第一篇：激光原理與應(yīng)用教案
激光原理與應(yīng)用教案
一.緒論
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
讓學(xué)生了解激光的歷史，激光形成及發(fā)展、理論體系的形成。
讓學(xué)生了解激光科學(xué)的分支及激光在軍事、信息技術(shù)、醫(yī)療等方面的應(yīng)用；
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
1．激光的概念：
激
光——利用受激輻射的光放大。
LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2． 激光的發(fā)現(xiàn)：
最早在1917年——Einstein首次預(yù)言受激輻射激光，歷史上首先在微波波段實(shí)現(xiàn)量子放大（1953），1954年——C.H.Townes, I.P.Gorden, H.J.Zeiger 使用NH3分子射束實(shí)現(xiàn)Maser向更短波長(zhǎng)進(jìn)發(fā)——ammonia beam maser，1958年——A.L.Schawlow, C.H.Townes, A.M.PoxopoB提出將Maser原理推廣到光波段——laser，1960年——T.H.Maiman of Bell Lab 紅寶石 首次實(shí)現(xiàn)laser l=6943? 紅光（早期的名稱：萊塞、光量子振蕩器、光激射器 受激光，“激光”——錢學(xué)森在1963年提出。61年 中國(guó)（亞洲）第一臺(tái)激光器誕生在長(zhǎng)春（長(zhǎng)春光機(jī)所和光機(jī)學(xué)院），由王之江院士發(fā)明。
激光科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科——光譜學(xué)，物理光學(xué)，固體物理，物質(zhì)結(jié)構(gòu)，無線電電子學(xué)。推動(dòng)力——廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：核聚變，加工，熱處理，通訊，測(cè)距，計(jì)量，醫(yī)療可調(diào)諧性和超短脈沖——高時(shí)間、空間分辨、能量分辨。
3．激光與普通光源的區(qū)別？
（1）良好的單色性。單色性指光源發(fā)射的光波長(zhǎng)范圍很小，測(cè)距。（2）良好的方向性。激光的光束幾乎只沿著一個(gè)方向傳輸。測(cè)距，通信。（3）高亮度。激光功率集中在極小的空間范圍內(nèi)。切割，手術(shù)，軍事。（4）極好的相干性。各列波在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)存在恒定的相位差。精確測(cè)距。4．激光的應(yīng)用。
（1）信息科學(xué)領(lǐng)域。激光雷達(dá)，空間通信。
（2）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。激光穿心術(shù)，激光眼科手術(shù)，激光牙科手術(shù)。
（3）工業(yè)領(lǐng)域。激光切割，激光打孔，飛秒激光微加工，激光全息，激光電視。（4）能源方面。激光受控核聚變，神光裝置。
（5）軍事領(lǐng)域。低能和高能激光武器，太空武器等，激光測(cè)距。
5．激光器的組成
激光器由泵浦源，工作物質(zhì)和諧振腔組成。
由外界激勵(lì)源的激發(fā)在工作物質(zhì)的能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是形成激光的內(nèi)在依據(jù)。光學(xué)諧振腔是形成激光的外部條件。
本節(jié)課教學(xué)手段與方法：
采用多媒體形式。播放了世界上第一臺(tái)激光器的發(fā)明電影短片，并采用豐富的圖片總結(jié)性地講述激光與普通光源的區(qū)別和激光廣泛的應(yīng)用。
第一章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件
§1.光的波粒二象性
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
讓學(xué)生光的本質(zhì)及光的經(jīng)典理論。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容： 1．光波
電磁波理論雖然使光的波動(dòng)說一度占領(lǐng)了光學(xué)領(lǐng)域，但19世紀(jì)末，實(shí)踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許多 現(xiàn)象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等。1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學(xué)說。愛因斯坦認(rèn)為光子既是粒子、同時(shí)又是波。光在與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性明顯，光在傳播中則波動(dòng)性突出。光的這種粒子性和波動(dòng)性相互對(duì)立又并存的性質(zhì)，叫做光的“波粒二象性”。
光波是一種電磁波，是E和B的振動(dòng)和傳播。習(xí)慣上把電矢量叫做光矢量。光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系
υ?c??υ???(???0)?2．單色平面波
波面——相位相同的空間各點(diǎn)構(gòu)成的面
平波面——波面是彼此平行的平面,且在無吸收介質(zhì)中傳播時(shí),波的振幅保持不變。
單色平波面——具有單一頻率的平面波。
實(shí)際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當(dāng)△v＜＜v0時(shí)，就叫準(zhǔn)單色波。
簡(jiǎn)諧波——理想單色平面波
簡(jiǎn)諧波方程： U?U0cos?(t??)?U0cos?(t?zc)
2?t2?zU?U0cos?(t?z)?U0cos(?)cT?3．光子
在真空中一個(gè)光子的能量為?，動(dòng)量為P，則它們與光波頻率，波長(zhǎng)之間的關(guān)系：
??hν?hν?h?h2??h?P?n0?n0??n0?kc?2??2?式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?S 本節(jié)課教學(xué)手段與方法：
采用多媒體形式。用豐富的圖片來說明光的經(jīng)典理論。
§2.原子的能級(jí)和輻射躍遷
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
理解原子能級(jí)和簡(jiǎn)并度、原子狀態(tài)的標(biāo)記； 掌握玻爾茲曼分布、輻射躍遷和非輻射躍遷
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
1.原子中電子的狀態(tài)由下列四個(gè)量子數(shù)來確定
（1）主量子數(shù)n，n＝1，2，3，?代表電子運(yùn)動(dòng)區(qū)域的大小和它的總能量的主要部分。
(n（2）輔量子數(shù)l, l ?
0 ,1 ,2 ?
? 1)代表軌道的形狀和軌道角動(dòng)量，這也同電子的能量有關(guān)。
（3）磁量子數(shù)（即軌道方向量子數(shù)）m=0，±1，±2，±l? 代表軌道在空間的可能取向，即軌道角動(dòng)量在某一特殊方向的分量
（4）自旋量子數(shù)（即自旋方向量子數(shù)）ms= ±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動(dòng)量在某一特殊方向的分量
2.電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
（1）電子的能級(jí)，依次用E0，E1，E2，? En表示（2）基態(tài)：原子處于最低的能級(jí)狀態(tài)
（3）激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級(jí)狀態(tài)
3.玻爾茲曼分布
現(xiàn)考慮由n0個(gè)相同原子(分子或離子)組成的系統(tǒng)，在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級(jí)分布服從波爾茲曼定律
ni?gie?Ei kT
?nmgm?enngn(Em?En)kT分別處于Em和En能級(jí)上的原子數(shù)nm和nn必然滿足下一關(guān)系
4．輻射躍遷和非輻射躍遷
（1）輻射躍遷：發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級(jí)間躍遷的現(xiàn)象
（2）非輻射躍遷：原子在不同能級(jí)躍遷時(shí)并不伴隨光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量。
本節(jié)課教學(xué)手段與方法：
采用多媒體形式。
先復(fù)習(xí)原子的四個(gè)量子數(shù)，再對(duì)簡(jiǎn)并、簡(jiǎn)并度進(jìn)行定義。闡明在熱平衡情況下，處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處于低能態(tài)的粒子數(shù)的這一規(guī)律。最后介紹原子的輻射躍遷和非輻射躍遷。
§3.光的受激輻射
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
了解光與物質(zhì)的相互作用，掌握這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎(chǔ)，根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用物理模型分析空腔黑體的熱平衡過程，從而導(dǎo)出愛因斯坦三系數(shù)之間的關(guān)系。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、經(jīng)典的輻射理論引用偶極子的概念，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律；
二、黑體熱輻射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；
三、光和物質(zhì)的相互作用（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
1.愛因斯坦粒子模型——粒子只有間距為hv=E2－E1(E2＞E1)的二個(gè)能級(jí),且它們符合輻射躍遷選擇定則。
2.光頻電磁場(chǎng)與物質(zhì)的三種相互作用過程——(1).自發(fā)發(fā)射、(2).受激輻射、(3).受激吸收以及各個(gè)過程的特點(diǎn)、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義；
四、愛因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系的推導(dǎo)，五、自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計(jì)算（重點(diǎn)）
討論: 創(chuàng)造條件，增大受激輻射程度的方法。
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式。
先介紹經(jīng)典的輻射理論，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律、再介紹黑體熱輻射，重點(diǎn)介紹光和物質(zhì)的相互作用過程、愛因斯坦粒子模型，講解清楚電磁場(chǎng)與物質(zhì)的三種相互作用過程的特點(diǎn)、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義。最后導(dǎo)出自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計(jì)算和比較，引導(dǎo)學(xué)生討論創(chuàng)造怎樣的條件，可增大受激輻射程度，達(dá)到激光的目的。
§4.光譜線增寬
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
了解光譜線型對(duì)光與物質(zhì)的作用的影響，分析引起譜線加寬的各種物理機(jī)制,并根據(jù)不同的物理過程求出g(ν,ν。)的具體函數(shù)形式。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、光譜線，線型和光譜線寬度
1．原子輻射的波不是單色的，而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。
2.就每一條光譜線而言，在有限寬度的頻率范圍內(nèi)，光強(qiáng)的相對(duì)強(qiáng)度也不一樣。
二、自然增寬（重點(diǎn)）
1.經(jīng)典理論——描述原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng),其物理模型就是按簡(jiǎn)諧振動(dòng)或阻尼振動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的電偶極子,稱為簡(jiǎn)諧振子。
2．衰減振動(dòng)不是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，因此原子輻射的波不是單色的，譜線具有有限寬度。
3．自然增寬: 作為電偶極子看待的原子作衰減振動(dòng)而造成的譜線增寬。
?νN2?fN(ν)?
4．自然增寬的譜線型函數(shù)：（難點(diǎn)）
(ν?ν0)2?(?νN2)2
5.量子解釋——測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，對(duì)原子的能級(jí)來說，時(shí)間的不確定值就是原子的平均壽命，則能級(jí)有一定寬度。
三、碰撞增寬（重點(diǎn)）
1．自然增寬是假設(shè)原子彼此孤立并且靜止不動(dòng)所造成的譜線增寬。而碰撞增寬是考慮了發(fā)光原子間的相互作用造成的，碰撞使原子發(fā)光中斷或光波位相發(fā)生突變，即使發(fā)光波列縮短。fc(ν)?2．碰撞增寬的譜線型函數(shù)：
四、多普勒增寬
多普勒增寬——光源與接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的頻移導(dǎo)致的譜線增寬。
?νc2?(ν?ν0)2?(?νc2)2本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式。
先介紹原子在發(fā)輻射過程中，各種因素的影響,自發(fā)輻射并不是單色的,而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個(gè)很小的頻率范圍內(nèi)。引入譜線加寬的概念。定義線型函數(shù)為
f(?)?I(?)?I0I(?)?I(?)d?再分析引起譜線加寬的各種物理機(jī)制,并根據(jù)不同的物理過程求出f（ν）的具體函數(shù)形式。
§5.激光形成的條件
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
掌握產(chǎn)生激光的基本條件 ——激發(fā)射占優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)生激光必須具備的三個(gè)條件；
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、介質(zhì)中光的受激輻射放大（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
1.要能形成激光，首先必須使介質(zhì)中的受激輻射大于受激吸收。
2.光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律
3.介質(zhì)中產(chǎn)生受激光放大的條件、增益介質(zhì)與增益系數(shù)。
二、光學(xué)諧振腔和閾值條件
1.滿足了以上兩個(gè)條件后，還要采取什么措施使受激輻射成為增益介質(zhì)中的主要發(fā)光過程，而不是自發(fā)輻射？
2.要使受激輻射幾率遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射幾率，3.光學(xué)諧振腔的作用；
4．產(chǎn)生激光必須具備的條件（重點(diǎn)）
（1）激勵(lì)能源——把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)去
（2）增益介質(zhì)——能在外界激勵(lì)能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式。
介紹光放大的條件——集居數(shù)反轉(zhuǎn)。一定的條件下物質(zhì)的光吸收可以轉(zhuǎn)化為自己的對(duì)立面——光放大；引進(jìn)光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線；再介紹自激振蕩概念，以及激光器應(yīng)包括光放大器和光諧振腔兩部分，最后導(dǎo)出產(chǎn)生激光必須具備的條件。
第二章 激光器的工作原理
§1.光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
了解光學(xué)諧振腔的作用，它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，進(jìn)行激光器件的設(shè)計(jì)和裝調(diào)的基礎(chǔ)，也是研究和掌握激光本技術(shù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何偏折損耗的高低．開放式 光腔可以分為穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性 1．光腔的作用 2．光腔的構(gòu)成和分類
二、腔 —— 開放式共軸球面光學(xué)諧振腔的構(gòu)成（重點(diǎn)）
三、腔按幾何損耗(幾何反射逸出)的分類:
四、共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件
五、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖及其分類（重點(diǎn)）
六、穩(wěn)定圖: 穩(wěn)定條件的圖示
七、定圖的應(yīng)用（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
例(a)要制作一個(gè)腔長(zhǎng)L＝60cm的對(duì)稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？
(b)穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑R1＝4L，求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式。
先回顧產(chǎn)生激光的必要條件，引進(jìn)對(duì)光腔問題的研究在激光技術(shù)中具有重要的理論和實(shí)踐意義。再介紹開放式共軸球面光學(xué)諧振腔的構(gòu)成，并根據(jù)光腔按幾何損耗進(jìn)行分類以及光腔穩(wěn)定條件、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖。重點(diǎn)介紹對(duì)稱共焦腔是最重要和最具有代表性的一種穩(wěn)定腔。最后用圖直觀地表示穩(wěn)定條件——穩(wěn)定圖及穩(wěn)定圖的應(yīng)用。
§2.速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
掌握速率方程方法以及速率方程的求解步驟，通過求解速率方程組，了解可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的幾種量子系統(tǒng)。從而知道在光頻區(qū), 二能級(jí)系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而三能級(jí)系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但因?yàn)橄履芗?jí)為基態(tài)，極易積累粒子，對(duì)抽運(yùn)的要求很高，所以不易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；而四能級(jí)系統(tǒng)的下能級(jí)不是基態(tài)，故閾值抽運(yùn)強(qiáng)度比三能級(jí)系統(tǒng)小，有時(shí)甚至可以小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，所以四能級(jí)系統(tǒng)較容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容： 一、二能級(jí)三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)（重點(diǎn)）
畫出各能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)圖、列出各能級(jí)系統(tǒng)能的速率方程組，求解速率方程組，從
