激光的特性：方向性好、單色好、相干性好、亮度高。由于諧振腔對光振蕩方向的限制，激光只有沿腔軸方向受激輻射才能振蕩放大，所以激光具有很高的方向性。半導(dǎo)體激光器的方向性最差。衍射極限em-1.22D（入為波長，D為光束直徑）；激光是由原子受激輻射而產(chǎn)生，因而譜線極窄，所以單色性極好。單模穩(wěn)頻氣體激光器的單色性最好，半導(dǎo)體激光器的單色性最差;激光是通過受激輻射過程形成的，其中每個光子的運動狀態(tài)（頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向）都相同，因而是最好的相干光源。激光是一種相干光這是激光與普通光源最重要的區(qū)別；激光的高方向性、單色性等特點，決定了它具有極高的單色定向亮度。相干性包括時間相干和空間相干，有時用相干長度Lc二專來表示相干時間。自發(fā)輻射：處于高能級E2的原子自發(fā)地向低能級躍（dn21） 1（dn21） 1=自發(fā)輻射躍遷概率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）a21=乙-LW奪（ME2能級總粒子數(shù)密度；dn2i為dt時間內(nèi)自發(fā)輻射躍遷粒子數(shù)密度）；受激輻射：在頻率為v=（E2-E1）/h的光照激勵下，或在能量為hv=E2-鳥的光子誘發(fā)下，處于高能級E2上的原子可能躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與誘發(fā)光子的狀態(tài)完全相同的光子，這個過程稱為受激輻射躍遷W21=（虹）土=-土虹。受激輻射躍21dt stn? n?dt遷與自發(fā)輻射躍遷的區(qū)別在于，它是在輻射場（光場）的激勵下產(chǎn)生的，因此，其月前概率不僅與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，還與外來光場的單色能量密度pv成正比，W21=B21pv，b21稱為愛因斯坦系數(shù)；受激吸收：處于低能級0的原子，在頻率為v的光場作用（照射）下，吸收一個能量為hv21的光子后躍遷到高能級￡2的過程稱為受激吸收躍遷，受激吸收恰好是受激輻射的反過程。受激吸收躍遷概率W=（虹）1-=1dn2，與上個概念類似，W=Bp，B稱為12 12 12V12dtstn1n1dt愛因斯坦系數(shù)。三個愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系為 f1B12=f2B21，金±二冬（f為E.能級的統(tǒng)計權(quán)重）；激光產(chǎn)生的兩個基本（必要）條B21c3 1 1件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，光學(xué)諧振腔（減少模式數(shù)量）。原因：只要使發(fā)光物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，受激輻射就會大于受激吸收，當(dāng)頻率為v的光束通過發(fā)光物質(zhì)，光強就會得到放大，這便是激光放大器的基本原理。即便沒有入射光，只要發(fā)光物質(zhì)中有一個頻率合適的光子存在，便可像連鎖反應(yīng)一樣，迅速產(chǎn)生大量相同光子態(tài)的光子，形成激光，這就是激光器的基本原理。解決受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾，使受激輻射占絕對優(yōu)勢，還需要利用光學(xué)諧振腔來實現(xiàn)光的自激震蕩，即激光震蕩。激光產(chǎn)生的兩個充分條件：閾值條件，增益飽和。原因：因為諧振腔內(nèi)存在著損耗，只有當(dāng)光在諧振腔內(nèi)來回一次所得到的增益大于同一過程中的損耗時，才能維持光震蕩，這個條件是激光器實現(xiàn)自激震蕩所需要的最低條件，又稱閾值條件。三能級系統(tǒng)的構(gòu)成、特點：受激輻射在E］和E2兩個能級之間產(chǎn)生，其中0作為基態(tài)，作為激光下能級，泵浦源將激活粒子從Ej能級抽運到E3能級，E3能級的壽命很短，激活粒子很快地經(jīng)非輻射躍遷到達(dá)E2能級。E2能級的壽命比￡3長得多，為亞穩(wěn)態(tài)作為激光上能級。四能級系統(tǒng)的構(gòu)成、特點：與三能級系統(tǒng)類似，其中e3為激光上能級，e2為激光下能級，泵浦源將激光激活粒子從基態(tài)E1抽運到E4能級，E4能級的壽命很短，立即通過非輻射躍遷方式到達(dá)E3能級。E3能級壽命較長，是亞穩(wěn)態(tài)。而￡2能級壽命很短，熱平衡是基本是空的，因此易于實現(xiàn)e3We2兩能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。