激光测量技术第一章激光原理与技术

2006年3月6日星期一
三、单色性
由 C
知 , 线宽也对应着一定波长宽
度
1 2


工单色程光上源一是般氪也（用Kr86）灯或，中心波长为605.7来n度m量，线宽 的大中小心.频率为4.95×108 MHz，其谱线宽度为
3.8×102 MHz，即4.7×10－4 nm
强，
)为减I小0e体GZ积，提高Z的大小，知常，常Z采越用大以，下光结构越:
目的: 1. 光往返,增加Z的大小,利于光放大 2. 腔体对光的频率、相位、传播方向和偏振方向有 选择作用.
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四、激光产生的条件
条件： 三要素加一阀值条件
三要素: 1. 泵浦 2. 增益介质 3. 谐振腔
激光测量技术第一章激光原理与 技术
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第一节 辐射理论概要
一、光量子学说及波粒二象性
几何光学 波动光学 电磁理论 量子理论
微粒说
波动说
电磁说 量子说
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一、光量子学说及波粒二象性
1. 光具有反/折射、衍射、干涉、光电效应
牛顿：粒子说 ——折/反射现象
Yang：波动说——衍射、干涉 b a
光子能量： h mc2
光子动量：p

m c

hv c

h
光子质量：
m


c2

h
c2
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一、光量子学说及波粒二象性
思考题: 1. 光能否作为火箭动力? 2. 光在传播过程中是否受重力影响? 3. 光照射到物体上,是否有压力？太
阳帆的原理是什么？
光动力火箭？
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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.
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五、结构形式
通用结构
泵浦源 全 反 镜
增益介质 以He-Ne激光器为例：
谐振腔
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部分反部分透射镜 激光
五、结构形式
He-Ne激光器的三种结构： A. 外腔式 B. 半内腔式 C. 内腔式
h ② h 1905年Einstein光量子学说 6.626 1034 J s
光的能量是不连续的，光由一粒粒的光子组成，每个光子的具有确定的能 量。只能作为一个整体被吸收或产生。
h
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h 1 m2 A 2
一、光量子学说及波粒二象性
根据爱因斯坦的质能方程: E=MC2 E=hv
四、相干性： 空间相干性
五、横、纵模
时间相干性
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一、方向性
光的方向性定义参数：
2
1.发散角
光源发出的所有光
线中两光线之间的夹角
的最大夹角,
一 般2
表示 单
位Rad
?
书中用度表示,错误
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2.空间立体角
以立体角顶点为球心，作一
半径为R 的球面。用此立体角
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2、受激放大
增益介质对光的放大作用：
I(Z
)

I eGZ 0
G为增益介质的增益系数,G>0,Z为增益介质的长度,I0为入射光强
结论: 不考虑损耗的情况下, G越大,Z越大,对光的放大作用越好, 但是G,Z有限,也可能形成
不了激光
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三、谐振腔
由 I(Z
Nn / gn

E
m E KT
n
结论: 高能级的粒子数目少于第能级
?
的粒子数目
P2, T>0 错误
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三、光与物质的相互作用
作用种类:
1. 自发辐射
特点: 方向
辐射光没有固定频率、相位i、偏振 和传播方向
E2
E1
发光前
发光后
h E2 E1
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三、光与物质的相互作用
常见光源发散角:
日光灯: 2π 气体激光: 10-3-10-6 固体激光: 10-2 半导体激光: 5-10x10-2
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激光的方向性
影响因素：
介质的均匀性 谐振腔的类型、腔长 泵浦方式 工作的状态
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二、高亮度
亮度定义: 单位面积的光源在单位时间内向着其法线方向上的
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六、激光器的分类及特点
1. 固体激光器
工作物质主要是掺杂晶体和掺杂 玻璃，最常用的是红宝石 (掺铬)Al2O3、钕玻璃(掺钕)、 钇铝石榴石(掺钕)YAG。
激励方式:光激励(简称光泵)
特点: 输出功率大可达1000W以 1是脉冲氙灯；2是红宝石棒，
上, YAG最好,可连续运 3是椭圆柱形聚光器，4是全
波粒二象性解释不了光电效应：
a、金属有确定频率V0，当光V<V0时，不释放电 子
V>V0释放电子
b、 当V>V0，电子动能与强度无关，与频率有
关
c、当V>V ， 2006年3月6日星期一
0
无论光强如何，
滞后时间小于
一、光量子学说及波粒二象性
2. 光量子学说——Einstein
① 普朗克量子假说（黑体吸收现象）
单位立体角范同内辐射的能量
单位: W/cm2.Sr
B

