工程測(cè)試第一講20150109

1、光學(xué)測(cè)量和傳感器技術(shù)汪洋科學(xué)研究的方法實(shí)驗(yàn)研究理論研究驗(yàn)證總結(jié)和猜測(cè)大膽猜測(cè)+小心驗(yàn)證科學(xué)研究=1、光學(xué)基礎(chǔ)和激光原理2、高速攝影和CCD應(yīng)用3、全息技術(shù)和激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)4、激光多普勒測(cè)速（LDA）和激光粒子測(cè)速（PIV)5、傳感器技術(shù)第一講第一講光學(xué)基礎(chǔ)和激光原理光學(xué)基礎(chǔ)和激光原理一、光的性質(zhì)一、光的性質(zhì)二、幾何光學(xué)基礎(chǔ)二、幾何光學(xué)基礎(chǔ)三、激光原理三、激光原理1 1、光的性質(zhì)、光的性質(zhì) 牛頓光的粒子說(shuō) 惠更斯的波動(dòng)說(shuō) 赫茲的電磁說(shuō) 愛(ài)因斯坦的光量子理論光的性質(zhì)（1）牛頓的光粒子學(xué)說(shuō) 十七世紀(jì)，牛頓根據(jù)光的直線傳播現(xiàn)象，提出光是微粒流，在真空或透明介質(zhì)中由于慣性作直線運(yùn)動(dòng) 牛頓的粒子

2、說(shuō)可以解釋光的直線傳播、以及不同介質(zhì)之間的折射、反射規(guī)律，但是無(wú)法解釋隨后發(fā)現(xiàn)的衍射、干涉和偏振現(xiàn)象光的性質(zhì)2、惠更斯的波動(dòng)學(xué)說(shuō) 在同一時(shí)期，惠更斯提出了波動(dòng)學(xué)說(shuō)，認(rèn)為光是某種振動(dòng)，通過(guò)介質(zhì)的彈性聯(lián)系，以波的形式向周?chē)鷤鞑ァ?波動(dòng)學(xué)說(shuō)能解釋光的衍射、干涉和偏振現(xiàn)象，但是需要假設(shè)空間中存在一種密度極大的傳遞介質(zhì)，當(dāng)時(shí)癔造了一種物質(zhì)“以太”，但始終無(wú)法證實(shí)。光的性質(zhì)邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)1887年，阿爾貝特年，阿爾貝特麥克爾遜（后來(lái)成為美麥克爾遜（后來(lái)成為美國(guó)第一個(gè)物理諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）和愛(ài)德國(guó)第一個(gè)物理諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）和愛(ài)德華華莫雷在克里夫蘭的卡思應(yīng)用科學(xué)學(xué)校進(jìn)莫雷在克里夫蘭的卡思應(yīng)用科

3、學(xué)學(xué)校進(jìn)行了非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。目的是測(cè)量地球在以行了非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。目的是測(cè)量地球在以太中的速度太中的速度(即以太風(fēng)的速度即以太風(fēng)的速度)。干涉儀的靈敏度，可觀察到的條紋數(shù)為干涉儀的靈敏度，可觀察到的條紋數(shù)為0.01條。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是幾乎沒(méi)有條紋移動(dòng)。條。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果是幾乎沒(méi)有條紋移動(dòng)。在任何慣性參考在任何慣性參考系中，光速恒定系中，光速恒定3、麥克斯韋的電磁說(shuō) 1865年，麥克斯韋在電磁理論研究中指出，光是一種電磁現(xiàn)象，光波的本質(zhì)是一種電磁波。 電磁波學(xué)說(shuō)很好地解決了光需要“以太”才能傳播的缺陷，但是： 無(wú)法解釋黑體輻射能量隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律，“紫外線災(zāi)難” 無(wú)法解釋1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)光的

