光电测试技术-第4章-激光测试技术

光电测试技术哈尔滨工业大学第4章激光测试技术第4章激光测试技术2020/2/282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。第4章激光测试技术2020/2/283§4-1激光概述1.1激光的基本性质①激光的方向性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2θ表示，单位为rad。立体角：球冠曲面S对光源O所张的空间角Ω，单位为sr，可用下式描述整个球面对球心所张的立体角是4π(sr)。2=RSΩO2θ(a)O2θ(b)RSΩ光束的发散角a）和立体角b）第4章激光测试技术2020/2/284§4-1激光概述1.1激光的基本性质①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λ=0.63μm，d=3mm，则光束发散角为2θ≈2×10-4rad。dλθ≈2当发散角较小时，发散角和立体角的关系可简化为2πΩ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10-3～10-6rad；固体激光器的方向性较差，一般为10-2rad量级。半导体激光器的方向性最差，一般在（5～10）×10-2rad，且两个方向的发散角不一样。第4章激光测试技术2020/2/285§4-1激光概述1.1激光的基本性质②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/m2sr；tSQL辐射出射能量光束出射立体角光源表面积一般激光器的发光立体角大约为π×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。第4章激光测试技术2020/2/286§4-1激光概述1.1激光的基本性质③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λ＝0.6057μm的光，12-λλνν/Δ=/Δ11-10≈/7-1076.7≈/第4章激光测试技术2020/2/287§4-1激光概述1.1激光的基本性质④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τc后在空间某点会合，尚能发生干涉，τc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。激光器M2M1P1212迈克尔逊干涉仪第4章激光测试技术2020/2/288§4-1激光概述1.1激光的基本性质④激光的时间相干性经过简单推导有下式成立：ctcLc结论：光谱线宽度Δλ和Δν越窄，光的相干长度Lc和相干时间τc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。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（＝0.6328μm）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。第4章激光测试技术2020/2/289§4-1激光概述1.1激光的基本性质⑤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100μm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.25mm，而激光器的横向相干长度可达100mm以上。第4章激光测试技术2020/2/28102qnl§4-1激光概述1.1激光的基本性质⑥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”。qnlcq2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。l谐振腔中的驻波c/2nl阈值a)b)纵模的频谱分布及增益特性第4章激光测试技术2020/2/2811§4-1激光概述1.1激光的基本性质⑥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。激光的各种横模a)TEM00b)TEM10c)TEM13d)TEM11e)TEM00f)TEM03g)TEM10轴对称旋转对称在实际应用中，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。第4章激光测试技术2020/2/2812§4-1激光概述1.2高斯光束①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。xzyω0ω(z)高斯光束第4章激光测试技术2020/2/2813§4-1激光概述1.2高斯光束①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)(j))(2(jexp)()(exp)(),,(222220zzzRyxKzyxzAzyxE光束在纵轴上(x=y=0)z点的电矢量振幅光束在z处垂直于纵轴横截面内的振幅波数K＝2π/λω（z）称为z点的光斑尺寸，它是z的函数，即ω0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”；2122001)(zzR(z)是在z处波阵面的曲率半径，它也是z的函数2201)(zzzR是与z有关的位相因子20πarctg)(zz第4章激光测试技术2020/2/2814§4-1激光概述1.2高斯光束②高斯光束的特性1）z=0的情况将z=0代入电矢量表达式，得出z=0处的电矢量表达式为特点：①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；②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。20200exp)0,,(AyxE222yx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。第4章激光测试技术2020/2/2815§4-1激光概述1.2高斯光束②高斯光束的特性2）z=z00的情况当z=z00时，电矢量E的表达式为)(j)(2jexp)()(exp)(),,(000220222000zzzRyxKzyxzAzyxE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。02020001)(zzλωπzzR高斯光束电矢量分布zω(z1)R(z1)ω(z2)R(z2)ρ第4章激光测试技术2020/2/2816§4-1激光概述1.2高斯光束②高斯光束的特性2）z=z00的情况)(j)(2jexp)()(exp)(),,(000220222000zzzRyxKzyxzAzyxE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ω0为束腰，而ω(z)随z增大，表示光束逐渐发散。高斯光束电矢量分布zω(z1)R(z1)ω(z2)R(z2)ρ040222000211)(zz第4章激光测试技术2020/2/2817§4-1激光概述1.2高斯光束②高斯光束的特性2）z=z00的情况通常以2θ来描述光束的发散角，其表达式为当z=0时，2θ＝0；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。2122402022d)(d22zzzz/20z0/220/22/20z第4章激光测试技术2020/2/2818§4-1激光概述1.2高斯光束②高斯光束的特性3）z＝－z0的情况与z＝z0相似，它的振幅分布在z＝－z0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。第4章激光测试技术2020/2/2819§4-1激光概述1.2高斯光束③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)(jjexp)(j)(12jexp)(),,(220zzzzRKzAzyxE定义复曲率半径为)(j)(1)(12zzRzq)(jjexp)(πj)(12jexp)(),,(220zΚzzzRKzAzyxE)(jjexp)(2jexp)(),,(20zΚzzqKzAzyxE参数q（z）将高斯光束的两个基本参数ω（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