而得到數(shù)學(xué)解和物理解；分析各能級(jí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)解和物理解，得出結(jié)論——二能級(jí)系統(tǒng)
不可能產(chǎn)生激光，而四能級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)生激光要比三能級(jí)系統(tǒng)容易得多。
二、考慮譜線增寬再討論以上情況。（重點(diǎn)）
三、穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
四、小信號(hào)工作時(shí)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
1．小信號(hào)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
2．小信號(hào)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件
五、均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布（難點(diǎn)）
六、均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)（難點(diǎn)）
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式。
先回顧實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的兩個(gè)必要條件，引入速率方程方法，求解速率方程組，分析粒子系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)解，確定粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。進(jìn)一步討論穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，導(dǎo)出小信號(hào)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件，再研究均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布△n，討論△n與各種因素的關(guān)系，引出△n飽和效應(yīng)的概念、飽和原因。最后導(dǎo)出飽和光強(qiáng)(飽和參量)Is 的物理意義。
§3.均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
從速率方程出發(fā)導(dǎo)出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強(qiáng)增加時(shí)增益的飽和行為，導(dǎo)出的增益系數(shù)表示式。從而得到結(jié)果——在均勻加寬譜線情況下,由于每個(gè)粒子對(duì)譜線不同頻率處的增益都有貢獻(xiàn),所以當(dāng)某一頻率(ν
1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時(shí).,也就減少了對(duì)其他頻率(ν)信號(hào)的增益起作用的粒子數(shù)。其結(jié)果是增益在整個(gè)譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當(dāng)一個(gè)模振蕩后,就會(huì)使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容
一、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)
二、增寬飽和：在抽運(yùn)速率一定的條件下，當(dāng)入射光的光強(qiáng)很弱時(shí)，增益系數(shù)是一個(gè)常數(shù)；當(dāng)入射光的光強(qiáng)增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增大而減小。
三、對(duì)增益飽和分幾種情況討論（重點(diǎn)）
例.He-Ne激光器中，Ne原子數(shù)密度n0＝n1+n2＝l012 cm-3，1/f(?)＝15×109 s-1，λ＝0.6328?m，＝10-7s，g2＝3，g1＝5，又知E2、E1能級(jí)數(shù)密度之比為4，求此介質(zhì)的增益系數(shù)G值。
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式。
從速率方程出發(fā)導(dǎo)出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強(qiáng)增加時(shí)增益的飽和行為。讓學(xué)生明確：在均勻加寬譜線情況下,由于每個(gè)粒子對(duì)譜線不同頻率處的增益都有貢獻(xiàn),所以當(dāng)某一頻率(ν1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時(shí).,也就減少了對(duì)其他頻率(ν)信號(hào)的增益起作用的粒子數(shù)。其結(jié)果是增益在整個(gè)譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當(dāng)一個(gè)模振蕩后,就會(huì)使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。
§4.非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
因?yàn)榫哂芯鶆蚣訉捵V線和具有非均勻加寬譜線的工作物質(zhì)的增益飽和行為有很大差別,由它們所構(gòu)成的激光器的工作特性也有很大不同,因此將分別予以討論。所以必須掌握非均勻增寬介質(zhì)的特點(diǎn)，即不同發(fā)光粒子只對(duì)光源光譜線的相應(yīng)部分有貢獻(xiàn)。從而導(dǎo)出的增益系數(shù)表示式以及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)—— 燒孔效應(yīng)。分析可以得到：光波I 使均勻增寬型介質(zhì)對(duì)各種頻率的光波的增益系數(shù)都下降同樣的倍數(shù)；而對(duì)非均勻增寬型介質(zhì)它只能引起某個(gè)范圍內(nèi)的光波的增益系數(shù)下降，并且下降的倍數(shù)不同。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和
1．由于介質(zhì)內(nèi)的粒子在作紊亂的熱運(yùn)動(dòng)，粒子運(yùn)動(dòng)的速度沿腔軸方向的分量滿足麥克斯韋速度分布律。
2．因?yàn)樵诜蔷鶆蛟鰧捁ぷ魑镔|(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度△n0 按頻率v有一個(gè)分布.二、增益系數(shù)的計(jì)算（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
方法:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。
三、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布
四、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)燒孔效應(yīng)（重點(diǎn)）
五、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式。
先回顧非均勻增寬特點(diǎn)——不同發(fā)光粒子只對(duì)光源光譜線的相應(yīng)部分有貢獻(xiàn)。分析影響增益系數(shù)以及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的各種因素,讓學(xué)生明確：因?yàn)樵诜蔷鶆蛟鰧捁ぷ魑镔|(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n0 按頻率v有一個(gè)分布.著重講解非均勻增寬增益系數(shù)的計(jì)算，方法是:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。再介紹非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和。引進(jìn)—— 燒孔效應(yīng)的概念。讓學(xué)生了解到(燒孔面積)常用來估算輸出激光功率?！?.激光器的損耗與閾值條件
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
如果諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)的某對(duì)能級(jí)處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài),則頻率處在它的譜線寬度內(nèi)的微弱光信號(hào)會(huì)因增益而不斷增強(qiáng)。另一方面,諧振腔中存在的各種損耗,又使光信號(hào)不斷衰減。能否產(chǎn)生振蕩,取決于增益與損耗的大小。本節(jié)由增益飽和效應(yīng)出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的腔內(nèi)平均光強(qiáng),推導(dǎo)激光器自激振蕩的閾值條件。并在此基礎(chǔ)上給出粗略估算輸出功率的方法。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、損耗
1．內(nèi)部損耗——增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。2．鏡面損耗
二、激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強(qiáng)的過程（重點(diǎn)）
三、閾值條件
四、對(duì)介質(zhì)能級(jí)選取的討論
例：實(shí)驗(yàn)測(cè)得He-Ne激光器以波長(zhǎng) λ＝0.6328?工作時(shí)的小訊號(hào)增益系數(shù)為G0＝3?10－4/d(cm-1)，d為腔內(nèi)毛細(xì)管內(nèi)徑(cm)。以非均勻增寬計(jì)算腔內(nèi)光強(qiáng)I＝50W／cm2的增益系數(shù)G(設(shè)飽和光強(qiáng)Is＝30W／cm2時(shí)，d＝1mm)，并問這時(shí)為保持振蕩穩(wěn)定，兩反射鏡的反射率(設(shè)r1＝r2，腔長(zhǎng)0.1m)最小為多少(除透射損耗外，腔內(nèi)其它損耗的損耗率a內(nèi)＝9?10－4cm-1)?又設(shè)光斑面積A＝0.11mm2，透射系數(shù)t＝0.008，鏡面一端輸出，求這時(shí)輸出功率為多少毫瓦。
本節(jié)課教學(xué)手段與方法：
采用多媒體形式。
先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵(lì)能源3.光學(xué)諧振腔再討論對(duì)光學(xué)諧振腔, 要獲得光自激振蕩, 須令光在腔內(nèi)來回一次所獲增益,至少可補(bǔ)償傳播中的損耗.，研究諧振腔的損耗與閾值條件。通過研究激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強(qiáng)的過程，推導(dǎo)出形成激光所要求的增益系數(shù)的條件、激勵(lì)能源對(duì)介質(zhì)粒子的抽運(yùn)一定要滿足的條件，然后對(duì)介質(zhì)能級(jí)選取進(jìn)行討論，并通過例題加深學(xué)生對(duì)這些問題的認(rèn)識(shí)。
第三章 激光器的輸出特性
§1.光學(xué)諧振腔的衍射理論
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
本節(jié)將討論光腔模式問題。模式問題在激光技術(shù)中具有重要的理論和實(shí)踐意義。它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，自再現(xiàn)模的求解是諧振腔衍射理論的重要部分，自再現(xiàn)模積分的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是菲涅耳——基爾霍夫衍射積分公式，我們的目的是弄清楚激光模式的基本特征及其與腔的結(jié)構(gòu)之間的具體依賴關(guān)系。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、惠更斯-基爾霍夫衍射公式
二、光學(xué)諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程（重點(diǎn)）
1．自再現(xiàn)模概念
2．腔與模的一般聯(lián)系
3．橫模的形成
4．孔闌傳輸線、自再現(xiàn)模(橫模)的形成過程
三、菲涅耳-基爾霍夫衍射積分（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
首先要解決的一個(gè)問題是,如果已知某一鏡面上的場(chǎng)分布u1(x?，y?),如何求出在衍射的作用下經(jīng)腔內(nèi)一次渡越而在另一個(gè)鏡面上生成的場(chǎng)u2(x,y)。' 這里,(x?,y?)、(x,y)分別衰示兩個(gè)鏡面上場(chǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)。知道了光波場(chǎng)在其所達(dá)到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場(chǎng)在空間其他任意位置處的振幅和相位分布。
四、積分方程解的物理意義（重點(diǎn)）
五、光學(xué)諧振腔諧振頻率和激光縱模
1．諧振條件、駐波和激光縱模 2．縱模頻率間隔
3．選縱模
本節(jié)課教學(xué)手段：
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先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵(lì)能源3.光學(xué)諧振腔再?gòu)难芯恐C振腔的衍射理論開始,為了形象地理解開腔中自再現(xiàn)模的形成過程,我們用波在孔闌傳輸線中的行進(jìn),模擬它在平面開腔中的往復(fù)反射。這種孔闌傳輸線由一系列同軸的孔徑構(gòu)成,這些孔徑開在平行放置著的無限大完全吸收屏上,相鄰兩個(gè)孔徑間的距離等于腔長(zhǎng),孔徑大小等于鏡的大小。當(dāng)模擬對(duì)稱開腔時(shí),所有孔徑的大小和形狀都應(yīng)相同。
光學(xué)中著名的惠更斯-菲涅耳原理是從理論上分析衍射問題的基礎(chǔ),因而' 也必然是開腔模式問題的理論基礎(chǔ)。該原理的嚴(yán)格數(shù)學(xué)表述是所謂菲涅耳.基爾霍夫衍'射積分,它可以從普遍的電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)出來。該積分公式表明,如果知道了光波場(chǎng)在其所達(dá)到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場(chǎng)在空間其他任意位置處的振幅和相位分布
§2.對(duì)稱共焦腔內(nèi)外的光場(chǎng)分布
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
敘述開腔模的物理概念, 應(yīng)用惠更斯-菲涅耳原理是從理論上定量討論衍射問題。介紹平面腔模的迭代解法，求解對(duì)稱共焦腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場(chǎng)的分布。以方型鏡面的對(duì)稱共焦腔為例，求解方程：
?mnumn(x,y)???K(x,y,x',y')umm(x',y')ds'得出一系列本征函數(shù),它們描述共焦腔鏡面上場(chǎng)的振幅和相位分布,同時(shí)得出一系列相應(yīng)的本征值,它們決定模的相移和損耗。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、共焦腔鏡面上的場(chǎng)分布（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
1．方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解
2．鏡面上自再現(xiàn)模場(chǎng)的特征： TEMmn模在鏡面上振幅分布的特點(diǎn)取決于厄米多項(xiàng)式與高斯函數(shù)的乘積。厄米多項(xiàng)式的零點(diǎn)決定場(chǎng)的節(jié)線，厄米多項(xiàng)式的正負(fù)交替的變化與高斯函數(shù)隨著x、y的增大而單調(diào)下降的特征決定著場(chǎng)分布的外形輪廓。
二、共焦腔中的行波場(chǎng)與腔內(nèi)外的光場(chǎng)分布（重點(diǎn)）
腔內(nèi)的光場(chǎng)可以通過基爾霍夫衍射公式計(jì)算,由鏡面M1上的場(chǎng)分布在腔內(nèi)造成的行波求得。腔外的光場(chǎng)則就是腔內(nèi)沿一個(gè)方向傳播的行波透過鏡面的部分。即行波函數(shù)乘以鏡面的透射率t。
上式是共焦腔模式理論的最基本的結(jié)果。
?22??22??umn?x,y,z??CmnHm??xH??1??2w?n?1??2wss????2x2?y2? exp???1??2?w2??exp??i??x,y,z??s???y????本節(jié)課教學(xué)手段：
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前面已經(jīng)敘述了開腔模的物理概念,先回顧自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義、建立激光模式的概念。再求解對(duì)稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場(chǎng)的分布。讓學(xué)生了解到解積分方程問題就是要求出一些本征值與本征函數(shù)。它們決定著開腔自再現(xiàn)模的全部特征,包括場(chǎng)分布及傳輸特性，并以符號(hào)TEMmn表示共焦腔自再現(xiàn)模。共焦腔反射鏡面本身構(gòu)成光場(chǎng)的一個(gè)等相位面。
§3.高斯光束的傳播特性，穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
1.在求解對(duì)稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場(chǎng)的分布的基礎(chǔ) 上，研究高斯光束的傳播特性。
2． 共焦腔模式理論不僅能定量說明共焦腔震蕩模本身的特性，更重要的是它能夠被推廣到一般穩(wěn)定球面腔系統(tǒng)。本節(jié)將證明：任何一個(gè)共焦腔與無窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔等價(jià)，而任何一個(gè)球面腔唯一地等價(jià)于一個(gè)共焦腔。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、高斯光束的振幅和強(qiáng)度分布（重點(diǎn)）
1．基橫模TEM00的場(chǎng)振幅U00和強(qiáng)度I00分布分別為：
2．光斑半徑
3．模體積
二、高斯光束的相位分布（共焦場(chǎng)的等相位面的分布圖）
三、高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角
四、高斯光束的高亮度
五、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
1．穩(wěn)定球面腔的等價(jià)共焦腔
2．穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性
本節(jié)課教學(xué)手段：
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1.先回顧求解對(duì)稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場(chǎng)的分布，再研究高斯光束的傳播特性。引導(dǎo)學(xué)生了解到高斯光束與普通光束有著很大的區(qū)別，因此研究高斯光束在空間的傳輸規(guī)律．以及光學(xué)系統(tǒng)對(duì)高斯光束的變換規(guī)律，就成為激光的理論和實(shí)際應(yīng)用中的重要問題。
2.共焦腔模式理論不僅能定量地說明共焦腔振蕩模本身的特征,更重要的是,它能被推廣到整個(gè)穩(wěn)定球面腔系統(tǒng),這一推廣是諧振腔理論中的一個(gè)重大進(jìn)展。任何一個(gè)共焦腔與無窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔等價(jià)。而任何一個(gè)穩(wěn)定球面腔唯一地等價(jià)于→個(gè)共焦腔。這里所說的“等價(jià)”,就是指它們具有相同的行波場(chǎng)。這種等價(jià)性深刻地揭示出各種穩(wěn)定腔(共焦腔也是其中的一種)之間的內(nèi)在聯(lián)系,它使得我們可以利用共焦腔模式理論的研究結(jié)果來解析地表述一般穩(wěn)定球面腔模的特征。
