激光测量技术-激光原理与技术课件.ppt
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- 激光 测量 技术 原理 课件
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1、2006年3月6日星期一第一章 激光原理与技术 本章主要内容:辐射理论概要(重点)激光产生的条件:泵浦、增益介质、谐振腔、阀值条件(重点)结构及分类物理性质(重点)高斯光束(重点)稳频技术调制技术(重点)半导体激光器2006年3月6日星期一第一节 辐射理论概要一、光量子学说及波粒二象性 量子说量子说波动说波动说电磁说电磁说微粒说微粒说几何光学几何光学波动光学波动光学电磁理论电磁理论 量子理论量子理论2006年3月6日星期一一、光量子学说及波粒二象性光具有反/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 波粒二象性解释不了光电效应:a、金属有确定频率V0,当
2、光VV0释放电子 b、当VV0,电子动能与强度无关,与频率有关 c、当VV0,无论光强如何,滞后时间小于10-8秒ab2006年3月6日星期一一、光量子学说及波粒二象性光量子学说Einstein普朗克量子假说(黑体吸收现象)1905年Einstein光量子学说 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。Amh 221 h h346.62610hJs2006年3月6日星期一一、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 光子能量:光子能量:光子动量:光子动量:光子质量:光子质量:2hmchvhmccp p22chcm
3、 2006年3月6日星期一一、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?2006年3月6日星期一二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布1、原子能级、原子能级 玻尔理论: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 2006年3月6日星期一1、原子能级、原子能级电子运动状态的变化要吸收或者释放能量:hv=E2-E1 定态限制:即电子的轨道运动的角动员P必须等于h/2的整数倍:P=nh/2 玻尔量化条件 n为整数 主量子数2006
4、年3月6日星期一2.简并度、简并能级表表 13-1 角动量状态角动量状态主量子数主量子数(n)1 2 3 4 5 6 7符号符号 K L M N O P Q 角动量角动量 l (n-1)0 1 2 3 4符符 号号 s p d f g简并度简并度 g=2l+1 1 3 5 7 92006年3月6日星期一2.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2006年3月6日星期一3、玻尔兹曼分布
5、 为Ei能级的简并度,K为常数,T为绝对温度当EmEn能级对应的粒子数目:结论:高能级的粒子数目少于第能级 的粒子数目 P2,T0 错误iEKTiiNg eig/1mnEENgmmKTNgnne231.3810kKJ2006年3月6日星期一三、光与物质的相互作用作用种类:自发辐射 1.特点:辐射光没有固定频率、相位i、偏振方向 和传播方向2E1E发光前发光前发光后发光后12EEh2006年3月6日星期一三、光与物质的相互作用2、受激吸收 2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后2006年3月6日星期一三、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 2E1Ehhh发光前发
6、光前发光后发光后2006年3月6日星期一三、光与物质的相互作用光场能量粒子能量自发辐射受激辐射受激吸收可能达到平衡也可能达不到平衡2006年3月6日星期一第二节 激光产生的原理及条件一、粒子数反转分布及泵浦过程1.粒子数反转分布粒子数反转分布由受激辐射知:可以产生高相干光由受激辐射知:可以产生高相干光由玻尔兹曼分布知由玻尔兹曼分布知N2N1g2/g1,即粒子数分布反转,即粒子数分布反转。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是介质对光放大作用的条件及产生 激光的前提激光的前提受激吸收受激吸收h2E1E受激辐射受激辐射hhh2006年3月6日星期一一、粒子数反转分布及泵浦过程
7、2、泵浦、泵浦(抽运抽运)定义:使两个能级实现粒子数反转的过程受激辐射受激辐射2E1Ehhh3E泵泵浦浦自发辐射自发辐射或其他释或其他释放能量方放能量方式式2006年3月6日星期一2、泵浦、泵浦泵浦分类:光泵浦电泵浦化学泵浦 热泵浦2006年3月6日星期一二、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、物理、化学作用 2、反射、散射、反射、散射 3、受激吸收、受激吸收 4、自发辐射、自发辐射 增益介质:增益介质: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,对光有放大作用大于受激吸收
8、、自发辐射、各种损耗,对光有放大作用损耗损耗 应当减弱应当减弱,利于放大利于放大泵浦泵浦 容易实现粒子数反转容易实现粒子数反转杂散光,影响单色性、相干性杂散光,影响单色性、相干性2006年3月6日星期一2、受激放大增益介质对光的放大作用:0()GZI ZI e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G为增益介质的增益系数,G0,Z为增益介质的长度,I0为入射光强2006年3月6日星期一三、谐振腔由 知,Z越大,光越强,为减小体积,提高Z的大小,常常采用以下结构: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
