光机电测控技术基础【第3章 激光测试基础】 - 副本

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1、光机电测控技术基础主讲人:严晗武汉理工大学武汉理工大学 机电工程学院机电工程学院第3章 激光测试基础2目录录 3-1 激光的基本性质质 3-2 激光概述 3-3 激光器的分类类和特点 3-4 激光准直技术术 3-5 激光多普勒测测速技术术 3-6 激光测测距技术术3引 言 q 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

2、叉学科。 q 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。43-1激光的基本性质激光的方向性 q 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)。O2(a)O2(b)RS光束的发散角a）和立体角b）5激光的方向性 q 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：例：对氦氖激光器，若对氦氖激光器，若=0.63m=0.63m， d d = 3mm

3、= 3mm，则光束发散角为，则光束发散角为 2 2 210210-4-4radrad。 当发散角较小时，发散角和立体角的关系可简化为当发散角较小时，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：常用激光器的光束方向性能：气体激光器方向性最好，其发散角约为气体激光器方向性最好，其发散角约为1010-3-31010-6-6radrad；固体激光器的方向性较差，一般为固体激光器的方向性较差，一般为1010-2-2radrad量级。量级。半导体激光器的方向性最差，一般在（半导体激光器的方向性最差，一般在（5 51010）1010-2-2radrad，且两个，且两个 方向的发散角不一样。方向的

4、发散角不一样。3-1激光的基本性质激光的高亮度 q 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q 亮度的单位是W/m2 sr；辐射出射能量辐射出射能量光束出射立体角光束出射立体角光源表面积光源表面积 n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。n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：激光的亮度水平： 一个普通的调一个普通的调QQ红宝石激光器发射的红宝石激光器发射的 激光，其脉冲功率很容易达到激光，其脉冲功率很容易达到10106 6WW 的水平，其亮度

5、是太阳的的水平，其亮度是太阳的10101010倍。倍。 目前的超短脉冲激光器能产生短至目前的超短脉冲激光器能产生短至 4.6fs4.6fs的超短脉冲，光功率密度可高达的超短脉冲，光功率密度可高达 10102020W/cmW/cm2 2，其亮度就更高了，其亮度就更高了。3-1激光的基本性质q 激光的单色性 q 单色性是指光强按频率（波长）的分布状况。 q 描述方法：用频谱或波长分布的宽度（线宽）来描述q 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， 3-1激光的基本性质8激光的时间

6、相干性 q 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 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。 q 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。激光器M2M1P1212图3-3 迈克尔逊干涉仪3-1激光的基本

7、性质9q 激光的时间相干性 q 经过简单推导有下式成立：n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。所以激光的时 间相干性比普通光源所发出的光好得多。 n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。3-1激光的基本性质10q 激光的空间相干性q 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。q 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

8、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。q 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，横向相干长度大约为0.25mm，q 而激光器的横向相干长度可达100mm以上。3-1激光的基本性质11q 激光的纵模与横模 q 1）激光的纵模 q 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：n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

9、，称为“轴向模式”，或简称为“纵模”。 n结论：n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，在频谱上呈现为等间隔的分立谱线，称之为谐 振频率。n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 。n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。l图3-5 谐振腔中的驻波c/2nl阈值a)b)图3-6 纵模的频谱分布及增益 特性3-1激光的基本性质12q 激光的纵模与横模 q 2）激光的横模 q 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

10、。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。激光的各种横模a) TEM00 b) TEM10 c) TEM13 d) TEM11e) TEM00 f) TEM03 g) TEM10 轴对称旋转对称在实际应用中，希望激光在实际应用中，希望激光 的横向光强分布越均匀越的横向光强分布越均匀越 好，而不希望出现高阶模。好，而不希望出现高阶模。 3-1激光的基本性质13q 从点光源发发出的光波，在各向同性介质质中传传播时时形成球形的波面 ，称为为球面波。一个复杂杂的光源常常可以看做是许许多点光源的集 合,它所发发出的光波就是球面波的叠加 q 球面

11、波的等位相面是一组组同心球面，每个点上的振幅与该该点到球 心的距离成反比q 平面上发发散球面波复振幅分布为 球面波及其复振幅表示 3-2 激光概述在任意时刻、与波矢量相垂直的平面上振幅和位相为常数的光波称为 平面波 如波矢量 表示光波的传传播方向，其大小为为 ，方向余弦为为 ，则平面波传播到空间某点的复振幅的一般表达式为图图中用虚线线表示出相位值值相差 的一组组波面与平面 的交线线， 即等位相线线；它们们是一组组平行等距的斜直线线平面波及其复振幅表示 3-2 激光概述15q 传传播矢量 位于 平面的平面波在 平面上 的空间频间频 率 。q 时间时间 倒数：频频率；长长度倒数：空间频间频 率，即

12、在单单位长长度内周期 函数变变化的周数（单位：周/mm，线对/mm，L/mm，等 ） q 信息光学中有两种空间频间频 率，一种是空间强度分布，单位为：周 /mm，线对/mm，L/mm，等，对二维图象进行频谱分析得到的图象 频谱对应的空间频间频 率。另一种是平面波对应的空间频率，因为电 磁波在均匀介质中波长是常数，在其传播方向上空间频率是不变 的。空间频率的物理意义 3-2 激光概述16高斯光束 q 高斯光束的描述q 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。xzy0(z)高斯光束3-2 激光概述17高斯光束 q 高

13、斯光束的描述 q 沿z轴方向传播的高斯光束的电矢量表达式为光束在纵轴上光束在纵轴上 ( (x x = = y y = 0) = 0)z z点点 的电矢量振幅的电矢量振幅 光束在光束在z z处垂处垂 直于纵轴横截直于纵轴横截 面内的振幅面内的振幅 波数波数K K2 2 / / （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 3-2 激光概述18高斯光束 q 高斯光束的特性 q 1）z = 0的情况 q 将z = 0代入电矢量表达式，得出z = 0处

14、的电矢量表达式为q 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； q 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：注意： 高斯光束在高斯光束在z z = 0= 0处的波阵面处的波阵面是一平面，这一点与平面波是一平面，这一点与平面波 相同，但其光强分布是一种相同，但其光强分布是一种 特殊的高斯分布，这一点不特殊的高斯分布，这一点不 同于平面波。也正是由于这同于

15、平面波。也正是由于这 一差别，决定了它沿一差别，决定了它沿z z方向传方向传播时不再保持平面波的特性，播时不再保持平面波的特性，而以高斯球面波的特殊形式而以高斯球面波的特殊形式 传播。传播。3-2 激光概述19高斯光束 q 高斯光束的特性 q 2）z = z0 0的情况 q 当z = z0 0时，电矢量E的表达式为n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n n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。高斯光束电矢量分布z(z1)R(z1)(z2)R(z2)3-2 激光概述20高斯光束 q 高斯光束的特性 q 2）z = z0 0的情况n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n从上式可知，在z = 0处的光斑尺寸最小，该点的光斑尺寸 0为束腰，而(z)随z增大，表示光束逐渐发散。 高斯光束电矢量分布z(z1)R(z1)(z2)R(z2)3-2 激光概述21高斯光束 q 高斯光束的特性 q 2）z = z0 0的情况n通常以2来描述光束