激光測(cè)量技術(shù)

LaserMeasurementTechnology第一章激光原理與技術(shù)

§1.1輻射理論概論一、光量子學(xué)說(shuō)及波粒二象性

量子說(shuō)波動(dòng)說(shuō)電磁說(shuō)微粒說(shuō)波動(dòng)光學(xué)幾何光學(xué)電磁理論量子理論1900年普朗克（MaxPlank）提出輻射能量量子的概念他在對(duì)黑體輻射試驗(yàn)進(jìn)行理論說(shuō)明的時(shí)候發(fā)覺，必需大膽的假設(shè)：黑體輻射的能量是不連續(xù)的，存在一個(gè)最小的能量單元，這就是量子。空腔輻射體光電效應(yīng)與光量子學(xué)說(shuō)1905年愛因斯坦（AlbertEinstein）在說(shuō)明光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候進(jìn)一步提出：光也是由最小能量單元-光子組成光動(dòng)力火箭1、光能否作為火箭動(dòng)力?思索題2、光在傳播過(guò)程中是否受重力影響?

3、光照射到物體上,是否有壓力？太陽(yáng)帆的原理是什么？太陽(yáng)能二、原子能級(jí)、簡(jiǎn)并度及波爾茲曼分布玻爾理論:1.原子能級(jí)（1）原子內(nèi)的電子非沿著隨意軌道，而是沿著具有確定半徑或能級(jí)的軌道運(yùn)動(dòng)。定態(tài)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)（2）原子內(nèi)的電子可由某確定狀態(tài)躍遷到另確定態(tài)，這一過(guò)程要吸取和輻射輻射能。（3）對(duì)于原子內(nèi)的電子可能存在的狀態(tài)有確定限制，即電子的軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量必需滿足玻爾的量化條件躍遷：躍遷：原子從某一能級(jí)吸取或釋放能量，變成另一能級(jí)。吸收躍遷：低吸收能量高輻射躍遷：高輻射能量低（自發(fā)輻射）2.簡(jiǎn)并度、簡(jiǎn)并能級(jí)電子運(yùn)行的狀態(tài)不同，其能量相同能量相同的能級(jí)對(duì)應(yīng)不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同一能級(jí)對(duì)應(yīng)的不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目電子可以有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有相同的能級(jí)，這樣的能級(jí)叫簡(jiǎn)并能級(jí)簡(jiǎn)并度簡(jiǎn)并能級(jí)3.玻爾茲曼分布分別處在Em和En能級(jí)的粒子數(shù)目：由大量粒子所組成的系統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)下粒子按能級(jí)的分布規(guī)律由高能級(jí)的粒子數(shù)目少于低能級(jí)的粒子數(shù)目結(jié)論1917年，愛因斯坦提出受激輻射新概念——奠定了激光獨(dú)創(chuàng)的理論基礎(chǔ)愛因斯坦發(fā)覺，若只有自發(fā)輻射和吸取躍遷，黑體和輻射場(chǎng)之間不行能達(dá)到熱平衡，要達(dá)到熱平衡，還必需存在受激輻射。預(yù)示了利用受激輻射來(lái)放大（振蕩）光的可能性！但當(dāng)時(shí)的技術(shù)和生產(chǎn)水平根本沒有這種須要（無(wú)線電技術(shù)剛剛起先，光學(xué)技術(shù)處于初級(jí)階段）激光不行能超越時(shí)代在當(dāng)時(shí)被獨(dú)創(chuàng)。三、光與物質(zhì)的相互作用自發(fā)輻射、受激吸取和受激輻射1.自發(fā)輻射發(fā)光前發(fā)光后一般光源（日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過(guò)程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨(dú)立，頻率、振動(dòng)方向、相位不確定相同——為非相干光。2.受激吸取吸收前吸收后發(fā)光前發(fā)光后3.受激輻射當(dāng)外來(lái)光子的頻率滿足時(shí)，使原子中處于高能級(jí)的電子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。當(dāng)光與原子相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在這三種過(guò)程受激輻射：受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的外來(lái)光子具有相同的特征（頻率、相位、振動(dòng)方向及傳播方向均相同）。受激輻射光子與入射光子屬同一光子態(tài)。相干光

