(最新整理)光电测试技术激光测试技术

✓ 其激光器输出光束的质量相当高，具有良好的单色性和发散度。
✓ 目前是连续输出功率最大的激光器，如CO2激光器连续输出量级 已达数十万瓦。
✓ 与其它激光器相比，转换效率高，结构简单，造价低廉。
✓ 被广泛应用于工农业、国防、医学和其它科研领域中。
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§3－1 激光概述 1960年由梅曼(Maiman)制成世界 上第一台红宝石脉冲激光器，它标
➢ 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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§3－1 激光概述
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。
志了激光技术的诞生，从此固体激
3．激光器的分类和特点
光器技术获得了飞速发展。
➢ ②固体激光器
➢ 固体激光器是以固体作为激光工作物质的激光器。
➢ 类型：目前，实现激光振荡的固体工作物质已达百余种，如 红宝石（Cr3+:Al2O3）、掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）、钕 玻璃和掺钛蓝宝石（Ti3+:Al2O3）等。
§3－1 激➢ 自由电子激光器是最近发展起来的一种新型激光器。其工作 物质是自由电子束。
➢ 自由电子激光器具有显著的特点：
✓ 1)输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可以从厘米波一直
调谐到真空紫外，甚至x光的波段，在目前电子加速器可利用的能量范围内，
d = 3mm，则光束发散角为 2θ≈2×10-4rad。
➢ 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
2θ ≈ λ d
➢当发散角较小时，发散角和立体角的关系可简化为
Ωπ2
➢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。
➢ 目前，半导体激光器已成为激光器家族中最主要的成员之一， 是光通信领域中发展最快和最为重要的光纤通信的光源，并
在激光电视唱片、光盘、激光高速印刷术、全息照相、文字
记录、数码显示、办公自动化、激光准直、激光防盗及医疗
等方面开发了应用。半导体激光器是光信息处理、光储存和
光计算机等新领域的主要角色。
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§3－1 激光概述
3．激光器的分类和特点
➢ ④液体激光器
➢ 液体激光器有两类，即有机化合物（染料）液体激光器和无 机化合物液体激光器。
➢ 染料激光器输出的激光波长可以在从紫外(340nm)到近红外 (1200nm)的范围内连续调谐；激光谱线宽度很窄，目前染料 激光器产生的超短光脉冲的时间宽度已压缩到几纳秒，利用 锁模技术还可以获得从皮秒（10-12s）到飞秒（10-15s）量级的 激光脉冲；染料激光器每个脉冲的能量可达数十焦耳量级， 峰值功率达几百兆瓦；激光能量转换效率高达50％；已在光 化学、光生物学、光谱学、全息照相、光通信、同位素分离、 激光医学、大气和电离层光化学等方面获得日益广泛的应用。
➢ ①气体激光器
➢ 气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器。
➢ 气体激光器可分为三大类：原子（如He-Ne）、分子（如 CO2）和离子（如Ar+）气体激光器。
➢ 气体激光器的特点是：
✓ 谱线的波长分布区域宽，已观察到的上万条谱线，覆盖了从紫外 到红外光谱区，目前已向两端扩展到X射线波段和毫米波波段。
2021/7/26 出达1000W以上。
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§3－1 激光概述
3．激光器的分类和特点
➢ ③半导体激光器
➢ 半导体激光器的材料主要集中为三大类材料：
✓ III－Ⅴ族化合物半导体，如GaAs；
✓ Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，如CdS；
✓ Ⅳ－Ⅵ族化合物半导体，如PbSnTe。
✓ 其中III－Ⅴ族化合物半导体材料研制开发最成熟，应用也最广泛。
✓ （4）使用寿命长，可达百万小时以上，即使在60℃的环境温度下工 作，寿命也可达20万小时以上；
✓ （5）普通的半导体激光器的发射功率在1～100mW，但目前大功率
半导体激光器的发展极为迅速，一维相干的大功率半导体激光器连
续输出已达500mW，二维相干列阵器件的输出功率达1W。部分相
干的半导体激光器的最大输出达80W，准连续输出为300W，脉冲输
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。
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§3－1 激光概述
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§3－1 激光概述
3．激光器的分类和特点 ➢ ⑤化学激光器
➢ 化学激光器是指基于化学反应建立粒子数反转而产生受激辐 射的一类激光器。
➢ 化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但大多数是气体， 由于化学激光器在激励方式等方面的独特性，通常将其归为 一个单独的激光器分支。
➢ 特点是：1）将化学能直接转换为激光；2）输出的激光波长 丰富，从紫外到红外，一直进入微米波段；3）高功率、高能 量激光输出，如氟化氢激光器，每公斤氢和氟作用就能产生 1.3×107焦耳的能量；4)化学激光器在许多领域中具有广阔的 应用前景，特别是要求大功率的场合，如同位素分离、激光 20武21/7器/26 等方面，利用氟化氘(DF)激光器击落靶机已见报道。 30
(最新整理)光电测试技术激光测试技术
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光电测试技术
第3章 激光测试技术
哈尔滨工业大学
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、材料科学、光电子 以及医学工程之间的一门交叉学科。
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§3－1 激光概述
2．高斯光束 ➢ ①高斯光束的描述 ➢ 由凹面镜构成的稳定谐振腔产生的激光束既不是均匀平面
