激光测量技术激光原理与技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2006年3月6日星期一,*,测控教研室,*,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日星期一,1,第一节 辐射理论概要,一、光量子学说及波粒二象性,量子说,波动说,电磁说,微粒说,几何光学,波动光学,电磁理论,量子理论,2006年3月6日星期一,2,一、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,V,0,，,当光,V,V,0,释放电子,b,、当,V,V,0,，,电子动能与强度无关，与频率有关,c,、当,V,V,0,，无论光强如何，滞后时间小于,10,-8,秒,a,b,2006年3月6日星期一,3,一、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。,2006年3月6日星期一,4,一、光量子学说及波粒二象性,根据爱因斯坦的质能方程:,E=MC,2,E=hv,光子能量：,光子动量：,光子质量：,2006年3月6日星期一,5,一、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？,2006年3月6日星期一,6,二、原子能级、简并度及波尔兹曼分布,1、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日星期一,7,1、原子能级,电子运动状态的变化要吸收或者释放能量,:,hv,=E,2,-E,1,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年3月6日星期一,8,2.简并度、简并能级,表 13-1 角动量状态,主量子数(n)1 2 3 4 5 6 7,符号 K L M N O P Q,角动量,l (n-1),0 1 2 3 4,符 号 s p d f g,简并度 g=2,l,+1 1 3 5 7 9,2006年3月6日星期一,9,2.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 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,2006年3月6日星期一,10,3、玻尔兹曼分布,为Ei能级的简并度,K为常数,T为绝对温度,当E,m,E,n,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,?,2006年3月6日星期一,11,三、光与物质的相互作用,作用种类:,自发辐射,特点,:,辐射光没有固定频率、相位,i,、偏振方向 和传播方向,发光前,发光后,2006年3月6日星期一,12,三、光与物质的相互作用,2、受激吸收,吸收前,吸收后,2006年3月6日星期一,13,三、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,发光前,发光后,2006年3月6日星期一,14,三、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,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日星期一,15,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,由受激辐射知：可以产生高相干光,由玻,尔兹曼分布知,N2N1g2/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 激光的前提,受激吸收,受激辐射,2006年3月6日星期一,16,一、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,受激辐射,泵浦,自发辐射或其他释放能量方式,2006年3月6日星期一,17,2、泵浦,泵浦分类：,光泵浦,电泵浦,化学泵浦,热泵浦,2006年3月6日星期一,18,二、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,3、受激吸收,4、自发辐射,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大于受激吸收、自发辐射、各种损耗，对光有放大作用,损耗 应当减弱,利于放大,泵浦 容易实现粒子数反转,杂散光，影响单色性、相干性,2006年3月6日星期一,19,2、受激放大,增益介质对光的放大作用：,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,I,0,为入射光强,2006年3月6日星期一,20,三、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、传播方向和偏振方向有选择作用.,2006年3月6日星期一,21,四、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日星期一,22,五、结构形式,通用结构,以He-Ne激光器为例：,激光,增益介质,谐振腔,泵浦源,全反镜,部分反部分透射镜,2006年3月6日星期一,23,五、结构形式,He-Ne激光器的三,种结构：,外腔式,半内腔式,内腔式,2006年3月6日星期一,24,六、激光器的分类及特点,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,)Al,2,O,3,、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 上,YAG,最好,可连续运行,多模输出,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日星期一,25,2.