激光测试技术

光电测试技术哈尔滨工业大学第3章激光测试技术2021/4/82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。2021/4/83§3－1激光概述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）2021/4/84§3－1激光概述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。2021/4/85§3－1激光概述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。2021/4/86§3－1激光概述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≈/2021/4/88§3－1激光概述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。2021/4/89§3－1激光概述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。2021/4/812§3－1激光概述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)图3-8高斯光束2021/4/813§3－1激光概述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2021/4/819§3－1激光概述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q（z）值，便可求出该位置处的ω（z）和R（z）。2021/4/820§3－1激光概述2．高斯光束③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处的复曲率半径，并注意到R(0)→∞，ω(0)=ω0，则按定义式，有)0(πj)0(1120Rq由此得出200πjq将ω（z）和R（z）的定义式代入q（z）的定义式，经适当运算可得zqzzq020πj)(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2021/4/824§3－1激光概述3．激光器的分类和特点①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。2021/4/825§3－1激光概述3．激光器的分类和特点②固体激光器固体激光器是以固体作为激光工作物质的激光器。类型：目前，实现激光振荡的固体工作物质已达百余种，如红宝石（Cr3+:Al2O3）、掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）、钕玻璃和掺钛蓝宝石（Ti3+:Al2O3）等。特点：激光谱线数千条。脉冲激光能量从几千焦耳到几十万焦耳，最高峰值功率达1013瓦。随着中小功率固体激光器技术的发展，与之有关光学元件也相应地得到发展，其中包括电光Q开关、声光Q开关、调制器、宽带调谐、倍频以及锁模技术等装置均已成熟，已形成产品系列。结构紧凑、坚固可靠和使用方便等。1960年由梅曼(Maiman)制成世界上第一台红宝石脉冲激光器，它标志了激光技术的诞生，从此固体激光器技术获得了飞速发展。2021/4/826§3－1激光概述3．激光器的分类和特点③半导体激光器半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器。半导体激光器主要特点有：（1）超小型、重量轻，激活面积为0.5×0.5mm2；（2）效率高、微分量子效率大于50％，能量转换效率大于30％；（3）发射的激光波长范围宽，通常谱宽在0.5－30μm之间；（4）使用寿命长，可达百万小时以上，即使在60℃的环境温度下工作，寿命也可达20万小时以上；（5）普通的半导体激光器的发射功率在1～100mW，但目前大功率半导体激光器的发展极为迅速，一维相干的大功率半导体激光器连续输出已达500mW，二维相干列阵器件的输出功率达1W。部分相干的半导体激光器的最大输出达80W，准连续输出为300W，脉冲输出达1000W以上。2021/4/827§3－1激光概述3．激光器的分类和特点③半导体激光器半导体激光器的材料主要集中为三大类材料：III－Ⅴ族化合物半导体，如GaAs；Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，如CdS；Ⅳ－Ⅵ族化合物半导体，如PbSnTe。其中III－Ⅴ族化合物半导体材料研制开发最成熟，应用也最广泛。目前，半导体激光器已成为激光器家族中最主要的成员之一，是光通信领域中发展最快和最为重要的光纤通信的光源，并在激光电视唱片、光盘、激光高速印刷术、全息照相、文字记录、数码显示、办公自动化、激光准直、激光防盗及医疗等方面开发了应用。半导体激光器是光信息处理、光储存和光计算机等新领域的主要角色。2021/4/828§3－1激光概述3．激光器的分类和特点④液体激光器液体激光器有两类，即有机化合物（染料）液体激光器和无机化合物液体激光器。染料激光器输出的激光波长可以在从紫外(340nm)到近红外(1200nm)的范围内连续调谐；激光谱线宽度很窄，目前染料激光器产生的超短光脉冲的时间宽度已压缩到几纳秒，利用锁模技术还可以获得从皮秒（10-12s）到飞秒（10-15s）量级的激光脉冲；染料激光器每个脉冲的能量可达数十焦耳量级，峰值功率达几百兆瓦；激光能量转换效率高达50％；已在光化学、光生物学、光谱学、全息照相、光通信、同位素分离、激光医学、大气和电离层光化学等方面获得日益广泛的应用。2021/4/829§3－1激光概述3．激光器的分类和特点⑤化学激光器化学激光器是指基于化学反应建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但大多数是气体，由于化学激光器在激励方式等方面的独特性，通常将其归为一个单独的激光器分支。特点是：1）将化学能直接转换为激光；2）输出的激光波长丰富，从紫外到红外，一直进入微米波段；3）高功率、高能量激光输出，如氟化氢激光器，每公斤氢和氟作用就能产生1.3×107焦耳的能量；4)化学激光器在许多领域中具有广阔的应用前景，特别是要求大功率的场合，如同位素分离、激光武器等方面，利用氟化氘(DF)激光器击落靶机已见报道。2021/4/830§3－1激光概述3．激光器的分类和特点⑥自由电子激光器自由电子激光器是最近发展起来的一种新型激光器。其工作物质是自由电子束。自由电子激光器具有显著的特点：1)输出的激光波长可在相当宽的范围内连续调谐，原则上可以从厘米波一直调谐到真空紫外，甚至x光的波段，在目前电子加速器可利用的能量范围内，已实现的调谐范围是100nm～1mm；2)由于自由电子激光器的工作物质是电子束本身，因而不会出现自聚焦、自击穿等非线性光学损伤现象，只要电子能量足够大，就可以获得极高的光功率输出；3)具有极高的能量转换效率，理论上可高达50％，目前实验中已做到10％。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。本质上看，自由电子激光器是一种把相对论电子束的动能转变成相干辐射能的装置。2021/4/831§3－1激光概述3．激光器的分类和特点⑦其它激光器除了上面介绍的激