受激吸收和受激辐射
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三. 光 源
外界参量
光wk.baidu.com源
光纤
信号 调制
光纤
光探 测器
信号 处理
本讲提要
• 传感器用的主要光源、发光机理及其特性。
光纤通信所以成功的两个主要原因
• 低损耗光纤的问世 • 激光源的问世
光纤传感器中，光源具有同样重要的地位。
光纤传感器所用光源必须与 光纤传感器的特点相容
• 体积小，便于和光纤耦合。 • 光源发出的光波长的选择，应尽量减小在 光纤中传输的能量损耗。 • 光源有足够大的功率，以保证质量合适的 光到达探测器，确保足够大的信噪比。 • 具有良好的稳定性，可在室温下连续长期 的工作。 • 使用寿命长。 • 价格低。
发光机理
光子的基本属性
• 光具有波粒二象性，研究光与物质的相互作用时， 其粒子属性较为明显。 • 光子的能量ε与光频率γ的关系：ε=hγ; h为普朗克常数。 • 光子静止质量：m=0 • 光子运动质量：m=ε/c2 • 光子动量p=mc • 光子具有两种可能的偏振态 • 光子具有自旋
发光机理
原子能级和简并度
激光的特性
• 单色性：用频谱分布的宽度，即谱线宽度来表示，频 带越窄，光源单色性越好。 • 相干性：不同时刻空间不同点上两个光波场的相关程 度。激光的高度空间相干性使得激光束在空间发散角 极小。 • 方向性：空间发散角小。不同类型的激光器方向性的 差别很大，它与工作物质良好的均匀性，光腔类型， 腔长、激励方式等有关。 方向性由好到差依次为： 气体激光器，固体激光器，半导体激光器 • 高强度：高的输出功率。
放大媒质
• N2 ＞N1，在这种媒质中， 受激辐射占主导 地位， 光波经过媒质时强度按指数规律增 加，光波被放大。N2 ＞ N1的媒质是一种处 于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒 子数反转或集居数反转，这种媒质对应于 激光型放大的情况。
光的放大
• 外界向物质提供能量，使得物质处于非热 平衡状态时，实现集居数的反转，从而为 光放大提供了条件。用强光来进行激励时， 则称为光泵浦。 • 在外界激励下，受激辐射所发出的光子与 外来光子的特性完全相同。外来光得到放 大。
光的受激辐射
• 处在高能级E2的原子,受到外来能量ε=hγ= E2-E1 的光照射时，由于外来光的激励而跃迁到低能级 E1，同时释放出一个与外来光子完全相同的光子。 特点： • 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激 辐射。 • 受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相 同。外来光得到了放大。 • 受激辐射的光为相干光。 • 受激辐射概率和感应光场的强度成正比。
几种主要的光源
光源分为两大类： • 相干光源：基于原子受激辐射发光，例如： 激光器 • 非相干光源：基于原子自发辐射发光，例 如：白炽灯，半导体发光二极管
白炽灯------非相干光源
• 热光源的一种，它是靠电能加热金属丝，使得它在真空或者惰 性气体中达到白炽状态而发光。 • 光谱范围：400~3000nm，光谱最大值的位置取决于炽热体温 度。 • 灯丝：钨 • 优点：熔点高，电阻大，蒸发率小，强度大，加工容易。 • 缺陷：提高灯丝的温度，可以提高发光效率，但是钨在高温下， 挥发快，灯丝变细，玻璃壳发黑，影响亮度，影响寿命。 • 改进：卤钨灯 • 优点：灯丝蒸发出来的钨分子，在管壁附近与卤族元素化合产 生挥发性的卤化钨分子，卤化钨分子扩散到高温的灯丝附近， 再次分解为卤族元素和钨分子，实现了钨分子的再生循环。光 通量稳定、寿命长。 • 缺点：价格昂贵，管壁温度高。
光的受激吸收
• 处在低能级E1的原子吸收外来能量ε=hγ= E2-E1， 由于外来光的激励而跃迁到高能级E2。 特点： • 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激 吸收。 • 与光的受激辐射过程相反，且发生的概率相同。 • 受激吸收概率和感应光场的强度成正比。
原子的自发辐射、受激吸收和受激辐射
Ni gi e
Ei KT
k=1.38*10-23波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝 对温度；Ni为处在Ei能级的原子数；gi为Ei能 级的简并度。