气体激光器,常见:,CO,2,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,Ar,+,化学分析，全息摄影，激光照排，水下通讯,2006年3月6日星期一,26,3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日星期一,27,4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日星期一,28,5.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，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,2006年3月6日星期一,29,6.其他激光器,有x射线、薄膜、光纤激光器,2006年3月6日星期一,30,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,时间相干性,五、横、纵模,2006年3月6日星期一,31,一、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,?,2006年3月6日星期一,32,2.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）,?书中错误 对于球面波,=2(1-cos),单位：球面度（Sr）,2006年3月6日星期一,33,激光的方向性,一般发散角10,-6,rad,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,-2,激光的方向性好坏,直接关系到准直、聚焦,2006年3月6日星期一,34,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,2006年3月6日星期一,35,二、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,单位:W/cm,2,.Sr,2006年3月6日星期一,36,二、高亮度,太阳光的亮度约为1.03W/cm,2,Sr,普通的1mW氦氖激光1.05W/cm,2,Sr,大功率脉冲激光10,14,10,17,W/cm,2,Sr,飞秒激光可达10,20,W/cm,2,Sr,是太阳的10,11,倍以上,激光是最亮的光,请勿对准眼睛,2006年3月6日星期一,37,三、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。,V,P,V,1,V,0,V,2,Pmax,1/2Pmax,2006年3月6日星期一,38,三、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 来度量线宽的大小.,单色光源是氪（Kr86）灯，中心波长为605.7 nm，,中心频率为4.9510,8,MHz，其谱线宽度为3.810,2,MHz，即4.710,4,nm,/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日星期一,39,三、单色性,单模稳频气体激光器的单色性最好，一般可达10,6,一10,3,Hz,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:HeNe激光器的极限线宽大约为610,-3,Hz,?,/=/?,/(,1 2),=,/,/(,+)(-)/,=,/,2006年3月6日星期一,40,四、相干性,1、时间相干性(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日星期一,41,1、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,t,激光一次受激辐射的持续时间:,t 1/,Lc=Ct=C/=,2,/,tc t,tc=1,2006年3月6日星期一,42,1.时间相干性,例1:He-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？