§4.激光器的輸出功率，激光器的線寬極限
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
1由于激活介質(zhì)中的光放大作用、諧振腔內(nèi)損耗系數(shù)的不均勻分布以及駐波效應(yīng)和光波場(chǎng)的橫向高斯分布,腔內(nèi)光強(qiáng)是不均勻的。精確計(jì)算腔內(nèi)各點(diǎn)光強(qiáng)是個(gè)復(fù)雜的問題。本節(jié)由增益飽和效應(yīng)出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的腔內(nèi)平均光強(qiáng),并在此基礎(chǔ)上給出粗略估算輸出功率的方法。
2．激光線寬及頻率牽引也是激光器的要特性
線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的,因而是無法排除的,所以稱它為線寬極限。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率
1．穩(wěn)定出光時(shí)激光器內(nèi)諸參數(shù)的表達(dá)式
2．激光器的輸出功率
二、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和（重點(diǎn)、難點(diǎn)）
三、非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率
四、激光器的線寬極限
1．造成線寬的原因
2．激光線寬與激光器輸出功率成反比
輸出功率越大,線寬就越窄。這是因?yàn)檩敵龉β试龃缶鸵馕吨粌?nèi)相干光子數(shù)增多,受激輻射比自發(fā)輻射占更大優(yōu)勢(shì),因而線寬變窄。減小損耗和增加腔長(zhǎng)也可使線寬變窄。例如半導(dǎo)體激光器由于腔長(zhǎng)只有數(shù)百微米而具有較寬的激光線寬。若將它與一外反射鏡構(gòu)成外腔半導(dǎo)體激光器則可使線寬顯著減小。P?AIout12LG0?t1IsA(?1)2a1?t1本節(jié)課教學(xué)手段：
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講解讓學(xué)生明白：1激光器在外界激發(fā)作用很弱時(shí),激活介質(zhì)的小信號(hào)增益系數(shù)小于閾值增益系數(shù),激光器無輸出。如果外界激發(fā)作用增強(qiáng)到小信號(hào)增益系數(shù)超過閾值增益系數(shù),腔內(nèi)光強(qiáng)便會(huì)不斷增大.但是腔內(nèi)光強(qiáng)不會(huì)無限制地增加下去,因?yàn)楫?dāng)光強(qiáng)越強(qiáng),消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便越多,由于激活介質(zhì)的增益飽和作用而使增益系數(shù)下降.只要增益系數(shù)尚未降至閾值,上述過程就會(huì)繼續(xù)下去,即光強(qiáng)繼續(xù)增大,增益系數(shù)繼續(xù)下降.直到增益系數(shù)下降到閾值時(shí),增益與損耗達(dá)到平衡,光強(qiáng)不在增大,這時(shí),激光器建立起了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。2因此激光器的凈損耗以及單縱模的線寬似乎應(yīng)等于零,但這只是對(duì)激光器內(nèi)物理過程的一種理想化的近似描述。這種理想情況的物理圖像是:腔內(nèi)的受激輻射能量補(bǔ)充了損耗的能量,且由于受激輻射產(chǎn)生的光波與原來的光波具有相同的相位,二者相干疊加使腔內(nèi)光波的振幅始終保持恒定,因而輸出激光在理想情況下為一無限長(zhǎng)的波列,其線寬應(yīng)等于零。這一矛盾的原因是,我們?cè)诜治黾す馄髡袷庍^程時(shí),忽略了自發(fā)輻射的存在,而實(shí)際上自發(fā)輻射是始終存在的。由于和受激輻射相比自發(fā)輻射的貢獻(xiàn)極其微弱,因而在討論閾值及輸出功率等問題時(shí)可以忽略不計(jì);但在考慮線寬問題時(shí)卻必須考慮自發(fā)輻射的影響。
第四章 激光的基本技術(shù)
§1.激光器輸出的選模
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
從一臺(tái)簡(jiǎn)單激光器出射的激光束,其性能往往不能滿足應(yīng)用的需要,為了改善激光器輸出光的時(shí)間相性或空間相干性,發(fā)展了模式選擇。本節(jié)介紹如何設(shè)計(jì)與改進(jìn)激光器的諧振腔以獲得單模輸出的原理
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、激光單縱模的選取
1．均勻增寬型譜線的縱模競(jìng)爭(zhēng)
2．非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩
3．單縱模的選取
二、激光單橫模的選取
1．衍射損耗和菲涅耳數(shù)
2．衍射損耗曲線
3．光闌法選取單橫模
4．聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模
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講解讓學(xué)生明白：1.激光的優(yōu)點(diǎn)在于它具有良好的方向性、單色性和相干性。理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個(gè)模式,然而若不采取選模措施,多數(shù)激光器的工作狀態(tài)往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強(qiáng)分布不均勻,光束發(fā)散角較大。含有多縱模及多橫模的激光束單色性及相干性差。激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)研究、激光中遠(yuǎn)程測(cè)距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉計(jì)量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的,同時(shí)要求光束僅含有一個(gè)縱模。因此,如何設(shè)計(jì)與改進(jìn)激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個(gè)重要課題。然后介紹實(shí)現(xiàn)橫模選擇的幾種具體方法、如何在特定躍遷譜線寬度范圍內(nèi)獲得單縱模振蕩的方法。
§2.激光調(diào)Q技術(shù)，激光鎖模技術(shù)
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
本節(jié)討論了用調(diào)Q技術(shù)壓縮激光脈沖寬度以獲得高功率脈沖的方法。為了得到更窄的脈沖,還可以利用鎖模技術(shù)對(duì)激光束進(jìn)行特殊的調(diào)制,使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關(guān)系,從而使各個(gè)模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模激光脈沖寬度可達(dá)10-11~10-14s,相應(yīng)的具有很高的峰值功率。本節(jié)還對(duì)鎖模激光器工作原理作簡(jiǎn)單介紹。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、激光調(diào) Q 技術(shù)
1激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q
2調(diào) Q原理（重點(diǎn)）
調(diào)Q 激光器的基本原理:就是通過某種方法使諧振腔的損耗值按規(guī)定的程序變化,從而壓縮光脈沖的寬度,大大提高輸出峰值功率。調(diào)Q 的基本過程:在泵浦開始時(shí),使諧振腔的損耗增大, Q 值降低,此時(shí)器件振蕩閾值變高,振蕩不能形成,上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度便有可能大量積累.當(dāng)積累到最大值(飽和值)時(shí),突然使諧振腔的損耗變小, Q 值突增,這時(shí)器件振蕩閾值突然變低,激光器振蕩迅速建立,腔內(nèi)象雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)的振蕩,在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗,轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,同時(shí)輸出一個(gè)極強(qiáng)的激光脈沖。
3電光調(diào) Q
4聲光調(diào) Q
5染料調(diào)Q
二、激光鎖模技術(shù)
鎖模是進(jìn)一步對(duì)激光進(jìn)行特殊的調(diào)制。技術(shù)上利用多縱模輸出的激光束，經(jīng)過特殊的調(diào)制，使其各個(gè)縱模之間有了確定的位相關(guān)系。
1主動(dòng)鎖模
2被動(dòng)鎖模 本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式 通過討論讓學(xué)生明白：
為了得到高的峰值功率和窄的單個(gè)脈沖,采用了Q調(diào)制技術(shù),它的基本原理是通過某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)按照規(guī)定的程序變化,在泵浦激勵(lì)剛開始時(shí),先使光腔具有高損耗δH,激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩,于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較高的水平。然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻,使腔的損耗突然降低到δ,閾值也隨之突然降低,此時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過閾值,受激輻射極為迅速地增強(qiáng)。于是在極短時(shí)間內(nèi),上能級(jí)儲(chǔ)存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?在輸出端有一個(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在ms級(jí),峰值功率也只有幾十kW.調(diào) Q 激光器,光脈沖的寬度可以壓到ns級(jí),峰值功率也已達(dá)到MW.而鎖模是進(jìn)一步對(duì)激光進(jìn)行特殊的調(diào)制。
第五章 典型激光器介紹
§1.固體激光器
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
一般固體激光器是指沒有調(diào)Q、倍頻、鎖模等特殊功能的固體激光器,它是固體激光器的最基本組成形式。本節(jié)重點(diǎn)討論固體激光器的共同部分,即討論固體工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、冷卻與濾光以及連續(xù)和長(zhǎng)脈沖固體激光器的闕值、激光輸出能量(功率)和效率。在泵浦系統(tǒng)中著重討論當(dāng)前最常用的燈泵浦系統(tǒng)和時(shí)可國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的激光二極管泵浦系統(tǒng)。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)（重點(diǎn)）
固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。
紅寶石激光器屬于三能級(jí)系統(tǒng)，紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)和主要缺點(diǎn)。
二、固體激光器的泵浦系統(tǒng)
固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。
三、固體激光器的輸出特性
固體激光器的激光脈沖特性
四、新型固體激光器
1.半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器
2.可調(diào)諧固體激光器
3.高功率固體激光器
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式 通過討論讓學(xué)生明白：
紅寶石突出的缺點(diǎn)是閾值高(因是三能級(jí))和性能易隨溫度變化。但具有很多優(yōu)點(diǎn),如:機(jī)械強(qiáng)度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長(zhǎng)成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng),儲(chǔ)能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測(cè)接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達(dá)上千焦耳。單級(jí)調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對(duì)載有角反射器的人造衛(wèi)星進(jìn)行了測(cè)距試驗(yàn))。多級(jí)放大器件的輸出峰值功率已達(dá)數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻(xiàn)比較大的一種晶體。
§2.氣體激光器
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
本節(jié)重點(diǎn)討論He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理、輸出特性、CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程 Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)、Ar＋激光器的工作持性。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、氦-氖(He-Ne)激光器
1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理
2.He-Ne激光器的輸出特性二、二氧化碳激光器
1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程
2．CO2激光器的輸出特性
三、Ar+離子激光器
1.Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)
2.Ar＋激光器的激發(fā)機(jī)理
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式
通過討論讓學(xué)生明白：與其他種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點(diǎn)是輸出光束的質(zhì)量好（單色性、相干性、光束方向性和穩(wěn)定性等）。
§3.染料激光器，半導(dǎo)體激光器，其他激光器
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
本節(jié)重點(diǎn)討論染料激光器、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理、輸出特性、工作持性等。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、染料激光器的激發(fā)機(jī)理
1.染料分子能級(jí)
2.染料分子的光輻射過程
3.染料分子的三重態(tài)“陷阱”
二、染料激光器的泵浦
1.閃光燈脈沖泵浦
2.激光脈沖泵浦
三、染料激光器的調(diào)諧
四、半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件
五、PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
六、半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件
七、同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器
八、準(zhǔn)分子激光器 本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式
通過討論讓學(xué)生明白各種激光器的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。
激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，包括以激光為信息載體，將聲音、圖象、數(shù)據(jù)等各種信息通過激光傳送出去，或者通過激光將信息存儲(chǔ)在光學(xué)存儲(chǔ)器里，以及通過激光將信息打印或顯示出來，等等。本節(jié)介紹激光通信、激光顯示、激光存儲(chǔ)等領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用，讓學(xué)生了解到激光在上述各方面應(yīng)用的新思想、新概念、新技術(shù)、新進(jìn)展。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
一、光纖通信系統(tǒng)中的激光器和放大器
1．半導(dǎo)體激光器 2．光纖激光器 3．光放大器
二、激光全息三維顯示
1．全息術(shù)的歷史回顧
2．激光全息術(shù)的基本原理和分類
3．白光再現(xiàn)的全息三維顯示 4．計(jì)算全息圖
5．計(jì)算全息三維顯示的優(yōu)點(diǎn)
三、激光存儲(chǔ)技術(shù)
1．激光存儲(chǔ)的基本原理、分類及特點(diǎn)
2．激光光盤存儲(chǔ)
3．激光體全息光存儲(chǔ)
4．激光存儲(chǔ)技術(shù)的新進(jìn)展
四、激光掃描和激光打印機(jī)
1．激光掃描
2．激光打印機(jī)
本節(jié)課教學(xué)手段：
采用多媒體形式
通過學(xué)習(xí)讓學(xué)生了解到激光在上述各方面應(yīng)用的新思想、新概念、新技術(shù)、新進(jìn)展。
復(fù)習(xí)課
本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)：
系統(tǒng)復(fù)習(xí)本學(xué)期所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，幫助學(xué)生總結(jié)本課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決問題的辦法。讓學(xué)生了解到：在光信息科學(xué)與技術(shù)知識(shí)體系中，激光在信息產(chǎn)生、獲取和處理中均起到重要作用。
本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容：
重點(diǎn)：輻射半經(jīng)典理論、光譜線形及加寬機(jī)制、增益飽和、閾值條件、連續(xù)激光器的穩(wěn)態(tài)建立、諧振腔的穩(wěn)定條件、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性、等價(jià)共焦腔、調(diào)Q及鎖模技術(shù)原理
難點(diǎn)：增益飽和、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性
解決辦法：針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，采取重點(diǎn)復(fù)習(xí)，認(rèn)真閱讀教科書，通過比較多樣化解題方式，并借助上課時(shí)發(fā)下去的多媒體課件的直觀化，真正理解和掌握重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，握激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的基本物理原理及激光應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)。為后續(xù)專業(yè)課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，為今后在光電子學(xué)及相關(guān)的電子信息科學(xué)等領(lǐng)域從事學(xué)術(shù)研究和教學(xué)工作奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。
本節(jié)課教學(xué)手段：
借助多媒體課件的直觀化，使學(xué)生真正理解和掌握重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容。
第二篇：激光切割技術(shù)的原理及應(yīng)用
遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