发光机理
光与物质相互作用的三种基本过程
• 光的自然辐射 • 光的受激辐射 • 光的受激吸收
发光机理
光的自然辐射
• 处在高能级E2的原子，在没有外界的影响下，自 发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时释放出能 量为hγ的光子，且： hγ= E2-E1 特点： • 自发发射只存在从高能级到低能级的过程,从E1到 E2自发跃迁率为零。 • 不受外界的影响，不能人为控制。 • 自发跃迁概率和光场强度无关
激光器—相干光源
产生激光震荡的三个要素： 激光物质，光谐振器，激发装置
• 激发装置：将能量输入激光物质，使其实现原子 数反转。用强光进行激励时，则称为光泵浦。 • 光谐振器：提供光学正反馈,控制震荡光束的特性 • 激光物质：激光器的核心，处于集居数的反转状 态，通过一连串的连锁反应（自发辐射 受激辐射 受激辐射）产生受激辐射。
固体、气体激光器
• 固体激光器：激光物质为固体，可以产生 很高的脉冲功率；适用于传感和信号处理 系统中高功率相干光源。 • 气体激光器：激光物质为气体，可以产生 很高的连续功率。适用于要求高度相干光 源的传感器。
固 体 激 光 器 示 意 图
类 型
• 固体激光器： Nd:YAG激光器（钕钇铝石榴石晶体激光器） 波长---1.06um • 气体激光器： He-Ne激光器 Ar离子激光器 CO2激光器 KrF激光器
原子的能量由周围轨道上运动的电子 的动能和势能之和表示。特定原子的能量 只能取特定的某些分离值，称为能级。 • 基态：能量最低的能级状态。 • 激发态：能量高于基带的其他能级状态。 • 简并度：同一能级所对应的不同电子运动 状态的数目。
发光机理
原子的分布
• 热平衡状态下，绝大多数原子都处于较低的能 级，只有少量原子处于高能级。 • 服从波尔兹曼分布：
吸收媒质
• N2 ＜ N1，在这种媒质中，受激吸收过程占主要地 位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被 吸收。当原子系统处于热平衡时，有
N2 N1 e ( E2 E1 ) / TK 1
式中:k是玻尔兹曼常数;K是绝对温度。 • 在热平衡系统中，N2总是小于N1，光波总是被吸收。
外界参量
光wk.baidu.com源
光纤
信号 调制
光纤
光探 测器
信号 处理
本讲提要
• 传感器用的主要光源、发光机理及其特性。
光纤通信所以成功的两个主要原因
• 低损耗光纤的问世 • 激光源的问世
光纤传感器中，光源具有同样重要的地位。
光纤传感器所用光源必须与 光纤传感器的特点相容
• 体积小，便于和光纤耦合。 • 光源发出的光波长的选择，应尽量减小在 光纤中传输的能量损耗。 • 光源有足够大的功率，以保证质量合适的 光到达探测器，确保足够大的信噪比。 • 具有良好的稳定性，可在室温下连续长期 的工作。 • 使用寿命长。 • 价格低。
发光机理
光子的基本属性
• 光具有波粒二象性，研究光与物质的相互作用时， 其粒子属性较为明显。 • 光子的能量ε与光频率γ的关系：ε=hγ; h为普朗克常数。 • 光子静止质量：m=0 • 光子运动质量：m=ε/c2 • 光子动量p=mc • 光子具有两种可能的偏振态 • 光子具有自旋
发光机理
原子能级和简并度
激光的特性
• 单色性：用频谱分布的宽度，即谱线宽度来表示，频 带越窄，光源单色性越好。 • 相干性：不同时刻空间不同点上两个光波场的相关程 度。激光的高度空间相干性使得激光束在空间发散角 极小。 • 方向性：空间发散角小。不同类型的激光器方向性的 差别很大，它与工作物质良好的均匀性，光腔类型， 腔长、激励方式等有关。 方向性由好到差依次为： 气体激光器，固体激光器，半导体激光器 • 高强度：高的输出功率。
放大媒质
• N2 ＞N1，在这种媒质中， 受激辐射占主导 地位， 光波经过媒质时强度按指数规律增 加，光波被放大。N2 ＞ N1的媒质是一种处 于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒 子数反转或集居数反转，这种媒质对应于 激光型放大的情况。
光的放大
• 外界向物质提供能量，使得物质处于非热 平衡状态时，实现集居数的反转，从而为 光放大提供了条件。用强光来进行激励时， 则称为光泵浦。 • 在外界激励下，受激辐射所发出的光子与 外来光子的特性完全相同。外来光得到放 大。
光的受激辐射