,=10,-7,=10,-7,C/（0.632810,-6,）,Lc=C/,=6.328m,最大测量长度为,Lmax=Lc/2=3.164m,2006年3月6日星期一,43,2、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日星期一,44,2、空间相干性,2b,一定，小孔间距的影响,d,越小条纹越清晰,d,R/2b=,/,无干涉条纹,通常称最大的狭缝间距为横向相干长度,d,c,=,R/2b=,/,一般,尺寸为,100um,的矩形汞弧灯光源，当针孔屏距,0.5m,，横向相干长度为,0,.,25mm,，,激光器的横向相干长度可达,100M,以上,2006年3月6日星期一,45,五、激光的横模和纵模,纵模,(,轴模,),光是一种波,因此在谐振腔中应满足,驻波条件,k,真空中的波长,n,谐振腔中媒质的折射率,可以存在的纵模频率为,相邻两个纵模频率的间隔为,2006年3月6日星期一,46,1.纵模(轴模),每一个谐振频率的振荡,成为一个模式,沿轴向传播的振动模式,称为轴向模式,简称轴模或者纵模,谐振腔的腔长、增益介质的增益曲线一定，因此只有落在增益大于损耗大大的谐振频率才能形成激光。,一般纵模q=,/V,k,如果只有一个纵模,称为单模,思考题：如何形成单模,2006年3月6日星期一,47,1.纵模(轴模),谐振腔的作用：,（1）维持光振荡,（2）选择激光的方向性,（3）提高激光的单色性。,例 设He-Ne 激光器腔长L分别为0.30m、1.0m,气体折射率,n,1,试求纵模频率间隔各为多少?,2006年3月6日星期一,48,2.横模,激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用,定义,光在横向的光强分布。一般用TEMmnq表示：,对称,m,n,q,轴向,X向暗条纹数,Y向暗条纹数,纵模数,旋转,圆周向暗,条纹数,径向暗条纹数,纵模数,2006年3月6日星期一,49,第四节 高斯光束,一、高斯光束表达式,高斯分布,束腰：,振幅下降为中心的1/e时对应的光束截面半径，别称光束的截面半径或者光斑半径,非特指束腰为高斯光束的最小束腰,激光是一种高斯光束，这是因为存在凹面镜,2006年3月6日星期一,50,第四节 高斯光束,高斯光束的传播公式：,?,P12 1-15 P14 1-21 P5 1-23,2006年3月6日星期一,51,二、高斯光束的特性,Z=0,R(z,)-,无穷,相位为,0,特点:,等相位,平面波,光强分布为高斯分布,2006年3月6日星期一,52,二、高斯光束的特性,Z0,a.,相位部分,为发散球面波,曲率半径随,Z,变化,b.,振幅部分,为高斯分布,c.,发散角,2006年3月6日星期一,53,二、高斯光束的特性,Z=0时,2,=0,平面波,z,Z从0到 的区域,称为准直区,3.z0情况,z,0,z,1,z,2,2006年3月6日星期一,54,三、高斯光束的聚焦,透镜对光束的变换关系,几何光学透镜成像公式,:,在透镜前后的波前对应的,像分别为,O,O,所以,:,透镜为薄透镜时,=,由高斯光束的性质知,:,2006年3月6日星期一,55,1.透镜对光束的变换关系,对成像端:,带入成像公式有,2006年3月6日星期一,56,1.透镜对光束的变换关系,当Lf 或者L+f,2,/,时则有,2006年3月6日星期一,57,2.聚焦,当L,时,L,f,即当L远远大于焦距时,变换后的高斯光束最小束腰在透镜的焦点附近(小于f，焦点左侧),大小为,f/,2006年3月6日星期一,58,3.应用,VCD头,He-Ne激光,0,=1mm,距离透镜500mm,要求聚焦后直径为10um,求透镜焦距,计算合理,2006年3月6日星期一,59,四、激光扩束与准直,需求：,直线光束，,大面积辐照,光束扩大了M倍,如果再聚焦可以缩小光斑,2006年3月6日星期一,60,四、激光扩束与准直,看看f,2,对成像的后的,4,的曲率半径：,结论：,倒置望远镜，能够扩束,将高斯光束转化为平面光束,发散角，变小,注意：透镜间距离非严格为,f,1,+f,2,，略小,2006年3月6日星期一,61,第五节、激光的稳频技术,原因：测量时，通常以波长,/2为基准,不稳定，或者频率不稳，会带来测 量误差,引入两个参数,频率稳定度,频率再现性,同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性，以,R,表示,2006年3月6日星期一,62,一、频率变化的原因,驻波条件：,结论：,影响频率变化的原因主要是腔长和折射率的不稳定,主要原因：,温度变化,2.,振动,3.,大气影响,4.其他物理原因，如磁场、电场，力,2006年3月6日星期一,63,二、稳频方法,1、分类,被动稳频,针对频率变化的因素，消除因素的影响,主动稳频,从原理入手，减小环境因素对频率变化的影响,2、被动稳频,温度控制 可达,10,-8,腔体材料选择,可达,10,-8,隔振,激光理论的频率的变化10,-3,Hz,Sv理论值10,-17,不加稳频措施,一般Sv在10,-6,量级,2006年3月6日星期一,64,二、稳频方法,3.