激光测量技术总结

激光测量技术

第一章 激光原理与技术

1、简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目；

简并能级：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

2、泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦

3、激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔

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.

4、He-Ne 激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）外腔式；3）半内腔式

5、激光器分类：1）工作波段：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

2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器

6、激光的基本物理性质：1）激光的方向性。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均匀性、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

2）激光的高亮度。

3）单色性。激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化←泵浦、温度、振

动

4）相干性：时间相干性(同地异时)：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。相干长度： 例 : He-Ne laser 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？ 解： ，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m 。

空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相

干性。

7、相邻两个纵模频率的间隔为

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。 例 设He-Ne 激光器腔长L 分别为0.30m 、1.0m,气体折射率n~1,试求纵模频率间隔各为多

少?

8、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

原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用,光束不再是平行光，光强也改变为非均匀的。

λ

λν∆=∆=∆=//2c t c L c 1

=∆c ντm L c 328.6/2=∆=λλrad d 4102/22.1-⨯≈≈λθnL C

2=∆νHz 105.10.1121031.0m,Hz 1053

.012103,m 30.0288288

1⨯=⨯⨯⨯=∆=⨯=⨯⨯⨯=∆==∆νννL L nL c

9、稳频的必要性：在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精度很大程度上决定于波长的精确程度。

要求：激光器输出单频的同时，频率变动尽可能小。

表示频率变动的两个物理量：频率稳定度 频率再现性 频率漂移远大于线宽极限！！

10、引起频率变化原因：1）温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化，同时，温度变化会引起介质折射率的变化；2）振动：振动会引起反射镜位置变化、激光管变形，使腔长发生变化；3）大气的影响：外腔式氦氖激光管，谐振腔的一部分暴露在大气之中，大气的气压和温度的改变影响折射率，使谐振频率发生变化。

11、稳频方法：1）被动稳频：控制温度；腔体材料互补；防震、密封

2）主动稳频：基本原理：采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。

12、主动稳频方法：1）兰姆(Lamb)下陷法

Lamb 下陷：由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功率P 和频率v 的关系曲线上，在中心频率v0处输出功率出现凹陷的现象

稳频原理：利用激光器的输出功率P 和频率v 的关系曲线上的凹陷反应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器的频率起伏值Δv 转换成输出功率的起伏值ΔP ，从而获得误差信号,用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光器输出频率趋近中心频率v0。

2）饱和吸收法

原理：利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法

3）塞曼(Zeeman)效应法

塞曼效应:原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。特点：由塞曼效应而分裂的两条谱线，不仅在频率上有差别，而且偏振态也不同。双频激光器：由塞曼效应制成的激光器。稳频方法：纵向塞曼稳频、横向塞曼稳频、塞曼吸收稳频。

纵向塞曼效应：激光器产生频率较低的右旋圆偏光和频率较高的左旋圆偏光。

稳频方法：测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。

13、激光调制可分为: 内调制和外调制

14、电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化。

弹光效应：当一块各向异性的透明介质受外力作用时，介质的折射率发生变化的现象。 声光效应：声波作用于介质时所引起的弹光效应；超声波在声光介质中传播时，介质密度呈现疏密的交替变化，导致折射率大小的交替变化，此时介质可等效为一块相位光栅，引起入射光波衍射。

旋光效应：当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量方向会随着传播距离而逐渐转动。

【旋光现象与双折射现象的对比：双折射现象是指在各向异性介质中的二正交线偏振光的传播速度不同；旋光现象是指在旋光介质中的二反向旋转的圆偏振光的传播速度不同。】

磁光效应：在强磁场的作用下，物质的光学性质发生变化。

磁致旋光效应（法拉第效应Faraday effect ）：在强磁场的作用下，本来不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。

15、米定义的复现：飞行时间法；真空波长法；稳频激光器。

/v S v v

=∆/v R v

δ=