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1、光电测试技术,哈尔滨工业大学,第3章 激光测试技术,2020/8/7,2,引 言,自从1960年由Maiman研制成功世界上第一台红宝石固体激光器以来，激光技术发展极为迅速，并带动一大批相关学科和技术的发展，其应用遍布几乎所有的领域，如信息、医学、工农业和军事技术等各个部门，是具有里程碑意义的重要技术成就。激光技术的广泛应用使之成为力学、物理、化学、材料科学、光电子以及医学工程之间的一门交叉学科。 激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳光源，也是许多测试技术的基准。,2020/8/7,3,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的方向性
2、描述方法： 发散角：光源发光面所发出光线中，两光线之间的最大角，一般用2表示，单位为rad。 立体角：球冠曲面S对光源O所张的空间角，单位为sr，可用下式描述 整个球面对球心所张的立体 角是4(sr)。,2020/8/7,4,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的方向性 激光器的发散角接近该激光器的出射孔径所决定的衍射极限。可以表示为,例：对氦氖激光器，若=0.63m， d = 3mm，则光束发散角为 2210-4rad。,当发散角较小时，发散角和立体角的关系可简化为,常用激光器的光束方向性能： 气体激光器方向性最好，其发散角约为10-310-6rad； 固体激光器的方向性较差，一般为1
3、0-2rad量级。 半导体激光器的方向性最差，一般在（510）10-2rad，且两个方向的发散角不一样。,2020/8/7,5,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的高亮度 定义：亮度为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围内辐射的能量，可表示为 亮度的单位是W/m2 sr；,一般激光器的发光立体角大约为10-6sr，其发光亮度比普通光源大百万倍。 正是由于激光能量在空间和时间上的高度集中，才使得激光具有普通光源所达不到的高亮度。,激光的亮度水平： 一个普通的调Q红宝石激光器发射的 激光，其脉冲功率很容易达到106W 的水平，其亮度是太阳的1010倍。 目前的超短脉冲
4、激光器能产生短至 4.6fs的超短脉冲，光功率密度可高达 1020W/cm2，其亮度就更高了。,2020/8/7,6,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的单色性 单色性是指光强按频率（波长）的分布状况。 描述方法：用频谱或波长分布的宽度（线宽）来描述 激光的单色性能： 单模稳频He-Ne激光器，其发出的谱线的线宽与波长的比值可达 。 普通光源中，单色性最好的同位素86Kr放电灯在低温下发出波长0.6057m的光，,2020/8/7,7,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的时间相干性 概念：激光的时间相干性指在一空间点上，由同一光源分割出来的两光波之间位相差与时间无关的性质，即光
5、波的时间延续性。可以理解为，同一光源发出的两列光波经不同的路径，在相隔一定时间c后在空间某点会合，尚能发生干涉，c称为相干时间。 概念：在迈克尔逊干涉仪中，当两光路光程差小于光振动波列本身的长度L时，在观察点P处还有一部分干涉，可看到干涉条纹。当光程差大于振动波列本身的长度L时，两列波完全不相干，则看不到干涉条纹。我们把两波列间允许的最大光程差称为光源的相干长度，记作Lc，它等于光振动的波列本身的长度。,2020/8/7,8,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的时间相干性 经过简单推导有下式成立：,结论：光谱线宽度和越窄，光的相干长度Lc和相干时间c越长，光的时间相干性越好。所以激光的
6、时间相干性比普通光源所发出的光好得多。,例如，用86Kr灯作光源的干涉仪，理论上其相干长度Lc=77cm，这与非受激发射的普通光源相比已是最长的了；但利用稳频He-Ne激光器（0.6328m）作光源，若其频率稳定度为10-11，干涉仪的相干长度可达几千公里。,2020/8/7,9,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的空间相干性 概念：空间相干性是指同一时间，由空间不同点发出的光波的相干性。 如果用单模激光器作光源，由于这种激光光束在其截面不同点上有确定的位相关系，因此可产生干涉条纹，即单模激光光束的空间相干性很好。 例如：尺寸为100m的矩形汞弧灯光源，当针孔屏距光源500mm放置时，
7、横向相干长度大约为.25mm， 而激光器的横向相干长度可达100mm以上。,2020/8/7,10,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的纵模与横模 1）激光的纵模 光波是一种电磁波，每种光都是具有一定频率的电磁振荡。当谐振腔的光学长度等于半波长的整数倍的那些光波，将形成稳定的振荡，因为这些光波在多次反射中相位完全相同而得到最有效的加强。谐振条件：,所以原则上谐振腔内有无限多个谐振频率。每一种谐振频率的振荡代表一种振荡方式，称为一个“模式”。对于上述沿轴向传播的振动，称为“轴向模式”，或简称为“纵模”。,结论： 纵模的频率间隔与谐振腔的光学长度成反比，与纵模的模序数q无关，在频谱上呈现为
8、等间隔的分立谱线，称之为谐振频率。 只有那些落在增益曲线范围内，并且增益大于损耗的那些频率才能形成激光。其他频率的光波都不能形成激光振荡。 在这里谐振腔起了一种频率选择器的作用，正是由于这种作用，才使激光具有良好的单色性。,2020/8/7,11,31 激光概述,1. 激光的基本性质 激光的纵模与横模 2）激光的横模 激光光束的截面形状除对称的圆形光斑以外，还会出现一些形状较为复杂的光斑，如图3-7所示。激光的纵模对应于谐振腔中纵向不同的稳定的光场分布。光场在横向不同的稳定分布，通常称为不同的横模。,在实际应用中，希望激光 的横向光强分布越均匀越 好，而不希望出现高阶模。,2020/8/7,1
