激光原理作业深大Word下载.docx

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你如何理解激光的相干性？

描写光的模式有两种方式，从波动观点出发，称为光波的模式；

从光子的观点出发，称为光子的状态即光子态。

光子的基本性质：

光子的能量与光波频率对应；

光子具有运动质量；

光子的动量与单色平面光波的波矢对应；

光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向；

光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。

纵模：

我们知道，受激辐射也不是绝对的单一波长，而是有一个很窄的频宽的（虽然电子的能级是一个定值，但因为热运动等各种原因，能级会展宽）。

当激光器工作物质被激发，发出受激辐射光的时候，在这个频宽范围内的各种波长的光子都有，其数量是以中心频率为对称轴的正态分布。

这些所有波长的光子都试图在谐振腔中得到谐振从而成为优势波长。

如果谐振腔足够短，它仅仅是这所有波长中某一特定波长的整数倍，那么就只有这一特定波长的光子得以谐振成为优势波长，激光器会输出真正的单色光，这就是单纵模。

但实际的谐振腔通常都比较长，在受激辐射的波长范围内，它可能同时是好几个波长的整数倍，因此会有好几种波长都得到谐振，这样的激光器就会输出好几种波长的光（由于受激辐射带宽本身很窄，所以这几个波长也非常接近），这就是多纵模。

总的来说，纵模越多，单色性、相干性越差。

谐振腔越短，纵模越少，因此在要求高单色性的时候，应尽量减小谐振腔长度。

横模 

：

如果激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面，就不会有除了基模以外的其它横模输出。

这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。

因为此时只有基模状态下的光才能形成多次反射谐振的条件。

但是事实上反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固体激光器中，工作物质受热发生凸透镜效应，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。

多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模。

减少横模的主要途径有：

改善谐振腔反射镜与工作物质端面所形成的光路的等效平面性，如果产生了凸透镜效应则要想办法补偿；

减小谐振腔和工作物质直径。

激光的相干性：

只要是两个频率相同、相位差恒定的光就称之为相干光，其光源就叫相干光光源。

因为激光器产生的激光是频率相同，相位相同的光，它当然与其它是激光频率相同、相位差恒定，所有激光就是相干光。

相干性越好，激光质量越好。

2、激光的基本物理基础是什么？

激光的基本特性是什么？

激光的基本物理基础包括激光的特性，光波模式和光子状态，原子的能级、分布和跃迁，激光产生的必要条件，激光产生的充分条件。

其中光波模式的广义定义为：

能代表光波场本征振动状态的场分布称为光波模式，一种光波模式代表具有一定的频率、一定偏振方向、一定传播方向和一定寿命的光波。

侠义定义为：

能够存在于腔内的驻波称为光波模式。

光子简并度是指处于同一光子态的光子数称为光子简并度。

二能级系统中的三种跃迁：

自发辐射、受激辐射、受激吸收。

自发辐射是指：

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，发出的光辐射称为自发辐射。

受激辐射是指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光子并像更高的能级跃迁的过程称为受激吸收跃迁。

受激辐射是指处于高能级的原子在频率为V的辐射场的作用下，向低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。

产生激光的必要条件是工作物质处于粒子数反转分布状态。

激光产生的充分条件有，光放大物质的增益系数大于衰减，光在腔内能够产生自激振荡。

激光的基本特性：

单色性、方向性、相干性、高亮度。

单色性与时间相干，方向性与空间相干。

3、重要的激光特征参量有哪些？

请说明它的意义。

激光特征参量有激光频谱特性场、激光频谱特性、激光时域特性等。

激光频谱特性参数测量包括波长、谱线宽度和轮廓、频率稳定性和相干性等参数的测量。

激光波长测量使用光谱仪和干涉仪。

大多数激光波长计的主体部分是干涉仪。

也可用差拍和外差的方法测量激光波长。

激光空域特性参数测量包括测量激光光束直径、发散角、椭圆度、横模式、近场和远场花样等。

这些参数是通过测量激光功率或能量的相对空间分布得到的。

激光时域特性参数测量包括脉冲波形和宽度、峰值功率、重复功率、瞬时功率、功率稳定性等的测量。

峰值功率是较为重要的时域特性参数，但是它要通过激光能量和脉冲宽度或波形测量才能求出。

激光时域参数测量需要配备响应速度足够快的线性探测器和记录、存储、显示系统。

4、实现激光振荡的基本条件是什么？

你能简单描述激光振荡的产生过程吗？

实现激光的振荡要有工作物质，还要能实现粒子数反转，在腔内还要能够形成驻波。

腔内长远远大于波长，故腔内有无穷多个驻波，即腔内存在很多波长的光波，但是腔内的光波不是全部都能够放大，有很少一部分的光波能够使增益大于衰减，而存活下来，其余的大部分都衰减消亡。

能够被放大的光波，一开始是由工作物质自发辐射产生的一个光子，当光子经过工作物质时，一个光子激发成为两个完全相同的光子，这样经过多次激发后，就会产出无穷多个完全相同的光子完全相同，故相干性极好，发射出来就是激光。

