激光技术考试复习资料

1． 国际上激光发展历史上的一些关键发明与发现

国外激光技术研究历史和现状

? 1893年，布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象

? 1917年，爱因斯坦提出“受激辐射”的概念。 ? 1942年，汤斯 产生微波激射的想法。 ? 1950年，光泵。

? 1951年，核自旋能级反转 。

? 1953年，汤斯造出第一台微波激射器。

? 1954年，巴索夫 与普罗霍罗夫合作，制出一台氨分子束量子振荡器。他提出建立不平衡量子系统的三能级方法，这种方法可放大激发辐射。这个方法立即被广泛应用于无线电光波段的量子振荡器和放大器上。

? 1958年，肖洛和汤斯提出了“激光原理” ，发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础 。

? 1958年，巴索夫提出利用半导体制造激光器的可能性

? 1960年，梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器；四能级机制；He-Ne激光器； ? 1960~1965年间，巴索夫实现了p-n结、电子束和光泵激发各种类型的激光器。 ? 1961年，调Q振荡。

? 1962年，玻璃体激光器；拉曼激光；GE公司的Hall第一台GaAs半导体激光器问世。 ? 1963年发明光纤激光器 。瓦级光纤激光功率输出的技术飞跃在1990年得到了实现，当年一台4瓦的掺铒光纤激光器被报道 。

? 1963年，N2激光器；及紫外激光器；光纤激光器。

? 1964年，离子激光器；染料饱和调Q；锁模激光；CO2激光器；高温YAG连振荡；电子束激励CdS激光器。

? 1965年，化学激光；光参量振荡；色心激光；第一台可产生大功率激光的器件——二氧化碳激光器诞生。

? 1966年，染料激光器问世；第一台Ｘ射线激光器研制成功，亚皮秒脉冲（fs)。 ? 1968年，巴索夫还利用大功率激光器产生了热核反应。

? 1970年， TEA CO2激光器（横向激励）；Xe2准分子激光器；气体动力激光器；室温连续半导体激光器；光激励远红外振荡。

? 1971年，环形染料激光器。 ? 1972年，波导激光器。

? 1973年， DFB半导体激光器（分布反馈）。 ? 1974年，连续色心激光器。 ? 1976年，自由电子激光。

? 1977年世界第一台自由电子激光器问世。 ? 1980年，光孤子。 ? 1981年，飞秒脉冲激光。 ? 1982年，阵列半导体激光器。

? 1984年，半导体激光泵浦固体激光器；BBO晶体（硼酸钡）透紫外非线性晶体（中国人发明）；自发辐射调射线放大 。

? 1985年,D. L. Spies第一台高效全固态激光器。利用单管LD作端面泵浦源，激光介质Nd:YAG棒长1cm，采用平凹腔结构，泵浦功率220mW时，得到80mW的1064nm TEM00激光

输出，光—光效率37%，总的电光转换效率8%。

? 1986年，光纤放大器；钛宝石连续波长可调激光器；

? 1989年， LBO （硼酸钾晶体）非线性透紫外（中国人发明）。

? 1990年，美国研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达280亿次/秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。

2． 中国激光技术发展历史上的一些关键发明与发现。

? 1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所——中国科学院上海光学

精密机械研究所成立 ；全国激光会议，张劲夫、严济慈出席并主持会议 ； ? 1964年，启动“6403”高能钕玻璃激光系统，1976年下马。

1964年王淦昌独立提出激光聚变倡议，1965年高功率激光系统和核聚变研究立项研究；1973年5月首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我国第一台多程片状放大器，把激光输出功率提高了10倍，中子产额增加了一个量级。在国际上向心压缩原理解密后，积极跟踪并于1976年研制成六束激光系统，对充气玻壳靶照射，获得了近百倍的体压缩。这一系列的重大突破，使我国的激光聚变研究进入世界先进行列，也为以后长期的持续发展奠定了基础。