4、性質(zhì) 光電效應(yīng)4、愛(ài)因斯坦的光量子理論 1900年普朗克提出了輻射量子理論，成功地解釋了黑體輻射問(wèn)題。 1905年愛(ài)因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子學(xué)說(shuō)，提出了光量子理論。光子同時(shí)具有微粒和波動(dòng)兩種特性：光的性質(zhì)光的認(rèn)識(shí) 光子的能量: 光子的質(zhì)量： 光波屬于光子的概率波（德布羅意和薛定諤創(chuàng)立的量子力學(xué)） 但是人類(lèi)關(guān)于光的認(rèn)識(shí)還沒(méi)有到最高境界vhE.2/.cvhm光的性質(zhì)電子的物質(zhì)波衍射推論：h/Ev PmchvEcmPh2;.；對(duì)于光子二、幾何光學(xué)基礎(chǔ) 在幾何光學(xué)中，研究光的傳播，并不把光看作為電磁波，而把光看作為能夠傳輸能量的、代表光傳播方向的幾何線，這幾何線叫做光線。 所以，幾何光學(xué)所研究的只是

5、關(guān)于光的抽象的客觀表現(xiàn)，并未涉及光的內(nèi)在本質(zhì)，故其所得的結(jié)果只不過(guò)是波動(dòng)光學(xué)在一定條件下的近似。 幾何光學(xué)是運(yùn)用幾何運(yùn)算的數(shù)學(xué)方法來(lái)研究光學(xué)元件與光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光路的控制作用及其造成的物像關(guān)系，從而建立和發(fā)展光學(xué)儀器成像理論和計(jì)算方法。幾何光學(xué)的局限 幾何光學(xué)是關(guān)于光的唯象理論。 不涉及光的物理本質(zhì)。 對(duì)于光線，是無(wú)法從物理上定義其速度的。 在幾何光學(xué)領(lǐng)域，也無(wú)法定義諸如波長(zhǎng)、頻率、能量等物理量。 也可以說(shuō)：幾何光學(xué)就是依據(jù)光線的實(shí)驗(yàn)光線的實(shí)驗(yàn)定律定律并利用平面幾何平面幾何所得到的理論體系理論體系幾何光學(xué)的原理與定律 可以由Fermat原理導(dǎo)出幾何光學(xué)的實(shí)驗(yàn)定律 所以可以說(shuō)，F(xiàn)ermat原理是更基

6、本的 一般來(lái)說(shuō)，任何一門(mén)學(xué)科，都有著無(wú)法證明的（指從理論上無(wú)法證明）最基本的假設(shè)，這就是原理，是這一學(xué)科所建立的基礎(chǔ)。 一、Fermat原理PQ光實(shí)際傳播的路徑，是與介質(zhì)有關(guān)的。The actual path between two points taken by a beam of light is the one which is traversed in the least time. 費(fèi)馬（費(fèi)馬（Fermat）原理）原理：兩點(diǎn)間光的實(shí)際路徑，是光程平穩(wěn)的路徑。（1679年）光程：折射率光所經(jīng)過(guò)的路程，即nS。 一般情況下為折射率的路徑積分。平穩(wěn)：極值（極大、極小）或恒定值。 在數(shù)學(xué)上，

7、用變分表示分表示d 0QPns光在任意介質(zhì)中從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)時(shí)，沿所需時(shí)間或穩(wěn)定值）最短的路徑傳播；光傳播的實(shí)際路徑是使光程取極值（極小值、極大值、穩(wěn)定值） 物像之間的等光程性物點(diǎn)A與像點(diǎn)A之間的光程總是平穩(wěn)的，即不管光線經(jīng)何路徑，凡是由A通過(guò)同樣的光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)A的光線，都是等光程的。AABB幾何光學(xué)的定理 1 光的直線傳播定律：光在均勻的透明介質(zhì)小是沿著直線傳播的。例子：影子的形成、日食、月蝕等。 2 光的獨(dú)立傳播定律： 自不同方向或由不同物體發(fā)出的光線，它們?cè)谙嘟粫r(shí)，仍然按各自的方向繼續(xù)傳播而互不影響。 3 光的反射定律和折射定律：當(dāng)一入射光投射在兩種均勻透明并且各向同性的介質(zhì)的分界面上

