【第3章-激光测试基础】1of3

光机电测控技术基础任课教师:严晗武汉理工大学机电工程学院第3章激光测试基础目录3-1激光的基本性质3-2激光原理概述3-3激光器的分类和特点3-4激光准直技术3-5激光多普勒测速技术3-6激光测距技术激光技术发展史1.1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子力学»一文预言了原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;2.20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论；激光器方案的提出；3.1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；4.1960年至今：激光技术飞速发展。Laser－“激光”Laser“通过受激辐射实现光放大”LightAmplificationofStimulatedEmissionofRadiation引言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。3-1激光的基本性质原子能级和辐射跃迁为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要了解原子能级的概念；为了知道在不同的能级上原子的数量，需要了解简并度的概念。激光的基本原理3-1激光的基本性质原子的能级物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。+e-e-e原子核电子角动量L=r×p3-1激光的基本性质主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;辅量子数l,l=0,1,2,…,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用s,p,d,f字母表示;磁量子数m=0，±1，±2，…±l.决定轨道角动量在外磁场方向的分量;自旋量子数ms=±1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;原子的能级原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：3-1激光的基本性质原子的能级电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态电子的能级，依次用E0，E1，E2，…En表示；基态：原子处于最低的能级状态；激发态：能量高于基态的其它能级状态；E0基态E1E2En激发态3-1激光的基本性质简并能级、简并度简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态；简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。氢原子1s,2p态的简并度原子状态nlms简并度1s100±1/222p2110-1±1/2±1/2±1/261nsssPPd2n3n3-1激光的基本性质原子的电子组态根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；主壳层：主量子数n表示，称K、L、M…层；每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，s,p,d,…分别表示l=0,1,2,…；壳层KLMNn1234子壳层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4fl0010120123容纳电子数22626102610143-1激光的基本性质原子的电子组态泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数；电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下(无外界激发)，电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相互作用导致量子数n和l的竞争；只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即价电子）才与能级间的辐射跃迁有关。3-1激光的基本性质波尔兹曼分布现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：kTEiiiegn式中gi为Ei的简并度；k为波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝对温度；ni表示处在Ei能级的原子数分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系kTEEnnmmnmegngn)(热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的粒子数3-1激光的基本性质辐射跃迁和非辐射跃迁高能级的原子总是倾向于过度到低能级状态以便更加稳定辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。发射吸收12EEh21EEh低能级高能级::12EE，3-1激光的基本性质（1）自发辐射原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.2E1EhEE12.1E2E发光前.。2E1Eh发光后3-1激光的基本性质自发辐射过程的概率只与初态E2上的原子数密度N2有关，单位时间内，因自发辐射跃迁而产生的光子数的密度为22121NAdtdNA21自发辐射系数，物理意义：单位时间内发生自发辐射的原子数密度在处于高能级的原子数密度中所占有的比例，或者说是每一个处于高能级的原子在单位时间内发生自发辐射的概率。3-1激光的基本性质tdNAdNdN221212tdANdN2122tAeNN21202211AtE2能级上的原子数减少到原来的1/e，称为原子在E2上的平均寿命，或简称为能级的寿命N20为t=0时的N2值3-1激光的基本性质nknkA1各个原子的各个能级的平均寿命与原子结构有关。