激光检测

1，激光产生的条件是：、、2、激光的特点主要有：、、、可以归结为3、激光谐振的稳定条件：4、稳频的方法简述激光器的工作过程简述自发辐射、受激辐射和受激跃迁的特点简述二能级系统为何不能产生激光，以及四能级系统的阈值为何比三能级系统的低简述基模高斯光束的基本性质简述光学谐振腔的作用简述声光调Q的原理过程试分别从粒子角度和光强角度建立激光产生的阈值条件1.简并度：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，这样的能级称为简并能级，同一能级所对应的不同电子运动状态的数目称为简并度；2.自发辐射：处于高能级E2的原子是不稳定的，即使没有外界作用。也将自发的跃迁到低能级E1，发射一个频率为v，能量为hv=E2-E1的光子；3.受激辐射：处于高能级E2的原子，在它发生辐射之前，若受能量为hv=E2-E1的外来光子的刺激作用而跃迁到低能级E1，将发射一个与外来光子的频率，相位，偏振方向和传播方向相同的光子；受激吸收：处于低能级E1的原子受到能量为hv=E2-E1的光子作用时，将吸收这一光子而跃迁到高能级E2；4.简述激光产生的基本条件：（1）激励能源（即泵浦）为前提条件；（2）必须有使光产生放大作用的增益介质和使光产生共振作用的谐振腔；（3）满足阈值条件，即光在谐振腔内来回一次所获得的增益必须不小于它的损耗之和；5.激光器的基本物理性质及体现：（1）方向性：光源发出的光束的方向性通常用发散角来表示，激光器的发光面仅仅是一个端面的一个圆光斑，发出光束的发散角可小于0.001rad，一般来说，激光器的发散角都接近该激光器的出射孔径所决定的衍射极限；（2）高亮度：光源发光立体角越小，发光时间越短，亮度越高；（3）单色性：线宽越窄，光的单色性越好，一台一般单模稳频的氦氖激光器，其线宽可达10的-11次方，甲烷吸收稳频氦氖激光器的线宽达10的-13次方；（4）时间相干性：同一光源发出的两列波经过不同的路径，在相隔一定时间后在空间某点会合的相干性，这段时间称为相干时间，用相干长度或相干时间描述；——迈克尔逊干涉仪；（5）空间相干性：指同一时间由空间不同点发出的光波的相干性，用相干面积描述；——杨氏双缝干涉；6.激光器稳频的方法：（1）被动稳频：控制温度，腔体材料互补，防震和密封等。（2）主动稳频：兰姆下陷法，饱和吸收法，塞曼效应法；7.激光调制技术：（1）分类：激光调制技术分为内调制和外调制；内调制：是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动参数，从而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；（2）方法：电光调制，声光调制，磁光调制，电源调制，干涉调制；电光调制：某些晶体材料，在外加电场作用下其频率发生变化而产生光电效应，利用这种光电效应进行的激光调制称为~；声光调制：利用压电材料在外加电场作用下产生机械振动的反压电效应来实现将高频电能转换为超声波场的调制方式称为~；磁光调制：通过电磁特性，利用旋光效应实现的调制方式称为~；电源调制：直接将调制信号加载在激光电源，从而使激光发射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~；利用麦克尔逊干涉仪原理，把其中一个反射镜用压电元件驱动，压电元件上加上调制电信号，使动镜在干涉仪中产生有规律的周期变动，从而获得周期性变化的干涉，以实现光的调制；8.两列光波产生干涉的必要条件：（1）两列光波具有相同的频率；（2）两列光波在相遇处有相同的振动的分量；（3）两列光波在相遇处在固定的相位关系；9.激光干涉仪与传统的迈克尔逊干涉仪相比有哪些特点？（1）实现了干涉条纹的自动计数；（2）采用角锥棱镜；（3）无需用来补偿光程的补偿板；（4）降低了对小孔光阑的要求；（5）空气折射率的自动测量与修正；10.夫朗和费单缝衍射的特点：（1）当狭缝宽度变小时，衍射条纹将对称于中心亮度向两边扩展，条纹间距变大；（2）衍射图像的暗点（极小值）等距离分布在中心亮度的两侧，而各亮度（极大值）可以近似的认为等距离分布；（3）随着衍射级次的增加，亮纹的光强迅速减弱；11.