當(dāng)光與原子相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在這三種過(guò)程光場(chǎng)能量粒子能量自發(fā)輻射受激輻射受激吸取可能達(dá)到平衡也可能達(dá)不到平衡Laser“受激輻射光放大”LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation§1.2

激光產(chǎn)生的原理及條件粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是介質(zhì)對(duì)光放大作用的條件及產(chǎn)生激光的前提受激吸收受激輻射一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過(guò)程1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布要使介質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生放大作用，必需使受激輻射超過(guò)受激吸取;二者幾率分別與上能級(jí)粒子數(shù)密度和下能級(jí)粒子數(shù)密度成正比。2.泵浦(抽運(yùn))受激輻射泵浦自發(fā)輻射或其他釋放能量方式定義：使兩個(gè)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程光泵浦電泵浦化學(xué)泵浦熱泵浦泵浦分類：二、光的受激放大(1)物理、化學(xué)作用(2)反射、散射(3)受激吸取(4)自發(fā)輻射損耗應(yīng)當(dāng)減弱,利于放大泵浦簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)雜散光，影響單色性、相干性1.增益介質(zhì)光波與物質(zhì)的相互作用：易于通過(guò)泵浦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光在此介質(zhì)中受激輻射大于受激吸取、自發(fā)輻射、各種損耗，對(duì)光有放大作用增益介質(zhì)2.受激放大增益介質(zhì)對(duì)光的放大作用不考慮損耗的狀況下,G越大,Z越大,對(duì)光的放大作用越好,但是G,Z有限,也可能形成不了激光三、諧振腔的共振作用與激光的形成1.光來(lái)回,增加z的大小,利于光放大；2.腔體對(duì)光的頻率、相位、傳播方向和偏振方向有選擇作用。作用四、激光產(chǎn)生的基本條件及閾值條件閥值條件:光在諧振腔來(lái)回來(lái)回一次所獲得光增益必需大于或者等于所遭遇的各種損耗之和.三要素:1.泵浦

2.增益介質(zhì)

3.諧振腔1928年，登伯格和科夫曼首次從試驗(yàn)上證明白受激輻射的存在。1946年，美國(guó)物理學(xué)家布洛赫首次觀測(cè)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的試驗(yàn)現(xiàn)象。1947年美國(guó)物理學(xué)家蘭姆等人指出在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的境況下會(huì)出現(xiàn)負(fù)吸取。1949年，法國(guó)物理學(xué)家卡斯特勒提出了光泵方法激光獨(dú)創(chuàng)簡(jiǎn)史1951年,NewIdea幾乎同時(shí)、獨(dú)立在兩組科學(xué)家的頭腦中產(chǎn)生USA:Townes湯斯，Gorden.USSR:巴索夫和普羅霍羅夫利用原子（分子）與電磁場(chǎng)相互作用的受激輻射來(lái)放大和產(chǎn)生電磁輻射——量子電子學(xué)擯棄了電子學(xué)傳統(tǒng)概念：自由電子與電磁場(chǎng)相互作用是放大和振蕩電磁場(chǎng)的唯一方法1954年，上述兩個(gè)探討組分別建立了世界第一臺(tái)Maser：NH3分子微波量子振蕩器（波長(zhǎng)1.25cm）。微波振蕩器具有極高的（頻率）波長(zhǎng)穩(wěn)定度——Cs原子鐘量子電子學(xué)誕生！Maser——Micro-wave

