光电测试技术-第4章 激光测试技术概述

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第4章 激光测试技术§4-1 Nhomakorabea光概述1. 1 激光的基本性质 ④激光的时间相干性 经过简单推导有下式成立：
Lc ct c
结论：光谱线宽度Δλ和Δν越窄，光的相干长度Lc和相干 时间τc越长，光的时间相干性越好。所以激光的时间相 干性比普通光源所发出的光好得多。 例如，用86Kr灯作光源的干涉仪，理论上其相干长度 Lc=77cm，这与非受激发射的普通光源相比已是最长的了； 但利用稳频He-Ne激光器（＝0.6328μm）作光源，若其频 率稳定度为10-11，干涉仪的相干长度可达几千公里。
例：对氦氖激光器，若λ=0.63μm， d = 3mm，则光束发散角为 2θ≈2×10-4rad。
Ω π 2

常用激光器的光束方向性能：
气体激光器方向性最好，其发散角约为10-3～10-6rad； 固体激光器的方向性较差，一般为10-2rad量级。
半导体激光器的方向性最差，一般在（5～10）×10-2rad，且两
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第4章 激光测试技术
§4-1 激光概述
1. 1 激光的基本性质
⑤激光的空间相干性 概念：空间相干性是指同一时间，由空间不同点发出的 光波的相干性。 如果用单模激光器作光源，由于这种激光光束在其截面 不同点上有确定的位相关系，因此可产生干涉条纹，即 单模激光光束的空间相干性很好。 例如：尺寸为100μm的矩形汞弧灯光源，当针孔屏距光 源500mm放置时，横向相干长度大约为.25mm，
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第4章 激光测试技术
§4-1 激光概述
1. 1 激光的基本性质 ③激光的单色性 单色性是指光强按频率（波长）的分布状况。 描述方法：用频谱或波长分布的宽度（线宽）来描述
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激光的单色性能：
Δ ν /ν = Δ λ /λ
单模稳频He-Ne激光器，其发出的谱线的线宽与波长
料科学、光电子以及医学工程之间的一门交叉学科。
激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很 小，具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳 光源，也是许多测试技术的基准。
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§4-1 激光概述
1.1 激光的基本性质
①激光的方向性 描述方法： 发散角：光源发光面所发出光线中，两光线之间的最 大角，一般用2θ表示，单位为rad。 立体角：球冠曲面S对光源O所张的空间角Ω，单位为 sr，可用下式描述 2θ 2θ S S O O Ω= 2 Ω R
整个球面对球心所张的立体
(a) R (b)
角是4π(sr)。
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光束的发散角a）和立体角b）
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§4-1 激光概述
1.1 激光的基本性质 ①激光的方向性 激光器的发散角接近该激光器的出射孔径所决定的衍射 极限。可以表示为 λ 2θ ≈ d 当发散角较小时，发散角和立体角的关系可简化为
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个方向的发散角不一样。
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§4-1 激光概述
1. 1 激光的基本性质 光束出射立体角 ②激光的高亮度 辐射出射能量 定义：亮度为单位面积的光源在单位时间内向着其法线 激光的亮度水平： 方向上的单位立体角范围内辐射的能量，可表示为 一个普通的调Q红宝石激光器发射的 Q 激光，其脉冲功率很容易达到 106W L 的水平，其亮度是太阳的 1010倍。 S t 目前的超短脉冲激光器能产生短至 亮度的单位是 W/m2 sr； 4.6fs的超短脉冲，光功率密度可高达 -6sr，其发光亮度 20W/cm2，其亮度就更高了。 一般激光器的发光立体角大约为 π × 10 10 光源表面积 比普通光源大百万倍。 正是由于激光能量在空间和时间上的高度集中，才使得 激光具有普通光源所达不到的高亮度。
的比值可达 / ≈10-11 。
普通光源中，单色性最好的同位素86Kr放电灯在低温
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下发出波长λ＝0.6057μm的光， / ≈ 7.76 10-7
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§4-1 激光概述
M2 1
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2 1. 1 激光的基本性质 激 光 器 ④激光的时间相干性 1 M1 概念：激光的时间相干性指在一空间点上，由同一光源 2 分割出来的两光波之间位相差与时间无关的性质，即光 P 迈克尔逊干涉仪 波的时间延续性。可以理解为，同一光源发出的两列光 波经不同的路径，在相隔一定时间τc后在空间某点会合， 尚能发生干涉，τc称为相干时间。 概念：在迈克尔逊干涉仪中，当两光路光程差小于光振 动波列本身的长度L时，在观察点P处还有一部分干涉， 可看到干涉条纹。当光程差大于振动波列本身的长度L 时，两列波完全不相干，则看不到干涉条纹。我们把两 波列间允许的最大光程差称为光源的相干长度，记作Lc， 它等于光振动的波列本身的长度。
光电测试技术
第4章 激光测试技术
哈尔滨工业大学
第4章 激光测试技术
引
言
自从1960年由Maiman研制成功世界上第一台红宝石固 体激光器以来，激光技术发展极为迅速，并带动一大 批相关学科和技术的发展，其应用遍布几乎所有的领 域，如信息、医学、工农业和军事技术等各个部门， 是具有里程碑意义的重要技术成就。 激光技术的广泛应用使之成为力学、物理、化学、材
而激光器的横向相干长度可达100mm以上。
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第4章 激光测试技术
§4-1 激光概述
a)
c/2nl
1.1 激光的基本性质 l ⑥激光的纵模与横模 b) 1）激光的纵模 纵模的频谱分布及增益特性 谐振腔中的驻波 光波是一种电磁波，每种光都是具有一定频率的电磁振荡。 结论： 当谐振腔的光学长度等于半波长的整数倍的那些光波，将 纵模的频率间隔与谐振腔的光学长度成反比，与纵模的模 形成稳定的振荡，因为这些光波在多次反射中相位完全相 序数 q无关，在频谱上呈现为等间隔的分立谱线，称之为谐 同而得到最有效的加强。谐振条件： 振频率。 c q nl q q 只有那些落在增益曲线范围内，并且增益大于损耗的那些 频率才能形成激光。其他频率的光波都不能形成激光振荡。 所以原则上谐振腔内有无限多个谐振频率。每一种谐振 在这里谐振腔起了一种频率选择器的作用，正是由于这种 频率的振荡代表一种振荡方式，称为一个“模式”。对 作用，才使激光具有良好的单色性。 于上述沿轴向传播的振动，称为“轴向模式”，或简称 2018/12/22 10 为“纵模”。