E s t
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二、高亮度
太阳光的亮度约为1.03W/cm2·Sr 普通的1mW氦氖激光1.05W/cm2·Sr 大功率脉冲激光1014~ 1017W/cm2·Sr 飞秒激光可达1020W/cm2·Sr
二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布
1、原子能级
玻尔理论: ① 电子非任意轨道,且是一定半径或能
级的轨道 定态:处在一定轨道上的电子 基态:能量最低的定态 激发态:除基态以外的其他定态
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1、原子能级
② 电子运动状态的变化要吸收或者释
放能量: hv=E2-E1
③ 定态限制:即电子的轨道运动的角 动员P必须等于h/2π的整数倍: PФ=nh/2π 玻尔量化条件 n为整数 主量 子数
通信光源、测距、激光光盘、唱片、 印刷术、办公自动化、泵浦源
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4．液体激光器
常见有机染料激光器 特点：
输出的激光波长在很大范围内连续可调(0.341.2um) 应用:
在光化学、光生物学、激光医学等方面
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5.化学激光器
常有HF、碘原子激光器等 特点: 可将化学能直接转换为激光能，
Δλ/λ为7.96×10-7
一般He-Ne激光Δλ/λ为10-11 中心波长6328埃 稳频后可达 10-13 中心波长3392.23139埃
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三、单色性
单模稳频气体激光器的单色性最好，一般可达 106一103Hz
采用严格的甲烷吸收稳频或碘吸收稳频的He—Ne 激光器输出观察到约2Hz的带宽
Ar+
化学分析，全息
摄影，
激光
照排，水下通讯
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3．半导体激光器
特点: 超小型，质量轻，成本低，批量生产 能量转换效率高(＞30％)，波长范围
广(0．5—30 74m)，寿命长(＞百万 小时)，功率小(一般在1—00mw)，发 散角大，单色性差 易于调制．改变驱动电流，可将输出 光调制到G赫兹 应用:
不需外加激光源 输出的波长丰富，从紫外到红外，高
功率、高能量输出，最有希望获得最 大功率 应用:
适合于无电源的野外作业
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氧碘化学激光器
6. 其他激光器
有x射线、薄膜、光纤激光器
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第三节 激光的基本物理性质
本节主要内容: 一、方向性 二、高亮度 三、单色性
的边界在球面上所截的面积ds
除以半径平方标志立体角的大
小，即（以dω表示立体角，R
为半径）
R