增益系數(shù)的定義：G(z)=^-^；受激輻射光放大的dzI(z)概念:在一個入射光子的作用下，可引起大量發(fā)光粒子產(chǎn)生受激輻射，并產(chǎn)生大量運動狀態(tài)完全相同的光子，這種現(xiàn)象稱為受激輻射光放大。激光器的基本組成：工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源；各部分作用：激光工作物質(zhì)是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益介質(zhì)。泵浦原：對激光工作物質(zhì)進(jìn)行激勵，將激活粒子從基態(tài)抽運到高能級，已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。諧振腔：①增加激光工作物質(zhì)的有效長度，使得受激輻射過程有可能超過自發(fā)輻射而成為主導(dǎo)；②同時提供光學(xué)正反饋，使激活介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射能夠多次通過介質(zhì)，并且使光束在腔內(nèi)往返一次過程中由受激輻射所提供的增益超過光束所受的損耗，從而使光束在腔內(nèi)得到放大并維持自激震蕩。光學(xué)諧振腔的構(gòu)成：由全反射鏡和部分反射鏡放置在工作物質(zhì)兩端；特點：側(cè)面開放。共軸球面腔的穩(wěn)定性條件：0<g1g2<1(g1=1上,g2=1-勻意義：腔內(nèi)近軸光束不會橫向逸出腔外，12 1R12R2諧振腔處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。非穩(wěn)腔：g1g2<0或g1g2>1，意義：腔內(nèi)任何近軸光束在往返有限多次后，都會橫向偏折出腔外，這種諧振腔處于非穩(wěn)定狀態(tài)，這里“非穩(wěn)定”不是說這類腔不能穩(wěn)定工作，而是僅指其幾何損耗大。臨界腔：g1g2=1或g1g2=0，意義：臨界腔屬于一種極限情況，其穩(wěn)定性視不同的腔而不同。縱模：由A^=2n?q可知，不同的q值對應(yīng)與不同的駐波，這些駐波的電磁場在沿軸線方向（縱向）上的分布是不一樣的，由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)穩(wěn)定場分布稱為激光的縱模。q稱為縱模的序數(shù)。縱模間隔：Avq=2，（L'為光學(xué)長度）。橫模：諧振腔對光多次反饋，光每經(jīng)過放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。多次反復(fù)衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個或多個穩(wěn)定的干涉光斑。每一個衍射光斑對應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場分布，成為一個橫模。光學(xué)諧振腔的損耗種類：幾何損耗，衍射損耗，透射損耗，非激活吸收損耗和散射損耗。平均單程衍射損耗因子膈H上=1,N=W稱為腔的菲涅爾數(shù)。單程透射損耗因子5=-ilnr?（1-r）啟N入L r2 2入L=T。損耗的最主要描述方法---平均單程損耗因子。自再現(xiàn)模概念：存2在于腔反射鏡面處，且往返傳播后仍能再現(xiàn)的穩(wěn)定場分布稱為自再現(xiàn)模，也就是橫模。自再現(xiàn)模積分方程v（x，y）=Y K（x，y，x,，y’）vs（x‘，y’）ds‘，K（x，y，x‘，y'）=_Le-ikp（x，y，x‘，y’）。物理意義：入L對于對稱開腔來說，自再現(xiàn)模積分方程的本征函數(shù)決定了鏡面上不同橫模光場的振幅和相位分布。本征值決定了不同橫模的單程損耗、單程相移以及諧振頻率。方形鏡對稱共焦腔模式特征：①基模的光腰半徑：3°s=口；②鏡面上的光束半徑3°s=呈；③橫截面上的光場分布n n一般穩(wěn)定球面腔的模式特征：①等價共焦腔概念：若一個球面腔滿足穩(wěn)定性條件，則必定可以找到而且只能找到一個共焦腔，其行波場的某兩個等相位面與給定球面腔的兩個反射鏡面重合，這個共焦腔即為此穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔。②共焦參數(shù)：基模高斯光束的表示形式:E（x，y，z）=_A^exp[—x2+y2]Xexp{-ik[x2+y2+z]+。（z）}。基本性3Z 32z 2RZ質(zhì)：①光斑半徑3Z=3。1+以2=3。1+Z2式中，f=安為共0 no2 0 f 入焦腔反射鏡的焦距（f=2）,也稱為高斯光束的共焦參數(shù)；30=￥為基模高斯光束的腰斑半徑。