? 1966年，国防科委主持召开了军用激光规划会，48个单位130余人参加，会议制定了包括含

15种激光整机、9种支撑配套技术的发展规划。虽未正式批准生效，但仍起了有益的推动作用。此后的几年内，这一领域涌现了一批重要成果。 1978年3月召开的全国科学大会上，获得奖励的激光项目有近80项，其中民品约70项，军品约10项，综合地反映了我国激光技术发展在这一时期的成绩。

（3）20世纪80年代取得前所未有的进步

? 1980年，分别在上海、北京举行了第一次国际激光会议， 1983年在广州和1986年在厦门又举行了第二次、第三次国际会议，改变了我国的激光技术多年来封闭运转的局面。 ? 1986年，“863”计划七大领域中有激光技术和光电子技术（包括用于信息领域的激光技术）

? 1986年，“神光-Ⅰ”激光装置于建成，输出功率2万亿瓦，达到国际同类装置的先进水平。“神光-Ⅰ”连续运行8年，在ICF和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。

? 90年代，又研制了规模扩大4倍、性能更为先进的“神光-Ⅱ”装置，并即将投入运行。 ? 1984年，半导体激光泵浦固体激光器；BBO晶体（硼酸钡）透紫外非线性晶体（中国人发明）

? 1989年， LBO （硼酸钾晶体）非线性透紫外（中国人发明）

? 1995年，增列了“惯性约束聚变”主题；国防预研光电子技术作为跨部门项目正式立项，其中也包括激光技术。国家“六五”和“七五”攻关计划，激光技术被列为重大项目。 此外，国家自然科学基金1986~1998年间年平均资 助27.6个激光领域项目。

? 1995年，IC F在“863计划”中立项，开始研制跨世纪的巨型激光驱动器——“神光-Ⅲ”装置，总体设 计和关键技术研究已取得一系列高水平的成果。

? 2002年？，KBBF，中国人发明（目前仅中国能够研制）

3． 激光器的基本组成是什么？各个基本组成的作用是什么？

激光器的组成：工作物质+谐振腔+激励源 ① 工作物质是核心

② 激励源：实现粒子数反转 ③ 谐振腔：正反馈+选模

[激光发生装置（气体激光管、半导体激光器）；聚焦组件（包括扩束、聚焦、调节）；激光电源（供电、滤波、稳压、调节）] 半导体激光器有什么优缺点？

（1） 优点：效率高（大于50%)、寿命长(连续1~2万小时）、体积小、重量轻；尤其是可以直接电

调制，适于作光纤通信光源

（2） 缺点：光束质量差。

【半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。】

4． 什么叫全固态激光器？它有哪些主要优点？

全固态激光器（DPL，Diode Pumped solid state Laser）是指以半导体激光器（LD）作为泵浦源的固体激光器。

全固态激光器的优点：效率高（>30%）、（功率和频率）稳定性高、光束质量好、寿命长、结构紧凑、体积小、重量轻等

【相对于只要求工作物质为固体激光材料的传统固体激光器，DPL的激光工作物质、激励源等部分均由固体物质构成，它集中了传统固体激光器和半导体激光器的优势于一身，具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、易操作、运转灵便（连续/重复率/长/短脉冲）、易智能化、无污染等优点，成为目前最具潜力的新一代激光源之一。】

5． 高斯光束的基本概念，能够画出高斯光束波阵面，并标出束腰位置、发散角和共焦参数等。

在光学中，高斯光束是横向电场以及辐射照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束。许多激光都近似满足高斯光束的条件，激光谐振腔发出基模辐射场,其横截面的振幅分布遵守高斯函数,故称高斯光束。

2

w0束腰半径、R波阵面曲率半径、Θ（或θ）发散角、b共焦参数、M在波长一定的情况下，实际光束的BPP数值与理想激光束的BPP数值的比值（BPP:束参数乘积）

正在传播的高斯光束强度分布沿着光轴发生变化，即w=w(z)

发散角Θ

波前（波阵面）曲率半径

???w2?2?0 ??R(z)?z?1???? ???????

