第三章 激光测试技术

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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

Δ ν /ν = Δ λ /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
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。
腰”；
(x2 y 2 ) A0 x2 y2 E ( x, y, z ) exp z ) j ( z ) exp jK ( 2 ( z) 2 R( z ) ( z)
波数K＝2π/λ
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R(z)是在z处波阵面的曲率半径，它也是z的函数
（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； （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 2013-7-15 出达1000W以上。 26
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。 2013-7-15 27
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。 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
3．激光器的分类和特点 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。 特点：
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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。
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= 2 R
O
2θ O
2θ
整个球面对球心所张的立体 角是4π(sr)。
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1960年由梅曼(Maiman)制成世界 上第一台红宝石脉冲激光器，它标 志了激光技术的诞生，从此固体激 光器技术获得了飞速发展。
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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：
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。
§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。
激光测试原理与技术
第3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。

出该位置处的ω（z） 定义复曲率半径为 1 1 j 和R（z）。
q( z E ( x, y, z ) exp jK exp jΚz j ( z ) ( z) 2q ( z )
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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。
A00一旦确定光束在某位置 22 1 E ( x, y, z ) exp jK exp Κz R( z ) j 22( z ) exp jjz j ( z ) 处的q（z）值，便可求 ( z ) π ( z) 2
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。
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半导体激光器的方向性最差，一般在（5～10）×10-2rad，且两
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 光束出射立体角 ②激光的高亮度 激光的亮度水平： 辐射出射能量 一个普通的调Q红宝石激光器发射的 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，其脉冲功率很容易达到106W 方向上的单位立体角范围内辐射的能量，可表示为 的水平，其亮度是太阳的1010倍。 Q L 目前的超短脉冲激光器能产生短至 S t 4.6fs的超短脉冲，光功率密度可高达 亮度的单位是W/m2 2 1020W/cm sr； ，其亮度就更高了。 一般激光器的发光立体角大约为π×10-6sr，其发光亮度 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。

将ω（z）和R（z）的定义式代入q（z）的定义式，经适当 2 运算可得 π0 q( z ) j z q0 z 2013-7-15 20

§3－1 激光概述
3．激光器的分类和特点 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：
§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处的复曲率半径，并注意到 束的复曲率半 R(0)→∞，ω(0)=ω0，则按定义式 ，有 径在自由空间 1 1 （或均匀各向 j 2 同性介质)中的 q0 R(0) π (0) 传输规律 由此得出 2 π q0 j 0
10 达 / ≈ -11 。
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，
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/ ≈7.76 10-7
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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
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ω（z）称为z点的光斑尺寸，它是z的 函数，即
2
1 2
§3－1 激光概述
是与z有关的位相因子
2．高斯光束 z ( z光束在纵轴上 2 ) 0 1 z ( z ) arctg ①高斯光束的描述 0 2 光束在z处垂 (x = y= 0)z点 π0 沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为 直于纵轴横截 的电矢量振幅 ω0是z = 0处的光斑尺寸，它是高斯光 面内的振幅 束的一个特征参量，称为光束的“束



而激光器的横向相干长度可达100mm以上。
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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
ω(z) ω0 y