②曲率半徑:R（z）=z[1+噂2]=z[1+f2]@入z z遠(yuǎn)場發(fā)散角。0=竺④瑞利長度：若在z=zR處，高斯光束光斑面積為束no0腰處最小光斑面積的兩倍，則從束腰處算起的這長度ZR稱為瑞利長度。在瑞利長度ZR位置處，其光斑半徑3（ZR）=230。高斯光束與普通球面波的區(qū)別：高斯光束既不是平面波，也不是一般的球面波，在其傳輸軸線附近可以看做是一種非均勻球面波。它在共焦腔中心處是強度為高斯分布的平面波，在其他地方則是強度為高斯分布的球面波。概括說，高斯光束為幅度非均勻的變曲率中心球面波。高斯光束的特征參量:光腰半徑和光腰位置，某一位置的光束半徑和波面曲率半徑，q參數(shù)表示法，以q0表示束腰處（即z=0處）的q參數(shù)數(shù)值，q0=if。高斯光束的聚焦：①焦斑大小：302=—四—②焦斑位置0 22（F-1）2+^°0入1’=F+— ③透鏡焦平面上的光斑大小3f=4F（l:束腰與透鏡的（1-F）2+盤 3n入距離，F(xiàn)透鏡焦距，f共焦參量）。譜線加寬線型函數(shù)的定義為：g（v，v0）=碧其量綱為s。光譜線的寬度稱為線寬，其定義為Av=v2V1，線寬為線性函數(shù)的半值點所對應(yīng)的頻率寬度，因此也稱為半幅線寬FWHW。均勻加寬的特點：弓I起加寬的物理因素對每個粒子都是等同的，整個光源的光譜線的線型函數(shù)和線寬與單個發(fā)光粒子的線型函數(shù)和線寬相同。其線型函數(shù)可以表示為gH（v,V0）= 2n ,（v-v0）2+（了）2線寬為AvH=4—+L）。非均勻加寬的特點：在這類加寬中，每一2nTNTL發(fā)光粒子所發(fā)的光只對普線內(nèi)的某些確定的頻率才有貢獻(xiàn)，即不同發(fā)光粒子只對光源光譜內(nèi)與其表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)。非均勻加寬的線型函數(shù)為高斯曲線，其線型函數(shù)通常用gj（V，V0）來表示，線寬用△%來表示。自然加寬形成的原因：由于發(fā)光粒子的激發(fā)態(tài)能級具有有限壽命而引起的自發(fā)輻射譜線加寬。碰撞加寬形成的原因：原子之間，以及原子與器壁之間的無規(guī)則碰撞。多普勒加寬形成的原因：由粒子的熱運動引發(fā)光頻率的改變造成的。線型函數(shù)和線寬計算:△v=上（上+上），Av=aP,AVn=2v”（竺）12=7.16X10-7V（Z）2TOC\o"1-5"\h\zN2nt2stis L D0mc2 0M速率方程的意義：激光器的速率方程是描述激光器腔內(nèi)光子數(shù)和工作物質(zhì)門內(nèi)產(chǎn)生激光有關(guān)的各能級上粒子數(shù)隨時間變化的微分方程組。二能級系統(tǒng)單模速率方程：￥3=°1可13—%（S32+A31+S31），也小w2-n?W~n?（A力+S?1）+七，，n+n+n=n。四能級系統(tǒng)單dt1 12 2 21 2 21 21 332 1 2 3模速率方程：也=nw-n （S +A），dn2=-（n一!2n ）o（v，v）dt00333230 dt 2f1 21 0dnvN「n2（a21+s21）+n3S32，―-n1S10-n0W03+n3A30，n0+n1+n2+n3-n。l2 21 21 3 32dt 1 10 0 03 3 30 0 1 2 3dNL-（n-!2n ）a（v，v ） vN-業(yè)。增益系數(shù)：g=0 An，與反dt2f11 21 0 1tr1 21轉(zhuǎn)粒子數(shù)成正比。增益飽和概念：稱激光介質(zhì)的增益系數(shù)G隨入射光增強加而下降的現(xiàn)象為增益系數(shù)的飽和，即增益飽和。均勻加寬介質(zhì)的增益飽和一增益曲線均勻下降，非均勻加寬介質(zhì)增益飽和的特點一形成燒孔效應(yīng)。均勻加寬介質(zhì)的小信號增益系數(shù)和大信號增益系數(shù)：

G（v）=G°（v） （虬/2）2 非均勻加寬介質(zhì)的小信號H1H0（「v。）2+（虬,2）2（1+"Roe）go（v）_（4^增益系數(shù)和大信號增益系數(shù)：g（V1,7vi）=二I=1I"普1+產(chǎn) 1+寧激光器的振蕩閾值：（1）閾值增益系數(shù)G=8n；（2）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)閾值t函=8/Ql，l為介質(zhì)長度。三能級系統(tǒng)連續(xù)激光器的閾值泵浦功率：t 21P=曳旺。三能級系統(tǒng)脈沖激光器的閾值泵浦能量：Ept=^V四。四Pt2nFts Pt2ni能級系統(tǒng)連續(xù)激光器的閾值泵浦功率：Ppt=業(yè)迦A=hVp^V_。四nin2tsn兩2i（v，vo）Ts】能級系統(tǒng)脈沖激光器的閾值泵浦能量：Ept=*￡已=業(yè)保。