Amplification

byStimulatedEmissionofRadiation微波激射放大器自此以后，在激光領(lǐng)域內(nèi)一大批勇于創(chuàng)新，勇于實(shí)踐的人不失時(shí)機(jī)地獨(dú)創(chuàng)創(chuàng)建，推動(dòng)激光技術(shù)的發(fā)展。1958年，美國(guó)布隆伯根（Bloembergen）提出“三能級(jí)光泵方法”，成為獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的經(jīng)典方法。Bloembergen借用他人的思想用到量子電子學(xué)領(lǐng)域。依據(jù)上述原理制成“紅寶石微波量子放大器”RubyMaser激光的誕生RubyMaser之后，起先了向Laser的總進(jìn)攻。關(guān)鍵問題：（1）光諧振腔？封閉微波腔幾何尺寸~λ（2）合適的材料湯斯、普羅霍羅夫分別獨(dú)立提出開放式光諧振腔概念Fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具拋棄了微波技術(shù)的傳統(tǒng)概念借助了光學(xué)已有的概念和技術(shù)獨(dú)創(chuàng)光腔1958年12月，Townes和Schawlow發(fā)表文章，提出了實(shí)現(xiàn)Laser的可能性。幾十個(gè)小組都在爭(zhēng)做世界第一臺(tái)Laser。肖洛->紅寶石

湯斯->鉀蒸氣

巴索夫->半導(dǎo)體材料貝爾試驗(yàn)室的賈萬(wàn)（Javan）提出放電法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的氦氖激光器方案最終花落誰(shuí)家？難點(diǎn)在于探究合適材料，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。除了光泵法以外1960年，梅曼（Maiman）做出世界第一臺(tái)紅寶石激光器.1955年，Stanford.Ph.D后在Hughes.R.Lab探討紅寶石的熒光特性1959年看到S-T文章兩周后，USSR重復(fù)實(shí)現(xiàn)RubyLaser1961，He-NeLaser1962,GaAs

Semiconductor

Laser機(jī)遇偏愛有準(zhǔn)備的頭腦和敢于實(shí)踐的人!二十世紀(jì)四大獨(dú)創(chuàng)原子能半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)激光器

五、結(jié)構(gòu)形式通用結(jié)構(gòu)激光增益介質(zhì)諧振腔泵浦源全反鏡部分反部分透射鏡He-Ne激光器的三種結(jié)構(gòu)：1.內(nèi)腔式主要結(jié)構(gòu)：激光管+電源+光學(xué)元件放電管電極光學(xué)諧振腔特點(diǎn)：諧振腔的兩個(gè)反射鏡固定在放電管外殼的兩個(gè)端面上優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，運(yùn)用時(shí)不需調(diào)整諧振腔，比較便利；放電管和反射鏡之間無(wú)光學(xué)元件，損耗小，輸出功率高缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，放電管熱變形引起兩端反射鏡的位置關(guān)系發(fā)生變更，導(dǎo)致輸出激光頻率穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性較差2、外腔式特點(diǎn)：諧振腔與放電管完全分開；諧振腔反射鏡上裝有調(diào)整裝置可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證反射鏡的光軸與放電管軸線重合；放電管兩端按確定角度貼有布儒斯特窗片，既可以封閉放電管，又可以減少光的損失，還可使激光器輸出偏振度較好的線偏光。優(yōu)點(diǎn)：諧振腔可以調(diào)整，能夠長(zhǎng)期保持激光器的穩(wěn)定輸出；可以在諧振腔內(nèi)插入光學(xué)元件，便于進(jìn)行激光器性能探討。缺點(diǎn)：諧振腔兩反射鏡易失調(diào)，并且調(diào)整也比較困難，運(yùn)用不便利；窗片與軸線夾角不精確，窗片光學(xué)質(zhì)量不完善，引起反射、散射、吸取等光學(xué)損耗，降低了輸出功率。3.半內(nèi)腔式特點(diǎn)：諧振腔的一塊反射鏡與放電管固定在一起，而另一塊與放電管分開優(yōu)點(diǎn)：僅需調(diào)整外面的一塊反射鏡，比較簡(jiǎn)潔調(diào)整，工作便利；能夠同外腔式激光器一樣進(jìn)行各種試驗(yàn)；同時(shí)，有一布儒斯特窗片可輸出偏振光。按工作波段分類遠(yuǎn)紅外、紅外激光器可見光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類連續(xù)激光器脈沖激光器超短脈沖激光器六、激光器的分類及特點(diǎn)按工作物質(zhì)分類固體激光器氣體激光器工作物質(zhì)：主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻)Al2O3、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釹)YAG。激勵(lì)方式：光激勵(lì)(簡(jiǎn)稱光泵)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，輸出功率大可達(dá)1000W以上,YAG最好，可連續(xù)運(yùn)行多模輸出應(yīng)用：常用于機(jī)械加工、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域。工作物質(zhì):