激光切割技術(shù)的原理及應(yīng)用
1.激光切割技術(shù)簡(jiǎn)介.......................................................................2 1.1激光切割技術(shù)概述................................................................2 1.2激光切割技術(shù)的原理............................................................4 1.3激光切割技術(shù)的發(fā)展歷史....................................................5 2.激光切割的特點(diǎn).............................................................................6 2.1激光切割的總體特點(diǎn)............................................................6 2.2 CO2激光切割技術(shù)的特點(diǎn).....................................................7 2.3半導(dǎo)體激光切割機(jī)................................................................8 2.4光纖激光切割機(jī)....................................................................8 3.激光切割技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景.............................................10 3.1激光切割技術(shù)的市場(chǎng)現(xiàn)狀..................................................10 3.2激光切割技術(shù)的應(yīng)用..........................................................12 結(jié)論..................................................................................................13
遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
激光切割技術(shù)的原理及應(yīng)用
材料12A文修曜
摘要
激光加工技術(shù)是一種先進(jìn)制造技術(shù)，而激光切割是激光加工應(yīng)用領(lǐng)域的一部分，激光切割是當(dāng)前世界上先進(jìn)的切割工藝。由于它具備精密制造、柔性切割、異型加工、一次成形、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中解決了許多常規(guī)方法無法解決的難題。激光能切割大多數(shù)金屬材料和非金屬材料。
Abstract
The laser processing technology is a kind of advanced manufacturing technology, and laser cutting is part of the laser processing applications, laser cutting is the current advanced cutting technology in the world.Because it has flexible cutting, stone processing, precision manufacturing, a forming, fast speed, higher efficiency, so in industrial production solved many conventional methods cannot solve the problem.Can laser cutting most of the metal materials and nonmetal materials.關(guān)鍵詞：激光切割的原理；激光切割的分類及特點(diǎn)；激光切割技術(shù)的應(yīng)用
1.激光切割技術(shù)簡(jiǎn)介
1.1激光切割技術(shù)概述
激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。它占整個(gè)激光加工業(yè)的70%以上。激光切割與其他切割方法相比，最大區(qū)別是它具有高速、高精度及高適應(yīng)性的特點(diǎn)。同時(shí)還具有割縫細(xì)、熱影響區(qū)小、切割面質(zhì)量好、切割時(shí)無噪聲、切割過程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。激光切割板材時(shí)，不需要模具，可以替代 2 遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
一些需要采用復(fù)雜大型模具的沖切加工方法，能大大縮短生產(chǎn)周期和降低成本。因此，目前激光切割已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門中。
激光切割主要是CO2激光切割,激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,并使CO2激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而形成一定狀的切縫。激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成一定形狀的切縫。激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。
激光束聚焦成很小的光點(diǎn)其最小直徑可小于0.1mm，使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度可超過106W／cm2)。這時(shí)光束輸入（由光能轉(zhuǎn)換）的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散部分，材料很快加熱至汽化濕度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄（如0.1mm左右）的切縫。切邊熱影響很小，基本沒有工件變形。
切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助氣體。鋼切割時(shí)得用氧作為輔助氣體與溶融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料，同時(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性氣體。進(jìn)入噴嘴的輔助氣體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱。
大多數(shù)有機(jī)與無機(jī)都可以用激光切割。在工業(yè)制造占有分量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可進(jìn)形無變形切割。當(dāng)然，對(duì)高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。
激光切割無毛刺，皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來說，由于微機(jī)程序的現(xiàn)代化激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度慢于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，還節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省加工費(fèi)用，降低產(chǎn)品成本，所以從總體上講在經(jīng)濟(jì)上更為合算。
另一方面，從如何使模具適應(yīng)工件設(shè)計(jì)尺寸和形狀變化角度看，激光切割也 3 遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
可發(fā)揮其精確、重現(xiàn)性好的優(yōu)勢(shì)。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不需要高級(jí)模具制作工，激光切割運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也并不昂貴，因此還能顯著地降低模具制造費(fèi)用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)淺硬化層，提高模具運(yùn)行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點(diǎn)給圓鋸片切割成形帶來無應(yīng)力優(yōu)勢(shì)，由此提高了使用壽命。
1.2激光切割技術(shù)的原理
在激光束能量作用下（氧助切割機(jī)制下，還要加上噴氧氣與到達(dá)燃點(diǎn)的金屬發(fā)生放熱反應(yīng)放出的熱量），材料表面被迅速（ms范圍）加熱到幾千乃至上萬度（℃）而熔化或汽化，隨著汽化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體（氧氣或氮?dú)獾榷栊詺怏w）吹走，切縫便產(chǎn)生了。脈沖激光適用于金屬材料,連續(xù)激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。
激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過材料表面，在極短時(shí)間內(nèi)將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使材料熔化或氣化，再用高壓氣體將熔化或氣化物質(zhì)從切縫中吹走，達(dá)到切割材料的目的。
該技術(shù)采用激光束照射到鋼板表面時(shí)釋放的能量來使不銹鋼熔化并蒸發(fā)。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為500～2500瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，但是，通過透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進(jìn)行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發(fā)。此外，由于能量非常集中，所以，僅有少量熱傳到鋼材的其它部分，所造成的變形很小或沒有變形。利用激光可以非常準(zhǔn)確地切割復(fù)雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進(jìn)一步的處理。
激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來隨著CO2激光器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進(jìn)的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對(duì)于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對(duì)于薄板采用剪床下料，成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓，單件的采用振動(dòng)剪。七十年代后，為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量，又推廣了氧乙烷精 遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期，又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其有缺點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。
1.3激光切割技術(shù)的發(fā)展歷史
激光切割是激光加工行業(yè)中最量要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù),由于具有諸多特點(diǎn),已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門。近年來，激光切割技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)際上每年都以20％～30％的速度增長(zhǎng)。我國(guó)自1985年以來，更以每年25％以上的速度增長(zhǎng)。由于我國(guó)激光工業(yè)基礎(chǔ)較差，激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍，激光加工整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍有較大差距，相信隨著激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些障礙和不足會(huì)得到解決。激光切割技術(shù)必將成為21世紀(jì)不可缺少的重要的鈑金加工手段。激光切割加工廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，加上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)激光切割加工技術(shù)進(jìn)行不斷探入的研究，推動(dòng)著激光切割技術(shù)不斷創(chuàng)新，激光切割技術(shù)的發(fā)展方向如下：
(1)伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的CNC及伺服系統(tǒng),使用高功率的激光切割可獲得高的加工速度,同時(shí)減小熱影響區(qū)和熱畸變;所能夠切割的材料板厚也格進(jìn)一步地提高，高功率激光可以通過使用Q 開關(guān)或加載脈沖波，從而使低功率激光器產(chǎn)生出高功率激光。
(2)根據(jù)激光切割工藝參數(shù)的影響情況，改進(jìn)加工工藝，如：增加輔助氣體對(duì)切割熔渣的吹力；加入造渣劑提高熔體的流動(dòng)性；增加輔助能源，并改善能量之間的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。
(3)激光切割將向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。將CAD/CAPP/CAM[4]以及人工智能運(yùn)用于激光切割，研制出高度自動(dòng)化的多功能激光加工系統(tǒng)。
(4)根據(jù)加工速度自適應(yīng)地控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專家自適應(yīng)控制系統(tǒng)使得激光切割整機(jī)性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)核心，面向通用化CAPP開發(fā)工具，對(duì)激光切割工藝設(shè)計(jì)所涉及的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。
(5)向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各 遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。
(6)隨著Internet和WEB技術(shù)的發(fā)展，建立基于WEB的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用模糊推理機(jī)制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來自動(dòng)確定激光切割工藝參數(shù)，并且能夠遠(yuǎn)程異地訪問和控別激光切割過程成了不可避免的趨勢(shì)。
(7)三維高精度大型數(shù)控激光切割機(jī)及其切割工藝技術(shù)，為了滿足汽車和航空等工業(yè)的立體工件切割的需要，三維激光切割機(jī)正向高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向民展，激光切割機(jī)器人的應(yīng)用范圍將會(huì)愈來愈大。激光切割正向著激光切割單元FMC、無人化和自動(dòng)化方向發(fā)展。
2.激光切割的特點(diǎn)
2.1激光切割的總體特點(diǎn)
激光加工作為一種全新的加工方法，以其加工精確、快捷、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在皮革、紡織服裝行業(yè)內(nèi)逐漸得到廣泛的應(yīng)用。鐳射激光切割機(jī)與傳統(tǒng)的切割方式相比不僅價(jià)格低,消耗低.并且因?yàn)榧す饧庸?duì)工件沒有機(jī)械壓力,所以切割出來產(chǎn)品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且還具有操作安全,維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn).可連續(xù)24小時(shí)工作。用鐳射激光機(jī)切割出來的無塵布無紡布邊不發(fā)黃,自動(dòng)收邊不散邊,不變形，不會(huì)發(fā)硬,尺寸一致且精確；可切割任意復(fù)雜形狀；效率高、成本低，電腦設(shè)計(jì)圖形,可切割任意形狀任各種大小的花邊。開發(fā)速度快：由于激光和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，用戶只要在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)激光雕刻輸出并且可隨時(shí)變換雕刻,可邊設(shè)計(jì)邊出產(chǎn)品。
激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面，使材料熔化,同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而形成一定外形的切縫。
1．精度高：定位精度0.05mm，重復(fù)定位精度0.02 mm 2．切縫窄：激光束聚焦成很小的光點(diǎn)，使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度，材料很快加熱至氣化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切口寬度一般為0.10～0.20mm。
3．切割面光滑：切割面無毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以內(nèi)。遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
4．速度快：切割速度可達(dá)50m/min，最大定位速度可達(dá)70m/min，比線切割的速度快很多。
5．切割質(zhì)量好：無接觸切割，切邊受熱影響很小，基本沒有工件熱變形，完全避免材料沖剪時(shí)形成的塌邊，切縫一般不需要二次加工。
6．不損傷工件：激光切割頭不會(huì)與材料表面相接觸，保證不劃傷工件。7．不受被切材料的硬度影響：激光可以對(duì)布料，橡皮等柔軟材質(zhì)進(jìn)行加工，不管什么樣的硬度，都可以進(jìn)行無變形切割。
8．不受工件外形的影響：激光加工柔性好，可以加工任意圖形，可以切割管材及其它異型材。
9．可以對(duì)非金屬進(jìn)行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、紡織品、有機(jī)玻璃等。
10．節(jié)約模具投資：激光加工不需模具，沒有模具消耗，無須修理模具，節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省了加工費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本，尤其適合大件產(chǎn)品的加工。
2.2 CO2激光切割技術(shù)的特點(diǎn)
1.切割質(zhì)量好
切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5--25μm），切縫一般不需要再加工即可焊接。2.切割速度快
例如采用2KW激光功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極小。3.清潔、安全、無污染
大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當(dāng)然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達(dá)到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點(diǎn)足以證明：CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛的一種先進(jìn)加工方法。
遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
2.3半導(dǎo)體激光切割機(jī)
1簡(jiǎn)介
半導(dǎo)體激光切割機(jī)采用半導(dǎo)體泵浦激光器，半導(dǎo)體泵浦激光器是近年來國(guó)際上發(fā)展最快，應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來對(duì)激光晶體進(jìn)行泵浦，從而取得了嶄新的發(fā)展，被稱為第二代的激光器。這是一種高效率、長(zhǎng)壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊小型化的第二代新型固體激光器，目前在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學(xué)，醫(yī)療器械，光學(xué)圖象處理，激光打印機(jī)等高科技領(lǐng)域有著獨(dú)具特色的應(yīng)用前景。
2特點(diǎn)
1、采用半導(dǎo)體泵浦源和德國(guó)高速標(biāo)記振鏡頭，光電轉(zhuǎn)化效率高、光束質(zhì)量好。
2、采用全數(shù)字化激光標(biāo)記和獨(dú)特的激光選模及深雕技術(shù)，確保了設(shè)備具有極高的穩(wěn)定性、精確性和友好的操作性。并可選配自動(dòng)測(cè)焦和調(diào)焦系統(tǒng)，滿足精確切割和多樣化打標(biāo)需求。
3、周到的防護(hù)設(shè)計(jì)：缺水保護(hù)，激光諧振腔光路和激光腔腔體雙重密封，防潮裝置，防長(zhǎng)出光裝置。
4、多樣的外圍裝置設(shè)計(jì)：自動(dòng)上、下料系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)標(biāo)記轉(zhuǎn)臺(tái)，排風(fēng)除塵系統(tǒng)，激光防護(hù)罩及燈光警示裝置。
5、光路預(yù)覽功能，焦點(diǎn)指示功能：在激光的光軸上疊加了可見紅光，用于指示激光束的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)打標(biāo)范圍的預(yù)覽。增加了指示對(duì)焦紅光，直觀方便的實(shí)現(xiàn)了對(duì)焦功能。
半導(dǎo)體激光切割機(jī)GDBEC-130250，選用進(jìn)口半導(dǎo)體泵浦源和德國(guó)高速標(biāo)記振鏡頭，光電轉(zhuǎn)化效率高，光束質(zhì)量好，可在金屬、非金屬等各類固性材料上進(jìn)行精確、快速的打標(biāo)和劃線，并可根據(jù)加工材料厚度，調(diào)整激光焦距，確保加工的最佳效果。適用于各類普通金屬及合金（鐵、銅、鋁、鎂、鋅等所有金屬）、稀有金屬及合金（金、銀、鈦）、金屬氧化物、ABS料（電器用品外殼、日用品）、油墨（透光按鍵、印刷制品），環(huán)氧樹脂（電子元件的封裝、絕緣層）等材料。
2.4光纖激光切割機(jī)
1簡(jiǎn)介 遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
光纖激光切割機(jī)是利用光纖激光發(fā)生器作為光源的激光切割機(jī)。光纖激光器是國(guó)際上新發(fā)展的一種新型光纖激光器輸出高能量密度的激光束，并聚集在工件表面上，使工件上被超細(xì)焦點(diǎn)光斑照射的區(qū)域瞬間熔化和氣化，通過數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)移動(dòng)光斑照射位置而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割。同體積龐大的氣體激光器和固體激光器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已逐漸發(fā)展成為高精度激光加工、激光雷達(dá)系統(tǒng)、空間技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的重要候選者。
光纖激光切割機(jī)它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且邊緣整齊、平滑,適用于金屬板等高精度的切割加工，同時(shí)加上機(jī)械臂可以進(jìn)行三維切割代替原本進(jìn)口的五軸激光。比起普通二氧化碳激光切割機(jī)更節(jié)省空間和氣體消耗量，光電轉(zhuǎn)化率高，是節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品，也是世界上領(lǐng)先技術(shù)產(chǎn)品之一。2光纖激光切割機(jī)較CO2激光切割機(jī)的優(yōu)勢(shì)：
1）卓越的光束質(zhì)量：聚焦光斑更小，切割線條更精細(xì)，工作效率更高，加工質(zhì)量更好；
2）極高的切割速度：是同等功率CO2激光切割機(jī)的2倍；
3）極高的穩(wěn)定性：采用世界頂級(jí)的進(jìn)口光纖激光器，性能穩(wěn)定，關(guān)鍵部件使用壽命可達(dá)10萬小時(shí)；
4）極高的電光轉(zhuǎn)換效率：光纖激光切割機(jī)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)30%左右，是CO2激光切割機(jī)高3倍，節(jié)能環(huán)保；
5）極低的使用成本：整機(jī)耗電量?jī)H為同類CO2激光切割機(jī)的20-30%； 6）極低的維護(hù)成本：無激光器工作氣體；光纖傳輸，無需反射鏡片；可節(jié)約大量維護(hù)成本；
7）產(chǎn)品操作維護(hù)方便：光纖傳輸，無需調(diào)整光路；
8）超強(qiáng)的柔性導(dǎo)光效果：體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，易于柔性加工要求。
遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
當(dāng)然了，與二氧化碳激光切割機(jī)相比，光纖的切割范圍相對(duì)狹窄。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的原因，其只能切金屬材料，對(duì)非金屬不容易被其吸收，從而影響其切割范圍。3與YAG激光切割機(jī)相比的優(yōu)勢(shì)：
1）切割速度：光纖激光切割機(jī)的速度是YAG的4-5倍，適用于大量加工與生產(chǎn)
2）使用成本：光纖激光切割機(jī)的使用成本比YAG固體激光切割更少 3）光電轉(zhuǎn)換效率：光纖激光切割機(jī)的光電轉(zhuǎn)換效率是YAG的10倍左右 相應(yīng)的光纖激光器的價(jià)格較高，所以光纖激光切割機(jī)價(jià)高比之YAG激光切割機(jī)要高出不少，但比二氧化碳激光切割機(jī)要低很多。但其性比價(jià)確實(shí)三者中最高的。
3.激光切割技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景
激光切割的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛, 比如汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的欽合金等等。近年來, 激光切割的新應(yīng)用層出不窮, 令人耳目一新。
3.1激光切割技術(shù)的市場(chǎng)現(xiàn)狀
我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雖然是一個(gè)初步發(fā)展，但在國(guó)際科技帶領(lǐng)下已經(jīng)完成了飛躍的發(fā)展，并且比同等質(zhì)量有一個(gè)高階段的突出。以激光切割機(jī)來講，市場(chǎng)的需求高達(dá)千萬，為廣闊的市場(chǎng)添加了新的生機(jī)。自從60年代第一臺(tái)激光設(shè)備的誕生和應(yīng)用開始，我國(guó)就有多位專家在激光行業(yè)付出了努力，并達(dá)到了國(guó)際一個(gè)微小的差值。在激光行業(yè)的發(fā)展同時(shí)，激光成套工業(yè)設(shè)備也進(jìn)入了生產(chǎn)的市場(chǎng)，擺脫了長(zhǎng)期依靠國(guó)外的局面，解決了國(guó)內(nèi)激光行業(yè)的尷尬局面。
遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，成為激光市場(chǎng)的高產(chǎn)業(yè)支柱，并且可以達(dá)到每年20%以上的增長(zhǎng)速，成為全球激光市場(chǎng)的一個(gè)新起點(diǎn)，根據(jù)專家預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)的激光市場(chǎng)仍處于高速的增長(zhǎng)階段，在未來可以在進(jìn)行翻倍的增加，來最大的擴(kuò)充激光切割設(shè)備的市場(chǎng)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，將國(guó)內(nèi)高端激光設(shè)備擺脫受困的狀態(tài)，成為國(guó)際上的頂梁柱。目前國(guó)內(nèi)的激光產(chǎn)業(yè)主要在深圳、武漢兩地聚集，其中深圳是國(guó)內(nèi)的重要銷售市場(chǎng)，并且以多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，領(lǐng)先了其他區(qū)域。
激光切割指采用激光發(fā)射性光束在產(chǎn)品上面打孔，根據(jù)水平移動(dòng)來對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的縫隙稱為激光切割，激光可以在多產(chǎn)品材料上面切割，如亞克力、刀模板、布料、皮革等行業(yè)都能運(yùn)用激光進(jìn)行切割，因此激光切割是一種在多行業(yè)切割的新型方案。對(duì)于這樣一種新型的切割方法，相對(duì)于傳統(tǒng)切割有著什么樣的優(yōu)勢(shì)呢，下面光博士帶您分析下。
激光是利用物質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生光，這種光帶有強(qiáng)烈的溫度，在接觸材料時(shí)候，能夠迅速的在材料表面融化，形成打孔，根據(jù)對(duì)位對(duì)點(diǎn)的移動(dòng)形成了切割，因此這樣的一種切割方法相對(duì)于傳統(tǒng)的切割方法，縫隙更小，更能夠省去大部分材料，然而根據(jù)切割效果來定義分析，根據(jù)激光進(jìn)行切割的材料，其切割效果能夠滿意，精準(zhǔn)度又高，這是繼承了激光的優(yōu)勢(shì)，也是普通切割方式不能夠媲美的。
相對(duì)于傳統(tǒng)切割方式中，激光切割更易懂、易學(xué)、在商家需求的加工效果，速度方面都有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此相信在未來的切割方式選擇中，激光切割機(jī)將是大眾的需求。
激光切割加工是指采用激光設(shè)備來給產(chǎn)品進(jìn)行加工，這種模式是針對(duì)那種初入激光行業(yè)，并且小型的加工戶，然而這種模式在現(xiàn)今的社會(huì)都不提倡了，因?yàn)榧す庠O(shè)備的價(jià)格不再是那種高高在上的設(shè)備了，完美的技術(shù)發(fā)展，優(yōu)良的加工精細(xì)，使得現(xiàn)今的激光設(shè)備不再是那樣的昂貴，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)備有針對(duì)行業(yè)性的，這樣能夠省去了以往那種高貴的大功率設(shè)備加工，現(xiàn)今的小功率設(shè)備也能進(jìn)行加工了，這讓這些想購(gòu)買激光切割機(jī)的加工不在需要借用他人的設(shè)備進(jìn)行加工了，激光切割加工模式逐漸被取代了，這是必然性。
遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
下面分析下激光切割市場(chǎng)以及加工效果，在激光切割市場(chǎng)，凡事了解一點(diǎn)的都清楚，激光切割能夠加工多行業(yè)，然而需要購(gòu)買加工多行業(yè)的設(shè)備，價(jià)格是不菲的，然而如果購(gòu)買的是單行業(yè)，如刀模激光切割機(jī)、皮革激光切割機(jī)等，這些針對(duì)行業(yè)的設(shè)備，價(jià)格就不是那樣昂貴了，這就是未來的市場(chǎng)，在其加工效果方面，單行業(yè)的加工效果，肯定針對(duì)單行業(yè)其功能是最好的，能夠滿足此行業(yè)的要求，這些在這些行業(yè)設(shè)備介紹中，光博士有提到，因此在如果想采用激光切割加工的商戶們，不妨去嘗試著使用激光切割設(shè)備直接自己購(gòu)買進(jìn)行加工，這樣能夠幫助你實(shí)現(xiàn)以及解決很多的問題！
3.2激光切割技術(shù)的應(yīng)用
大多數(shù)激光切割機(jī)都由數(shù)控程序進(jìn)行控制操作或做成切割機(jī)器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。
在汽車制造領(lǐng)域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復(fù)雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領(lǐng)域，激光切割技術(shù)主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復(fù)合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、鈦合金薄壁機(jī)匣、飛機(jī)框架、鈦合金蒙皮、機(jī)翼長(zhǎng)桁、尾翼壁板、直升機(jī)主旋翼、航天飛機(jī)陶瓷隔熱瓦等。
激光切割成形技術(shù)在非金屬材料領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進(jìn)行服裝剪裁，可節(jié)約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。
從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復(fù)雜，批量不大,一般厚度；12mm的低碳鋼、；6mm厚的不銹鋼，以節(jié)省制造模具的成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動(dòng)電梯結(jié)構(gòu)件、升降電梯面板、機(jī)床及糧食機(jī)械外罩、各種電氣柜、開關(guān)柜、紡織機(jī)械零件、工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件、大電機(jī)硅鋼片等。遼寧科技大學(xué)學(xué)生論文
裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標(biāo)記、字體等。如藝術(shù)照相冊(cè)的圖案，公司、單位、賓館、商場(chǎng)的標(biāo)記，車站、碼頭、公共場(chǎng)所的中英文字體。
要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應(yīng)用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時(shí)裝在模切機(jī)上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國(guó)內(nèi)近幾年來應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進(jìn)入抽油泵，在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能大于0.3mm，切割技術(shù)難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。
國(guó)外除上述應(yīng)用外，還在不斷擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。
⑴采用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機(jī)器人，切割空間曲線，開發(fā)各種三維切割軟件，以加快從畫圖到切割零件的過程。
⑵為了提高生產(chǎn)效率，研究開發(fā)各種專用切割系統(tǒng)，材料輸送系統(tǒng)，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，如今切割系統(tǒng)的切割速度已超過100m/min。
⑶為擴(kuò)展工程機(jī)械、造船工業(yè)等的應(yīng)用，切割低碳鋼厚度已超過30mm，并特別注意研究用氮?dú)馇懈畹吞间摰墓に嚰夹g(shù)，以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在中國(guó)擴(kuò)大CO2激光切割的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，解決新的應(yīng)用中一些技術(shù)難題仍然是工程技術(shù)人員的重要課題。
結(jié)論
激光從提出到變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的發(fā)展史用了幾十年，從初生到今天無處不再又是幾十年，激光及應(yīng)用實(shí)際上是隨著社會(huì)需求的進(jìn)步而得以發(fā)展。激光的出現(xiàn)和發(fā)展又帶動(dòng)了光學(xué)，實(shí)驗(yàn)等學(xué)科的發(fā)展。從社會(huì)角度看，激光的產(chǎn)生改變了人們的生活，使之更加方便快捷。隨著科技的發(fā)展，激光技術(shù)必將得到更加廣泛的應(yīng)用于我們世界的各個(gè)方面，使人類的科技不斷進(jìn)步。我也堅(jiān)信，我國(guó)的激光技術(shù)也將會(huì)達(dá)到世界領(lǐng)先的水平，為我國(guó)各行各業(yè)的發(fā)展提供有利的條件！
參考文獻(xiàn)
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第三篇：激光原理教案第5章
長(zhǎng) 春 理 工 大 學(xué)
教
案
用
紙
《激光原理技術(shù)及應(yīng)用》講義
（第5章 典型激光器）
王 菲
長(zhǎng)春理工大學(xué)
2007年5月
No:
長(zhǎng) 春 理 工 大 學(xué)
教
案
用
紙 第五章 典型激光器（2學(xué)時(shí)）
§1.氣體激光器
一、氦氖激光器 He-Ne激光器：連續(xù)光，波長(zhǎng)：紅632.8nm，1.15um,3.39um,橙（612nm,604nm）,黃594nm,綠543nm 1.結(jié)構(gòu)
組成:放電管、電極和光學(xué)諧振腔。
增益低，多采用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，T=1-2%。
放電管由毛細(xì)管和貯氣管構(gòu)成，是產(chǎn)生激光的地方。毛細(xì)管的尺寸和質(zhì)量是決定激光器輸出性能的關(guān)鍵因素，放電只限于毛細(xì)管，貯氣管里不發(fā)生放電，貯氣管的作用是增加了放電管的工作氣體總量。電極采用冷陰極材料。
按放電管和諧振腔的放置方式分為內(nèi)腔式、外腔式、半內(nèi)腔式。2.工作原理
工作物質(zhì)是He原子和Ne原子混合氣體。激光躍遷產(chǎn)生于Ne原子的不同激發(fā)態(tài)間，He原子是輔助氣體，用作對(duì)Ne原子的共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移。
共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移：亞穩(wěn)態(tài)原子A*與基態(tài)原子B相碰撞，使B變?yōu)槭芗ぴ覤’，而A*變?yōu)榛鶓B(tài)原子A的過程。
He的亞穩(wěn)能級(jí)23S1、21S0分別和Ne的亞穩(wěn)能級(jí)2S2、3S2重合?；旌蠚庵绷鞣烹姇r(shí)，高能電子把He原子由基態(tài)激發(fā)到各種激發(fā)態(tài)，在衰變過程中大部分被23S1、21S0收集，通過共振能量轉(zhuǎn)移，使Ne原子被激發(fā)到2S2、3S2中。
No:
長(zhǎng) 春 理 工 大 學(xué)
教
案
用
紙
二、CO2激光器
CO2激光器的工作氣體是CO2、N2和He的混合氣體。波長(zhǎng)9-11um間，處于大氣傳輸窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um）。利用同一電子態(tài)的不同振動(dòng)態(tài)（對(duì)稱、彎曲和反對(duì)稱振動(dòng)）的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。
CO2激光器中與激光躍遷有關(guān)的能級(jí)是由CO2分子和N2分子的電子基態(tài)的低振動(dòng)能級(jí)構(gòu)成的。CO2振動(dòng)模型如圖。
工作原理：
激光躍遷主要發(fā)生在0001?1000和0001?0200兩個(gè)過程，泵浦過程： 1）電子碰撞激發(fā)
