第1章- 激光原理與技術(shù)-1

上一節(jié)課：課程內(nèi)容簡(jiǎn)介

課程理論部分內(nèi)容：激光原理及技術(shù)、激光干涉測(cè)量技術(shù)、激光衍射測(cè)量技術(shù)、激光準(zhǔn)直及多自由度測(cè)量技術(shù)、激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)、激光其他測(cè)量技術(shù)等。幾個(gè)實(shí)例系統(tǒng)介紹：路基下沉位移測(cè)量、航道水深實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、超微弱發(fā)光檢測(cè)系統(tǒng)、熒光淬滅檢測(cè)、船舶壓載水顆粒分析等今天主講內(nèi)容：激光原理及技術(shù)回顧第1章激光原理與技術(shù)13254輻射理論概要激光產(chǎn)生的原理及條件穩(wěn)頻技術(shù)激光的基本物理性質(zhì)高斯光束6激光調(diào)制技術(shù)7半導(dǎo)體激光器輻射理論概要1916年愛(ài)因斯坦提出了受激輻射的概念，為40年之后激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。光量子學(xué)說(shuō)及光的波粒二象性。（1）金屬中的光電效應(yīng)：每種金屬都有一個(gè)確定的截止頻率V0，當(dāng)入射光的頻率低于V0時(shí)，無(wú)論光多么強(qiáng)，時(shí)間多么長(zhǎng)，都不能從金屬中釋放電子。對(duì)頻率高于V0的入射光，從金屬中釋放電子的最大動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與頻率有關(guān)，頻率越高，動(dòng)能越大；對(duì)于頻率高于V0的入射光，即使非常弱，一旦照射也能釋放出電子，滯后時(shí)間不超過(guò)10-8s。1輻射理論概要光量子學(xué)說(shuō)及光的波粒二象性。（2）光量子學(xué)說(shuō)：普朗克假說(shuō)：物體吸收或釋放能量時(shí)，能量的變化是非連續(xù)的，只是某一最小能量ε的整數(shù)倍（ε=hv），這個(gè)最小能量單位成為量子，h是普朗克常量（h=6.63x10-34J·s）1905年愛(ài)因斯坦提出了光量子學(xué)說(shuō)：光的能量不連續(xù)，由一粒粒運(yùn)動(dòng)著的光子組成，每個(gè)光子都有確定的能量，E=hν。光入射到金屬后被自由電子捕獲，一部分轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能，另一部分消耗在電子離開(kāi)金屬表面所需的逸出功W0(W0=hv0),離開(kāi)金屬表面的最大動(dòng)能Emax=h(v-v0)―愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。近代物理學(xué)基礎(chǔ)―光的波粒二象性，即光既具有粒子的動(dòng)能和動(dòng)量―粒子性，又具有電磁波的波長(zhǎng)和頻率―波動(dòng)性。1輻射理論概要原子能級(jí)、簡(jiǎn)并度及波爾茲曼分布。（1）原子能級(jí)波爾理論的基本假設(shè)：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r或一定能級(jí)E的軌道運(yùn)動(dòng)，原子內(nèi)的電子有許多的定態(tài)，其中能量最低的叫基態(tài)，其他的叫激發(fā)態(tài)。原子內(nèi)的電子可以由某一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，這一過(guò)程要吸收和釋放輻射能，頻率由hv=E2-E1決定。（2）簡(jiǎn)并度電子可以有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有相同的能級(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，稱(chēng)為簡(jiǎn)并度。1輻射理論概要原子能級(jí)、簡(jiǎn)并度及波爾茲曼分布。（3）波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)的分布服從波爾茲曼定律：

gi為Ei能級(jí)的簡(jiǎn)并度。

熱平衡狀態(tài)下的一般規(guī)律如左圖所

示，即處于高能級(jí)的粒子數(shù)總要小

于處于低能級(jí)的粒子數(shù)。1輻射理論概要光和物質(zhì)的相互作用光和物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過(guò)程：自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。包含大量原子的系統(tǒng)中，三個(gè)過(guò)程總是同時(shí)存在的。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。（1）自發(fā)輻射：無(wú)外界作用，自發(fā)躍遷到低能級(jí)，發(fā)射光子（2）受激輻射處于高能級(jí)E2的原子，在它發(fā)生輻射之前，若受能量為hv的外來(lái)光子刺激作用而躍遷到低能級(jí)E1,將發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子的頻率、相位、偏振方向和傳播方向都相同的光子。（3）受激吸收：低能級(jí)的原子吸收光子躍遷到高能級(jí)。1第1章激光原理與技術(shù)13254輻射理論概要激光產(chǎn)生的原理及條件穩(wěn)頻技術(shù)激光的基本物理性質(zhì)高斯光束6激光調(diào)制技術(shù)7半導(dǎo)體激光器激光產(chǎn)生的原理與條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過(guò)程（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)存在受激輻射和受激吸收兩個(gè)過(guò)程。要使介質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生放大作用，必然使受激輻射超過(guò)受激吸收，而兩者發(fā)生的幾率分別與高能粒子數(shù)N2和低能粒子數(shù)N1成正比。根據(jù)波爾茲曼分布規(guī)律，熱平衡狀態(tài)下，N2〈N1。因而，必須使粒子數(shù)分布達(dá)到反轉(zhuǎn)狀態(tài)，才能使受激輻射超過(guò)受激吸收——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。2激光產(chǎn)生的原理與條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過(guò)程（1）泵浦在室溫下絕大多數(shù)粒子處于基態(tài)，把粒子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)，使在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為泵浦。實(shí)現(xiàn)泵浦的方法有很多，通常采用以下幾種：（1）光泵浦；（2）電泵浦；（3）化學(xué)泵浦。（1）光泵浦（左圖）