S
2
单位：球面度（Sr）
?书中错误 对于球 面波
ω=2π(1-cosθ)
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激光的方向性
激光的方向性好坏,直接关系到准直、聚焦
一般发散角10-6rad, 出口直径1mm的激 光在1km处的直径 为10cm
2、受激吸收
E2
h
E1 吸收前
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吸收后
三、光与物质的相互作用
3.受激辐射 特点:
相同的频率、相位、偏振方向和传播方向
h
E1
发光前
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h h
发光后
三、光与物质的相互作用
当光与原子相互作用时，总是同时 存在这三种过程
光场能量
自发辐射
受激辐射 受激吸收
激光一次受激辐射的持续时间: Δt ≈1/Δν
∴Lc=CΔt=C/Δυ=λ2/Δλ ∵ tc ≈ Δt ∴tcΔυ=1
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1. 时间相干性
例1 : Baidu Nhomakorabeae-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？
∴Δυ=10-7ν=10-7×C/（0.6328×10-6） Lc=C/ Δυ=6.328m
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二、光放大
1、增益介质
能量波与物质的相互作用：
1、物理、化学作用
2、反射、散射
损耗 应当减弱,利于放大
3、受激吸收 4、自发辐射
增益介质：
泵浦 容易实现粒子数反转 杂散光，影响单色性、相干性
易于通过泵浦实现粒子数反转分布，光在此介质中受激辐 射大于受激吸收、自发辐射、各种损耗，对光有放大作用
是太阳的1011倍以上
激光是最亮的光 请勿对准眼睛
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三、单色性
单色性是指光强按频率(波长)的分布状况。
激光的频率受以下条件影响：
腔长变化
P
Pmax
泵浦 温度
1/2Pma x
震动 能级分裂
VV V 10 2
V
激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度 Δν= ν2- ν1(线宽)描述。
固体激光器的单色性较差 半导体激光器的单色性最差。 注:He—Ne激光器的极限线宽大约为6×10-3Hz
Δλ/λ=Δν/ν? Δλ λ /( λ1 λ2) =Δν/ν Δλ λ /[(λ+Δ)(λ-Δ)]≈ Δλ /λ =Δν/ν
?
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四、相干性
1、时间相干性(同地异时)
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
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3、玻尔兹曼分布
Ni

g e
Ei KT
i
k 1.38 1023 K J
为Ei能级的简并度, K为常数,T为绝对温度
g当i Em>En能级对应的粒子数目：
e 1 N m / gm
激光的前提
h
受激吸收
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E2
h
h h
E1
受激辐射
一、粒子数反转分布及泵浦过程
2、泵浦(抽运)
定义：使两个能级实现粒子数反转的过程
E2
泵
E3
自发辐射 或其他释 放能量方 式
浦
h
h
E1
h
受激辐射
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2、泵浦
泵浦分类： ① 光泵浦 ② 电泵浦 ③ 化学泵浦 ④ 热泵浦
行
反射镜，5是部分反射镜
多模输出
常用于机械加工
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2. 气体激光器
常见: CO2,He-Ne, Ar+激光器 特点:
种类多，波长分布区域宽
应用广，频率稳定性好，是很好 的相干光源
可实现最大功率连续输出
结构简小，造价低，转换效率高
CO2, 常用于机械加工
He-Ne 测量、计量
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2.简并度、简并能级
表 13-1 角动量状态
主量子数 (n) 45
1 67
2
3
符号
K
L
M
N O PQ
角动量 l (n-1)
0
1
2
3
4
符号
d
f
g
s
p
简并度 g = 2l+1
1
7
9
3
5
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2.简并度、简并能级
从图上看出：
1、电子运行的状态不同，其能量相同。 2、能量相同的能级对应不同的电子运动状态。 简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的
∴ 最大测量长度为 Lmax=Lc/2=3.164m
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2、空间相干性（同时异地）
定义：
同一时间，由空间不同的 点发出的光波的相干性。
以杨氏实验为例：
① 小孔d一定，光源面积影响
bd/R≤λ/2 干涉条纹
能看到
所以光源尺寸:
bc=2b ≤ λR/d= λ/θ
定义：在同一空间点上，由同一光源分割出来的两光波之 间的位相差与时间无关的性质，即光波的时间延续性。 也可理解为：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
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1、时间相干性
相干长度: 两列光波间允许的最大光程差 Lc Lc=C Δt
粒子能量
可能达到平衡
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也可能达不到平衡
第二节 激光产生的原理及条件
一、粒子数反转分布及泵浦过程
1.粒子数反转分布
① 由受激辐射知：可以产生高相干光 ② 由玻尔兹曼分布知N2<N1g2/g1,若产生连续的高相干光
输出必须有: N2>N1g2/g1，即粒子数分布反转。 粒子数分布反转是介质对光放大作用的条件及产生