5、如何定义激光增益，什么是小信号增益？

什么是增益饱和？

激光增益就是表示通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。

小信号增益，当光强很弱时，增益系数随着光强的增大而迅速增大。

饱和增益，当光强增大到一定的程度后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象称为增益饱和。

增益饱和有利于减少激光模数，提高激光质量。

激光的饱和增益是由工作物质决定的，故激光的放大倍数与工作物质密切相关。

增益系数随光强的增强而减小是因为光的受激辐射对介质的粒子数密度反转分布有着强烈的影响造成的。

当谐振腔中光强很弱时，介质的受激辐射几率很小，粒子数密度反转分布几乎不随光强变化，介质对光波的增益系数也不随光强改变。

此时，光波在介质中以最大的相对增长率不断的获得放大。

当腔内光强逐渐增强，介质中的粒子数密度反转分布值将因受激辐射的消耗而明显下降，光强越强，受激辐射几率越大，上能级粒子数密度减少的越多，这就使得粒子数密度反转分布值也下降的越多，进而使增益系数也同样下降，这就是增益饱和的实质。

6、请简要描述能级的辐射跃迁三大过程，它们的特征和跃迁几率是什么?

能级的辐射跃迁包括：

自发辐射，受激吸收，受激辐射。

自发辐射：

处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。

特征：

自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。

每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。

自发跃迁几率只与原子本身性质有关，与辐射场无关。

受激吸收：

处于低能态的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能态跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁。

只有外来光子能量时，才能引起受激辐射。

跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的有关。

受激辐射：

处于上能级的原子在频率为的辐射场作用下，跃迁至低能态并辐射一个能量为的光子。

受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。

只有外来光子能量时，才能引起受激辐射；

受激辐射所发出的光子与外来光子的频率、传播方向、偏振方向、相位等性质完全相同。

受激辐射跃迁概率：

为受激辐射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场。

7、什么是热平衡时能级粒子数的分布？

什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？

热平衡时能级粒子数的分布：

在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或集居数）服从玻尔兹曼分布。

粒子数反转：

使高能级粒子数密度大于低能级粒子数密度。

如何实现粒子数反转：

外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态。

8、激光器有哪些类型？

你知道哪些激光器并简单说说？

激光器有固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、准分子激光器、自由电子激光器、化学激光器等。

气体激光器：

在气体激光器中，最常见的是氦氖激光器。

世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久，于1960年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。

由于氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好，可以连续工作，所以这种激光器是当今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密测量、准直定位上。

气体激光器中另一种典型代表是氩离子激光器。

它可以发出鲜艳的蓝绿色光，可连续工作，输出功率达100多瓦。

这种激光器是在可见光区域内输出功率最高的一种激光器。

由于它发出的激光是蓝绿色的，所以在眼科上用得最多，因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏，眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光。

因此，用氩离子激光器进行眼科手术时，能迅速形成局部加热，将视网膜上蛋白质变成凝胶状态，它是焊接视网膜的理想光源。

氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层，而不被海水吸收，因而可广泛用于水下勘测作业。

液体、化学和半导体激光器：

液体激光器也称染料激光器，因为这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。

为了激发它们发射出激光，一般采用高速闪光灯作激光源，或者由其他激光器发出很短的光脉冲。

液体激光器发出的激光对于光谱分析、激光化学和其他科学研究，具有重要的意义。

化学激光器是用化学反应来产生激光的。

如氟原子和氢原子发生化学反应时，能生成处于激发状态的氟化氢分子。

这样，当两种气体迅速混合后，便能产生激光，因此不需要别的能量，就能直接从化学反应中获得很强大的光能。

这类激光器比较适合于野外工作，或用于军事目的，令人畏惧的死光武器就是应用化学激光器的一项成果。

在当今的激光器中，还有一些是用半导体制成的。

它们叫砷化镓半导体激光器，体积只有火柴盒大小，这是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0.8～0.9微米之间。

由于这种激光器体积小，结构简单，只要通以适当强度的电流就有激光射出，再加上输出波长在红外线光范围内，所以保密性特别强，很适合用在飞机、军舰和坦克上。

9、激光的主要应用有哪些？

请详细描述你所熟悉的激光应用。

激光的应用：

精密测量、激光加工技术、医学中的应用、信息技术中的应用、激光核聚变、激光冷却、激光光谱学等。

激光光谱学：

经典光谱学在研究经典原子、分子及其他物质形态，以弄清物质的微观结构和运动规律中，曾起决定作用；

基于经典光谱学基础之上的各种光谱技术，还是科学研究和工农业生产部门重要的分析手段。

但是，由于经典光源有局限性，如强度不够、谱线太宽、频率固定不可调等，使光谱学及光谱技术在很长的一段时间内发展缓慢。

激光的出现，使这种情况发生了改变。

一方面，激光光源的高强度、窄谱线使经典光谱学发生了巨大的变化；

另一方面，在经典光谱学与激光技术相结合的基础上，产生了新的光谱学原理及技术，从而形成了激光光谱学。

激光光谱学具有频率高分辨、空间高分辨、时间高分辨等一些列特点，从目前情况来看，它至少可以用来进一步揭示物质的微观结构，包括原子能级的精细结构，高量子态的能级结构，分子的各种密集的振转谱带结构，单光子过程所“禁戒”的多光子跃迁的光谱信息等；

揭示物理、化学、生物等宏观现象的微观动力学过程，包括量子跃迁、能量转移、电子转移、运输与涨落、化学反应中间过程等瞬态行为；

发展各种特殊效能的光谱技术，如超高灵敏的激光光谱检测，远距离目标的激光光谱遥测，微区的激光光谱分析，激光全息光谱技术等。