激光原理与技术

激光测量技术

LaserMeasurementTechnology1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

光电效应与光量子学说1900年普朗克提出辐射能量量子的概念他在对黑体辐射实验进行理论解释的时候发现，必须大胆的假设：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1905年爱因斯坦指出光是由最小能量单元光子组成2跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，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）二、原子能级及波尔兹曼分布1.原子能级跃迁3普通光源（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、相位不一定相同——为非相干光。2.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41917年，爱因斯坦提出受激辐射新概念

——奠定了激光发明的理论基础

爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。三、光与物质的相互作用5发光前发光后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6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需要（无线电技术刚刚开始，光学技术处于初级阶段）激光不可能超越时代在当时被发明。Laser“受激辐射光放大”LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation§1.2

激光产生的原理及条件7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，必须使受激辐射超过受激吸收;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。82.泵浦(抽运)泵浦:使两个能级实现粒子数反转的过程9受激辐射泵浦自发辐射或其他释放能量方式光泵浦、电泵浦主要类型：二、光的受激放大1.增益介质可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收、自发辐射、各种损耗，对光有放大作用102.受激放大增益介质对光的放大作用不考虑损耗的情况下,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.光往返,增加z的大小,利于光放大；作用112.腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有选择作用。四、激光产生的基本条件及阈值条件阀值条件:

光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种损耗之和.三要素:

1.泵浦

2.增益介质

3.谐振腔12

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13He-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：结构简单，使用时不需调整谐振腔，比较方便；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化，导致输出激光频率稳定性和方向稳定性较差142、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；放电管两端按一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研究。缺点：谐振腔两反射镜易失调，并且调整也比较困难，使用不方便；窗片与轴线夹角不准确，窗片光学质量不完善，引起反射、散射、吸收等光学损耗，降低了输出功率。153.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，比较容易调整，工作方便；能够同外腔式激光器一样进行各种实验；同时，有一布儒斯特窗片可输出偏振光。16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17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，结构简单，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。18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，改变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19化学激光器其它激光器特点:可将化学能直接转换为激光能，不需要外界泵浦源，典型波长范围为近红外到中红外谱区，最有希望获得最大功率工作物质：HF，DF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20一、激光的方向性§1.3

激光的基本物理性质通常用发散角来描述常见光源发散角:日光灯:π气体激光:10-3~10-6固体激光:10-2半导体激光:5~10×10-221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均匀性，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气体激光器发散角接近衍射极限，是普通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。22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二、激光的高亮度亮度: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普通的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·Sr23源于激光能量在空间和时间上的高度集中三、单色性激光单色性可以用频谱分布的宽度

(线宽)描述由于存在一些加宽因素的影响，使得激光光谱线并非无限窄，而是表现出一定的能级宽度24普通光源中，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。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25沿轴向传播的振动模式,称为纵模谐振腔的腔长、增益介质的增益曲线一定，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。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?思考题：如何形成单模？26谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。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。四、相干性1.时间相干性定义：同一光源发出的光波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27例:

He-Nelaser的线宽和波长（632.8nm）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？282.空间相干性（同时异地）定义：

杨氏双缝干涉以杨氏实验为例同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性狭缝间距一定光源临界宽度29光源宽度一定一般尺寸为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30沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为§1.4

高斯光束一、高斯光束表达式31二、高斯光束的特性1.z=0的情况特点:等相位,平面波光强分布为高斯分布束腰：振幅下降为中心的1/e时对应的光束截面半径，又称光束的截面半径或者光斑半径非特指束腰为高斯光束的最小束腰2.z=z0>0的情况32为发散球面波,曲率半径随z变化

a.相位部分b.振幅部分33z=0时,2θ=0,平面波zω0z1z2θc.发散角z→∞,

的区域,称为准直区z从0到3.z<0R(z)=-R(z)为汇聚球面波其他同z>0情况34三、高斯光束的变换普通球面波的传播规律a)自由空间b)薄透镜351.高斯光束的复曲率半径—