過(guò)程：光吸收，躍遷，

高能級(jí)E2壽命很短（平均10-8s）,很

快以無(wú)輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)

態(tài)E1，其平均壽命很長(zhǎng)。

2激光產(chǎn)生的原理與條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過(guò)程（1）泵浦在室溫下絕大多數(shù)粒子處于基態(tài)，把粒子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)，使在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為泵浦。實(shí)現(xiàn)泵浦的方法有很多，通常采用以下幾種：（1）光泵浦；（2）電泵浦；（3）化學(xué)泵浦。

（1）光泵浦（左圖）

過(guò)程：只要源源不斷提供激勵(lì)能量

E1上的粒子數(shù)就會(huì)超過(guò)E0的粒子數(shù)

結(jié)果在E1和E0之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

固體激光器常光泵浦法，如紅寶石

2激光產(chǎn)生的原理與條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過(guò)程（1）泵浦在室溫下絕大多數(shù)粒子處于基態(tài)，把粒子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)，使在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為泵浦。實(shí)現(xiàn)泵浦的方法有很多，通常采用以下幾種：（1）光泵浦；（2）電泵浦；（3）化學(xué)泵浦。（2）電泵浦利用氣體放電實(shí)現(xiàn)泵浦過(guò)程（氣體激光器），如He-Ne激光器。（3）化學(xué)泵浦利用化學(xué)反應(yīng)釋放能量實(shí)現(xiàn)泵浦過(guò)程（化學(xué)激光器）

2激光產(chǎn)生的原理與條件光的受激放大（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)為增益介質(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：I（z）=I0eGZ

式中，G為介質(zhì)的增益系數(shù)，G>0;Z為增益介質(zhì)的長(zhǎng)度。一般情況下，G和Z大小是有限的，所以，光能量雖有放大但仍不能形成激光。

2激光產(chǎn)生的原理與條件諧振腔的共振作用與激光的形成在增益介質(zhì)的兩端放置由反射鏡形成的諧振腔，一端放置全反射鏡，一端放置部分反射鏡，且它們相互平行。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，諧振腔的存在如同大大增長(zhǎng)了增益介質(zhì)，使其得到極度的放大，形成很強(qiáng)的激光輸出。諧振腔對(duì)光的模式有選擇作用。只有滿(mǎn)足駐波條件，即半波長(zhǎng)的整數(shù)倍等于諧振腔腔長(zhǎng)的光波才能得到放大；否則很快衰減。諧振腔對(duì)光的頻率、相位、偏振及傳播方向有嚴(yán)格的選擇，所以激光才有單色性、相干性及方向性好的特點(diǎn)。

2激光產(chǎn)生的原理與條件激光形成的基本條件及閾值條件要形成激光，首先必須要有激勵(lì)能源，即泵浦。泵浦可激活介質(zhì)內(nèi)部的一種粒子，使其在某些能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這是形成激光的前提條件。同時(shí)，還必須有使光產(chǎn)生放大作用的增益介質(zhì)和使光產(chǎn)生共振作用的諧振腔。泵浦、增益介質(zhì)和諧振腔是激光產(chǎn)生的三要素。但還不夠，還必須滿(mǎn)足閾值條件，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。

2激光產(chǎn)生的原理與條件激光器的分類(lèi)(按照工作物質(zhì)分)（1）固體激光器固體激光器有紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁（石榴石YAG）激光器等。其特點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、可用于產(chǎn)品零件的加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。（2）氣體激光器氣體激光器有原子（如He-Ne）、分子（如CO2）、離子（如Ar+）。其特點(diǎn)是種類(lèi)多，波長(zhǎng)分布區(qū)域?qū)?，?yīng)用廣，頻率穩(wěn)定性好，是很好的相干光源?？蓪?shí)現(xiàn)最大功率連續(xù)輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，轉(zhuǎn)換效率高。可廣泛應(yīng)用于精密測(cè)試計(jì)量領(lǐng)域，特別是He-Ne激光器（λ0=0.6328μm,?ν/ν=10-9~10-12）應(yīng)用極為廣泛。