8、時(shí)，其中一部分光線沿分界面上反射到原來(lái)的介質(zhì)，稱(chēng)為反射光線另一部分光線透過(guò)分界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，并改變?cè)瓉?lái)方向，稱(chēng)為折射光線，可以分別用反射定律和折射定律來(lái)表示。幾何光學(xué)基礎(chǔ)光的反射定律 1）反射光在入射面內(nèi)反射光在入射面內(nèi) 2）反射角等于入射角反射角等于入射角ii 界面ii入射面n 光的折射定律介質(zhì)2介質(zhì)1分界面物像1i2i21sin/sinii只與兩種介質(zhì)有關(guān)，折射率1122sinsinniniIin2n1n1n2幾何光學(xué)基礎(chǔ)全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象幾種典型的光學(xué)器件1、光導(dǎo)纖維2、平面鏡3、棱鏡4、球面鏡（凸面鏡、凹面鏡）5、透鏡（凸透鏡、凹透鏡）幾何光學(xué)基礎(chǔ)全反射的應(yīng)用光導(dǎo)纖維n0sin叫

9、做光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑，用NA表示，以此來(lái)量度光導(dǎo)纖維的通光本領(lǐng)。通常NA055079。幾何光學(xué)基礎(chǔ)單根光線不能傳輸圖像依靠集束光線傳輸圖像纖芯0.1mm包膜保護(hù)層 通常一公里長(zhǎng)的聚光纖維的傳輸損耗為l一2分貝，光在其中傳輸1公里的距離后，大約接近原來(lái)光強(qiáng)80的光仍可利用。目前最好的光纖傳輸1公里的損耗已降到02分貝 對(duì)光導(dǎo)纖維的要求，除了數(shù)值孔徑、傳輸損耗外，還有傳輸帶寬(它影響到光導(dǎo)纖維傳輸信號(hào)能力，光信號(hào)以光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光導(dǎo)纖維傳輸，如果脈沖嚴(yán)重變寬，則傳遞信息的脈沖之間就會(huì)互相重疊，以致分辨不清，無(wú)法進(jìn)行正常傳輸)和模式分布(所謂模式即是電磁場(chǎng)的各種分布形式：如果入射激光的模樣是圓光斑，

10、在出射端仍得到圓形光斑，這就是單模傳輸，如果出射光斑分裂成許多小光斑，這就是許多雜散的高次模。目前研制的單模光纖，只允許基模傳輸，多模纖維允許很多模式同時(shí)存在。幾何光學(xué)基礎(chǔ)2、平面鏡平面鏡在光學(xué)系統(tǒng)中，常用來(lái)改變光線的方向和物體的方位。任何1物點(diǎn)s經(jīng)平面鏡反射后都能形成一個(gè)與原物人小相向、對(duì)稱(chēng)于鏡面的像點(diǎn)s；從理論上講，平面鏡是唯一能成完善像的光學(xué)零件。幾何光學(xué)基礎(chǔ)白光入射 2棱鏡2i2i1i1i)()()()(22112121iiiiiiii22ii11ii11ii22ii21sinsiniin2sin2sin偏轉(zhuǎn)角如果( )n紅光黃光藍(lán)光) 1( n按照棱鏡的作用，分為折射棱鏡和反射棱鏡。

11、全反射棱鏡 倒轉(zhuǎn)棱鏡(阿米西棱鏡）5 .675 .67屋脊形五棱鏡珀羅組合棱鏡其它類(lèi)型的組合全反射棱鏡阿貝-科尼組合棱鏡 施密特-樸漢組合棱鏡 珀羅組合棱鏡 珀羅-阿貝組合棱鏡 3、球面鏡 反射面是球面的鏡叫做球面反射鏡，利用凹球面作反射面的球面鏡叫做凹面鏡利用凸球面作反射面的球面鏡叫做凹面鏡。幾何光學(xué)基礎(chǔ) 任何平行于光軸的光線（而又接近光軸的光線），經(jīng)過(guò)球面鏡反射后，必定交丁同一點(diǎn)，該點(diǎn)稱(chēng)為球面鏡的焦點(diǎn)，以F表示。規(guī)定從0點(diǎn)算起到F點(diǎn)的距離叫做球面鏡的焦距，用f表示，球面鏡半徑為r，則：幾何光學(xué)基礎(chǔ)rf21 幾何法求出凹球面鏡的物、像關(guān)系幾何光學(xué)基礎(chǔ)幾何光學(xué)基礎(chǔ)幾何法求出凸球面鏡的物、像關(guān)系

