射躍遷。

9、解釋粒子數反轉分布，並說明如何實現粒子數反轉分布。

10、簡述雷射器的構成以及各個部分的作用。

11、簡述雷射形成的條件，並證明二能級系統不能產生雷射。

12、雷射的特點：相干性好、方向性好、單色性好、亮度高。這四種特性可以歸結為雷射具有很高的光子簡併度。

13、解釋光子簡併度的物理意義。

14、簡述脈衝雷射尖峰形成的過程以及原因。

15、推導出自然增寬和都卜勒增寬的線性函數。並說明他們屬於什麼增寬類型。

自然增寬

第二章 雷射器的工作原理

1、三種諧振腔：穩定腔、臨界腔、非穩腔。

2、非穩腔和穩定腔有何區別？舉例說明哪些是穩定腔，哪些是臨界腔，哪些又是非穩腔？

3、圖解法判斷諧振腔的穩定條件。

4、說明三能級系統和四能級系統的本質區別，畫出示意圖。哪個系統更容易形成粒子數反轉，為什麼? 分別舉例說明，並寫出其波長。

5、分別描述小信號工作狀態與小信號增益。

6、增益飽和是什麼？它在雷射穩定輸出中起什麼作用？譜線增寬如何影響增益飽和特性？

7、說明均勻增寬和非均勻增寬工作物質中增益飽和的機理。

8、解釋諧振腔的損耗，單程損耗因子，腔的品質因數。

不同模式

9、描述非均勻增寬工作物質中的增益飽和的「燒孔效應」，並說明原理。

10、解釋解釋內部損耗與鏡面損耗。

11、描述雷射諧振腔內形成穩定光強的過程。

12、描述自激振蕩及其形成條件。

13、解釋雷射器的弛豫振蕩現象。

14、粒子數反轉分布的閾值條件。

15、四能級速率方程的推導。並分析在穩態工作時，雷射上下能級間粒子數密度反轉分布關係式。

上下能級間粒子數密度反轉分布

第三章 雷射器的輸出特性

1、雷射諧振腔衍射理論的自再現模。

2、菲涅爾-基爾霍夫衍射積分方程得到的本徵函數和本徵值各代表什麼?

3、諧振腔的諧振條件？如何計算縱模的頻率、縱模頻率間隔和縱模的數目？

縱模頻率間隔

4、高斯光束的表徵方法：用束腰半徑及束腰位置表徵；用光斑半徑及等相位面曲率半徑表徵。

5、分別用公式表示高斯光束的有效截面半徑、束腰半徑、鏡面光束半徑、波陣面的曲率半徑。

6、高斯光束的遠場發散角與衍射極限。

7、高斯光束的亮度與哪些參數有關？

高斯光束

8、輸出功率與飽和光強、光束截面的關係。

9、描述蘭姆凹陷的形成過程。

10、造成線寬的原因是什麼？線寬由哪些參數決定？線寬極限是什麼？

11、雷射光束品質因子的表達式及其物理意義。

12、解釋任意一個共焦球面腔與無窮多個穩定球面腔等價。

13、證明任一滿足穩定條件的球面腔唯一地等價於一個對稱共焦腔等價。

14、證明高斯光束基模光斑半徑變成規律呈現雙曲線。

15、證明高斯光束的等相位面在近軸區域近似成球面分布。

球面與雙曲線

第四章 雷射的基本技術

1、解釋橫模和縱模，並說明選模的原因？

2、解釋縱模競爭與空間競爭。

3、雷射單橫模選取：光闌法、聚焦光闌法、腔內望遠鏡法。高階橫模的光束截面比基橫模大，減小菲涅爾數，可以抑制各高階橫模的振蕩。

雷射模式

4、雷射單縱模選取：短腔法：縱模間隔與諧振腔腔長成反比，為了在雷射增益曲線中獲得單一頻率的縱模，可通過縮小腔長來增大縱模頻率間隔，使其在螢光譜線有效寬度範圍內，只存在一個縱模振蕩。但這種方法使得諧振腔受到限制。法布裡-珀羅標準具：由兩個端面平行且鍍有高反射的反射膜組成。由於多光束幹涉的結果，對若干個很窄頻率帶寬的光有極高的透過率。通過調整F-P標準具的傾角，可以達到選頻目的。三反射鏡法：設置三個反射鏡，組成兩個耦合的諧振腔，滿足兩個諧振條件的光能夠輸出，只要短腔足夠短，就可以得到單縱模。

雷射模式

5、衍射損耗：通過求解雷射諧振腔的自再現模積分方程得到，在雷射諧振腔內振蕩的基橫模是高斯光束，其光振幅和光強分布在與光軸垂直的平面上呈高斯函數形式，一直延伸到離光軸無限遠處。因此，由於反射鏡的有限尺寸的限制，每一次反射都會有一部分光能衍射到鏡面之外，造成能量損失。這種由於衍射效應形成的光能量損失稱為衍射損耗。

6、頻率的漂移：一個雷射器通過選模獲得單頻振蕩後，由於內部和外界條件的變化，諧振頻率仍然會在整個線型寬度內移動。這種現象叫做頻率的漂移。

7、頻率的穩定性包括頻率穩定度與頻率復現度，並解釋之。

8、影響頻率穩定的因素：腔長與折射率，請量化分析。

9、穩頻方法：被動式穩頻和主動式穩頻。其中主動穩頻率包括蘭姆凹陷穩頻、飽和吸收穩頻、塞曼穩頻、無源腔穩頻。

10、簡述光束的三種變換方法，並說明變換原因。

11、雷射偏轉的方法：機械偏轉、電光偏轉和聲光偏轉。

12、解釋雷射調製技術，並說明其各種分類。

13、雷射調Q技術：用調節諧振腔的Q值以獲得雷射巨脈衝的技術。其原理是採用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時處於高損耗低Q值狀態，這時雷射振蕩的閾值很高，粒子密度反轉數即使積累到很高水平也不會產生振蕩；當粒子密度反轉數達到其峰值時，突然使腔的Q值增大，導致雷射介質的增益將大大超過閾值，迅速產生振蕩。這時積累在亞穩態上的粒子所具有的能量會很快轉換為光子的能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長，雷射器便可輸出一個峰值功率高、寬度窄的雷射巨脈衝。

14、調Q技術分類：因為諧振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗和透射損耗。用不同方法控制不同類型的損耗，就形成了不同的調Q技術。控制反射損耗的有機械轉鏡調Q技術、電光調Q技術，控制吸收損耗的有可飽和吸收染料調Q技術，控制衍射損耗的有聲光調Q技術等等。

15、鎖模技術：強迫雷射器中振蕩的各個縱模相位鎖定，使各模式相干疊加以獲得超短脈衝的技術。鎖模技術使雷射能量在時間上高度集中，可以獲得飛秒量級的超短脈衝雷射。

希臘字母biao