激光原理與技術(shù)

激光測量技術(shù)

LaserMeasurementTechnology1第一章激光原理與技術(shù)

§1.1輻射理論概論一、光量子學(xué)說及波粒二象性

光電效應(yīng)與光量子學(xué)說1900年普朗克提出輻射能量量子的概念他在對黑體輻射實驗進行理論解釋的時候發(fā)現(xiàn)，必須大膽的假設(shè)：黑體輻射的能量是不連續(xù)的，存在一個最小的能量單元，這就是量子。空腔輻射體1905年愛因斯坦指出光是由最小能量單元光子組成2躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。吸收躍遷：低吸收能量高輻射躍遷：高輻射能量低（自發(fā)輻射）二、原子能級及波爾茲曼分布1.原子能級躍遷3普通光源（日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同——為非相干光。2.玻爾茲曼分布分別處在Em和En能級的粒子數(shù)目：由大量粒子所組成的系統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)下粒子按能級的分布規(guī)律由高能級的粒子數(shù)目少于低能級的粒子數(shù)目結(jié)論41917年，愛因斯坦提出受激輻射新概念

——奠定了激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，要達到熱平衡，還必須存在受激輻射。三、光與物質(zhì)的相互作用5發(fā)光前發(fā)光后當(dāng)光與原子相互作用時，總是同時存在這三種過程受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的外來光子具有相同的特征（頻率、相位、振動方向及傳播方向均相同）。受激輻射光子與入射光子屬同一光子態(tài)。相干光6預(yù)示了利用受激輻射來放大（振蕩）光的可能性！但當(dāng)時的技術(shù)和生產(chǎn)水平根本沒有這種需要（無線電技術(shù)剛剛開始，光學(xué)技術(shù)處于初級階段）激光不可能超越時代在當(dāng)時被發(fā)明。Laser“受激輻射光放大”LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation§1.2

激光產(chǎn)生的原理及條件7粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是介質(zhì)對光放大作用的條件及產(chǎn)生激光的前提受激吸收受激輻射一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過程1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布要使介質(zhì)對光產(chǎn)生放大作用，必須使受激輻射超過受激吸收;二者幾率分別與上能級粒子數(shù)密度和下能級粒子數(shù)密度成正比。82.泵浦(抽運)泵浦:使兩個能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程9受激輻射泵浦自發(fā)輻射或其他釋放能量方式光泵浦、電泵浦主要類型：二、光的受激放大1.增益介質(zhì)可通過泵浦實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光在此介質(zhì)中受激輻射大于受激吸收、自發(fā)輻射、各種損耗，對光有放大作用102.受激放大增益介質(zhì)對光的放大作用不考慮損耗的情況下,g越大,z越大,對光的放大作用越好,但是g，z有限,也可能形成不了激光三、諧振腔的共振作用與激光的形成1.光往返,增加z的大小,利于光放大；作用112.腔體對光的頻率、相位、傳播方向和偏振方向有選擇作用。四、激光產(chǎn)生的基本條件及閾值條件閥值條件:

光在諧振腔來回往返一次所獲得光增益必須大于或者等于所遭受的各種損耗之和.三要素:

1.泵浦

2.增益介質(zhì)