12、物距l(xiāng)：球面鏡頂點(diǎn)o到物點(diǎn)的距離；像距l(xiāng)：球面鏡頂點(diǎn)o起到像點(diǎn)的距離；球面半徑r：由球面鏡頂點(diǎn)o起到球心的距離；焦距f：球面鏡頂點(diǎn)o到焦點(diǎn)的距離；物高y：由軸上算起到物的另一端點(diǎn)的長(zhǎng)度；像高y：由軸上算起到像的另一端點(diǎn)的長(zhǎng)度。幾何光學(xué)基礎(chǔ)fll1114、透鏡a)為雙凸遠(yuǎn)鏡；(b)為平凸透鏡；(c)為凹凸透鏡；(d)為雙凹透鏡；e)為平凹透鏡；f)為雙凹透鏡。幾何光學(xué)基礎(chǔ) 根據(jù)透鏡的厚度分為厚透鏡和薄透鏡，視其厚度實(shí)際上是否可忽略而定，即一個(gè)透鏡中央部分的厚度，就是透鏡兩球面頂點(diǎn)之間的距離，比兩個(gè)球面半徑或透鏡的焦距小很多，可以忽略不計(jì)，這種透鏡叫做簿透鏡，否則為厚透鏡。幾何光學(xué)基礎(chǔ)作圖法確定物

13、、像之間的關(guān)系幾何光學(xué)基礎(chǔ)典型的光學(xué)儀器照相機(jī)幾何光學(xué)基礎(chǔ)照相物鏡有3個(gè)主要參數(shù)：1、焦距f：在相同物距，焦距決定著像和物的比例2、相對(duì)孔徑：物鏡通光孔徑與焦距的比，相對(duì)孔徑影響像面的照度、景深、相差、和分辨本領(lǐng)。3、視場(chǎng)角：決定了能成清晰像的二維空間范圍。幾何光學(xué)基礎(chǔ)f1v1u1光學(xué)系統(tǒng)的像差 色散不同色光，有不同的焦距； 球差透鏡實(shí)際上是有厚度的； 慧差透鏡實(shí)際上是有厚度的； 像散 像面彎曲 畸變幾何光學(xué)基礎(chǔ)一、色散幾何光學(xué)基礎(chǔ)二、球差幾何光學(xué)基礎(chǔ)消除球差消除球差（1 1）加光闌，選擇近軸光束；）加光闌，選擇近軸光束；（2 2）正、負(fù)透鏡組合進(jìn)行校正；）正、負(fù)透鏡組合進(jìn)行校正；（3 3）采

14、用非球面透鏡（如菲涅耳螺紋透鏡）。）采用非球面透鏡（如菲涅耳螺紋透鏡）。三、彗形像差1 1、軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束：、軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束：對(duì)稱(chēng)軸為過(guò)對(duì)稱(chēng)軸為過(guò)物點(diǎn)物點(diǎn)- -球心球心的輔助軸。的輔助軸。BBAB0A0B高斯像面高斯像面TK 子午面子午面四、像散幾何光學(xué)基礎(chǔ)明晰明晰圓圓弧矢弧矢焦線焦線子午子午焦線焦線與主軸成較大傾斜角的同心光束：與主軸成較大傾斜角的同心光束： 即使是細(xì)光束，出射光束也難以保持仍為同心。即使是細(xì)光束，出射光束也難以保持仍為同心。五、像面彎曲（像曲）幾何光學(xué)基礎(chǔ)ABy0A 0B0y高斯像面高斯像面 物點(diǎn)離軸越遠(yuǎn)，像散差越大，造成兩個(gè)像面的彎曲。物點(diǎn)離軸越遠(yuǎn)，像散差越大