光波，也不是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高 斯光束，如图所示。
x
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ω(z)
z
ω0 y
图3-8 高斯光束
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§3－1 激光概述 ω（z）称为z点的光斑尺寸，它是z的
✓ 半导体激光器的方向性最差，一般在（5～10）×10-2rad，且两
2021/7/26 个方向的发散角不一样。
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§3－1 激光概述
1. 激光的基本性质
②激光的高亮激度光的亮度水平：
光束出射立体角
➢ 定义：辐亮射度一出为射个能单普量位通面的积调的Q红光宝源石在激单光位器时发间射内的向着其法线 方向上的单激位光立，体其角脉范冲围功内率辐很射容的易能达量到，10可6W表示为
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， ➢ 而激光器的横向相干长度可达100mm以上。
已实现的调谐范围是10它0n和m普～1通m激m；光器的根本区别在于：
✓ 2)由于自由电子激光器辐的射工不作物是质基是于电原子子束、本分身子，或因而离不子会的出现自聚焦、自
➢ 特点：
✓ 激光谱线数千条。
✓ 脉冲激光能量从几千焦耳到几十万焦耳，最高峰值功率达1013瓦。
✓ 随着中小功率固体激光器技术的发展，与之有关光学元件也相应地 得到发展，其中包括电光Q开关、声光Q开关、调制器、宽带调谐、 倍频以及锁模技术等装置均已成熟，已形成产品系列。
✓ 结构紧凑、坚固可靠和使用方便等。
函数，即
ω束02➢➢的是．一z①沿=(个高z0光的z高)(处特x斯轴束电的征斯=光方光参在矢y0光斑量束向=1纵量束尺，0传振轴)寸称的z播点，为幅上z描它光的0述2是束高2高的斯斯“12 光束光束的直光面电于束内矢纵在的量轴z振处表横幅是垂达截与(式zz有)为关a的r位ct相gπ因z子02
腰”；
E (x ,y ,z )A ( 0 z )e x (x 2 2 p ( z ) y 2 ) e x jK ( p x 2 2 R (z y ) 2 z ) j(z )
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波数KR＝(z)是2π在/λz处波阵面的曲率半径，它也是z的函数
R(z) z1z02 2
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§3－1 激光概述
2．高斯光束参数q（z）将高斯光束
➢ ③高斯光束的的两变个换基本参数ω（z） ➢ 1）高斯光束和达的R式（复中z曲，）率它统半是一径表在征一高个斯表 ➢ 将高斯光束光电束矢的量又公一式个改重写要为参数。
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§3－1 激光概述
3．激光器的分类和特点
➢ ③半导体激光器
➢ 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器。
➢ 半导体激光器主要特点有：
✓ （1）超小型、重量轻，激活面积为0.5×0.5mm2；
✓ （2）效率高、微分量子效率大于50％，能量转换效率大于30％；
✓ （3）发射的激光波长范围宽，通常谱宽在0.5－30μm之间；
✓ 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
S Ω = R2
✓ 整个球面对球心所张的立体
2θ O
2θ
O
S Ω
角是4π(sr)。
R
(a)
(b)
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光束的发散角a）和立体角b） 4
§3－1 激光概述
例：对氦氖激光器，若λ=0.63μm，
1. 激光的基本性质 ①激光的方向性
✓ 普通光源中，单色性最好的同位素86Kr放电灯在低温下发出波长
λ＝0.6057μm的光， /≈ 7.7 61-7 0
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§3－1 激光概述
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
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§3－1 激光概述
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
2 -1 Δν/ν=Δλ/λ
➢ 激光的单色性能：
✓ 单模稳频He-Ne激光器，其发出的谱线的线宽与波长的比值可
达 /≈10-11。
的目水前平的，超其短亮脉度冲L 是激 太光Q阳器的能产10生10倍短。至 4.6fs的超短脉冲，S光 功t 率密度可高达 ➢ 亮度的单位10是20WW//cmm2 2s，r；其亮度就更高了。
➢ 一比般普激通光光光器源源表的大面发百积光 万立倍体。角大约为π×10-6sr，其发光亮度
➢ 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。
E ( x ,y ,z ) A ( 0 z 0 一处)e 旦的 q确 x （定jK z）光p 2 p 2 值2 束 R ，在1 ( z 便某) 可位jπ 求置2 2 ( ( z z ) ) e e x j Κ z p p jz ( z )
➢
定义复曲率出和半该R径（位为z置）处。q的(1z)ω（R1(zz）)j
R(0)→∞，ω(0)=ω0，则按定义式 ，径有在自由空间
由此得出
1 q0
R1(0)jπ2(0（同) 或性均介匀质)各中向的 传输规律
q0
j
π02
➢ 将ω（z）和R（z）的定义式代入q（z）的定义式，经适当
运算可得
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q(z)jπ02
zq0z
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3．激光器的分类和特点
2(z)
E (x ,y ,z) A (0 z)e x jK p2 q (2 z) ex jΚ p jz (z)
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§3－1 激光概述
2．高斯光束
➢ ③高斯光束的变换
➢ 1）高斯光束的复曲率半径
这就是高斯光
➢ 如果以q0=q(0)表示z = 0处的复曲率束半的径复，曲并率注半意到