3.諧振腔12

五、結(jié)構(gòu)形式通用結(jié)構(gòu)激光增益介質(zhì)諧振腔泵浦源全反鏡部分反部分透射鏡13He-Ne激光器的三種結(jié)構(gòu)：1.內(nèi)腔式主要結(jié)構(gòu)：激光管+電源+光學(xué)元件放電管電極光學(xué)諧振腔特點：諧振腔的兩個反射鏡固定在放電管外殼的兩個端面上優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用時不需調(diào)整諧振腔，比較方便；放電管和反射鏡之間無光學(xué)元件，損耗小，輸出功率高缺點：熱穩(wěn)定性差，放電管熱變形引起兩端反射鏡的位置關(guān)系發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出激光頻率穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性較差142、外腔式特點：諧振腔與放電管完全分開；諧振腔反射鏡上裝有調(diào)整裝置可以隨時進行調(diào)整，以保證反射鏡的光軸與放電管軸線重合；放電管兩端按一定角度貼有布儒斯特窗片，既可以封閉放電管，又可以減少光的損失，還可使激光器輸出偏振度較好的線偏光。優(yōu)點：諧振腔可以調(diào)整，能夠長期保持激光器的穩(wěn)定輸出；可以在諧振腔內(nèi)插入光學(xué)元件，便于進行激光器性能研究。缺點：諧振腔兩反射鏡易失調(diào)，并且調(diào)整也比較困難，使用不方便；窗片與軸線夾角不準(zhǔn)確，窗片光學(xué)質(zhì)量不完善，引起反射、散射、吸收等光學(xué)損耗，降低了輸出功率。153.半內(nèi)腔式特點：諧振腔的一塊反射鏡與放電管固定在一起，而另一塊與放電管分開優(yōu)點：僅需調(diào)整外面的一塊反射鏡，比較容易調(diào)整，工作方便；能夠同外腔式激光器一樣進行各種實驗；同時，有一布儒斯特窗片可輸出偏振光。16按工作波段分類遠(yuǎn)紅外、紅外激光器可見光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運轉(zhuǎn)方式分類連續(xù)激光器脈沖激光器超短脈沖激光器六、激光器的分類及特點17按工作物質(zhì)分類固體激光器氣體激光器工作物質(zhì)：主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻)Al2O3、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釹)YAG。激勵方式：光激勵(簡稱光泵)特點：結(jié)構(gòu)緊湊，輸出功率大可達1000W以上,YAG最好，可連續(xù)運行多模輸出應(yīng)用：常用于機械加工、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域。工作物質(zhì):

原子（He-Ne）、分子（CO2）、離子（Ar+）特點:

種類多，波長分布區(qū)域?qū)挘瑧?yīng)用廣，頻率穩(wěn)定性好，是很好的相干光源，可實現(xiàn)最大功率連續(xù)輸出，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，轉(zhuǎn)換效率高激勵方式：電激勵(簡稱電泵)應(yīng)用：CO2－常用于機械加工；

He-Ne－精密測試計量；

Ar+－化學(xué)分析，全息攝影，激光照排，水下通訊。18液體激光器半導(dǎo)體激光器特點:

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％)，波長范圍廣(0.5—30μm)，壽命長(＞百萬小時)，發(fā)散角大，單色性差，易于調(diào)制，改變驅(qū)動電流可將輸出光調(diào)制到GHz。應(yīng)用:

通信光源、測距、激光光盤、唱片、印刷術(shù)、辦公自動化、泵浦源工作物質(zhì)：GaAS(砷化鎵)，InAS（砷化銦），Insb（銻化銦）、CdS（硫化鎘）工作物質(zhì)：有機染料特點：輸出的激光波長在很大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(0.34-1.2μm)應(yīng)用:

在光化學(xué)、光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等方面19化學(xué)激光器其它激光器特點:可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為激光能，不需要外界泵浦源，典型波長范圍為近紅外到中紅外譜區(qū)，最有希望獲得最大功率工作物質(zhì)：HF，DF應(yīng)用:適合于無電源的野外作業(yè)X射線、薄膜、光纖、自由電子激光器等20一、激光的方向性§1.3