2激光產(chǎn)生的原理與條件激光器的分類(lèi)(按照工作物質(zhì)分)（3）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是超小型，質(zhì)量輕，成本低，可批量生產(chǎn)，能量轉(zhuǎn)換效率高（〉30%）。其波長(zhǎng)范圍廣（0.5~30μm），壽命長(zhǎng)（〉百萬(wàn)小時(shí)），功率?。ㄒ话阍?~100mW）,發(fā)散角大，單色性差，易于調(diào)制，改變驅(qū)動(dòng)電流可將輸出光調(diào)制到GHz。可用作通信光源、測(cè)距等方面。（4）液體激光器液體激光器如有機(jī)染料激光器等。其特點(diǎn)是輸出的激光波長(zhǎng)在很廣范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)（0.34~1.2μm）.可用在光化學(xué)、光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

2激光產(chǎn)生的原理與條件激光器的分類(lèi)(按照工作物質(zhì)分)（5）化學(xué)激光器化學(xué)激光器如HF、碘原子激光器等。其特點(diǎn)是可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為激光能，不需外加激光源，輸出的波長(zhǎng)豐富（從紫外到紅外），高功率、高能量輸出，最有希望獲得最大功率。適合于無(wú)電源的野外作業(yè)。（6）其他激光器其他激光器如X射線、薄膜、光纖、自由電子激光器等。

2第1章激光原理與技術(shù)13254輻射理論概要激光產(chǎn)生的原理及條件穩(wěn)頻技術(shù)激光的基本物理性質(zhì)高斯光束6激光調(diào)制技術(shù)7半導(dǎo)體激光器激光的物理性質(zhì)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)散角的定義：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2θ表示，單位是rad。3激光器發(fā)光僅僅是一個(gè)端面上的一個(gè)圓光斑；發(fā)散角也可用光束所占的空間立體角??=πθ2(sr-立體弧度)，如1.4（c）。一般而言，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2θ≈λ/d,λ是激光波長(zhǎng)，d為出射孔徑；對(duì)一He-Ne激光器，若λ=0.63μm,d=3mm,則發(fā)散角2θ≈2x10-4rad。激光的物理性質(zhì)激光的高亮度亮度是指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：B=?E/?S???t,式中B的單位為W/cm2?sr，由此可知，光源發(fā)光立體角??越小，發(fā)光時(shí)間越短，亮度越高。一般激光器??大約為π

x10-6sr,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)生飛秒(fs,10-15s)級(jí)的超短脈沖，光功率密度可高達(dá)1020W/cm2,其亮度就更高了。總之，正是由于激光能量在空間和時(shí)間上的高度集中，才使得激光具有普通光源所達(dá)不到的高亮度。3激光的物理性質(zhì)激光的單色性單色性是指光強(qiáng)按頻率（波長(zhǎng)）的分布狀況。激光本身是一種受激輻射，再加上諧振腔的選模作用，發(fā)出的是單一頻率的光，但受激發(fā)態(tài)能級(jí)寬度、溫度、振動(dòng)、泵浦波動(dòng)等影響，光譜線總有一定的寬度，頻率分布寬度（線寬）。3如圖，曲線f(ν)為光譜線函數(shù)。通常以f(ν)=fmax(ν)/2時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率v1,v2之差的絕對(duì)值作為光譜線的頻率寬度?ν，簡(jiǎn)稱(chēng)線寬。同時(shí)有?ν/ν=?λ/λ線寬越小，單色性越好。激光的物理性質(zhì)激光的單色性3普通光源中，單色性最好的同位素86Kr放電燈，在1960年十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上被選為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，?λ/λ≈7.76x10-7。一臺(tái)一般單模穩(wěn)頻氦氖激光器，其發(fā)出波長(zhǎng)為632.8nm，?λ/λ≈10-11。目前被正式選作長(zhǎng)度基準(zhǔn)之一的甲烷吸收穩(wěn)頻氦氖激光器的波長(zhǎng)為339.223nm,?λ/λ≈10-13激光的物理性質(zhì)激光的時(shí)間相干性3同一個(gè)光源發(fā)出的兩列光波經(jīng)不同路徑，在相隔一定時(shí)間τc后在空間某點(diǎn)會(huì)和，尚能發(fā)生干涉。

τc稱(chēng)為相干時(shí)間。激光器發(fā)出的激光被分成光束1和光束2，兩疊加光波在觀察屏P處能發(fā)生干涉的最大光程差稱(chēng)為光的相干長(zhǎng)度Lc。光譜線寬度越窄，光的相干長(zhǎng)度和相干時(shí)間越長(zhǎng)，相干性越好。激光的物理性質(zhì)激光的時(shí)間相干性386Kr放電燈作光源的干涉儀，理論上其相干長(zhǎng)度為L(zhǎng)c=77cm,這與其他非受激發(fā)射的普通光源