15、，造成兩個(gè)像面的彎曲。 像面是關(guān)于光軸對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)曲面，均相切于高斯像面中心。像面是關(guān)于光軸對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)曲面，均相切于高斯像面中心。(1) 畸變是主光線的像差。畸變是主光線的像差。(2) 畸變是視場(chǎng)（離軸距離）的函數(shù)：畸變是視場(chǎng)（離軸距離）的函數(shù)： 橫向放大率隨物點(diǎn)離軸距離而增大橫向放大率隨物點(diǎn)離軸距離而增大枕形（正）畸變枕形（正）畸變 橫向放大率隨物點(diǎn)離軸距離而減小橫向放大率隨物點(diǎn)離軸距離而減小桶形（負(fù)）畸變桶形（負(fù)）畸變六、畸變六、畸變(3) 畸變是垂軸像差，表現(xiàn)為畸變是垂軸像差，表現(xiàn)為軸外物點(diǎn)軸外物點(diǎn)在高斯像面上的成像在高斯像面上的成像 位置的改變，只是像的變形，不影響像的清晰度。位置的改變

16、，只是像的變形，不影響像的清晰度。桶形畸變桶形畸變枕形畸變枕形畸變物物激光原理 激光，Laser( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)通過(guò)受激輻射過(guò)程實(shí)現(xiàn)的光放大器。 激光產(chǎn)生的條件 激光器的結(jié)構(gòu)和種類(lèi) 激光的特性 典型激光器 激光歷史回顧 1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世； 40年來(lái)，激光工作物質(zhì)從晶體發(fā)展到：玻璃、氣體、液體及自由電子等數(shù)百種之多； 激勵(lì)方式從光激勵(lì)，發(fā)展到：放電激勵(lì)、電激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核激勵(lì)； 輸出功率從最初的毫瓦量級(jí)，發(fā)展到現(xiàn)在的萬(wàn)瓦量級(jí) 輸出譜線，已經(jīng)從紅外到x射線，有數(shù)千條譜線可用

17、。激光產(chǎn)生的條件1、原子的能級(jí) 玻爾理論的基本假設(shè)如下： I)原子內(nèi)的電子并非沿著任意的軌道運(yùn)動(dòng)，而是沿著具有一定半徑或一定能級(jí)的軌道運(yùn)動(dòng)。在一定軌道上運(yùn)動(dòng)的電子被稱(chēng)為處在定態(tài)，電子處在定態(tài)的原子并不輻射能量。原子內(nèi)電子可以有許多定態(tài)，其中能量最低的叫基態(tài)，其他的叫激發(fā)態(tài)。 2)原子內(nèi)的電子可由某一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，這一過(guò)程要吸收和放出輻射能。頻率由hvE2-E1決定；若E2EI，放出輻射能，反之吸收輻射能。 3)對(duì)于原子內(nèi)的電子可能存在的定態(tài)有一限制，即電子的軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量P必須等于h/2整數(shù)倍，即:激光原理 2簡(jiǎn)并度處于一定電子態(tài)的原子對(duì)應(yīng)某一能級(jí)，反過(guò)來(lái)，某一能級(jí)并不一定只對(duì)應(yīng)一個(gè)電

18、子態(tài)，往往有若干個(gè)不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有同一能級(jí)，即電子可以有兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有相同的能級(jí)，這樣的能級(jí)叫簡(jiǎn)并能級(jí)，同一能級(jí)所對(duì)應(yīng)的不同電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目，叫簡(jiǎn)并度。激光原理3玻爾茲曼分布 由大量粒子所組成的系統(tǒng)由于熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞，在熱平衡狀態(tài)下粒子數(shù)按能級(jí)的分布服從玻爾茲曼定律：其中g(shù)i為Ei能級(jí)的簡(jiǎn)并度激光原理kTEiiiegN光輻射與電子運(yùn)動(dòng)的關(guān)系1自發(fā)輻射 處于高能級(jí)E2的原子是不穩(wěn)定的、即使沒(méi)有外界作用，也將自發(fā)地躍迂到低能級(jí)E1,發(fā)射一個(gè)頻率為、能量為h E2El的光子。大量處于高能級(jí)的原子，它們各自獨(dú)立地發(fā)射一列列頻率各不相同的光波，各光波之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系、偏振方

