01第一章激光原理与技术(上)报告

激光测量技术

LaserMeasurementTechnology第一章激光原理与技术

§1.1辐射理论概论一、光量子学说及波粒二象性

量子说波动说电磁说微粒说波动光学几何光学电磁理论量子理论1900年普朗克（MaxPlank）提出辐射能量量子的概念他在对黑体辐射试验进行理论说明的时候发觉，必需大胆的假设：黑体辐射的能量是不连续的，存在一个最小的能量单元，这就是量子。空腔辐射体光电效应与光量子学说1905年爱因斯坦（AlbertEinstein）在说明光电效应实验的时候进一步提出：光也是由最小能量单元-光子组成光动力火箭1、光能否作为火箭动力?思索题2、光在传播过程中是否受重力影响?

3、光照射到物体上,是否有压力？太阳帆的原理是什么？太阳能二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布玻尔理论:1.原子能级（1）原子内的电子非沿着随意轨道，而是沿着具有确定半径或能级的轨道运动。定态、基态、激发态（2）原子内的电子可由某确定状态跃迁到另确定态，这一过程要吸取和辐射辐射能。（3）对于原子内的电子可能存在的状态有确定限制，即电子的轨道运动的角动量必需满足玻尔的量化条件跃迁：跃迁：原子从某一能级吸取或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：低吸收能量高辐射跃迁：高辐射能量低（自发辐射）2.简并度、简并能级电子运行的状态不同，其能量相同能量相同的能级对应不同的电子运动状态同一能级对应的不同的电子运动状态的数目电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫简并能级简并度简并能级3.玻尔兹曼分布分别处在Em和En能级的粒子数目：由大量粒子所组成的系统在热平衡状态下粒子按能级的分布规律由高能级的粒子数目少于低能级的粒子数目结论1917年，爱因斯坦提出受激辐射新概念——奠定了激光独创的理论基础爱因斯坦发觉，若只有自发辐射和吸取跃迁，黑体和辐射场之间不行能达到热平衡，要达到热平衡，还必需存在受激辐射。预示了利用受激辐射来放大（振荡）光的可能性！但当时的技术和生产水平根本没有这种须要（无线电技术刚刚起先，光学技术处于初级阶段）激光不行能超越时代在当时被独创。三、光与物质的相互作用自发辐射、受激吸取和受激辐射1.自发辐射发光前发光后一般光源（日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不确定相同——为非相干光。2.受激吸取吸收前吸收后发光前发光后3.受激辐射当外来光子的频率满足时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。受激辐射光子与入射光子属同一光子态。相干光

当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程光场能量粒子能量自发辐射受激辐射受激吸取可能达到平衡也可能达不到平衡Laser“受激辐射光放大”LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation§1.2

激光产生的原理及条件粒子数分布反转是介质对光放大作用的条件及产生激光的前提受激吸收受激辐射一、粒子数反转分布及泵浦过程1.粒子数反转分布要使介质对光产生放大作用，必需使受激辐射超过受激吸取;二者几率分别与上能级粒子数密度和下能级粒子数密度成正比。2.泵浦(抽运)受激辐射泵浦自发辐射或其他释放能量方式定义：使两个能级实现粒子数反转的过程光泵浦电泵浦化学泵浦热泵浦泵浦分类：二、光的受激放大(1)物理、化学作用(2)反射、散射(3)受激吸取(4)自发辐射损耗应当减弱,利于放大泵浦简洁实现粒子数反转杂散光，影响单色性、相干性1.增益介质光波与物质的相互作用：易于通过泵浦实现粒子数反转分布，光在此介质中受激辐射大于受激吸取、自发辐射、各种损耗，对光有放大作用增益介质2.受激放大增益介质对光的放大作用不考虑损耗的状况下,G越大,Z越大,对光的放大作用越好,但是G,Z有限,也可能形成不了激光三、谐振腔的共振作用与激光的形成1.光来回,增加z的大小,利于光放大；2.腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有选择作用。作用四、激光产生的基本条件及阈值条件阀值条件:光在谐振腔来回来回一次所获得光增益必需大于或者等于所遭遇的各种损耗之和.三要素:1.泵浦

2.增益介质

3.谐振腔1928年，登伯格和科夫曼首次从试验上证明白受激辐射的存在。1946年，美国物理学家布洛赫首次观测到粒子数反转的试验现象。1947年美国物理学家兰姆等人指出在粒子数反转的境况下会出现负吸取。1949年，法国物理学家卡斯特勒提出了光泵方法激光独创简史1951年,NewIdea几乎同时、独立在两组科学家的头脑中产生USA:Townes汤斯，Gorden.USSR:巴索夫和普罗霍罗夫利用原子（分子）与电磁场相互作用的受激辐射来放大和产生电磁辐射——量子电子学摈弃了电子学传统概念：自由电子与电磁场相互作用是放大和振荡电磁场的唯一方法1954年，上述两个探讨组分别建立了世界第一台Maser：NH3分子微波量子振荡器（波长1.25cm）。微波振荡器具有极高的（频率）波长稳定度——Cs原子钟量子电子学诞生！Maser——Micro-wave