e*+CO2(0000)?CO2(0001)+e 受到電子碰撞的CO2分子被激發(fā)到高振動(dòng)激發(fā)態(tài)通過振動(dòng)模間能量交換，被能級(jí)0001收集。
2）N2分子共振能量轉(zhuǎn)移
電子碰撞激發(fā)N2的振動(dòng)能級(jí)的總截面很大。N2和CO2的基態(tài)分子發(fā)生碰撞時(shí)，N2將激發(fā)能量轉(zhuǎn)移給分子，使之激發(fā)到0001能級(jí)。N2作用類似He-Ne中的He。激光下能級(jí)衰變慢，不利于抽空，He與該能級(jí)CO2分子碰撞使其衰變加快，利于下能級(jí)抽空，He熱導(dǎo)率高，利于把放電區(qū)剩余熱量帶走，避免熱效應(yīng)造成的下能級(jí)粒子數(shù)積累。
No:
長(zhǎng) 春 理 工 大 學(xué)
教
案
用
紙
§2.半導(dǎo)體激光器
一、半導(dǎo)體激光器的工作原理
PN結(jié)在外加電壓V=Eg/e時(shí)，平衡態(tài)破壞，多數(shù)載流子分別流入對(duì)方而變?yōu)樯贁?shù)非平衡載流子，（e從N區(qū)的導(dǎo)帶注入到P區(qū)與其中空穴復(fù)合，空穴從P區(qū)的價(jià)帶注入到N區(qū)）非平衡載流子間的復(fù)合以光輻射形式放出即自發(fā)發(fā)射，自發(fā)發(fā)射光對(duì)腔模起到 “種子”的作用，價(jià)帶電子吸收自發(fā)發(fā)射光子后躍遷到導(dǎo)帶即受激吸收，若導(dǎo)帶中電子在自發(fā)發(fā)射光子作用下與價(jià)帶空穴復(fù)合發(fā)射出光子即受激輻射。
半導(dǎo)體產(chǎn)生受激光發(fā)射作用的條件：導(dǎo)帶能級(jí)上被電子占據(jù)的幾率大于與輻射有關(guān)的價(jià)帶能級(jí)（激光躍遷不是發(fā)生在十分確定的兩個(gè)能級(jí)間，而是發(fā)生在能量分布較寬的許多能級(jí)間）上被電子占據(jù)的幾率。
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件：導(dǎo)帶與價(jià)帶中的費(fèi)米能級(jí)之差大于禁帶寬度。
二、基本結(jié)構(gòu)
No:
長(zhǎng) 春 理 工 大 學(xué)
教
案
用
紙
§3.固體激光器
一、工作物質(zhì)
對(duì)材料的要求：窄熒光線寬、強(qiáng)吸收帶、高量子效率。
固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)材料和激活離子兩部分構(gòu)成?；|(zhì)材料決定了工作物質(zhì)的物理性能；激活離子是激光工作物質(zhì)的發(fā)光中心，決定了工作物質(zhì)的光譜特性和激光的上能級(jí)壽命，而不同的基質(zhì)、工作物質(zhì)的不同溫度也將使激光輸出波長(zhǎng)略有變化。
1.基質(zhì)材料
基質(zhì)材料應(yīng)當(dāng)具有良好的光學(xué)性能（透光性、均勻性）、機(jī)械性能（硬度、抗裂強(qiáng)度）和熱特性（高熱導(dǎo)率），與摻雜離子的晶格匹配，應(yīng)能為激活離子提供合適的配位場(chǎng)，同時(shí)還要考慮它與摻入離子的大小和原子價(jià)匹配。固體激光工作物質(zhì)的基質(zhì)材料主要有玻璃和晶體。
2.激活離子
要求：適合激光躍遷的能級(jí)結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電荷狀態(tài)和自由離子結(jié)構(gòu)
激活離子的電子組態(tài)中，未被填滿殼層的電子處于不同的運(yùn)動(dòng)軌道和自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，形成一系列的能級(jí)，激光的光譜特性均由激活離子這些未滿殼層的電子發(fā)生能級(jí)躍遷產(chǎn)生。主要有稀土離子、過渡金屬離子和錒系離子。
二、泵浦技術(shù)
1.泵浦源：弧光燈和激光二極管 2.泵浦方式
側(cè)面（橫向）泵浦和端面泵浦
No:
第四篇：激光原理答案
《激光原理》習(xí)題解答第一章習(xí)題解答
為了使氦氖激光器的相干長(zhǎng)度達(dá)到1KM，它的單色性應(yīng)為多少？
解答：設(shè)相干時(shí)間為，則相干長(zhǎng)度為光速與相干時(shí)間的乘積，即
根據(jù)相干時(shí)間和譜線寬度的關(guān)系
又因?yàn)?，由以上各關(guān)系及數(shù)據(jù)可以得到如下形式：
單色性===
解答完畢。
如果激光器和微波激射器分別在10μｍ、500nm和輸出1瓦連續(xù)功率，問每秒鐘從激光上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的粒子數(shù)是多少。
解答：功率是單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量，因此，我們?cè)O(shè)在dt時(shí)間內(nèi)輸出的能量為dE，則
功率=dE/dt
激光或微波激射器輸出的能量就是電磁波與普朗克常數(shù)的乘積，即
d，其中n為dt時(shí)間內(nèi)輸出的光子數(shù)目，這些光子數(shù)就等于腔內(nèi)處在高能級(jí)的激發(fā)粒子在dt時(shí)間輻射躍遷到低能級(jí)的數(shù)目（能級(jí)間的頻率為ν）。
由以上分析可以得到如下的形式：
每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)目為：N=n/dt,帶入上式，得到：
根據(jù)題中給出的數(shù)據(jù)可知：
把三個(gè)數(shù)據(jù)帶入，得到如下結(jié)果：，3
設(shè)一對(duì)激光能級(jí)為E1和E2（f1=f2），相應(yīng)的頻率為ν（波長(zhǎng)為λ），能級(jí)上的粒子數(shù)密度分別為n2和n1，求
(a)當(dāng)ν=3000兆赫茲，T=300K的時(shí)候，n2/n1=?
(b)當(dāng)λ=1μm，T=300K的時(shí)候，n2/n1=?
(c)當(dāng)λ=1μm，n2/n1=0.1時(shí)，溫度T=？
解答:在熱平衡下，能級(jí)的粒子數(shù)按波爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布，即：
（統(tǒng)計(jì)權(quán)重）
其中為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。
(a)
(b)
(c)
在紅寶石調(diào)Q激光器中，有可能將幾乎全部離子激發(fā)到激光上能級(jí)并產(chǎn)生激光巨脈沖。設(shè)紅寶石棒直徑為1cm，長(zhǎng)度為7.5cm，離子濃度為，巨脈沖寬度為10ns，求激光的最大能量輸出和脈沖功率。
解答：紅寶石調(diào)Q激光器在反轉(zhuǎn)能級(jí)間可產(chǎn)生兩個(gè)頻率的受激躍遷，這兩個(gè)躍遷幾率分別是47%和53%，其中幾率占53%的躍遷在競(jìng)爭(zhēng)中可以形成694.3nm的激光，因此，我們可以把激發(fā)到高能級(jí)上的粒子數(shù)看成是整個(gè)激發(fā)到高能級(jí)的粒子數(shù)的一半（事實(shí)上紅寶石激光器只有一半的激發(fā)粒子對(duì)激光有貢獻(xiàn)）。
設(shè)紅寶石棒長(zhǎng)為L(zhǎng)，直徑為d，體積為V，總數(shù)為N，粒子的濃度為n，巨脈沖的時(shí)間寬度為，則離子總數(shù)為：
根據(jù)前面分析部分，只有N/2個(gè)粒子能發(fā)射激光，因此，整個(gè)發(fā)出的脈沖能量為：
脈沖功率是單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量，即
解答完畢。
試證明，由于自發(fā)輻射，原子在能級(jí)的平均壽命為。
證明如下：根據(jù)自發(fā)輻射的定義可以知道，高能級(jí)上單位時(shí)間粒子數(shù)減少的量，等于低能級(jí)在單位時(shí)間內(nèi)粒子數(shù)的增加。即：
---------------①
（其中等式左邊表示單位時(shí)間內(nèi)高能級(jí)上粒子數(shù)的變化，高能級(jí)粒子數(shù)隨時(shí)間減少。右邊的表示低能級(jí)上單位時(shí)間內(nèi)接納的從高能級(jí)上自發(fā)輻射下來的粒子數(shù)。）
再根據(jù)自發(fā)輻射躍遷幾率公式：，把代入①式，得到：
對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，得到：
（其中隨時(shí)間變化，為開始時(shí)候的高能級(jí)具有的粒子數(shù)。）
按照能級(jí)壽命的定義，當(dāng)時(shí)，定義能量減少到這個(gè)程度的時(shí)間為能級(jí)壽命，用字母表示。
因此，即：
證明完畢
某一分子的能級(jí)E4到三個(gè)較低能級(jí)E1
E2
和E3的自發(fā)躍遷幾率分別為A43=5*107s-1,A42=1*107s-1,A41=3*107s-1，試求該分子E4能級(jí)的自發(fā)輻射壽命τ4。若τ1=5*10-7s，τ2=6*10-9s，τ3=1*10-8s，在對(duì)E4連續(xù)激發(fā)且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，試求相應(yīng)能級(jí)上的粒子數(shù)比值n1/n4,n2/n4和n3/n4，并說明這時(shí)候在哪兩個(gè)能級(jí)間實(shí)現(xiàn)了集居數(shù)
解:
(1)由題意可知E4上的粒子向低能級(jí)自發(fā)躍遷幾率A4為:
則該分子E4能級(jí)的自發(fā)輻射壽命：
結(jié)論:如果能級(jí)u發(fā)生躍遷的下能級(jí)不止1條,能級(jí)u向其中第i條自發(fā)躍遷的幾率為Aui
則能級(jí)u的自發(fā)輻射壽命為:
(2)對(duì)E4連續(xù)激發(fā)并達(dá)到穩(wěn)態(tài),則有:，（上述三個(gè)等式的物理意義是：在只考慮高能級(jí)自發(fā)輻射和E1能級(jí)只與E4能級(jí)間有受激吸收過程，見圖）
宏觀上表現(xiàn)為各能級(jí)的粒子數(shù)沒有變化
由題意可得:,則
同理：，進(jìn)一步可求得:，由以上可知:在E2和E4;E3和E4;E2和E3能級(jí)間發(fā)生了粒子數(shù)反轉(zhuǎn).7
證明，當(dāng)每個(gè)模式內(nèi)的平均光子數(shù)（光子簡(jiǎn)并度）大于1時(shí)，輻射光中受激輻射占優(yōu)勢(shì)。
證明如下：按照普朗克黑體輻射公式，在熱平衡條件下，能量平均分配到每一個(gè)可以存在的模上，即
（為頻率為γ的模式內(nèi)的平均光子數(shù)）
由上式可以得到：
又根據(jù)黑體輻射公式：
根據(jù)愛因斯坦輻射系數(shù)之間的關(guān)系式和受激輻射躍遷幾率公式，則可以推導(dǎo)出以下公式：
如果模內(nèi)的平均光子數(shù)（）大于1，即，則受激輻射躍遷幾率大于自發(fā)輻射躍遷幾率，即輻射光中受激輻射占優(yōu)勢(shì)。證明完畢
一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收系數(shù)為，光通過10cm長(zhǎng)的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾？
如果一束光通過長(zhǎng)度為1M地均勻激勵(lì)的工作物質(zhì)，如果出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，試求該物質(zhì)的增益系數(shù)。
解答：設(shè)進(jìn)入材料前的光強(qiáng)為，經(jīng)過距離后的光強(qiáng)為，根據(jù)損耗系數(shù)的定義，可以得到：
則出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的百分比為：
根據(jù)小信號(hào)增益系數(shù)的概念：，在小信號(hào)增益的情況下，上式可通過積分得到
解答完畢。
《激光原理》習(xí)題解答第二章習(xí)題解答
試?yán)猛稻仃囎C明共焦腔為穩(wěn)定腔，即任意傍軸光線在其中可以往返無限次，而且兩次往返即自行閉合.證明如下：（共焦腔的定義——兩個(gè)反射鏡的焦點(diǎn)重合的共軸球面腔為共焦腔。共焦腔分為實(shí)共焦腔和虛共焦腔。公共焦點(diǎn)在腔內(nèi)的共
焦腔是實(shí)共焦腔，反之是虛共焦腔。兩個(gè)反射鏡曲率相等的共焦腔稱為對(duì)稱共焦腔，可以證明，對(duì)稱共焦腔是實(shí)雙凹腔。）
根據(jù)以上一系列定義，我們?nèi)【邔?duì)稱共焦腔為例來證明。
設(shè)兩個(gè)凹鏡的曲率半徑分別是和，腔長(zhǎng)為，根據(jù)對(duì)稱共焦腔特點(diǎn)可知：
因此，一次往返轉(zhuǎn)換矩陣為
把條件帶入到轉(zhuǎn)換矩陣T，得到：
共軸球面腔的穩(wěn)定判別式子
如果或者，則諧振腔是臨界腔，是否是穩(wěn)定腔要根據(jù)情況來定。本題中，因此可以斷定是介穩(wěn)腔（臨界腔），下面證明對(duì)稱共焦腔在近軸光線條件下屬于穩(wěn)定腔。
經(jīng)過兩個(gè)往返的轉(zhuǎn)換矩陣式，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：
其中等式左邊的坐標(biāo)和角度為經(jīng)過兩次往返后的坐標(biāo)，通過上邊的式子可以看出，光線經(jīng)過兩次往返后回到光線的出發(fā)點(diǎn)，即形成了封閉，因此得到近軸光線經(jīng)過兩次往返形成閉合，對(duì)稱共焦腔是穩(wěn)定腔。
試求平凹、雙凹、凹凸共軸球面腔的穩(wěn)定條件。
解答如下：共軸球面腔的，如果滿足，則腔是穩(wěn)定腔，反之為非穩(wěn)腔,兩者之間存在臨界腔，臨界腔是否是穩(wěn)定腔，要具體分析。
下面我們就根據(jù)以上的內(nèi)容來分別求穩(wěn)定條件。
對(duì)于平凹共軸球面腔，()
所以，如果，則是穩(wěn)定腔。因?yàn)楹途笥诹?，所以不等式的后半部分一定成立，因此，只要滿足，就能滿足穩(wěn)定腔的條件，因此，就是平凹腔的穩(wěn)定條件。
類似的分析可以知道，凸凹腔的穩(wěn)定條件是：,且。
雙凹腔的穩(wěn)定條件是：，（第一種情況），且（第二種情況）
（對(duì)稱雙凹腔）
求解完畢。
激光腔的諧振腔由一曲率半徑為1M的凸和曲率半徑為2M的凹面鏡構(gòu)成，工作物質(zhì)長(zhǎng)度為0.5M，其折射率為1.52，求腔長(zhǎng)在什么范圍內(nèi)諧振腔是穩(wěn)定的。
解答如下：設(shè)腔長(zhǎng)為，腔的光學(xué)長(zhǎng)度為，已知，，，根據(jù)，代入已知的凸凹鏡的曲率半徑，得到：
因?yàn)楹泄ぷ魑镔|(zhì)，已經(jīng)不是無源腔，因此，這里L(fēng)應(yīng)該是光程的大?。ɑ蛘哒f是利用光線在均勻介質(zhì)里傳播矩陣）。
即，代入上式，得到：
要達(dá)到穩(wěn)定腔的條件，必須是，按照這個(gè)條件，得到腔的幾何長(zhǎng)度為：，單位是米。解答完畢。
有一方形孔徑共焦腔氦氖激光器，腔長(zhǎng)L=30CM，方形孔徑邊長(zhǎng)為d=2a=0.12CM，λ=632.8nm，鏡的反射率為r1=1，r2=0.96，其他損耗以每程0.003估計(jì)。此激光器能否做單模運(yùn)轉(zhuǎn)？如果想在共焦鏡面附近加一個(gè)方形小孔光闌來選擇TEM00模，小孔的邊長(zhǎng)應(yīng)為多大？試根據(jù)圖2.5.5作一大略的估計(jì)。氦氖激光器增益由公式估算，其中的l是放電管長(zhǎng)度。
分析：如果其他損耗包括了衍射損耗，則只考慮反射損耗及其他損耗的和是否小于激光器的增益系數(shù)，增益大于損耗，則可產(chǎn)生激光振蕩。
如果其他損耗不包括衍射損耗，并且菲涅爾數(shù)小于一，則還要考慮衍射損耗，衍射損耗的大小可以根據(jù)書中的公式δ00=10.9*10-4.94N來確定，其中的N是菲涅爾數(shù)。
解答：根據(jù)，可以知道單程增益g0L=ln(1+0.0003L/d)=0.0723
由于反射不完全引起的損耗可以用公式2.1.24或者2.1.25來衡量
根據(jù)2.1.24得到：
δr≈-0.5lnr1r2=0.0204
根據(jù)題意，總的損耗為反射損+其他損耗，因此單程總損耗系數(shù)為
δ=0.0204+0.0003 如果考慮到衍射損耗，則還要根據(jù)菲涅爾數(shù)來確定衍射損系數(shù)： 此方形共焦腔氦氖激光器的菲涅爾數(shù)為：N=a2/(Lλ)=7.6，菲涅爾數(shù)大于一很多倍，因此可以不考慮衍射損耗的影響。 通過以上分析可以斷定，此諧振腔可以產(chǎn)生激光振蕩。又根據(jù)氦氖激光器的多普勒展寬達(dá)到1.6GHZ，而縱模及橫模間隔根據(jù)計(jì)算可知很小，在一個(gè)大的展寬范圍內(nèi)可以后很多具有不同模式的光波振蕩，因此不采取技術(shù)措施不可能得到基模振蕩。 為了得到基模振蕩，可以在腔內(nèi)加入光闌，達(dá)到基模振蕩的作用。在腔鏡上，基模光斑半徑為： 因此，可以在鏡面上放置邊長(zhǎng)為2ω0s的光闌。 解答完畢。 試求出方形鏡共焦腔面上模的節(jié)線位置，這些節(jié)線是等距分布嗎？ 解答如下： 方形鏡共焦腔自再現(xiàn)模滿足的積分方程式為 經(jīng)過博伊德—戈登變換，在通過厄密-高斯近似，可以用厄密-高斯函數(shù)表示鏡面上場(chǎng)的函數(shù) 使就可以求出節(jié)線的位置。由上式得到：，這些節(jié)線是等距的。解答完畢。 求圓形鏡共焦腔和模在鏡面上光斑的節(jié)線位置。 解答如下：圓形鏡共焦腔場(chǎng)函數(shù)在拉蓋爾—高斯近似下，可以寫成如下的形式 （這個(gè)場(chǎng)對(duì)應(yīng)于，兩個(gè)三角函數(shù)因子可以任意選擇，但是當(dāng)m為零時(shí)，只能選余弦，否則整個(gè)式子將為零） 對(duì)于： 并且，代入上式，得到，我們?nèi)∮嘞翼?xiàng)，根據(jù)題中所要求的結(jié)果，我們?nèi)?，就能求出鏡面上節(jié)線的位置。既 對(duì)于，可以做類似的分析。，代入上式并使光波場(chǎng)為零，得到 顯然，只要即滿足上式 最后鏡面上節(jié)線圓的半徑分別為： 解答完畢。 今有一球面腔，兩個(gè)曲率半徑分別是R1=1.5M，R2=-1M，L=80CM，試證明該腔是穩(wěn)定腔，求出它的等價(jià)共焦腔的參數(shù)，在圖中畫出等價(jià)共焦腔的具體位置。 解：共軸球面腔穩(wěn)定判別的公式是，這個(gè)公式具有普適性（教材36頁(yè)中間文字部分），對(duì)于簡(jiǎn)單共軸球面腔，可以利用上邊式子的變換形式判斷穩(wěn)定性，其中。 題中，在穩(wěn)定腔的判別范圍內(nèi)，所以是穩(wěn)定腔。 任意一個(gè)共焦腔與無窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔等價(jià)，一個(gè)一般穩(wěn)定球面腔唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)共焦腔，他們的行波場(chǎng)是相同的。 等價(jià)共焦腔的參數(shù)包括：以等價(jià)共焦腔的腔中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，從坐標(biāo)原點(diǎn)到一般穩(wěn)定球面兩個(gè)腔鏡面的坐標(biāo)和，再加上它的共焦腔的鏡面焦距，這三個(gè)參數(shù)就能完全確定等價(jià)共焦腔。 根據(jù)公式（激光原理p66-2.8.4）得到： 因此 等價(jià)共焦腔示意圖略。 某二氧化碳激光器采用平-凹腔，L=50CM，R=2M，2a=1CM，波長(zhǎng)λ=10.6μm，試計(jì)算鏡面上的光斑半徑、束腰半徑及兩個(gè)鏡面上的損耗。 解：此二氧化碳激光器是穩(wěn)定腔，其中平面鏡的曲率半徑可以看作是無窮大。 根據(jù)公式（激光原理p67-2.8.6或2.8.7）得到： 其中第一個(gè)腰斑半徑對(duì)應(yīng)平面鏡。上式中是這個(gè)平凹腔的等價(jià)共焦腔鏡面上的腰斑半徑，并且根據(jù)一般穩(wěn)定球面腔與等價(jià)共焦腔的性質(zhì)，他們具有同一個(gè)束腰。 根據(jù)共焦腔束腰光斑半徑與鏡面上光斑半徑的關(guān)系可知： 作為穩(wěn)定腔，損耗主要是衍射損，衍射損耗與鏡面上的菲涅爾數(shù)有關(guān)，在損耗不大的情況下，是倒數(shù)關(guān)系。 即： 根據(jù)公式（激光原理p69-2.8.18或2.8.19）分別求出兩個(gè)鏡面的菲涅爾數(shù) 根據(jù)衍射損耗定義，可以分別求出：，10 證明在所有菲涅爾數(shù)相同而曲率半徑R不同的對(duì)稱穩(wěn)定球面腔中，共焦腔的衍射損耗最低。這里L(fēng)表示腔長(zhǎng)，a是鏡面的半徑。 證明： 在對(duì)稱共焦腔中，11 今有一平面鏡和一個(gè)曲率半徑為R=1M的凹面鏡，問：應(yīng)該如何構(gòu)成一個(gè)平—凹穩(wěn)定腔以獲得最小的基模遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，畫出光束發(fā)散角與腔長(zhǎng)的關(guān)系。 