19、向與傳播方向。2受激輻射處于高能級(jí)E2的原子，受能量為h E2El外來(lái)光子作用而躍遷到低能級(jí)El，并發(fā)射一個(gè)與外來(lái)一樣的光子。受激輻射的光與入射光具有相同的頻率、位相、偏振方向和傳播方向。3 受激吸收 處于低能級(jí)量El的原子受到能量為h E2El的光子作用時(shí)，吸收這一光子并躍遷到高能級(jí)E 2的過(guò)程。 包涵大量原子的系統(tǒng)中，三種過(guò)程總是同時(shí)存在：在普通光源中，自發(fā)輻射是主要的，在激光器工作過(guò)程中，受激輻射起主要作用。激光原理激光產(chǎn)生的條件1粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，若入射光的頻率與原子系統(tǒng)的兩個(gè)能級(jí)共振，必然同時(shí)存在受激輻射和吸收兩種過(guò)程。 要使介質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生放大作用，必須使受激輻射超過(guò)受激吸收

20、，而兩者的幾率分別與上能級(jí)粒子數(shù)密度N 2和下能級(jí)粒子數(shù)密度N1成正比。 根據(jù)玻爾茲曼分布規(guī)律，在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)粒子數(shù)小于低能級(jí)粒子數(shù)，因而，必須使粒子數(shù)分布達(dá)到反轉(zhuǎn)狀態(tài)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是介質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生放大作用的條件及產(chǎn)生激光的前提。激光原理2、泵浦過(guò)程 把粒子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)，在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為泵浦。激光原理泵浦的方法 光泵浦：固體激光器，如紅寶石激光器、Nd:YAG激光器； 電泵浦：氣體激光器、半導(dǎo)體激光器 化學(xué)泵浦：HF激光器 熱泵浦：動(dòng)力CO2激光器 核激勵(lì)泵浦：激光原理2、光的受激放大(1)增益介質(zhì) ：介質(zhì)通過(guò)泵浦過(guò)程造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光在此介質(zhì)中

21、受激輻射超過(guò)受激吸收及自發(fā)輻射介質(zhì)對(duì)光具有放大作用，這樣的介質(zhì)稱(chēng)增益介質(zhì)(2)受激放大 光通過(guò)增益介質(zhì)是以指數(shù)規(guī)律增強(qiáng)的，表達(dá)式為：其中：G增益系數(shù)，G0; Z增益介質(zhì)長(zhǎng)度；I0入射光強(qiáng)度GzeIzI0)(激光原理3、諧振腔的共振在增益介質(zhì)的兩端放置由反射鏡構(gòu)成的諧振腔，光在腔內(nèi)增益介質(zhì)中往返傳播，每經(jīng)過(guò)一次得到一次放大，因此，諧振腔的存在尤如大大增長(zhǎng)了增益介質(zhì)，使其得到極度放大，從而形成很亮的激光輸出。另外，諧振腔對(duì)光的模式有選擇作用，即對(duì)光的頻率、相位、偏振及傳播方向行嚴(yán)格的選擇。所以激光還有單色性、相干性及方向性均好的特點(diǎn)；激光原理4、激光形成的域值條件要形成激光，首光必須利用激勵(lì)能源，

22、即泵浦，泵浦可以激活介質(zhì)內(nèi)部的粒子，使其在某些能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，同時(shí)還需要使光產(chǎn)生共振作用的共振腔。 但這還不夠，還必須滿(mǎn)足域值條件。這是形成激光的決定性條件，即光在諧振腔內(nèi)來(lái)回一次所獲得的增益必須等于或大于它所遭受的各種損耗之和， 這些損耗主要指腔內(nèi)的光學(xué)元件的吸收損耗、散射損耗、衍射損耗以及工作物質(zhì)不均勻和吸收所引起的損耗。激光原理激光器的分類(lèi)及特點(diǎn)激光器按其工作介質(zhì)可分為以下幾類(lèi)。1固體激光器 有紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁(石榴石YAG),其特點(diǎn)是：光泵浦，脈沖工作，外腔式結(jié)構(gòu)。2、氣體激光器 又分為：原子激光器（He-Ne激光器）；分子激光器（CO2激光器）；準(zhǔn)分子激光器；離子激