均勻加寬n1n伐21i和非均勻加寬介質(zhì)振蕩（起振）縱模數(shù)的計算：Z廣三N司竺心+1。q2L'、均勻加寬介質(zhì)激光器的輸出模式：模式競爭（在均勻加寬介質(zhì)激光器中，通過增益飽和效應(yīng)，某一模式逐漸把其他的模式震蕩抑制下去，最后只剩下一個縱模震蕩的現(xiàn)象，叫做模式競爭）---理想情況下單縱模輸出，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)空間燒孔效應(yīng)（波腹處增益飽和最強，從未增益系數(shù)最小；波節(jié)處增益飽和最弱，從而增益系數(shù)最大。增益系數(shù)或反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在腔軸方向上具有這樣周期性分布的現(xiàn)象稱為增益的空間燒孔效應(yīng)。）引起多縱模輸出。非均勻激光器的輸出模式：多縱模輸出。均勻加寬介質(zhì)單縱模（中心頻率）輸出功率:P=-ATI（v）2郵q）l-12廠/a+T(V-(V-V)2P=ATI=ATI<1gl中心頻率尸=ATI=1ATI[（紀(jì)）2-1]+ 2s8蘭姆凹陷。脈沖激光器弛豫振蕩一尖峰結(jié)構(gòu)，形成原因：泵浦能量高于閾值泵浦能量。激光縱模選取：短腔法，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具選模，復(fù)合腔選模。光橫模選取：小孔光闌法，小孔大小的計算：小孔光瀾的半徑ro=可以選取為放置小孔光瀾的z處的光束有效橫截面半徑3（z）2二3。1+ 。激光譜線選取：腔鏡鍍膜法，插入色散元件法。調(diào)Q的基本思想：當(dāng)激光震蕩頻率v和腔長L一定時，損耗5大，Q值就低，閾值高不易起震；當(dāng)損耗5小，Q值就高，則閾值低，易于起震。要改變激光器的閾值可以通過突變諧振腔的Q值（或損耗5）來實現(xiàn)。調(diào)Q技術(shù)：電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、可飽和吸收體調(diào)Q。調(diào)Q脈沖的能量、脈沖寬度、峰值功率與哪些因素有關(guān)？反轉(zhuǎn)粒子數(shù)有關(guān)。鎖模的基本原理：多縱模振蕩、縱模等間隔、相位差恒定。脈沖周期：T0二斗；脈度：T=1-（Av為器件激光躍遷的熒光線寬，即激活介質(zhì)的未飽和增益線寬）；峰值功率：（2N+1）2E2。鎖模方法：主動鎖模（利用聲光效應(yīng)的振幅調(diào)制鎖模），被動鎖模（可飽和吸收體鎖模），自鎖模（克爾透鏡鎖模）。引起頻率漂移的原因腔長和折射率變化，穩(wěn)頻方法一蘭姆凹陷穩(wěn)頻。激光調(diào)制的概念：將信息加載與激光的過程稱為調(diào)制;特點：由于激光具有很高的頻率，可供利用的頻帶很寬，故傳遞信息的容量很大。外調(diào)制的方法電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制，內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器。電光效應(yīng)的概念：品體在外加電壓作用下，折射率發(fā)生各向異性改變，從而引起通過它的光的偏振態(tài)變化。電光效應(yīng)的應(yīng)用：電光調(diào)Q、主動鎖模、電光調(diào)制。半波電壓的意義和計算：當(dāng)光波的兩個垂直分量Ex,、Ey,的光程差為半個波長（相應(yīng)的位相差為n）時所需加的電壓，稱為“半波電壓”。聲光效應(yīng)原理：超聲波通過介質(zhì)時會造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個相位光柵。當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動的介質(zhì)時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為聲光效應(yīng)。聲光強度調(diào)制器是利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化二變化的性質(zhì)。燈泵浦的結(jié)構(gòu)和特點：閃光燈泵浦具有輻射強度高、既能脈沖工作又能連續(xù)工作、工藝簡單、使用方便等優(yōu)點。LD泵浦的特點：LD泵浦固體激光器的總效率一般可達(dá)到10%25%，遠(yuǎn)高于閃光燈泵浦的固體激光器。此外，它還具有小型化、全固態(tài)、長壽命及工作物質(zhì)熱效應(yīng)小等優(yōu)點。紅寶石激光器的能級結(jié)構(gòu)：三能級系統(tǒng)。吸收譜： U帶3