主动稳频,常用方法,兰姆,(Lamb),下陷法,饱和吸收法,塞满,(Zeeman),效应法,兰姆,(Lamb),下陷法,Lamb,下陷,:,由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功率,P,和频率,V,的关系曲线上，在中心频率,V,0,处输出功率出现凹陷的现象,2006年3月6日星期一,65,兰姆,(Lamb),下陷法,原理:,利用激光器的输出功率P和频率V的关系曲线上的凹陷反应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器的频率起伏值,V转换成输出功率的起伏值 P，从而获得误差信号,用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光器输出频率趋近中心频率V,0,2006年3月6日星期一,66,兰姆(Lamb)下陷法实现,A,处,与激励信号,同频反相,B,处,同频,同相,V,0,处,2,倍频,以中心频率为标准频率,对中心频率的改变,无控制作用,经,lamb,稳频后,He-Ne,激光的频率稳定度可达,10,-10,2006年3月6日星期一,67,2.饱和吸收法,利用某些材料对光的吸收随频率变化性质,使激光中心频率输出光强最强,利用lamb下陷法的稳频技术提高,激光器的频率稳定度,特点:频率稳定度高可达10,-14,与lamb下陷法相反,因此也称反lamb下陷法,2006年3月6日星期一,68,饱和吸收法技术实现,2006年3月6日星期一,69,3.塞曼(Zeeman)效应法,塞曼效应:,原子能级在磁场作用下发生分裂的现象,双频激光器,:,由塞曼效应制成的激光器,特点,高频的左旋圆偏振光,低频为右旋圆偏振光,两者输出功率的大小,与中谐振腔的中心谐振,频率有关,2006年3月6日星期一,70,第六节 激光调制技术,一、激光调制的基本概念,把欲传输的信息加载到激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器。,激光起到携带低频信号的作用，所以称为载波，,调制的激光称为已调制波或已调制光。,激光调制可分为:内调制和外调制,内调制:指在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制信号的规律去改变激光振荡的参数，从向改变激光的输出特性。,外调制:是指在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它不改变激光器的参数，们是改变已经输出的激光参数(如强度、频率、位相等)。,2006年3月6日星期一,71,第六节 激光调制技术,设激光的瞬时电场强度为,则光强度为,设调制信号为,幅值调制为:,强度调制:,频率调制:,相位调制:,M,M,i,M,f,M,p,调幅系数、强度调制系数、调频系数和调相系数,M,M,i,远小于1,2006年3月6日星期一,72,二、调制方法,知识,1、电光调制,a、原理,电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化,Xyz光轴偏转45度，主折射率分裂为：,线偏振光分裂为两束线振光，X，y方向,相位差为,2006年3月6日星期一,73,1、电光调制,相位差,与所加电压v成正比，通常称为线性电光效应或Pockels效应,一般把引起,相位差的电压作为电光材料的性能：称为半波电压，V,或者,V,/2,表示,2006年3月6日星期一,74b.应用,光强调制,Kdp,引起相位,波片：,/2,2006年3月6日星期一,75,b.应用,所以经检偏器后，光的电势量为（A为入射光振幅的cos45倍）,所以光强为,所以投射率为,2006年3月6日星期一,76,b.应用,相位调制,若V=A,m,sin（w,m,t）,?,P27 1-70,2006年3月6日星期一,77,2.声光调制,原理,弹光效应,:,当一块各向同性的透明介质受外力作用时，介质的折射率会发生变化,声光光效应,:,通常把超声波引起的弹光效应,行波,:,驻波,2006年3月6日星期一,78,原理,可以看出:声光调制,实际相当于,相位光栅,行波,驻波,栅面运动 Vs,光栅始终存在,栅面固定不变,光栅作有无变化,频率是声波的2倍,根据相位光栅的衍射公式,s,(sin,m,sin,i,)=,m,Raman-Rath,Brag,条件,s,sin,m,=,m,s,(sin,m,sin,i,)=,光强,I,m,=I,i,J,2,m,(,),I,1,=I,i,sin,2,（,/2）,I0=I,i,cos,2,（,/2）,出射光频率,行波,m=0,m,s 驻波m=0,2m,s,m=0,(2m-1),s,2006年3月6日星期一,79,原理,Brag衍射效率高,由brag效应制成的器件叫brag元件(AOM),2006年3月6日星期一,80,2.应用,功率调制,产生双频激光,比,Zeeman,效应产生的频差大,与电光效应相比,声光效应,:,需要功率小,带宽小,热稳定好,电光效应,:,功率大,带宽宽,热稳定性差,2006年3月6日星期一,81,3.磁光调制,原理:,法拉第旋光效应:线性偏振光经过磁性介质后,投射光偏振方向会发生偏转,2006年3月6日星期一,82,3.磁光调制,特点:,波长可达1.5-5um,功率小,调制频率高可达10,9,Hz,应用于功率调制,2006年3月6日星期一,83,4.电源调制/直接调制,定义:,直接将调制信号加载于激光电源，从而使激光器发射的激光强度或激光脉冲参数随调制信号而变化的调制，称为电源调制成直接调制,2006年3月6日星期一,84,5.干涉调制,迈克耳逊干涉仪调制光强,2006年3月6日星期一,85,作业,2006年3月6日星期一,86,