9、2,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的描述 由凹面镜构成的稳定谐振腔产生的激光束既不是均匀平面光波，也不是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，如图所示。,2020/8/7,13,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的描述 沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为,波数K2/,（z）称为z点的光斑尺寸，它是z的函数，即 0是z = 0处的光斑尺寸，它是高斯光束的一个特征参量，称为光束的“束腰”；,R(z)是在z处波阵面的曲率半径，它也是z的函数,是与z有关的位相因子,2020/8/7,14,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的特性 1）z = 0的情况 将z = 0代入电矢量表达
10、式，得出z = 0处的电矢量表达式为 特点：与x, y有关的位相部分消失，即z = 0的平面是等相面，它与平面波的波阵面一样； 振幅部分是一指数表达式，这种指数函数叫高斯函数，通常称振幅的这种分布为高斯分布光斑中心最亮，向外逐渐减弱，但无清晰的轮廓。通常以电矢量振幅下降到中心值1/e（光强为中心值的1/e2）处的光斑半径作为光斑大小的量度，称为束腰。,注意： 高斯光束在z = 0处的波阵面 是一平面，这一点与平面波 相同，但其光强分布是一种 特殊的高斯分布，这一点不 同于平面波。也正是由于这 一差别，决定了它沿z方向传 播时不再保持平面波的特性， 而以高斯球面波的特殊形式 传播。,2020/8
11、/7,15,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的特性 2）z = z0 0的情况 当z = z0 0时，电矢量E的表达式为,上式的相位部分表示高斯光束在z = z00处的波阵面是一球面，其曲率半径为R（z0） ，由定义式知 即波阵面的曲率半径R（z0）大于z0，且R随z而异，即作为波阵面的球面的曲率中心不在原点，而且随中心不断变化，如图所示。,2020/8/7,16,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的特性 2）z = z0 0的情况,电矢量E的振幅值与z = 0处相仿，但仍中心最强，同时按高斯函数形式向外逐渐减弱，此时光斑尺寸为 从上式可知，在z = 0处的光斑尺寸最小，该点的光斑尺寸0
12、为束腰，而(z)随z增大，表示光束逐渐发散。,2020/8/7,17,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的特性 2）z = z0 0的情况,通常以2来描述光束的发散角，其表达式为 当z = 0时，20 ； 当 时， ； 当z时， 远场发散角 通常称z = 0到 的范围为准直距离，在此区间发散角最小。,2020/8/7,18,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的特性 3）zz0的情况 与zz0相似，它的振幅分布在zz0处完全一样，只是 R（z0）R（z0），在z0处是一个沿z方向传播的发散球面波，而在z0处，则是沿z方向传播的会聚球面波，两者曲率半径的绝对值相等。,小结：高斯光束在z0处是沿
13、z方向传播的会聚球面波，当它到达z = 0处变成一个平面波，当继续传播时又变成一个发散的球面波。光束各处上的光强分布均为高斯光束。,2020/8/7,19,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的变换 1）高斯光束的复曲率半径 将高斯光束电矢量公式改写为,定义复曲率半径为,参数q（z）将高斯光束 的两个基本参数（z） 和R（z）统一在一个表 达式中，它是表征高斯 光束的又一个重要参数。 一旦确定光束在某位置 处的q（z）值，便可求 出该位置处的（z） 和R（z）。,2020/8/7,20,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的变换 1）高斯光束的复曲率半径 如果以q0=q(0)表示z = 0处的
14、复曲率半径，并注意到R(0)，(0)=0，则按定义式 ，有,由此得出,将（z）和R（z）的定义式代入q（z）的定义式，经适当运算可得,这就是高斯光束的复曲率半径在自由空间（或均匀各向同性介质)中的传输规律,2020/8/7,21,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的变换 2）高斯光束通过薄透镜的变换,=,入射球面波M ，经过薄透镜后将转变成球面波M，有,强调：高斯光束的复曲率半径q(z)和普通球面波的曲率半径R(z)有一样的形式和作用。,2020/8/7,22,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的变换 3）高斯光束通过复杂透镜的变换 高斯光束通过复杂透镜系统的变换关系，遵循ABCD变换定律
15、，表示为,同理，对复杂光学系统有:,2020/8/7,23,31 激光概述,2高斯光束 高斯光束的聚焦 为使高斯光束获得良好的聚焦，通常采用短焦距透镜，或者使高斯光束束腰离透镜甚远。,在入射光束的束腰处,在A处,在B处,在出射光束的束腰处,当 l f 时，有,2020/8/7,24,31 激光概述,3激光器的分类和特点 气体激光器 气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器。 气体激光器可分为三大类：原子（如He-Ne）、分子（如CO2）和离子（如Ar+）气体激光器。 气体激光器的特点是： 谱线的波长分布区域宽，已观察到的上万条谱线，覆盖了从紫外到红外光谱区，目前已向两端扩展到X射线波段和毫米波波段。 其激光器输出光束的质量相当高，具有良好的单色性和发散度。 目前是连续输出功率最大的激光器，如CO2激光器连续输出量级已达数十万瓦。 与其它激光器相比，转换效率高，结构简单，造价低廉。 被广泛应用于工农业、国防、医学和其它科研领域中。,