共焦参数b，光的作用长度，表示聚焦效果

2

0

M2光束的质量

实际的光束半径与远场发散角的乘积 M2?理想TEM00的光束半径与远场发散角的乘积

b?2?w?6． 描述高斯光束传输的ABCD定律。

对于高斯光束，定义一个复光束q，它与（R，w）一一对应，其关系为：1/q=1/R-i/b 其中 b=kw2/2

变换后复光束参量q'， 则q'=(Aq+B)/(Cq+D)

A、B、C、D为光学系统转换矩阵的四个矩阵元

?A? ?C ?

???i2q1?w011B??1lc???1?????01???D?????F?lc0??1l??1????F????11??01??????F11???i2q2Rc?wc?l???1??l?lc??F??l?1??F?7． 如果给出稳定腔内某一点的往返传输矩阵，能够求出的该点的光束半径和曲率半径等参数。

8． 可能存在的激光波阵面的种类。

球面波、平面波、柱面波

9． 调Q激光器的基本工作原理，调Q技术的种类，并能画出各调Q激光器的结构示意图。

0

调Q的基本原理

在泵浦开始时，使腔处于低Ｑ值（δ大）状态，使其不能形成振荡，上能级的反转粒子数就可以大量的积累，当积累到最大值时，突然使Ｑ值增大（δ减小）激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子被消耗，转变为腔内的光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式释放出来，从面有一个强的激光巨脉冲输出。 调Q技术的种类

主动式调Q：电光调Q、声光调Q、转镜调Q、 被动式调Q:色心晶体调Q、染料调Q

腔内贮存的激光能量Q?2??每秒损耗的激光能量

调Q激光器结构示意图

10． 锁模技术的种类，锁模激光特点。 主动锁模、被动锁模、自锁模、同步泵浦锁模

主动锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗从而达到锁模目的；而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的特性来产生激光超短脉冲。

理想的锁模激光器输出的信号的结构.(a)光谱强度呈高斯分布,同时光谱相位恒为零; (b)在时域图中,信号为转换限高斯脉冲. 自锁模激光

① 调谐范围窄 ② 无法实现几个皮秒以上的宽脉冲激光

Fs激光特点：

① 脉冲宽度极短，可达飞秒（10-15秒），它比利用电子学方法所获得的最短脉

冲要短几千倍。 ② 经放大后峰值功率极高，可达太瓦（1012W）以上，经聚焦，峰值功率密度

可达1018~1020瓦/cm2，其强度超过了原子内部的库仑场。

在激光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，这些模式之间的干涉会是激光产生一系列的脉冲。根据激光的性质，这些脉冲可能会有极短的持续时间，甚至可以达到飞秒的量级。

11． 什么叫相位匹配，能够以单轴晶体为例说明相位匹配的种类。

?k ? 0 相位匹配：在 的条件下，二次谐波产生过程效率最高，即：使基频光在晶体中

沿途各点激发的倍频光传播到出射面时，都具有相同的相位，这样可使相互干涉加强，从而

达到好的倍频效果。

种类：角度相位匹配：I类相位匹配、II类相位匹配；非临界相位匹配（90o相位匹配）

12． 能够画出电光调Q倍频激光器的结构示意图。

13． 能够画出连续和准连续内腔双通倍频激光器的结构示意图。

14． 能够画出Spectrum Physics公司的全固态绿光激光器的结构示意图。

15． 什么叫参量振荡器，参量振荡器的种类。

光参量振荡器（Optical Parametric Oscillator，简称OPO）既是非线性光学频率变换的器

件，又是波长可调谐的光源，具有调谐范围宽、结构简单及工作可靠等优点。近年来随着一些新型而高效的非线性光学晶体的出现及发展，OPO以其宽调谐范围、高效率、高重复频率、高分辨率及小型固体化等特点日益引起国际光学界的重视，成为当前激光器件研究的热点之一。