23、光器（Ar離子激光器）。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，效率高，頻率穩(wěn)定。3、液體激光器（染料激光器） 特點(diǎn)：波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)可調(diào)4、半導(dǎo)體激光器 特點(diǎn)是：超小型、超低成本、高效率（30）缺點(diǎn)：相干性差、發(fā)散角大。激光原理激光的基本物理性質(zhì)一、激光的方向性光源發(fā)出光束的方向性通常用發(fā)散角來(lái)描述，發(fā)散角定義為：光源發(fā)光面所發(fā)出光線中，兩光線之間的最大夾角，一般用2表示，單位為：rad。激光器的發(fā)散角都接近該激光器的出射孔徑所決定的衍射極限，即： 2 /d/d中是激光波長(zhǎng)、 d是出射孔徑。對(duì)于一氦氖激光器， 0.63um,則；d=3mm,則發(fā)放角22104rad。氣體激光器發(fā)散角最?。?2103- 106

24、rad ,是最好探照燈的1/1000。固體激光器的發(fā)散角較大，一般為102-rad量級(jí)，半導(dǎo)體激光器最差，一般為（510） 102-rad。 激光的方向性對(duì)聚焦有重要影響，聚焦直徑D=f.2激光原理二、激光的高亮度亮度為單位面積的光源在單位時(shí)間內(nèi)向著其法線方向上的單位立體角范圍內(nèi)輻射的能量，可表示為： 從上式可見(jiàn)：?jiǎn)挝涣Ⅲw角越小，時(shí)間越短，相同量光亮度越大。一般激光器的立體角大約為106，其發(fā)光亮度比普通光源大百萬(wàn)倍；目前的超短脈沖激 光器能產(chǎn)生短至4.6fs的超短脈沖，光功率密度可高達(dá)101020（W/cm2）。激光原理3、激光的相干性1）激光的時(shí)間相干性激光的時(shí)間相干性是指在同一空間點(diǎn)上，

25、由同一光源分割出來(lái)的的光波之間位相差與時(shí)間無(wú)關(guān)的性質(zhì)即光波的時(shí)間延續(xù)性?？梢岳斫鉃?，同一光源發(fā)出的兩列光波經(jīng)不同的路徑在相隔一定時(shí)間后在空間某點(diǎn)會(huì)合，尚能發(fā)生干涉。?c稱(chēng)為相干時(shí)間。激光原理 用86Kr燈作光源的干涉儀，理論上其相干長(zhǎng)度Lc=77cm，這與其他非受激發(fā)射的普通光源相比已是最長(zhǎng)的了，但利用穩(wěn)頻氦氖激光器(A0.6328um)作光源，若其干涉儀的相干長(zhǎng)度可達(dá)6x106m。激光原理2）激光的空間相干性空間相干性是指同一時(shí)間，由空間不同點(diǎn)發(fā)出的光波的相干性。在楊氏狹縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若光源為理想光源(點(diǎn)光源)，則在觀察屏上將觀察到等距排列的亮暗相間的條紋。但實(shí)際的光源總有一定的寬度，設(shè)為2

26、b。激光原理當(dāng)2b一定時(shí)，要滿(mǎn)足干涉所允許的最大孔間距d必須滿(mǎn)足下式：尺寸為100um的矩形汞弧燈光源，當(dāng)針孔屏距光源500mm放置時(shí)，其橫向相干長(zhǎng)度大約為025mm，而激光器的橫向相干長(zhǎng)度可達(dá)100mm以上。激光原理典型激光器一、固體激光器 1960年,世界上第一臺(tái)激光器問(wèn)世，屬于紅寶石激光器。 固體激光器通常是指以絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。少量的過(guò)渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃，經(jīng)光泵激勵(lì)后產(chǎn)生受激輻射作用。參與受激輻射作用的離子密度一般為10251026m3，較氣體工作物質(zhì)高3個(gè)量級(jí)以上; 激光上能級(jí)的壽命也比較長(zhǎng)(104一103s)。因此易于獲得大能量輸出，適于進(jìn)行調(diào)Q以

