习题答案1-9 - 图文

在固体激光物质中其量级远大于前两者，晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中，引起能级振动，导致谱线展宽，这种展宽与温度关系最大，但其线型函数解析式很难求，常用实验来测知。

② 非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。Ⅰ多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数

mgD(?)?()e?02?KTc12?mc222KT?0(?0??)2Ⅱ残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起

的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位臵粒子?0不同；另一种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证，常用实验测定。

⑼ 简述光与物质的非共振与共振相互作用过程对介电常量的影响。 D??0E?P??0E????10E(??)?0 E 而由于极化机制不同，?包括谐振分量?r与非谐振分量?n，于是

?0?E??E???E?(1?? D?(?0??n?0)E??r0r0? 式中

??0?' ???， ?(?)??1??(?)(1??)r0n?????r)?E'?(? )E? 可见，光与物质的非谐振相互作用产生光的散射，引起?0变成?，即散射过程造成了物质折射率n2???0；而光与物质谐振相互作用使?变成?'。

⑽ 激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型特点。

按激光工作物质的类型有如下划分： ⒈气体激光器

根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。

原子气体激光器最常见的是He-Ne激光器，它发出的有0.6328?m的红光和3.39?m、1.15?m两种红外光，He-Ne激光器输出功率较小（几mW到100mW），能量转化效率较低（0.01％），氮气单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度可达几十公里。

离子气体激光器典型的有Ar?激光器，它输出多种波长，最强的是0.488?m的蓝光和

0.5145?m的绿光，输出功率可达500MW/cm2,最大功率可达150W，能量转换效率为千分之几，其所需泵浦功率高，需耗散很多热量。

分子气体激光器中最具代表性的是CO2激光器，输出为10.6?m的红外线，其效率高达30％，输出功率近似与管子长度成正比。CO2激光器的特点是：效率高、功率强、工作稳定、单色性好、波长适于光通信等。

准分子激光器的工作物质为稀有气体与卤素气体的混合气体，这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同。通常采用He、Ne将由数千帕的稀有气体合压力数百帕的卤素气体组成的混和气体稀释成数百千帕的混和气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微焦耳，发光效率1％，重复频率数千赫兹。 ⒉液体激光器

这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。其中最重要的一类是染料激光器，其主要优点是：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀性耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却、典型的是若丹明6G染料激光器。

它在脉冲工作时的波长是590nm，平均功率是100W，效率为0.5％。 ⒊固体激光器

典型的例子有Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）。该类激光器可以脉冲工作，也可以连续工作，产生的跃迁中以1.06?m的激光为最强。这类激光器的最大有点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射，近几年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达10％。 ⒋半导体激光器

同质结半导体激光器的激光工作物质为由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－Ⅴ族化合物，如GaAs，InP为直接带隙结构。具有输入您那过量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长。 异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs所组成。与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄，阈值电流密度低、内部损耗低、电－光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。

量子阱半导体激光器功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化。AlGaAs/GaAs量子阱激光器的波长是980nm，平均功率为0.2W，转化效率为20－30％。AlGaAs/GaAs量子阱阵列激光器的波长为808nm，平均功率为100W。

⑾ 分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。

同质结半导体与发光二极管的联系：正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧，于是导带中存在电子而价带中不存在电子，形成粒子数反转分布；

同质结半导体与发光二极管的区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；当注入芯片的电流增大到某一量值时，就会发生粒子数反转，这时受激原子数目多于低能态原子；从某些激发态原子自发地发出的光子与p-n结的激发态电子相碰撞，出发更多的光子发射出来，形成受激发射。

⑿ 简述尖峰振荡效应过程。

不加任何特殊装臵的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约时ms数量级。这个脉冲并不是平滑的，而是包含宽度更窄的短脉冲系列，其中每一个短脉冲宽度只在?s数量级，并且激励越强，短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振荡效应。

一个短脉冲的形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度N?N2N1的增减变化来?g2g1解释。以氙灯泵浦为例，光泵浦使系统N增加，且增加速率在一个短脉冲周期内可看成不便；受激复试使N减小，且减少速率因腔内光子数密度?的多少而变化。这样，可将一个短脉冲的形成过程分为四个阶段，如图3－27所示： 第一阶段（t0t1，从t0时刻光泵浦开始，N的增长率占优势；直到t1时刻N达t2）

到阈值条件N＝Nth而产生激光，使激光器内光子数密度?急剧增加；受激辐射使N减少速率也逐渐便快，但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率，N仍在增加，直到t?t2时刻，二者速率相等，N达到极值。 第二阶段（t2，N>Nth仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度?仍急剧增加，t3）

受激辐射造成的N减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率，N开始减小，直到t2?t3 时刻，N又回到阈值N＝Nth。 第三阶段（t3，t3之后，N?Nth，增益小于损耗，腔内光子数密度急剧减小；t4）

但仍有N?0，即受激辐射大于零，因而N继续减少，但减少速率便小，直到t?t4时刻，增加速率等于减小速率，N达到极小值。

第四阶段（t4?t5），t4之后，N的增加率再次占优势，直到t5时刻，再次达到阈值Nth，将开始下一轮振荡。

在整个氙灯泵浦时间内，以上四个阶段不断重复，形成了依稀类的尖峰结构，而且，泵浦越强，尖峰形成越快，尖峰时间间隔越小。

⒀激光调Q技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？ 调Q技术可以产生脉宽10?7生10?1210?9s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁模技术可以产

10?13s量级的超短脉冲。

⒁ 常见的调Q方法有哪几种？分别简述之。 ⒈转镜调Q技术

将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到

调Q目的。 ⒉染料调Q技术

利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光变为透明，称为染料漂白，此时Q值达到最大，相当于Q开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。 ⒊电光调Q技术

某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成 一个快速光开关，达到调Q目的。 ⒋声光调Q技术

如图3－31所示，声光器件在腔内按布拉格条件放臵。当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定史家后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。

⒂ 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。

激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。 实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类： ⒈主动锁模

是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。 ⒉被动锁模

类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体 ，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。 ⒊自锁模

这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。

⒃ 激光选模技术分哪几类？

采取某些手段限制参与振荡的模式数目，有关技术称为激光选模技术，一般分为四类：一是激光谱线选择，二是激光偏振选择，第三类时压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性的横模选择技术，第四类是用于限制振荡激光频数目的纵模选择技术。