原子（He-Ne）、分子（CO2）、離子（Ar+）特點(diǎn):種類多，波長(zhǎng)分布區(qū)域?qū)?，?yīng)用廣，頻率穩(wěn)定性好，是很好的相干光源，可實(shí)現(xiàn)最大功率連續(xù)輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，造價(jià)低，轉(zhuǎn)換效率高激勵(lì)方式：電激勵(lì)(簡(jiǎn)稱電泵)應(yīng)用：CO2－常用于機(jī)械加工；

He-Ne－精密測(cè)試計(jì)量；

Ar+－化學(xué)分析，全息攝影，激光照排，水下通訊。液體激光器半導(dǎo)體激光器特點(diǎn):超小型，質(zhì)量輕，成本低，可批量生產(chǎn)，能量轉(zhuǎn)換效率高(＞30％)，波長(zhǎng)范圍廣(0.5—30μm)，壽命長(zhǎng)(＞百萬(wàn)小時(shí))，發(fā)散角大，單色性差，易于調(diào)制，變更驅(qū)動(dòng)電流可將輸出光調(diào)制到GHz。應(yīng)用:

通信光源、測(cè)距、激光光盤、唱片、印刷術(shù)、辦公自動(dòng)化、泵浦源工作物質(zhì)：GaAS(砷化鎵)，InAS（砷化銦），Insb（銻化銦）、CdS（硫化鎘）工作物質(zhì)：有機(jī)染料特點(diǎn)：輸出的激光波長(zhǎng)在很大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(0.34-1.2μm)應(yīng)用:

在光化學(xué)、光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等方面化學(xué)激光器其它激光器特點(diǎn):可將化學(xué)能干脆轉(zhuǎn)換為激光能，不需外加激光源，輸出的波長(zhǎng)豐富，從紫外到紅外，高功率、高能量輸出，最有希望獲得最大功率工作物質(zhì)：HF，碘原子應(yīng)用:適合于無(wú)電源的野外作業(yè)X射線、薄膜、光纖、自由電子激光器等一、激光的方向性光源發(fā)光面發(fā)出的全部光線中兩光線之間的最大夾角§1.3

激光的基本物理性質(zhì)通常用發(fā)散角來(lái)描述定義常見光源發(fā)散角:日光燈:π氣體激光:10-3~10-6固體激光:10-2半導(dǎo)體激光:5~10×10-2例2：東芝公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器TOLD9211，輸出功率5mW，波長(zhǎng)670nm，輸出光束在水平方向和垂直方向上的發(fā)散角分別為8o和33o。氣體激光器的增益介質(zhì)有良好的勻整性，且腔長(zhǎng)大，方向性最好！例1：對(duì)于直徑3mm腔鏡的632.8nmHe-Ne激光器輸出光束，近衍射極限光束發(fā)散角為結(jié)論不同類型激光器的方向性差別很大，與增益介質(zhì)的方向性及勻整性、諧振腔的類型及腔長(zhǎng)和激光器的工作狀態(tài)有關(guān)氣體激光器發(fā)散角接近衍射極限，是一般光源中方向性很好的弧光的10-5~10-7，是當(dāng)前最好探照系統(tǒng)的1/1000。激光器方向性對(duì)其聚焦性能有重要影響當(dāng)一束發(fā)散角為2θ的單色光被焦距為f的透鏡聚焦時(shí)，焦平面上光斑直徑為發(fā)散角也可用空間立體角來(lái)表示激光的方向性二、激光的高亮度亮度定義:

單位面積的光源在單位時(shí)間內(nèi)向著其法線方向上的單位立體角范圍內(nèi)輻射的能量單位:W/cm2.Sr太陽(yáng)光的亮度約為1.03W/cm2·Sr一般的1mW氦氖激光105W/cm2·Sr大功率脈沖激光1014-1017W/cm2·Sr飛秒激光可達(dá)1020W/cm2·Sr激光是最亮的光請(qǐng)勿對(duì)準(zhǔn)眼睛超快超強(qiáng)激光可形成的物理?xiàng)l件激光可形成自然界存在聚焦強(qiáng)度1020W/cm2光壓1012bar加速度1021g磁場(chǎng)109Gauss3.5×1016W/cm21barg0.5Gauss源于激光能量在空間和時(shí)間上的高度集中三、單色性激光的頻率受以下條件影響：能級(jí)分裂腔長(zhǎng)變更←泵浦、溫度、振動(dòng)單色性是指光強(qiáng)按頻率(波長(zhǎng))的分布狀況激光單色性的好壞可以用頻譜分布的寬度

(線寬)描述光譜線表現(xiàn)出確定的能級(jí)寬度譜寬極限一般光源中，86Kr放電燈在低溫下發(fā)出波長(zhǎng)λ為650.7nm的光，譜線寬度和波長(zhǎng)比值7.76×10-7。一般單模穩(wěn)頻He-Ne激光器（λ=632.8nm），譜線寬度與波長(zhǎng)的比值可達(dá)10-11。甲烷吸取穩(wěn)頻He-Ne激光器（λ=3.39μm），譜線寬度與波長(zhǎng)的比值可達(dá)10-13。四、相干性1.時(shí)間相干性(同地異時(shí))定義：在同一空間點(diǎn)上，由同一光源分割出來(lái)的兩光波之間的位相差與時(shí)間無(wú)關(guān)的性質(zhì)，即光波的時(shí)間持續(xù)性。也可理解為：同一光源的光經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)同一位置，尚能發(fā)生干涉，其經(jīng)過(guò)的時(shí)間差τc稱為相干時(shí)間兩列光波間允許的最大光程差稱為相干長(zhǎng)度例:He-Nelaser的線寬和波長(zhǎng)比值為10-7，求Michelson干涉儀的最大測(cè)量長(zhǎng)度是多少？最大測(cè)量長(zhǎng)度為解：Lmax=Lc/2=3.164m86Kr放電燈的相干長(zhǎng)度？2.空間相干性（同時(shí)異地）定義：

楊氏雙縫干涉以楊氏試驗(yàn)為例同一時(shí)間，由空間不同的點(diǎn)發(fā)出的光波的相干性狹縫間距確定產(chǎn)生干涉條件光源臨界寬度光源寬度確定一般尺寸為100μm的矩形汞弧燈光源，當(dāng)針孔屏距0.5m，橫向相干長(zhǎng)度為0.25mm，激光器的橫向相干長(zhǎng)度可達(dá)100mm以上狹縫最大允許距離即橫向相干長(zhǎng)度可表示為五、激光的橫模和縱模1.激光的縱模光波在諧振腔中應(yīng)滿足駐波條件相鄰兩個(gè)縱模頻率的間隔為可以存在的縱模頻率為諧振腔的腔長(zhǎng)、增益介質(zhì)的增益曲線確定，因此只有落在增益范圍內(nèi)，且增益大于損耗的諧振頻率才能形成激光。每一個(gè)諧振頻率的振蕩,稱為一個(gè)模式沿軸向傳播的振動(dòng)模式,稱為軸向模式,簡(jiǎn)稱縱模諧振腔的作用：（1）供應(yīng)正反饋；（2）選擇激光的方向性；（3）提高激光的單色性。例設(shè)He-Ne激光器腔長(zhǎng)L分別為0.30m、1.0m,氣體折射率n1,試求縱模頻率間隔各為多少?思索題：如何形成單模？2.激光的橫模光場(chǎng)在橫向不同的穩(wěn)定分布激光模式一般用TEMmnq表示定義對(duì)稱mnq軸向X向暗條紋數(shù)Y向暗條紋數(shù)縱模數(shù)旋轉(zhuǎn)圓周向暗條紋數(shù)徑向暗條紋數(shù)縱模數(shù)橫截面為