激光三角法的直射式和斜射式相比有如下特点：（1）斜射式可接受来自被测物体的正反射光，当被测物体表面为镜面时，不会犹豫散射光过弱而导致光电探测器输出信号太小而无法进行，直射式由于其接受散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面；（2）在被测物体发生某种位移时，斜射式入射光光点照射在物体的不同点上，因此无法知道被测物体某点的位移情况，而直射式却可以；（3）斜射式传感器分辨率高于直射式，但它的测量范围小，体积大；12.为什么He-Ne激光器特别适合作相干光源？（1）其输出激光的频率和功率稳定性高；（2）它以连续激励的方式运转；（3）在可见光和红外光区域里可产生多种波长的激光谱线；13.为了使高斯光束获得良好的聚焦，常采用的方法：a)用短焦距透镜；b)使高斯光束腰斑远离透镜焦点；c)将高斯光束腰斑半径放在透镜表面处，即使光腰与透镜的距离为0l设法满足条件共焦参数f透镜焦距F;14.光学倍频布局：为提高干涉仪的灵敏度，可使用光学倍频的棱镜系统，角锥棱镜每移动λ/(2k)，干涉条纹就发生一次明暗交替的变化，k为倍频系数，利用光学倍频的干涉系统能用简单的脉冲计数做精密测量而无需进行条纹的细分，可使干涉条纹结构紧凑，减小温度，空气及机械的影响；15.互补测量法的原理及应用：1）原理：互补测量法是基于巴比涅定理，用平面光波照射两个互补衍射屏时，它们产生的衍射图形的形状和光强完全相同，反复振幅的位相差为π；2）应用：利用互补测量原理，可以对各种细金属丝（如漆包线，钟表游丝等）和薄带的尺寸进行高精密度的非接触测量；1.激光：受激辐射光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）；2.第一台激光器：1960.7梅曼（美国休斯敦）红宝石激光器；3.1916年爱因斯坦计算黑体辐射时提出受激辐射的概念；4.光和物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，受激吸收；5.激光的特点：方向性好，亮度高，单色性好，相干性好；6.激光器的构成：（1）工作物质——粒子数反转；（2）激励源——泵浦源；（3）光学谐振腔——放大作用；7.激光器的结构形式：内腔式，外腔式，半外腔式；8．激光器的分类：固体激光器，气体激光器，半导体激光器，液体激光器，化学激光器；9.干涉仪的组成：激光干涉仪光路系统（光源，分光器，反射器，准直系统），干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统（光电探测器，光电二极管，三极管），机械系统；10.三个基本相干条件：频率相同，振动方向相同，恒定的相位差；11.把一束光分为两束以上的光束，它们全具有原来的波前，但振幅减小了，常用的分光器：平行平板分光器，立方体分光器；12.激光干涉仪常用的分光方法：分波振面法，分振幅法，分偏振法；13.激光干涉仪常用的反射器：平面反射器，角锥棱镜反射器，直角棱镜反射器，猫眼反射器；14.常用的移相器移相方法：机械法移相，阶梯板和翼形板移相，金属膜移相，分偏振法移相；15.光的衍射现象按光源，衍射物，和衍射场三者之间位置关系分为两种类型：菲涅尔衍射（近场衍射），夫琅和费衍射（远场衍射）；16.激光衍射测量方法：（1）间隙测量法（绝对法，增量法）（2）反射衍射测量法（3）分离间隙法（4）互补测量法（5）艾里斑测量法；17.激光多普勒测速技术的应用：广泛应用于生物医学，流体力学，空气动力学等众多领域。例如，血液流速的测量，管道内水流的测量等；18.激光衍射测量的应用：构成各种物理量的传感器，厚度测量，剖面测量，位移测量，振动测量，线径测量；19.激光测距中对光脉冲的要求：强度足够高，方向性好，单色性好，脉冲宽度足够窄；20.激光谱线加宽的基本类型：自然加宽，碰撞加宽，多普勒加宽；21.由于激光能量在时间和空间上的高度集中，才使得激光具有普通光源所达不到的高亮度；22.影响干涉信号对比度的因素：光源的相干性，两相干光束之间的光强差异，不同的偏振态，外界的漫反射，机械系统的热变形；一.填空:（每孔1分，共17分）1.通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值高。2.Nd:YAG激光器可发射以下三条激光谱线946nm、1319nm、1064nm。