激光的基本物理性質(zhì)通常用發(fā)散角來描述常見光源發(fā)散角:日光燈:π氣體激光:10-3~10-6固體激光:10-2半導(dǎo)體激光:5~10×10-221例2：東芝公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器TOLD9211，輸出功率5mW，波長670nm，輸出光束在水平方向和垂直方向上的發(fā)散角分別為8o和33o。氣體激光器的增益介質(zhì)有良好的均勻性，且腔長大，方向性最好！例1：對于直徑3mm腔鏡的632.8nmHe-Ne激光器輸出光束，近衍射極限光束發(fā)散角為氣體激光器發(fā)散角接近衍射極限，是普通光源中方向性很好的弧光的10-5~10-7，是當(dāng)前最好探照系統(tǒng)的1/1000。22激光器方向性對其聚焦性能有重要影響當(dāng)一束發(fā)散角為2θ的單色光被焦距為f的透鏡聚焦時，焦平面上光斑直徑為二、激光的高亮度亮度:單位面積的光源在單位時間內(nèi)向著其法線方向上的單位立體角范圍內(nèi)輻射的能量。單位:W/cm2.Sr太陽光的亮度約為1.03W/cm2·Sr普通的1mW氦氖激光105W/cm2·Sr大功率脈沖激光1014-1017W/cm2·Sr飛秒激光可達1020W/cm2·Sr23源于激光能量在空間和時間上的高度集中三、單色性激光單色性可以用頻譜分布的寬度

(線寬)描述由于存在一些加寬因素的影響，使得激光光譜線并非無限窄，而是表現(xiàn)出一定的能級寬度24普通光源中，86Kr放電燈在低溫下發(fā)出波長λ為650.7nm的光，譜線寬度和波長比值7.76×10-7。激光的縱模光波在諧振腔中應(yīng)滿足駐波條件

相鄰兩個縱模頻率的間隔為可以存在的縱模頻率為25沿軸向傳播的振動模式,稱為縱模諧振腔的腔長、增益介質(zhì)的增益曲線一定，因此只有落在增益范圍內(nèi)，且增益大于損耗的諧振頻率才能形成激光。例設(shè)He-Ne激光器腔長L分別為0.30m、1.0m,氣體折射率n1,試求縱模頻率間隔各為多少?思考題：如何形成單模？26諧振腔的作用：（1）提供正反饋；（2）選擇激光的方向性；（3）提高激光的單色性。一般單模穩(wěn)頻He-Ne激光器（λ=632.8nm），譜線寬度與波長的比值可達10-11。四、相干性1.時間相干性定義：同一光源發(fā)出的光波經(jīng)過不同的路徑到達同一位置，尚能發(fā)生干涉，其經(jīng)過的時間差τc稱為相干時間

兩列光波間允許的最大光程差稱為相干長度27例:

He-Nelaser的線寬和波長（632.8nm）比值為10-7，求Michelson干涉儀的最大測量長度是多少？最大測量長度為解：Lmax=Lc/2=3.164m86Kr放電燈的相干長度？282.空間相干性（同時異地）定義：

楊氏雙縫干涉以楊氏實驗為例同一時間，由空間不同的點發(fā)出的光波的相干性狹縫間距一定光源臨界寬度29光源寬度一定一般尺寸為100μm的矩形汞弧燈光源，當(dāng)針孔屏距0.5m，橫向相干長度為0.25mm，激光器的橫向相干長度可達100mm以上狹縫最大允許距離即橫向相干長度可表示為30沿z軸方向傳播的高斯光束的電矢量表達式為§1.4

高斯光束一、高斯光束表達式31二、高斯光束的特性1.z=0的情況特點:等相位,平面波光強分布為高斯分布束腰：振幅下降為中心的1/e時對應(yīng)的光束截面半徑，又稱光束的截面半徑或者光斑半徑非特指束腰為高斯光束的最小束腰2.z=z0>0的情況32為發(fā)散球面波,曲率半徑隨z變化

a.相位部分b.振幅部分33z=0時,2θ=0,平面波zω0z1z2θc.發(fā)散角z→∞,

的區(qū)域,稱為準(zhǔn)直區(qū)z從0到3.z<0R(z)=-R(z)為匯聚球面波其他同z>0情況34三、高斯光束的變換普通球面波的傳播規(guī)律a)自由空間b)薄透鏡351.高斯光束的復(fù)曲率半徑—