双谐振（DRO）：最大调谐范围为0.684~2.36?m。 单谐振（SRO）：在效率及光谱特性方面优于DRO，但其调谐范围窄，线宽约为1nm，而DRO可实现单模工作。在阈值及转换效率方面，采用长度为0.5cm的BNN晶体，阈值低于3mW。脉冲峰值转换效率达17%，连续方式效率可达30%（当泵浦功率为150mW时）。这一阶段在理论上建立了完善的参量互作用理论。

16． 激光放大器及其种类，并能画出结构示意图，行波放大器的优点。

放大器的分类：

长脉冲放大器（也称连续放大器）、脉冲放大器、超短脉冲放大器 行波放大的优点：

介质的破坏阈值大大提高；

多级行波放大逐级扩大激光束的孔径而每级工作物质的长度可缩短，有利于防止超辐射和自聚焦破坏；

振荡器决定脉冲宽度、谱线宽度和光束发散角，而放大器决定脉冲能量和功率，所以二者结合既可以得到优良的激光特性，又大大提高输出激光的能量和功率。

17． 再生放大技术和种类。

再生放大技术：将一光束质量好的微弱信号注入一个激光（振荡）器中，注入的光信号

作为一个“种籽”控制激光振荡的产生，即让激光振荡是在这个“种籽”的基础上而不是从噪声中发展起来，并得到放大之后输出外，从而得到光束性能优良、功率高的激光。 再生放大种类：外注入再生放大和自注入再生放大。

外注入再生放大：一个激光器（主振荡器）产生性能优良的微弱光信号并注入到另一个激光器（从动振荡器）获得光放大。

自注入放大技术：利用一台激光器本身产生“种籽”信号自注入行到腔内而实现再生放大。

18． 激光标准等级（按MPE和AEL划分4个危险等级）。

等级 1 2

危害效果

不能产生危害的照射

持续暴露在激光束前会损伤眼睛。瞬时暴露（<0.25s）不会操作眼睛。必须是可见光。

持续暴露在激光束产会操作眼睛。可接受的照射时间小于103s，不超过1级。 如果直接排到或者通过光学器件排到光束，就可能对人眼造成伤害。 直接或瞬时暴露在激光束前都将对眼睛或皮肤造成伤害。

不仅直接或瞬时暴露在激光束前会损伤眼睛和皮肤，被激光束的杂散光，反射光照到也会损伤眼睛和皮肤，还有潜在的火灾隐患。

2a 3a 3b 4

19． 激光伤害的类型和伤害的主要部位。

5、激光伤害的类型和伤害的主要部位。

辐射伤害：主要是激光的热效应、光压强和光化学反应等。 受伤的部位主要是人的眼睛和皮肤。 对人眼的伤害：可能造成对角膜和视网膜的伤害，伤害的位置和范围取决于激光的波长和级别。激光对人眼的伤害较为复杂，直射、反射和漫反射激光束均能伤害人眼。 对皮肤的伤害：强红外激光造成烧伤；紫外激光可能造成烧伤、皮肤癌，以及加强皮肤老化。激光对皮肤的伤害表现在引起不同程度的红疹、水泡、色素沉淀、溃疡，直至彻底破坏皮下组织。

电学危害：遇到最多的是电击，高压系统是潜在的致命危险。 化学伤害：激光系统中的一些物质有毒性；激光导致的化学反应可能产生有害的粒子或气体。 火灾危险：染料激光器中的溶剂易燃；高压脉冲和闪光灯造成的火星；激光的直接照射、反射光的意外照射；其它潜在的火灾隐患。

相关的非光束危害：包括低温冷却剂的危害，高能激光的噪声，以防高能激光的电离辐射。

20． 激光安全防护措施。

激光器的设计制件采取措施

防护罩、联锁器、控制开关、警报装置、衰减器、控制器、光学监视、级别标志、光阑、服务标志、提供用户和销售人员资料等 激光器的操作采取措施

光衰减器、警告标志、镜面反射防护、防护镜、防护服、安全教育

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