27、獲得大功率脈沖輸出。激光原理 固體激光器普遍采用光激勵(lì)方式將處于基態(tài)的粒子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，能量利用率低：0.1%-2%.激光原理 目前使用的固體激光器有：1）紅寶石激光器 紅寶石是摻有少量Cr203(質(zhì)量比約為0.05)的Al2O3晶體； 紅寶石激光器通常只產(chǎn)生6943nm激光； 通常只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)。Q調(diào)制紅寶石激光器輸出巨脈沖峰值功率可達(dá)10一50MW，脈寬為10一20ns。鎖模紅寶石激光器輸出超短光脈沖的峰值功率可達(dá)109W量級(jí)，脈寬可達(dá)10ps。激光原理2)釹激光器 以三價(jià)釹離子作為激活粒子的釹激光器是使用最廣泛的激光器。以Nd3離子部分取代Y

28、3A16O12晶體中Y3 離子的激光工作物質(zhì)稱(chēng)為摻釹釔鋁石榴石(簡(jiǎn)稱(chēng)Nd3+:YAG)。 在固體激光器中效率最高，可達(dá)2。 波長(zhǎng)通常為1064nm，屬于紅外波段激光器。倍頻后輸出532nm激光（黃綠）。 Nd3+：YAG激光器不僅可以單次脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，還可用于高重復(fù)率或連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，最大輸出功率已超過(guò)1000W，每秒5000次重復(fù)頻率激光器的輸出峰值功率已達(dá)千瓦以上，每秒幾十次重復(fù)頻率的調(diào)Q激光器的峰值功率可達(dá)幾百兆瓦激光原理3）鈦寶石激光器 紅寶石和釹激光器產(chǎn)生的激光具有固定波長(zhǎng)。近十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的摻鈦寶石激光器則是一種可調(diào)諧固體激光器其突出特點(diǎn)是在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(6801100nm)連

29、續(xù)可調(diào)。而在鈦寶石激光器發(fā)展成熟之前普通使用的可調(diào)諧染料激光器卻必須更換四種染料，才能覆蓋如此寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，并且用以產(chǎn)生近紅外激光的染料壽命很短，使用很不方便。因此鈦寶石激光器在許多應(yīng)用中將取代染料激光器。 鈦寶石(Ti3+:A12O3)中，少量Ti3+離子(約12)取代了A12O3晶體中的Al3+離子。激光原理 由于鈦寶石的激光躍遷上能級(jí)壽命僅為38us，為了獲得足夠高的泵浦效率，鈦寶石激光器大多采用激光泵浦。 激光器的調(diào)諧可通過(guò)諧振腔中的波長(zhǎng)選擇元件實(shí)現(xiàn)。激光原理二、氣體激光器 氣體激光器是以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)的激光器。由于氣態(tài)工作物質(zhì)的光學(xué)均勻性遠(yuǎn)比固體好，所以氣體激光器易于獲得衍

30、射極限的高斯光束，方向性好。氣體工作物質(zhì)的譜線寬度遠(yuǎn)比固體小，因而激光的單色性好。 但由于氣體的激活粒子密度遠(yuǎn)較固體為小，需要較大體積的工作物質(zhì)才能獲得足夠的功率輸出，因此氣體激光器的體積一般比較龐大。激光原理 由于氣體工作物質(zhì)吸收譜線寬度小不宜采用發(fā)射連續(xù)譜的非相干光源泵浦，通常采用氣體放電泵浦方式。除了氣體放電泵浦外，氣體激光器還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦及核泵浦等方式。激光原理1）He-Ne激光器 HeNe激光器是最早研制成功的氣體激光器。在可見(jiàn)及紅外波段可產(chǎn)生多條激光譜線，其中最強(qiáng)的是6328nm、115um和339um三條譜線。 它能輸出優(yōu)質(zhì)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可見(jiàn)光，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在準(zhǔn)直、定位、全息照相、測(cè)量、精密計(jì)量、光盤(pán)錄放等方面得到了廣泛應(yīng)用。激光原理He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）內(nèi)腔式2）外腔式3）半外腔式激光原理 二、氬離子激光器 中性Ar原子的電子組態(tài)為3P6、放電過(guò)程中，Ar原子與快速電子碰撞后電離，形成基態(tài)氬離子，其電子組態(tài)為3P5。激光躍遷發(fā)生在Ar的電子組態(tài)3P44P和3P44s之間。前者的壽命約為108s，后者通過(guò)平均壽命為109s。 由于