Amplification

byStimulatedEmissionofRadiation微波激射放大器自此以后，在激光领域内一大批勇于创新，勇于实践的人不失时机地独创创建，推动激光技术的发展。1958年，美国布隆伯根（Bloembergen）提出“三能级光泵方法”，成为获得粒子数反转的经典方法。Bloembergen借用他人的思想用到量子电子学领域。依据上述原理制成“红宝石微波量子放大器”RubyMaser激光的诞生RubyMaser之后，起先了向Laser的总进攻。关键问题：（1）光谐振腔？封闭微波腔几何尺寸~λ（2）合适的材料汤斯、普罗霍罗夫分别独立提出开放式光谐振腔概念Fabry-perot标准具抛弃了微波技术的传统概念借助了光学已有的概念和技术独创光腔1958年12月，Townes和Schawlow发表文章，提出了实现Laser的可能性。几十个小组都在争做世界第一台Laser。肖洛->红宝石

汤斯->钾蒸气

巴索夫->半导体材料贝尔试验室的贾万（Javan）提出放电法连续运转的氦氖激光器方案最终花落谁家？难点在于探究合适材料，实现粒子数反转。除了光泵法以外1960年，梅曼（Maiman）做出世界第一台红宝石激光器.1955年，Stanford.Ph.D后在Hughes.R.Lab探讨红宝石的荧光特性1959年看到S-T文章两周后，USSR重复实现RubyLaser1961，He-NeLaser1962,GaAs

Semiconductor

Laser机遇偏爱有准备的头脑和敢于实践的人!二十世纪四大独创原子能半导体计算机激光器

五、结构形式通用结构激光增益介质谐振腔泵浦源全反镜部分反部分透射镜He-Ne激光器的三种结构：1.内腔式主要结构：激光管+电源+光学元件放电管电极光学谐振腔特点：谐振腔的两个反射镜固定在放电管外壳的两个端面上优点：结构简洁，运用时不需调整谐振腔，比较便利；放电管和反射镜之间无光学元件，损耗小，输出功率高缺点：热稳定性差，放电管热变形引起两端反射镜的位置关系发生变更，导致输出激光频率稳定性和方向稳定性较差2、外腔式特点：谐振腔与放电管完全分开；谐振腔反射镜上装有调整装置可以随时进行调整，以保证反射镜的光轴与放电管轴线重合；放电管两端按确定角度贴有布儒斯特窗片，既可以封闭放电管，又可以减少光的损失，还可使激光器输出偏振度较好的线偏光。优点：谐振腔可以调整，能够长期保持激光器的稳定输出；可以在谐振腔内插入光学元件，便于进行激光器性能探讨。缺点：谐振腔两反射镜易失调，并且调整也比较困难，运用不便利；窗片与轴线夹角不精确，窗片光学质量不完善，引起反射、散射、吸取等光学损耗，降低了输出功率。3.半内腔式特点：谐振腔的一块反射镜与放电管固定在一起，而另一块与放电管分开优点：仅需调整外面的一块反射镜，比较简洁调整，工作便利；能够同外腔式激光器一样进行各种试验；同时，有一布儒斯特窗片可输出偏振光。按工作波段分类远红外、红外激光器可见光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按运转方式分类连续激光器脉冲激光器超短脉冲激光器六、激光器的分类及特点按工作物质分类固体激光器气体激光器工作物质：主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石(掺铬)Al2O3、钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钕)YAG。激励方式：光激励(简称光泵)特点：结构紧凑，输出功率大可达1000W以上,YAG最好，可连续运行多模输出应用：常用于机械加工、医疗、军事领域。工作物质:

原子（He-Ne）、分子（CO2）、离子（Ar+）特点:种类多，波长分布区域宽，应用广，频率稳定性好，是很好的相干光源，可实现最大功率连续输出，结构简洁，造价低，转换效率高激励方式：电激励(简称电泵)应用：CO2－常用于机械加工；

He-Ne－精密测试计量；

Ar+－化学分析，全息摄影，激光照排，水下通讯。液体激光器半导体激光器特点:超小型，质量轻，成本低，可批量生产，能量转换效率高(＞30％)，波长范围广(0.5—30μm)，寿命长(＞百万小时)，发散角大，单色性差，易于调制，变更驱动电流可将输出光调制到GHz。应用:

通信光源、测距、激光光盘、唱片、印刷术、办公自动化、泵浦源工作物质：GaAS(砷化镓)，InAS（砷化铟），Insb（锑化铟）、CdS（硫化镉）工作物质：有机染料特点：输出的激光波长在很大范围内连续可调(0.34-1.2μm)应用:

在光化学、光生物学、激光医学等方面化学激光器其它激光器特点:可将化学能干脆转换为激光能，不需外加激光源，输出的波长丰富，从紫外到红外，高功率、高能量输出，最有希望获得最大功率工作物质：HF，碘原子应用:适合于无电源的野外作业X射线、薄膜、光纤、自由电子激光器等一、激光的方向性光源发光面发出的全部光线中两光线之间的最大夹角§1.3

激光的基本物理性质通常用发散角来描述定义常见光源发散角:日光灯:π气体激光:10-3~10-6固体激光:10-2半导体激光:5~10×10-2例2：东芝公司生产的半导体激光器TOLD9211，输出功率5mW，波长670nm，输出光束在水平方向和垂直方向上的发散角分别为8º和33º。气体激光器的增益介质有良好的匀整性，且腔长大，方向性最好！例1：对于直径3mm腔镜的632.8nmHe-Ne激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为结论不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及匀整性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关气体激光器发散角接近衍射极限，是一般光源中方向性很好的弧光的10-5~10-7，是当前最好探照系统的1/1000。激光器方向性对其聚焦性能有重要影响当一束发散角为2θ的单色光被焦距为f的透镜聚焦时，焦平面上光斑直径为发散角也可用空间立体角来表示激光的方向性二、激光的高亮度亮度定义:

单位面积的光源在单位时间内向着其法线方向上的单位立体角范围内辐射的能量单位:W/cm2.Sr太阳光的亮度约为1.03W/cm2·Sr一般的1mW氦氖激光105W/cm2·Sr大功率脉冲激光1014-1017W/cm2·Sr飞秒激光可达1020W/cm2·Sr激光是最亮的光请勿对准眼睛超快超强激光可形成的物理条件激光可形成自然界存在聚焦强度1020W/cm2光压1012bar加速度1021g磁场109Gauss3.5×1016W/cm21barg0.5Gauss源于激光能量在空间和时间上的高度集中三、单色性激光的频率受以下条件影响：能级分裂腔长变更←泵浦、温度、振动单色性是指光强按频率(波长)的分布状况激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度

(线宽)描述光谱线表现出确定的能级宽度谱宽极限一般光源中，86Kr放电灯在低温下发出波长λ为650.7nm的光，谱线宽度和波长比值7.76×10-7。一般单模稳频He-Ne激光器（λ=632.8nm），谱线宽度与波长的比值可达10-11。甲烷吸取稳频He-Ne激光器（λ=3.39μm），谱线宽度与波长的比值可达10-13。四、相干性1.时间相干性(同地异时)定义：在同一空间点上，由同一光源分割出来的两光波之间的位相差与时间无关的性质，即光波的时间持续性。也可理解为：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过的时间差τc称为相干时间两列光波间允许的最大光程差称为相干长度例:He-Nelaser的线宽和波长比值为10-7，求Michelson干涉仪的最大测量长度是多少？最大测量长度为解：Lmax=Lc/2=3.164m86Kr放电灯的相干长度？2.空间相干性（同时异地）定义：

杨氏双缝干涉以杨氏试验为例同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性狭缝间距确定产生干涉条件光源临界宽度光源宽度确定一般尺寸为100μm的矩形汞弧灯光源，当针孔屏距0.5m，横向相干长度为0.25mm，激光器的横向相干长度可达100mm以上狭缝最大允许距离即横向相干长度可表示为五、激光的横模和纵模1.激光的纵模光波在谐振腔中应满足驻波条件相邻两个纵模频率的间隔为可以存在的纵模频率为谐振腔的腔长、增益介质的增益曲线确定，因此只有落在增益范围内，且增益大于损耗的谐振频率才能形成激光。每一个谐振频率的振荡,称为一个模式沿轴向传播的振动模式,称为轴向模式,简称纵模谐振腔的作用：（1）供应正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。例设He-Ne激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率n1,试求纵模频率间隔各为多少?思索题：如何形成单模？2.激光的横模光场在横向不同的稳定分布激光模式一般用TEMmnq表示定义对称mnq轴向X向暗条纹数Y向暗条纹数纵模数旋转圆周向暗条纹数径向暗条纹数纵模数横截面为