9、和偏振方向有选择作用.0()GZI ZI e2006年3月6日星期一四、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 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.2006年3月6日星期一 五、结构形式通用结构以He-Ne激光器为例:激光激光增益介质增益介质谐振腔谐振腔泵浦源泵浦源全全反反镜镜部分反部分透射镜部分反部分透射镜2006年3月6日星期一五、结构形式He-Ne激光器的三种结构:外腔式半内腔式A.内腔式2006年3月6日星期一六、激光器的分类及特点固体激光器工作物质工作物质主要是掺杂晶体和掺杂主要是掺杂晶体和掺杂
10、玻璃,最常用的是红宝石玻璃,最常用的是红宝石(掺铬掺铬)Al2O3、钕玻璃、钕玻璃(掺钕掺钕)、钇铝石榴石钇铝石榴石(掺钕掺钕)YAG。激励方式激励方式:光激励光激励(简称光泵简称光泵)特点特点:输出功率大可达输出功率大可达1000W以以 上上,YAG最好最好,可连续运行可连续运行 多模输出多模输出 常用于机械加工常用于机械加工1是脉冲氙灯;2是红宝石棒,3是椭圆柱形聚光器,4是全反射镜,5是部分反射镜2006年3月6日星期一2.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C
11、O2,常用于机械加工 He-Ne 测量、计量 Ar+化学分析,全息摄影,激光照排,水下通讯 2006年3月6日星期一3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(0530 74m),寿命长(百万小时),功率小(一般在100mw),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:通信光源、测距、激光光盘、唱片、印刷术、办公自动化、泵浦源2006年3月6日星期一 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(0.34-1.2um)应用:在光化学、光生物学、激光医学等方面2006年3月6日星期一5.化学激光器
12、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,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氧碘化学激光器氧碘化学激光器2006年3月6日星期一6.其他激光器有x射线、薄膜、光纤激光器2006年3月6日星期一第三节 激光的基本物理性质本节主要内容:一、方向性二、高亮度三、单色性四、相干性:空间相干性空间相干性 时间相干性时间相干性五、横、纵模2006年3月6日星期一一、方向性光的方向性定义参数: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,一般表示 单位Rad书中用度表示,错误222006年3月6日星
13、期一2.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d表示立体角,R为半径)2SR单位:球面度(Sr)2006年3月6日星期一激光的方向性一般发散角10-6rad,出口直径1mm的激光在1km处的直径为10cm常见光源发散角:日光灯:2气体激光:10-3-10-6固体激光:10-2半导体激光:5-10 x10-22006年3月6日星期一激光的方向性2006年3月6日星期一二、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单位立体角范同内辐射的能量EBst 单位:W/cm2.Sr2006年3月6日
14、星期一二、高亮度 太阳光的亮度约为1.03W/cm2Sr 普通的1mW氦氖激光1.05W/cm2Sr 大功率脉冲激光1014 1017W/cm2Sr 飞秒激光可达1020W/cm2Sr 是太阳的1011倍以上激光是最亮的光激光是最亮的光请勿对准眼睛请勿对准眼睛2006年3月6日星期一三、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 泵浦 温度 震动 能级分裂激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度=2-1(线宽)描述。PmaxPmax1/2Pmax1/2Pmax2006年3月6日星期一三、单色性由 知 ,线宽也对应着一定波长宽度 工程上一般也用 或 来度量线宽的
15、大小.12C单色光源是氪(Kr86)灯,中心波长为605.7 nm,中心频率为4.95108 MHz,其谱线宽度为3.8102 MHz,即4.7104 nm/为为7.9610-7 一般He-Ne激光/为10-11 中心波长6328埃 稳频后可达 10-13 中心波长3392.23139埃2006年3月6日星期一三、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HeNe激光器输出观察到约2Hz的带宽 固体激光器的单色性较差 半导体激光器的单色性最差。注注:HeNe激光器的极限线宽大约为激光器的极限线宽大约为610-3Hz/=/?/(1 2
16、)=/(+)(-)/=/2006年3月6日星期一四、相干性1、时间相干性、时间相干性(同地异时同地异时)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c称为相干时间 2006年3月6日星期一1、时间相干性、时间相干性 相干长度相干长度:两列光波间允许的最大光程差 Lc Lc=C t激光一次受激辐射的持续时间:t 1/Lc=Ct=C/=2/tc t tc=12006年3月6日星期一1.时间相干性时间相干性例1:He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7 求M
17、ichelson干涉仪的最大测量长度是多少?=10-7=10-7C/(0.632810-6)Lc=C/=6.328m 最大测量长度为 Lmax=Lc/2=3.164m2006年3月6日星期一2、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:小孔d一定,光源面积影响 bd/R/2 能看到干涉条纹 所以光源尺寸:bc=2b R/d=/杨氏双缝干涉2006年3月6日星期一2、空间相干性2b一定,小孔间距的影响 d d越小条纹越清晰越小条纹越清晰 d d R/2b=/,无干涉条纹无干涉条纹通常称最大的狭缝间距为横向相干长度通常称最大的狭缝间距为横向相干长度d
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