• 处在高能级E2的原子,受到外来能量ε=hγ= E2-E1 的光照射时，由于外来光的激励而跃迁到低能级 E1，同时释放出一个与外来光子完全相同的光子。 特点： • 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激 辐射。 • 受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相 同。外来光得到了放大。 • 受激辐射的光为相干光。 • 受激辐射概率和感应光场的强度成正比。
几种主要的光源
光源分为两大类： • 相干光源：基于原子受激辐射发光，例如： 激光器 • 非相干光源：基于原子自发辐射发光，例 如：白炽灯，半导体发光二极管
白炽灯------非相干光源
• 热光源的一种，它是靠电能加热金属丝，使得它在真空或者惰 性气体中达到白炽状态而发光。 • 光谱范围：400~3000nm，光谱最大值的位置取决于炽热体温 度。 • 灯丝：钨 • 优点：熔点高，电阻大，蒸发率小，强度大，加工容易。 • 缺陷：提高灯丝的温度，可以提高发光效率，但是钨在高温下， 挥发快，灯丝变细，玻璃壳发黑，影响亮度，影响寿命。 • 改进：卤钨灯 • 优点：灯丝蒸发出来的钨分子，在管壁附近与卤族元素化合产 生挥发性的卤化钨分子，卤化钨分子扩散到高温的灯丝附近， 再次分解为卤族元素和钨分子，实现了钨分子的再生循环。光 通量稳定、寿命长。 • 缺点：价格昂贵，管壁温度高。
光的受激吸收
• 处在低能级E1的原子吸收外来能量ε=hγ= E2-E1， 由于外来光的激励而跃迁到高能级E2。 特点： • 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激 吸收。 • 与光的受激辐射过程相反，且发生的概率相同。 • 受激吸收概率和感应光场的强度成正比。
原子的自发辐射、受激吸收和受激辐射
Ni gi e
Ei KT
k=1.38*10-23波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝 对温度；Ni为处在Ei能级的原子数；gi为Ei能 级的简并度。
发光机理
光与物质相互作用的三种基本过程
• 光的自然辐射 • 光的受激辐射 • 光的受激吸收
发光机理
光的自然辐射
• 处在高能级E2的原子，在没有外界的影响下，自 发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时释放出能 量为hγ的光子，且： hγ= E2-E1 特点： • 自发发射只存在从高能级到低能级的过程,从E1到 E2自发跃迁率为零。 • 不受外界的影响，不能人为控制。 • 自发跃迁概率和光场强度无关
激光器—相干光源
产生激光震荡的三个要素： 激光物质，光谐振器，激发装置
• 激发装置：将能量输入激光物质，使其实现原子 数反转。用强光进行激励时，则称为光泵浦。 • 光谐振器：提供光学正反馈,控制震荡光束的特性 • 激光物质：激光器的核心，处于集居数的反转状 态，通过一连串的连锁反应（自发辐射 受激辐射 受激辐射）产生受激辐射。
固体、气体激光器
• 固体激光器：激光物质为固体，可以产生 很高的脉冲功率；适用于传感和信号处理 系统中高功率相干光源。 • 气体激光器：激光物质为气体，可以产生 很高的连续功率。适用于要求高度相干光 源的传感器。
固 体 激 光 器 示 意 图
类 型
• 固体激光器： Nd:YAG激光器（钕钇铝石榴石晶体激光器） 波长---1.06um • 气体激光器： He-Ne激光器 Ar离子激光器 CO2激光器 KrF激光器
原子的能量由周围轨道上运动的电子 的动能和势能之和表示。特定原子的能量 只能取特定的某些分离值，称为能级。 • 基态：能量最低的能级状态。 • 激发态：能量高于基带的其他能级状态。 • 简并度：同一能级所对应的不同电子运动 状态的数目。
发光机理
原子的分布
• 热平衡状态下，绝大多数原子都处于较低的能 级，只有少量原子处于高能级。 • 服从波尔兹曼分布：
吸收媒质
• N2 ＜ N1，在这种媒质中，受激吸收过程占主要地 位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被 吸收。当原子系统处于热平衡时，有
N2 N1 e ( E2 E1 ) / TK 1
式中:k是玻尔兹曼常数;K是绝对温度。 • 在热平衡系统中，N2总是小于N1，光波总是被吸收。