其中哪两条谱线属于四能级结构1319nm、1064nm。3.红宝石激光器属于3几能级激光器。He-Ne激光器属于4能级激光器。4.激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和相干性好5.激光器的基本组成部分激活物质、激光谐振腔、泵浦源。6.激光器稳态运转时，腔内增益系数为阈值增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等.7.调Q技术产生激光脉冲主要有锁模、调Q两种方法。二、解释概念：1.基模高斯光束光斑半径：激光光强下降为中心光强21e点所对应的光斑半径.2.光束衍射倍率因子光束衍射倍率因子=角基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角3.一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系：一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。4.基模高斯光束远场发散角；与束腰半径的关系：5.说明激光的基本特性？说明描述激光的时间相干性的两个物理量以及两者之间相互关系？（7分）答：激光具有单色性好、方向性好、良好的相干特性以及亮度高的特性。（3分）描述激光时间相干性的物理参量为相干时间τ和相干长度L，两者之间的相互关系为cL，上式中c为光速。（4分）6.光与物质存在那三种相互作用？激光放大主要利用其中那种相互作用？说明在激光产生过程中，最初的激光信号来源是什么？（10分）答：光与物质间相互作用为：自发辐射、受激发射和受激吸收。（3分）激光放大主要利用其中的受激发射（3分）。激光产生过程中，最初的激光信号是激光介质自发辐射所产生的荧光。激光介质自发辐射所产生的沿轴向传播的荧光反复通过激光介质，当增益大于损耗时，这些荧光不断被放大，最后形成了激光发射。（4分）7.激光三个基本组成部分是什么？（5分）答：激光基本结构为：激光谐振腔、能量激励源和激光工作物质三部分。8.说明均匀增宽和非均匀增宽的区别？说明为什么均匀增宽介质内存在模式竞争？（10分）答：均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献，所有原子对发射谱线上每一频率的光波都有相同贡献，所有原子的作用相同；非均匀增宽介质发射的不同的光谱频率对应于不同的原子，不同的原子对中谱线中的不同频率有贡献，不同原子的作用不同的（5分）。均匀增宽激光介质发射谱线为洛仑兹线型，中心频率处谱线增益最大，该频率处附近纵模优先起振，由于均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献，中心频率处纵模振荡发射激光将引起激光上能级原子数下降，激光增益曲线形状不变，但整体下降，当中心频率处纵模增益降低为激光振荡阈值时，该处纵模稳定输出，其它频率的纵模增益都小于阈值，无法振荡。9.说明激光谐振腔损耗的主要来源？答：激光谐振腔损耗可以分为：1.内部损耗：来源为激光介质不均匀所造成的散射以及激光介质本身的吸收损耗(2分)；2.腔镜损耗：来源为腔镜投射损耗、腔镜的衍射损耗以及腔镜的吸收损耗。四．计算题（36分）1．试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射＝0.5000m，=3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？（8分）答：粒子数分别为：188346341105138.21031063.6105.01063.61chqn239342100277.51031063.61hqn2．一质地均匀的材料对光的吸收为0.01mm-1、光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几?(2)—光束通过长度为1m的均匀激活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。（9分）解（1）根据光在介质内传播公式可得:368.01)0()()0()(10001.0eeI