一般来说，原子激发态的平均寿命的数量级为10-8秒，有一种特殊的激发态，原子在此激发态上的寿命特别长，可以达到10-4~1秒——亚稳态如果在能级En以下存在着不止一个较低的能级，则能级平均寿命的更一般的表达式为3-1激光的基本性质（2）受激吸收原子吸收外来光子能量,并从低能级跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收.2E1EhEE12h吸收后。.2E1Eh吸收前.1E2E3-1激光的基本性质设频率为的外来光子的单色辐射能量为，低能级E1上的原子数密度为N1，则单位时间内由于吸收外来光子从E1跃迁到高能级E2上的原子数密度)(11212)(NBdtdN)(1212BWdtNdNW11212称为受激吸收的跃迁概率12WB12为受激吸收系数，如果令3-1激光的基本性质自发辐射概率对每一个能级系统是一常数，而对于受激吸收，只有受激吸收系数对每一个能级系统为常数，而受激吸收跃迁概率W12与入射光强有关，不是常数21A21B是在单色辐射能量密度为的光作用下，在单位时间内产生受激吸收的原子数在E1能级的原子数密度中所占的比例，也就是处在E1能级的每一个原子在单位时间内发生受激吸收的概率，W12称为受激吸收的跃迁概率。)(12W3-1激光的基本性质（3）受激辐射由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.原子中处于高能级的电子,会在外来光子(其频率恰好满足)的诱发下向低能级跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.2E1E12EEh.1E2E.。2E1E发光前发光后hhh受激辐射的光放大示意图3-1激光的基本性质22121)(NBdtdN)(2121BWdtNdNW22121如果处于能级E2上的原子数密度为N2，入射光单色辐射能量密度为，则在单位时间内受激辐射的原子数密度为)(B21为受激辐射系数，令W12是单位时间内，在单色辐射能量密度ρ(v)的入射光作用下，由于受激辐射跃迁到能级E1的原子数密度在E2能级总原子数密度中所占比例，也就是在E2能级上每个原子在单位时间内发生受激辐射的概率，所以W12称为受激辐射概率3-1激光的基本性质一个原子系统中有处于能级E2的原子时，就有自发辐射，而这种自发辐射的光子对于原子就是外来光子，会引起它的受激辐射的发生（也有受激吸收发生）。占优势，证明，在热平衡体系中12W1-1/2121kTheAW（i）受激辐射跃迁概率与自发辐射跃迁概率A21的关系。越小，T越大，受辐射跃迁的概率与自发辐射跃迁概率比值越大。3-1激光的基本性质当光和原子相互作用时，必然同时存在着自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程，表征三种过程的三个系数A21、B12和B21之间存在联系，可以证明3321218ChBAυB12=B21=B（ii）自发辐射、受激吸收和受激辐射的关系3-1激光的基本性质粒子数反转分布kTEiiCN/e2211ENENkTEENN/)(2121e/表明,处于低能级的电子数大于高能级的电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布.叫做粒子数反转分布.12NN21NN12EE已知粒子数的正常分布1E2E.....。。。。。。。。。。。。。1N2N12EE粒子数反转分布2E1E...............。。。。。2N1N12EE3-1激光的基本性质一般情况:数量级估计：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV10860112NeeNNkTEE5.1012(k=1.38×10-23J/K;1eV=1.6×10-19J)lc/v=hc/(E2-E1)1.24mm;3-1激光的基本性质表1几种光源的平均光子流密度光源平均光子流密度/[光子/（s·cm2）]星光106月光108一般室内灯光1012太阳光1014激光（10mW的He-Ne激光）（波长：632.8nm）1022表2几种光源的频宽、相干时间及长度光源Δv/HzΔtΔL=cΔt太阳光(λ=0.4~0.8μm)4×10142.5fs750nm发光二级管(λ=1μm,Δ=50nm)1.5×101367fs20μm低压钠灯5×10112ps600μm多模激光(λ=633nm)1.5×1090.67ns20cm单模激光(λ=633nm)1×1061μs300m3-1激光的基本性质要实现粒子数反转，必须具备一定条件：一是要具备必要的能源（如光源、电源等），把低能级上原子尽可能多的激发到高能级上去，这个过程叫做“激励”、“激发”或者叫“抽运”、“泵浦”；二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质，这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳态，这种物质称为激活介质。产生激光的基本条件是粒子数反转分布3-1激光的基本性质有些物质具有亚稳态，它不如基态稳定，但比较激发态要稳定得多，如红宝石中络离子、氦原子、氩原子、二氧化碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转。三能级系统和四能级系统的工作物质3-1激光的基本性质1.粒子数反转E2E0E1激励抽运E3能量粒子数E2E1E0N2N1N0N3E3四能级系统2.光学谐振腔激励能源全反射镜部分反射镜激光激光原理受激辐射四能级系统3-1激光的基本性质红宝石中铬离子能级示意图.1E2E.。。基态亚稳态激发态3E当红宝石受到强光照射时，铬离子被激励，使处于基态的大量铬离子吸收光能而跃迁到激发态上，被激发的铬离子在能级上的平均寿命很短，约为，所以很快转移到能级上，此能级寿命较长（10-3秒），因而不立即以自发辐射的方式返回基态s81052E3E3E3-1激光的基本性质光学谐振腔与阈值条件激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部受激辐射与自发辐射是同时存在的，且后者占主导地位。即使在工作物质处于粒子数反转分布情况下，所获得光的强度是很弱的，没有实用价值。设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而将其它方向传播的光抑制住，以致在这一特定方向超过自发辐射，这样就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，从而获得方向性和单色性很好的强光——激光，这种装置叫做光学谐振腔。3-1激光的基本性质实现光振荡，有放大元件、正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起正反馈、谐振和输出的作用工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜（两反射面可以是平面、凹球面，或一平一凹），它们相互平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。3-1激光的基本性质光在粒子数反