解答： 我們知道，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角不僅和模式（頻率）有關(guān)，還和腔的結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)公式2.6.14得到：，如果平面鏡和凹面鏡構(gòu)成的諧振腔所對(duì)應(yīng)的等價(jià)共焦腔焦距最大，則可以獲得最小的基模光束發(fā)散角。 代入發(fā)散角公式，就得到最小發(fā)散角為： 發(fā)散角與腔長(zhǎng)的關(guān)系式： 某二氧化碳激光器材永平凹腔，凹面鏡的R=2M，腔長(zhǎng)L=1M，試給出它所產(chǎn)生的高斯光束的束腰腰斑半徑的大小和位置，該高斯光束的焦參數(shù)和基模發(fā)散角。 解答： 某高斯光束束腰光斑半徑為1.14MM，波長(zhǎng)λ=10.6μM。求與束腰相距30厘米、100厘米、1000米遠(yuǎn)處的光斑半徑及相應(yīng)的曲率半徑。 解答：根據(jù)公式（激光原理p71-2.9.4,2.9.6） 把不同距離的數(shù)據(jù)代入，得到：，曲率半徑 與不同距離對(duì)應(yīng)的曲率半徑為：，15 若已知某高斯光束的束腰半徑為0.3毫米，波長(zhǎng)為632.8納米。求束腰處的q參數(shù)值，與束腰距離30厘米處的q參數(shù)值，與束腰相距無限遠(yuǎn)處的q值。 解答： 束腰處的q參數(shù)值實(shí)際上就是書中的公交參量（激光原理p73-2.9.12）： 根據(jù)公式（激光原理p75-2.10.8），可以得到30厘米和無窮遠(yuǎn)處的q參數(shù)值分別為 無窮遠(yuǎn)處的參數(shù)值為無窮大。 某高斯光束束腰半徑為1.2毫米，波長(zhǎng)為10.6微米?，F(xiàn)在用焦距F=2cm的鍺透鏡聚焦，當(dāng)束腰與透鏡距離分別為10米，1米，10厘米和0時(shí)，求焦斑大小和位置，并分析結(jié)果。 解答： 根據(jù)公式（激光原理p78-2.10.17和2.10.18） 當(dāng)束腰與透鏡距離10米時(shí) 同理可得到： 解答完畢 二氧化碳激光器輸出波長(zhǎng)為10.6微米的激光，束腰半徑為3毫米，用一個(gè)焦距為2厘米的凸透鏡聚焦，求欲得到焦斑半徑為20微米及2.5微米時(shí)，透鏡應(yīng)該放在什么位置。 解答：根據(jù)公式（激光原理p78-2.10.18） 上式中束腰到透鏡的距離l就是我們要求的參數(shù)，其他各個(gè)參數(shù)都為已知，代入題中給出的數(shù)據(jù)，并對(duì)上式進(jìn)行變換，得到 當(dāng)焦斑等于20微米時(shí)，（透鏡距束腰的距離） 當(dāng)焦斑等于2.5微米時(shí)，此提要驗(yàn)證 如圖2.2所示，入射光波廠為10.6微米，求及。 解答：經(jīng)過第一個(gè)透鏡后的焦斑參數(shù)為： 經(jīng)過第二個(gè)透鏡后的焦參數(shù)為： 解方程可以求出題中所求。 某高斯光束束腰腰斑半徑為1.2毫米，波長(zhǎng)為10.6微米。現(xiàn)在用一個(gè)望遠(yuǎn)鏡將其準(zhǔn)直。主鏡用曲率半徑為1米的鍍金反射鏡，口徑為20厘米；副鏡為一個(gè)焦距為2.5厘米，口徑為1.5厘米的鍺透鏡；高斯光束束腰與透鏡相距1米，如圖所示。求該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)高斯光束的準(zhǔn)直倍率。 解答： 根據(jù)公式（激光原理p84-2.11.19），其中，為望遠(yuǎn)鏡主鏡與副鏡的焦距比。題中的反射鏡，相當(dāng)于透鏡，且曲率半徑的一半就是透鏡的焦距。 已知：，，，（經(jīng)過驗(yàn)證，光斑在第一個(gè)透鏡表面形成的光斑半徑小于透鏡鏡面尺寸，衍射效應(yīng)很小，因此可以用準(zhǔn)直倍率公式） 代入準(zhǔn)直倍率公式得到： 解答完畢。 激光器的諧振腔有兩個(gè)相同的凹面鏡組成，它出射波長(zhǎng)為λ的基模高斯光束，今給定功率計(jì)，卷尺以及半徑為a的小孔光闌，試敘述測(cè)量該高斯光束焦參數(shù)f的實(shí)驗(yàn)原理及步驟。 設(shè)計(jì)如下： 首先明確焦參數(shù)的構(gòu)成元素為腰斑半徑，波長(zhǎng)λ及參數(shù)，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)，激光器的波長(zhǎng)為已知，我們不可能直接測(cè)量腔內(nèi)的腰斑半徑（因?yàn)槭菍?duì)稱腔，束腰在腔內(nèi)），只能通過技術(shù)手段測(cè)量發(fā)射出來的光波場(chǎng)的腰斑半徑，然后利用這里的z是由激光器腔中心到光功率計(jì)的距離，用卷尺可以測(cè)量。光功率計(jì)放置在緊貼小孔光闌的后面，沿著光場(chǎng)橫向移動(dòng)，測(cè)量出。把測(cè)量的和z代入公式，可以求出焦參數(shù)。 設(shè)計(jì)完畢（以上只是在理論上的分析，實(shí)際中的測(cè)量要復(fù)雜得多，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中會(huì)用透鏡擴(kuò)束及平面鏡反射出射光，增加距離進(jìn)而增加測(cè)量精度） 二氧化碳激光諧振腔由兩個(gè)凹面鏡構(gòu)成，兩個(gè)鏡面的曲率半徑分別是1米和兩米，光腔長(zhǎng)度為0.5米。 問：如何選擇高斯光束腰斑的大小和位置，才能使它構(gòu)成該諧振腔的自再現(xiàn)光束。 解答： 高斯光束的自再現(xiàn)條件是（激光原理p84-2.12.1及2.12.2）： 根據(jù)公式（激光原理p78-2.10.17及2.10.18） 經(jīng)過曲率半徑為1米的反射鏡后，為了保證自再現(xiàn)條件成立，腔內(nèi)的束腰半徑應(yīng)該與經(jīng)過反射鏡的高斯光束的束腰相同，因此得到： 同理，經(jīng)過第二個(gè)反射鏡面也可以得到： 根據(jù)以上三個(gè)式子可以求出，，解答完畢。 （1）用焦距為F的薄透鏡對(duì)波長(zhǎng)為λ、束腰半徑為的高斯光束進(jìn)行變換，并使變換后的高斯光束的束腰半徑（此稱為高斯光束的聚焦），在和兩種情況下，如何選擇薄透鏡到該高斯光束束腰的距離？（2）在聚焦過程中，如果薄透鏡到高斯光束束腰的距離不變，如何選擇透鏡的焦距F？ 解答： （1） 根據(jù)可知，即 通過運(yùn)算可得到： 或者（舍去） （2） 參考《激光原理》p81-2.一定時(shí)，隨焦距變化的情況。 試用自變換公式的定義式（激光原理p84-2.12.2），利用q參數(shù)來推導(dǎo)出自變換條件式 證明： 設(shè)高斯光束腰斑的q參數(shù)為，腰斑到透鏡的距離為，透鏡前表面和后表面的q參數(shù)分別為、，經(jīng)過透鏡后的焦斑處q參數(shù)用表示，焦斑到透鏡的距離是=，透鏡的焦距為F。 根據(jù)q參數(shù)變換，可以求出前表面、后表面、及焦斑處的q參數(shù)，分別是： 透鏡前表面： 透鏡后表面： 焦斑的位置： 把經(jīng)過變換的代入到焦斑位置的q參數(shù)公式，并根據(jù)自再現(xiàn)的條件，得到： 由此可以推導(dǎo)出 證明完畢。 試證明在一般穩(wěn)定腔中，其高斯模在腔鏡面處的兩個(gè)等相位面的曲率半徑必分別等于各鏡面的曲率半徑。 證明 設(shè)一般穩(wěn)定腔的曲率半徑分別是、，腔長(zhǎng)為，坐標(biāo)取在這個(gè)穩(wěn)定腔的等價(jià)共焦腔中心上，并且坐標(biāo)原點(diǎn)到鏡面的距離分別是和，等價(jià)共焦腔的焦距為。 根據(jù) 試從式和導(dǎo)出，其中的，并證明對(duì)雙凸腔 解答：略 試計(jì)算，，的虛共焦腔的和.若想保持不變并從凹面鏡端單端輸出，應(yīng)如何選擇？反之，若想保持不變并從凸面鏡輸出，如何選擇？在這兩種情況下，和各為多大？ 解答： 虛共焦腔的特點(diǎn)：激光原理p91,96 激光原理p97-2.1511,2.15.12 根據(jù)，同理： 單端輸出：如果要從虛共焦非穩(wěn)定腔的凸面鏡單端輸出平面波，并使腔內(nèi)振蕩光束全部通過激活物質(zhì)，則凹面鏡和凸透鏡的選區(qū)要滿足：，其中的a分別代表（按角標(biāo)順序）工作物質(zhì)的半徑、凹面鏡半徑、凸面鏡半徑 實(shí)施意義上的單面輸出（從凸面鏡端輸出）：按照?qǐng)D（激光原理p96-圖2.15.2a）為了保證從凸面鏡到凹面鏡不發(fā)生能量損失，則根據(jù)圖要滿足： 因?yàn)橥姑骁R的尺寸不變，所以在曲率半徑給定的條件下，凹面鏡的半徑應(yīng)該為： 從凹面鏡端輸出，只要保證有虛焦點(diǎn)發(fā)出的光到達(dá)凹面鏡后的反射光（平行光）正好在凸面鏡的限度范圍內(nèi)，則可保證從凹面鏡單端輸出。 因此，此時(shí)只要滿足即可，因此 這兩種情況下的單程和往返損耗略。 解答完畢。 第三章習(xí)題 1．試由式（3.3.5）導(dǎo)出式（3.3.7）,說明波導(dǎo)模的傳輸損耗與哪些因素有關(guān)。在其他條件不變時(shí)，若波導(dǎo)半徑增大一倍，損耗將如何變化？若減小到原來的，損耗又將如何變化？在什么條件下才能獲得低的傳輸損耗？ 解：由及可得： 波導(dǎo)模的傳輸損耗與波導(dǎo)橫向尺寸,波長(zhǎng)，波導(dǎo)材料的折射率實(shí)部以及不同波導(dǎo)模對(duì)應(yīng)得不同值有關(guān)。 （a）波導(dǎo)半徑增大一倍，損耗減為原來的。 （b）波長(zhǎng)減小到原來的一半，損耗減為原來的。 獲得低的傳輸損耗應(yīng)增大波導(dǎo)橫向尺寸，選擇折射率實(shí)部小的介質(zhì)材料和小的波導(dǎo)模。 2.試證明，當(dāng)為實(shí)數(shù)時(shí)，若，最低損耗模為模，而當(dāng)時(shí)，為模，并證明模的損耗永遠(yuǎn)比模低。 證明： (3.3.8) 對(duì)于以上三種不同模，參看書中表3.1，對(duì)于同一種模式，越小，損耗越小，因此以下考慮，模之間誰最?。ㄖ凶钚。╊}中設(shè)為實(shí)數(shù)，顯然，所以,只需考慮與: 當(dāng)時(shí)，小 當(dāng)時(shí)，小 3.在波長(zhǎng)時(shí)，試求在內(nèi)徑為的波導(dǎo)管中模和模的損耗和，分別以，以及來表示損耗的大小。當(dāng)通過長(zhǎng)的這種波導(dǎo)時(shí)，模的振幅和強(qiáng)度各衰減了多少（以百分?jǐn)?shù)表示）？ 解：由。 當(dāng)時(shí)，4.試計(jì)算用于波長(zhǎng)的矩形波導(dǎo)的值，以及表示，波導(dǎo)由制成，，計(jì)算由制成的同樣的波導(dǎo)的值，計(jì)算中取。 解： : :。 5.某二氧化碳激光器用作波導(dǎo)管，管內(nèi)徑，取，管長(zhǎng)10cm,兩端對(duì)稱地各放一面平面鏡作腔鏡。試問：為了模能產(chǎn)生振蕩，反射鏡與波導(dǎo)口距離最大不得超過多少？計(jì)算中激活介質(zhì)增益系數(shù)。 解：，時(shí)，而平面反射鏡所產(chǎn)生的耦合損耗為：，其中。 為使模能產(chǎn)生振蕩則要求，得：，即反射鏡與波導(dǎo)口距離不得超過1.66cm.第四章 靜止氖原子的譜線中心波長(zhǎng)為632.8納米，設(shè)氖原子分別以0.1C、O.4C、O.8C的速度向著觀察者運(yùn)動(dòng)，問其表觀中心波長(zhǎng)分別變?yōu)槎嗌伲?/p> 解答： 根據(jù)公式（激光原理P136） 由以上兩個(gè)式子聯(lián)立可得： 代入不同速度，分別得到表觀中心波長(zhǎng)為：，解答完畢（驗(yàn)證過） 設(shè)有一臺(tái)麥克爾遜干涉儀，其光源波長(zhǎng)為，試用多普勒原理證明，當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)距離L時(shí)，接收屏上的干涉光強(qiáng)周期性的變化次。 證明： 對(duì)于邁氏干涉儀的兩個(gè)臂對(duì)應(yīng)兩個(gè)光路，其中一個(gè)光路上的鏡是不變的，因此在這個(gè)光路中不存在多普勒效應(yīng)，另一個(gè)光路的鏡是以速度移動(dòng)，存在多普勒效應(yīng)。在經(jīng)過兩個(gè)光路返回到半透鏡后，這兩路光分別保持本來頻率和多普勒效應(yīng)后的頻率被觀察者觀察到（從半透境到觀察者兩個(gè)頻率都不變），觀察者感受的是光強(qiáng)的變化，光強(qiáng)和振幅有關(guān)。以上是分析內(nèi)容，具體解答如下： 無多普勒效應(yīng)的光場(chǎng)： 產(chǎn)生多普勒效應(yīng)光場(chǎng)： 在產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的光路中，光從半透經(jīng)到動(dòng)鏡產(chǎn)生一次多普勒效應(yīng)，從動(dòng)鏡回到半透鏡又產(chǎn)生一次多普勒效應(yīng)（是在第一次多普勒效應(yīng)的基礎(chǔ)上） 第一次多普勒效應(yīng)： 第二次多普勒效應(yīng)： 在觀察者處： 觀察者感受到的光強(qiáng)： 顯然，光強(qiáng)是以頻率為頻率周期變化的。 因此，在移動(dòng)的范圍內(nèi)，光強(qiáng)變化的次數(shù)為： 證明完畢。（驗(yàn)證過） 在激光出現(xiàn)以前，Kr86低氣壓放電燈是最好的單色光源。如果忽略自然加寬和碰撞加寬，試估計(jì)在77K溫度下它的605.7納米譜線的相干長(zhǎng)度是多少？并與一個(gè)單色性Δλ/λ=10-8的He-Ne激光器比較。 解：根據(jù)相干長(zhǎng)度的定義可知。其中分母中的是譜線加寬項(xiàng)。從氣體物質(zhì)的加寬類型看，因?yàn)楹雎宰匀缓团鲎布訉挘约訉捯蛩刂皇Ｏ露嗥绽占訉挼挠绊憽?/p> 根據(jù)P138頁(yè)的公式4.3.26可知，多普勒加寬： 因此，相干長(zhǎng)度為： 根據(jù)題中給出的氦氖激光器單色性及氦氖激光器的波長(zhǎng)632.8納米，可根據(jù)下述公式得到氦氖激光器的相干長(zhǎng)度： 可見，即使以前最好的單色光源，與現(xiàn)在的激光光源相比，相干長(zhǎng)度相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。說明激光的相干性很好。 估算CO2氣體在300K下的多普勒線寬ΔνD，若碰撞線寬系數(shù)α=49MHZ/Pa，討論在什么氣壓范圍內(nèi)從非均勻加寬過渡到均勻加寬。 解：根據(jù)P138頁(yè)的公式4.3.26可知，多普勒加寬： 因?yàn)榫鶆蚣訉掃^渡到非均勻加寬，就是的過程，據(jù)此得到：，得出 結(jié)論：氣壓P為1.08×103Pa時(shí),是非均勻加寬與均勻加寬的過渡閾值，.當(dāng)氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.08×103Pa的情況下,加寬主要表現(xiàn)為均勻加寬。 （驗(yàn)證過） 氦氖激光器有下列三種躍遷，即3S2-2P4的632.8納米，2S2-2P4的1.1523微米和3S2-3P4的3.39微米的躍遷。求400K時(shí)他們的多普勒線寬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。 解：根據(jù)P138頁(yè)的公式4.3.26，可分別求出不同躍遷的譜線加寬情況。 3S2-2P4的632.8納米的多普勒加寬： 2S2-2P4的1.1523微米的多普勒加寬： 3S2-3P4的3.39微米的多普勒加寬： 由以上各個(gè)躍遷的多普勒線寬可見，按照結(jié)題結(jié)果順序，線寬是順次減少，由于題中線寬是用頻率進(jìn)行描述，因此頻率線寬越大，則單色性越好。 （驗(yàn)證過） 考慮二能級(jí)工作系統(tǒng)，若E2能級(jí)的自發(fā)輻射壽命為τS，無輻射躍遷壽命為τnr。假設(shè)t=0時(shí)激光上能級(jí)E2的粒子數(shù)密度為n2(0)，工作物質(zhì)的體積為V，發(fā)射頻率為ν，求： （1）自發(fā)輻射功率隨時(shí)間的變化規(guī)律。（2）E2能級(jí)的原子在其衰減過程中發(fā)出的自發(fā)輻射光子數(shù)。（3）自發(fā)輻射光子數(shù)與初始時(shí)刻E2能級(jí)上的粒子數(shù)之比η2。 解： （1）根據(jù)P11相關(guān)內(nèi)容，考慮到E2的能級(jí)壽命不僅僅是自發(fā)輻射壽命，還包括無輻射躍遷壽命，因此，E2能級(jí)的粒子數(shù)變化規(guī)律修正為：，其中的τ與τS、τnr的關(guān)系為，為E2能級(jí)的壽命。 在時(shí)刻t，E2能級(jí)由于自發(fā)和無輻射躍遷而到達(dá)下能級(jí)的總粒子數(shù)為： 由于自發(fā)輻射躍遷而躍遷到激光下能級(jí)的粒子數(shù)為，因此由于自發(fā)輻射而發(fā)射的功率隨時(shí)間的變化規(guī)律可以寫成如下形式： （2）由上式可知，在t-t+dt時(shí)間內(nèi)，E2能級(jí)自發(fā)輻射的光子數(shù)為： 則在0-∞的時(shí)間內(nèi)，E2能級(jí)自發(fā)輻射的光子總數(shù)為： （3）自發(fā)輻射光子數(shù)與初始時(shí)刻能級(jí)上的粒子數(shù)之比為: 此題有待確認(rèn) 根據(jù)激光原理4.4節(jié)所列紅寶石的躍遷幾率數(shù)據(jù)，估算抽運(yùn)幾率等于多少時(shí)紅寶石對(duì)波長(zhǎng)694.3納米的光透是明的（對(duì)紅寶石，激光上、下能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重為，且計(jì)算中可不考慮光的各種損耗） 解答：已知紅寶石的，，分析如下：增益介質(zhì)對(duì)某一頻率的光透明，說明介質(zhì)對(duì)外界光場(chǎng)的吸收和增益相等，或者吸收極其微弱，以至于對(duì)進(jìn)入的光場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生損耗。對(duì)于本題中的紅寶石激光器，透明的含義應(yīng)該屬于前者。 根據(jù)公式： （激光原理P146-4.4.22） 由上邊的第二項(xiàng)和第四項(xiàng)，可以得到： --------------------------------------1 又因?yàn)樾⌒盘?hào)下（粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)剛剛達(dá)到閾值），因此，且 由此，方程組的第一個(gè)式子可以轉(zhuǎn)變?yōu)椋海?式，得到： 既然對(duì)入射光場(chǎng)是透明的，所以上式中激光能級(jí)發(fā)射和吸收相抵，即激光上能級(jí)的粒子數(shù)密度變化應(yīng)該與光場(chǎng)無關(guān)，并且小信號(hào)時(shí)激光上能級(jí)的粒子數(shù)密度變化率為零，得到 最后得到： 解答完畢。（驗(yàn)證過） 短波長(zhǎng)（真空紫外、軟X射線）譜線的主要加寬是自然加寬。試證明峰值吸收截面為。 證明：根據(jù)P144頁(yè)吸收截面公式4.4.14可知，在兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重f1=f2的條件下，在自然加寬的情況下，中心頻率ν0處吸收截面可表示為： -------------------------------------------------1 上式（P133頁(yè)公式4.3.9） 又因?yàn)?，把A21和ΔνN的表達(dá)式代入1式，得到： 證畢。（驗(yàn)證過） 已知紅寶石的密度為3.98g/cm3，其中Cr2O3所占比例為0.05%（質(zhì)量比），在波長(zhǎng)為694.3nm附近的峰值吸收系數(shù)為0.4cm-1，試求其峰值吸收截面（T=300K）。 解： 分析：紅寶石激光器的Cr3+是工作物質(zhì)，因此，所求峰值吸收截面就是求Cr3+的吸收截面。 根據(jù)題中所給資料可知： Cr2O3的質(zhì)量密度為3.98g/cm3×0.05%=1.99×10-3g/cm3,摩爾質(zhì)量為52×2+16×3=152g/mol 設(shè)Cr3+的粒子數(shù)密度為n，則n=2×（1.99×10-3 /152）×6.02×1023=1.576×1019/cm3 根據(jù)可知，根據(jù)n≈n1+n2，Δn=n1-n2,且，其中，可知E2能級(jí)粒子數(shù)密度接近于零，可求出Δn=n1=1.756×1019/cm3，代入到，可求出： 解答完畢。 略 在均勻加寬工作物質(zhì)中，頻率為ν1、強(qiáng)度為Iν1的強(qiáng)光增益系數(shù)為gH(ν1,Iν1),gH(ν1,Iν1)--- ν1關(guān)系曲線稱為大信號(hào)增益曲線，試求大信號(hào)增益曲線的寬度ΔνH。 解： 大信號(hào)增益系數(shù)表達(dá)式為P153-4.5.17： 根據(jù)譜線寬度的定義：增益下降到增益最大值的一半時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率寬度，叫做大信號(hào)增益線寬。 根據(jù)大信號(hào)增益曲線表達(dá)式可知，其中心頻率處具有最大增益，即ν1=ν0時(shí)。在此條件下，增益最大值為： 根據(jù)，可求出當(dāng)時(shí)滿足增益線寬條件，因此，線寬位： 解答完畢。 有頻率為ν1、ν2的兩強(qiáng)光入射，試求在均勻加寬情況下： (1) 頻率為ν的弱光的增益系數(shù)。 (2) 頻率為ν1的強(qiáng)光增益系數(shù)表達(dá)式。 (設(shè)頻率為ν1和ν2的光在介質(zhì)里的平均光強(qiáng)為Iν1、Iν2) 解：在腔內(nèi)多模振蕩條件下，P151-4.5.7應(yīng)修正為： 根據(jù)P150-4.5.5可知，增益系數(shù)與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)成正比，即： 把修正后的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)表達(dá)式代入上式，得到： 因此，所求第一問“頻率為ν的弱光的增益系數(shù)”為： 第二問“頻率為ν1的強(qiáng)光增益系數(shù)表達(dá)式”為： 解答完畢。 激光上下能級(jí)的粒子數(shù)密度速率方程表達(dá)式為P147-4.4.28所示。 (1) 試證明在穩(wěn)態(tài)情況下，在具有洛倫茲線型的均勻加寬介質(zhì)中，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)表達(dá)式具有如下形式：，其中，Δn0是小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。 (2) 寫出中心頻率處飽和光強(qiáng)Is的表達(dá)式。 (3) 證明時(shí)，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示。 解：1 穩(wěn)態(tài)工作時(shí),由激光上、下能級(jí)的粒子數(shù)密度速率方程 (4.4.28)可得: ---------------------------------------------- ---------------------------------------------2 ------------------------------------------------------------------3 其中，由(3)式和(2)式可得: 整理得: 將(4)代入(1)式: 整理得： 其中，Δn0是小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。 (2) 當(dāng)ν1=ν0時(shí)，(3) 高功率的激光系統(tǒng)中 當(dāng)時(shí)，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示 設(shè)有兩束頻率分別為和，光強(qiáng)為和的強(qiáng)光沿相同方向或者相反方向通過中心頻率為的非均勻加寬增益介質(zhì)。試分別劃出兩種情況下反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度分布曲線，并標(biāo)出燒孔位置。 分析: 非均勻加寬的特點(diǎn)是增益曲線按頻率分布，當(dāng)有外界入射光以一定速度入射時(shí)，增益曲線對(duì)入射光頻率敏感，且產(chǎn)生飽和效應(yīng)的地方恰好是外界光場(chǎng)頻率對(duì)應(yīng)處，而其他地方則不會(huì)產(chǎn)生增益飽和現(xiàn)象。當(dāng)然，產(chǎn)生增益飽和的頻率兩邊一定頻譜范圍內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，但是與外界光場(chǎng)對(duì)應(yīng)的頻率出飽和現(xiàn)象最大最明顯。 設(shè)外界光場(chǎng)以速度入射，作為增益介質(zhì)，感受到的表觀頻率為：，當(dāng)增益介質(zhì)的固有頻率時(shí)，產(chǎn)生激光（發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)） 而發(fā)生粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的速度為： 正方向： 負(fù)方向： 一、當(dāng)都是正方向入射時(shí)，兩束光對(duì)應(yīng)的速度分別為： 也就是說在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度分布圖上，在速度等于和處形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和效應(yīng)。 根據(jù)公式（激光原理p156-4.6.7） 對(duì)于，孔的深度為： 對(duì)于，孔的深度為： 又因?yàn)榫€型函數(shù)以為對(duì)稱形式，且兩個(gè)入射光產(chǎn)生燒孔的位置也以為中心對(duì)稱分布，因此，產(chǎn)生燒孔的兩個(gè)對(duì)稱位置處的小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)相等，即，因此，兩個(gè)燒孔的深度相比，因?yàn)?，所以兩個(gè)孔的深度入射光強(qiáng)大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)深度大。 即： 兩孔深度比： 二、兩束光相對(duì)進(jìn)入增益介質(zhì) 類似上面的分析可得到：，可見燒孔位置重合，燒一個(gè)孔 因?yàn)閮蓚€(gè)光強(qiáng)不同的外場(chǎng)同時(shí)作用于某一品率處而產(chǎn)生增益飽和（反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和），因此，次品率處的光強(qiáng)是兩個(gè)光強(qiáng)的和，因此，燒孔深度為 解答完畢。 第五章 激光振蕩特性 2．長(zhǎng)度為10cm的紅寶石棒置于長(zhǎng)度為20cm的光諧振腔中，紅寶石694.3nm譜線的自發(fā)輻射壽命，均勻加寬線寬為。光腔單程損耗。求 (1)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)； (2)當(dāng)光泵激勵(lì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子數(shù)時(shí)，有多少個(gè)縱?？梢哉袷?？(紅寶石折射率為1.76) 解：(1) 閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為： (2) 按照題意，若振蕩帶寬為，則應(yīng)該有 由上式可以得到 相鄰縱模頻率間隔為 所以 所以有164~165個(gè)縱?？梢云鹫?。 3．在一理想的三能級(jí)系統(tǒng)如紅寶石中，令泵浦激勵(lì)幾率在t=0瞬間達(dá)到一定值，[為長(zhǎng)脈沖激勵(lì)時(shí)的閾值泵浦激勵(lì)幾率]。經(jīng)時(shí)間后系統(tǒng)達(dá)到反轉(zhuǎn)狀態(tài)并產(chǎn)生振蕩。試求的函數(shù)關(guān)系，并畫出歸一化的示意關(guān)系曲線(令)。 解：根據(jù)速率方程(忽略受激躍遷)，可以知道在達(dá)到閾值之前，在t時(shí)刻上能級(jí)的粒子數(shù)密度與時(shí)間t的關(guān)系為 當(dāng)時(shí)，即 由(1)可知，當(dāng)時(shí)間t足夠長(zhǎng)的時(shí)候 由上式可知 由(2)式可得 所以 所以歸一化的示意關(guān)系曲線為 4．脈沖摻釹釔屢石榴石激光器的兩個(gè)反射鏡透過率、分別為0和0.5。工作物質(zhì)直徑d=0.8cm，折射率=1.836，總量子效率為1，熒光線寬，自發(fā)輻射壽命。假設(shè)光泵吸收帶的平均波長(zhǎng)。試估算此激光器所需吸收的閾值泵浦能量。 解： 5．測(cè)出半導(dǎo)體激光器的一個(gè)解理端面不鍍膜與鍍?nèi)瓷淠r(shí)的閾值電流分分別為J1與J2。試由此計(jì)算激光器的分布損耗系數(shù)(解理面的反射率)。 解：不鍍膜的時(shí)候，激光器端面的反射率即為r，鍍了全發(fā)射膜之后的反射率為R=1，設(shè)激光器的長(zhǎng)度為l，則有 由這兩式可以解得 即得到了激光器的分布損耗系數(shù)。 7．如圖5.1所示環(huán)形激光器中順時(shí)針模式及逆時(shí)針模的頻率為，輸出光強(qiáng)為及。 (1)如果環(huán)形激光器中充以單一氖同位素氣體，其中心頻率為，試畫出及時(shí)的增益曲線及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的軸向速度分布曲線。 (2)當(dāng)時(shí)激光器可輸出兩束穩(wěn)定的光，而當(dāng)時(shí)出現(xiàn)一束光變強(qiáng)，另一束光熄滅的現(xiàn)象，試解釋其原因。 (3)環(huán)形激光器中充以適當(dāng)比例的及的混合氣體，當(dāng)時(shí)，并無上述一束光變強(qiáng)，另一束光變?nèi)醯默F(xiàn)象，試說明其原因(圖5.2為、及混合氣體的增益曲線)，、及分別為、及混合氣體增益曲線的中心頻率。 圖5.1 圖5.2 (4)為了使混合氣體的增益曲線對(duì)稱，兩種氖同位素中哪一種應(yīng)多一些。 解：(1) 時(shí) 時(shí) (2) 時(shí)，及分別使用不同速度的反轉(zhuǎn)原子，使用速度為的高能級(jí)原子，使用速度為的高能級(jí)原子，這樣和不會(huì)彼此的爭(zhēng)奪高能級(jí)原子，所以激光器可以輸出兩束穩(wěn)定的激光。的時(shí)候，和均使用速度為0的高能級(jí)原子，兩個(gè)模式劇烈競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是一束光變強(qiáng)，另一束光熄滅。 (3) 使用的原子以及的原子。使用的原子以及的原子，因此兩個(gè)模式使用不同高能級(jí)原子，沒有了模式競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，因此兩個(gè)模式均可以穩(wěn)定的存在，沒有了上面所說的一束光變強(qiáng)，另一束光熄滅的現(xiàn)象。 (4) 要是混合氣體的增益曲線對(duì)稱，必須使得和的增益曲線高度相等，即要滿足： 而 欲使得，應(yīng)使 因此，應(yīng)該多一些。 8．考慮氦氖激光器的632.8nm躍遷，其上能級(jí)3S2的壽命，下能級(jí)2P4的壽命，設(shè)管內(nèi)氣壓p=266Pa： (1)計(jì)算T=300K時(shí)的多普勒線寬； (2)計(jì)算均勻線寬及； (3)當(dāng)腔內(nèi)光強(qiáng)為(1)接近0；(2)10W/cm2時(shí)諧振腔需多長(zhǎng)才能使燒孔重疊。 (計(jì)算所需參數(shù)可查閱附錄一) 解：(1) T=300K時(shí)的多普勒線寬為 (2) 均勻線寬包括自然線寬和碰撞線寬兩部分，其中 所以 (3) 設(shè)腔內(nèi)光強(qiáng)為I，則激光器燒孔重疊的條件為 取進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)腔內(nèi)光強(qiáng)接近0的時(shí)候 當(dāng)腔內(nèi)光強(qiáng)為的時(shí)候 9．某單模632.8nm氦氖激光器，腔長(zhǎng)10cm，而反射鏡的反射率分別為100%及98%，腔內(nèi)損耗可忽略不計(jì)，穩(wěn)態(tài)功率輸出是0.5mW，輸出光束直徑為0.5mm(粗略地將輸出光束看成橫向均勻分布的)。試求腔內(nèi)光子數(shù)，并假設(shè)反轉(zhuǎn)原子數(shù)在t0時(shí)刻突然從0增加到閾值的1.1倍，試粗略估算腔內(nèi)光子數(shù)自1噪聲光子/腔模增至計(jì)算所得之穩(wěn)態(tài)腔內(nèi)光子數(shù)須經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間。 解：穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率輸出可以表示為 穩(wěn)態(tài)時(shí)的光子數(shù)為 下面來計(jì)算所需要的時(shí)間： 根據(jù)題意有，則 所以 因?yàn)椋?，所以?/p> 10．腔內(nèi)均勻加寬增益介質(zhì)具有最佳增益系數(shù)gm及飽和光強(qiáng)ISG，同時(shí)腔內(nèi)存在一均勻加寬吸收介質(zhì)，其最大吸收系數(shù)為，飽和光腔為。假設(shè)二介質(zhì)中心頻率均為，，試問： (1)此激光能否起振？ (2)如果瞬時(shí)輸入一足夠強(qiáng)的頻率為的光信號(hào)，此激光能否起振？寫出其起振條件；討論在何種情況下能獲得穩(wěn)態(tài)振蕩，并寫出穩(wěn)態(tài)振蕩時(shí)腔內(nèi)光強(qiáng)。 解：(1) 若增益介質(zhì)和吸收介質(zhì)的線寬分別為和，若，則在任何頻率下，均小于，因此不能起振。如果（如下圖所示），則當(dāng)時(shí)不能振蕩，當(dāng)或者才能振蕩。 (2) 若入射光強(qiáng)為，則增益介質(zhì)的增益系數(shù)為 吸收介質(zhì)的吸收系數(shù)為 假設(shè)增益介質(zhì)的長(zhǎng)度跟吸收介質(zhì)的長(zhǎng)度相等，則當(dāng)滿足的時(shí)候激光器起振，所以激光器起振的條件為 即 當(dāng)兩個(gè)介質(zhì)的參量滿足(2)式，入射光強(qiáng)滿足(1)式的時(shí)候，激光器就可以起振，腔內(nèi)光強(qiáng)不斷增加，當(dāng)腔內(nèi)光強(qiáng)增加到 時(shí)去掉入射信號(hào)，此時(shí)可得穩(wěn)定光強(qiáng) 11．低增益均勻加寬單模激光器中，輸出鏡最佳透射率Tm及閾值透射率Tt可由實(shí)驗(yàn)測(cè)出，試求往返凈損耗及中心頻率小信號(hào)增益系數(shù)(假設(shè)振蕩頻率)。 解：輸出光強(qiáng) 閾值時(shí)有： 時(shí)，由(1)、(2)式可得： 12．有一氪燈激勵(lì)的連續(xù)摻釹釔鋁石榴石激光器(如圖5.3所示)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)出氪燈輸入電功率的閾值為2.2kW，斜效率(P為激光器輸出功率，為氪燈輸入電功率)。摻釹釔鋁石榴石棒內(nèi)損耗系數(shù)。試求： (1) 為10kW時(shí)激光器的輸出功率； 圖5.3 (2) 反射鏡1換成平面鏡時(shí)的斜效率(更換反射鏡引起的衍射損耗變化忽略不計(jì)；假設(shè)激光器振蕩于TEM00模)； (3) 圖5.3所示激光器中換成0.1時(shí)的斜效率和=10kW時(shí)的輸出功率。 解：均勻加寬連續(xù)激光器輸出功率可以表示為 (1)為10kW時(shí)激光器的輸出功率為： (2) 圖5.3所示的激光器 反射鏡1換成平面鏡之后 斜效率應(yīng)為 (3) 圖5.3所示激光器的單程損耗為 反射鏡1的透過率改成之后，單程損耗變?yōu)?/p> 閾值泵浦功率為 當(dāng)時(shí)，輸出功率為 《6.2 激光的特性及應(yīng)用》教學(xué)設(shè)計(jì) 【教學(xué)內(nèi)容】 第六單元第2節(jié)。 【教學(xué)目標(biāo)】 知識(shí)與技能：了解激光的產(chǎn)生機(jī)理，掌握激光的基本特性，知道激光的常見應(yīng)用；通過延伸閱讀，收集整理行業(yè)內(nèi)激光應(yīng)用的相關(guān)資料，了解行業(yè)內(nèi)對(duì)激光的應(yīng)用。 過程與方法：通過對(duì)激光的特點(diǎn)及應(yīng)用的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的意識(shí)與能力；通過課外閱讀收集整理有關(guān)激光應(yīng)用的資料，培養(yǎng)學(xué)生收集、加工、整理、應(yīng)用信息的能力。 情感態(tài)度價(jià)值觀：通過對(duì)激光應(yīng)用的學(xué)習(xí)，使學(xué)生感受到科學(xué)知識(shí)的無窮力量，感受科技進(jìn)步對(duì)社會(huì)文明進(jìn)程的推進(jìn)作用，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、獻(xiàn)身科學(xué)的品質(zhì)。 【教學(xué)重點(diǎn)】 激光的特性及應(yīng)用。 【教學(xué)難點(diǎn)】 激光的產(chǎn)生機(jī)理。 【教具準(zhǔn)備】 激光器等。 【教學(xué)過程】 ◆創(chuàng)設(shè)情境──引出課題 1．引導(dǎo)學(xué)生說說自然界及生產(chǎn)生活中見到的各種光現(xiàn)象 太陽(yáng)光，燭光，各式各樣的電燈發(fā)光，物體燃燒發(fā)光，熾熱的固體、液體、氣體發(fā)光，霓虹燈發(fā)光，雷電發(fā)光等等。 2．光是怎樣產(chǎn)生的？ 是由光源發(fā)出的。 3．光源是怎樣發(fā)光的？ 各種光源發(fā)光的機(jī)理不同，發(fā)出的光的特性也會(huì)不同。這節(jié)課我們了解一種在自然界本來不存在，在人們使用了一種特殊刺激的方法，從原子內(nèi)部激發(fā)出光的方法及激發(fā)出的光的特性和應(yīng)用。 ◆合作探究──新課學(xué)習(xí) 一、激光 1．什么是激光？ 學(xué)生閱讀課文，歸納小結(jié)，得出結(jié)論： 激光：原子受到特定刺激，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)發(fā)出的光。對(duì)于激光的理解，有三個(gè)方面，一是激光在自然界原本不存在，二是激光是從原子內(nèi)部發(fā)出的，三是原子內(nèi)部發(fā)出激光不是自發(fā)進(jìn)行的，需要特定的刺激。 1964年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森建議，中文中用“激光”一詞。 2．世界上第一臺(tái)激光器 1964年，人類制造出了第一臺(tái)紅寶石激光器。 3．激光技術(shù) 將激光應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、科技、軍事等的技術(shù)。 二、激光的特性 1．學(xué)生閱讀課文，思考問題：激光具有什么特性？各個(gè)特性有何應(yīng)用？ 2．組織學(xué)生討論，得出結(jié)論 （1）方向性好 激光器發(fā)出的光是較好的平行光，傳播過程中可以較好的保持平行，不發(fā)生散射。利用激光的這一特性，人類從地球表面向月球表面發(fā)射激光，成功接收到了被月面反射回的激光，利用光速和測(cè)出的激光從發(fā)出到接受經(jīng)歷的時(shí)間，計(jì)算出了月地距離。 （2）亮度極高 激光的能量極高，如果將激光束利用特殊“透鏡”聚焦到一點(diǎn)上，這一點(diǎn)的能量極高，可以融化物質(zhì)。利用激光的這一特性，加工行業(yè)中可以用激光進(jìn)行切割、焊接、打孔，醫(yī)學(xué)上可以利用激光切除病灶或殺死病變組織。 （3）單色性好 激光的顏色純，可以獲得特定顏色的單色光，作為光學(xué)研究中的單色光，也可制作廣告牌、裝飾舞臺(tái)等等。 （4）相干性好 光是電磁波，具有波的一切特性，比如兩列頻率相等、振動(dòng)方向相同、相位一致的兩列光波相遇，會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。由于激光的單色性好，容易獲得滿足干涉條件的兩列光波。 三、激光的應(yīng)用 1．醫(yī)學(xué)應(yīng)用 （1）激光美容：利用激光去除皮膚色斑、紋身圖案等。 （2）激光手術(shù)：利用激光束作為手術(shù)刀，完成手術(shù)，手術(shù)創(chuàng)口小、出血少、愈合快。 （3）激光治癌：利用激光束殺死癌變組織。 （4）激光戒煙：激光束刺激人體特定穴位，提高煙民體內(nèi)嗎啡激素的分泌水平，減少戒煙初期造成的各種不適反應(yīng)。 2．工業(yè)應(yīng)用 機(jī)等焊接，激光切割，激光鉆孔等。 3．信息技術(shù)中的應(yīng)用 傳輸信息：光纖通訊中，將傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^調(diào)制加載在激光上，利用激光在光纖中的全反射傳遞出去。 記錄、讀取信息：利用激光束在光盤上刻錄信息，讀取信息，實(shí)現(xiàn)海量信息的方便存儲(chǔ)與讀??；制作商品的防偽標(biāo)識(shí)，讀取商品條碼信息。 激光全息照相：利用激光束的干涉，拍攝物體的全息照片；在利用激光的干涉立體顯示拍攝物體的像，即使照片損傷，利用激光干涉，從照片任一碎片，也可顯出物體的整個(gè)立體像。 4．測(cè)量地形地貌，獲取地理信息。 5．軍事應(yīng)用──激光武器： （1）激光炮、激光槍：發(fā)射高能激光束，利用激光能量摧毀目標(biāo)。 （2）激光瞄準(zhǔn)：狙擊步槍等配置激光瞄準(zhǔn)器，提高射擊精度。 （3）地形地貌測(cè)繪：了解戰(zhàn)場(chǎng)情況，敵情偵查等。 6．農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 利用激光照射農(nóng)作物種子，改善作物品質(zhì)，提高產(chǎn)量等。 ◆交流評(píng)價(jià)──鞏固總結(jié) 1．討論問題：課本第172頁(yè)“復(fù)習(xí)與鞏固”1、2、3。 2．歸納小結(jié)本節(jié)要點(diǎn)（見板書設(shè)計(jì)）。 【布置作業(yè)】 1．復(fù)習(xí)課文，書面完成課本第172頁(yè)“復(fù)習(xí)與鞏固”1。 2．查閱有關(guān)激光特性與應(yīng)用的資料，撰寫小論文《激光的工業(yè)（或醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、軍事）應(yīng)用》。 【板書設(shè)計(jì)】第五篇：激光的特性及應(yīng)用教案
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