激光检测技术课件硕士09-10

一、什么是检测？ 二、检测的目的？ 三、检测的两个过程？ 四、检测的三种功能？ 五、检测技术的发展？ 1、检测理论方面 2、检测领域方面 3、测量工具和方法,激光检测技术,主要内容: 一、 激光的形成原理 二、 激光的特性与用途 三、 激光器 四、 激光检测技术的应用,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：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。,1961年9月中国科学院 长春光学精密机械研究所 制成了我国第一台激光器。,激光的形成原理 光和物质的相互作用 基态能级、激发能级、激发态、激发、能级的寿命、亚稳态 激发态: 10-8 s 亚稳态: 10-3 s 实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都有它特有的一套能级。任何时刻，一个粒子只能处于与某一个能级相对应的状态（或者简单地表达为处在某一个能级上）。与光相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射一个光子。光子的能量值为此两能级间的能量差E，频率为 E/h（h为普朗克常量）。,跃迁：,跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。,光和物质的相互作用有三种不同的基本过程： 自发辐射、受激辐射和受激吸收 当外界给予原子一定的能量时，就有可能把电子送到较外层的轨道上去，这时候，我们就说原子从低能级跃迁到高能级；处在高能级上的原子不如在低能级上稳定，它有返回低能级的趋势，当原子自发地从高能级跃迁到低能级时就会发光，这就是辐射。,自发辐射,处在高能级上的粒子，如存在着可以接纳它的较低能级，即使没有外界的作用，也有一定的概率，自发地从高能级（E2）向低能级（E1）跃迁。同时辐射出能量是E2-E1的光子，称为自发辐射。,普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。非相干光。,自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：,只与原子本身性质有关，与辐射场无关,自发辐射是一个随机的过程,处在高能级的原子,什么时候向低能级跃迁发射出光子,带有很大的偶然性,因而气体中原子自发辐射过程中所发射的光子,其相位, 偏振态, 传播方向都没有确定的关系. 即自发光波是不相干的.,受激吸收,受激吸收跃迁几率：,：受激吸收跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关,与原子本身性质和辐射场能量密度有关,处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相适应的较高能级上去。称为受激吸收。,受激辐射,当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。,当光与原子相互作用时，总是同时存在这三种过程,1917年爱因斯坦指出，除自发辐射之外，当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，粒子也会以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向等都相同的光子，这个过程称为受激辐射。所以是相干的。可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。它使入射光波(外来光)加强,增加其通量密度。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是激光。 激光就是受激辐射的光放大。 简单地说，普通光是物质的原子自发辐射产生的，而激光是物质的原子受激辐射产生的。,Laser “激光”,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,“通过受激辐射实现光放大”,形象的音译为“镭射”，在1964年，根据钱学森的建议，将其改称为“激光”。这也就是我们目前最常见的称呼了。,结论：,1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。,2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。,受激辐射的相干性,自发辐射：相互独立、互不相关。,受激辐射：受激辐射产生的光子与引起受激辐射的 外来光子具有相同的特征（频率、相 位、振动方向及传播方向均相同）。,受激辐射光子与入射光子属同一光子态。,不相干,相干光,粒子数反转分布及泵浦过程 受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。 当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，因受激辐射使光子数增加，受激吸收使光子数减小。物质处于热平衡态时，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布.粒子的反转分布是产生激光的必要条件。,能够形成粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。工作介质具有亚稳态是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段的激光。 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去， 激励源形象地称为泵。把原子送上高能级。把粒子从基态激发到高能级，使在某两个能级之间实现粒子数反转的过程称为泵浦。 实现泵浦的方法有很多，通常采用以下几种： (1) 光泵浦脉冲光源去照射工作物质 (2) 电泵浦用气体放电的办法激发物质原子 (3) 化学反应,谐振腔的共振作用与激光的形成 光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。 所谓光学谐振腔，实际上是在增益介质的两端面对面地安装两块反射率很高相互平行的反射镜，一块为全反射镜（反射率近似为1），另一块为部分反射镜（反射率必须大于某一值），让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。构成一个光学共振腔（又称谐振腔）。,光学谐振腔的原理：,谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。具有良好的定向性和相干性。谐振腔对光的模式有选择作用，即对光的频率、相位、偏振及传播方向有严格的选择。,选择光传播方向,要形成激光，首先必须利用激励能源，即泵浦激活介质内部的一种粒子，使其在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成激光的前提条件。同时，还必须增益介质和使光产生共振作用的谐振腔。 泵浦、增益介质和谐振腔是激光产生的三要素。 同时光在谐振腔内来回一次所获得的增益必须等于或大于它所遭受的各种损耗之和。,激光的特性与用途 激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。 激光的高方向性：激光器发射的激光，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。,普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中 “各自为政”辐射光子。,激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通讯、定位方面。根据这一特性可制成激光准直仪；,激光的高亮度：利用激光能量高度集中的特性，进行精密焊接、打孔及切割 ； 一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在1×10-3rad（0.06º）左右，因此既使普通光源与激光光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。 空间高度集中：亮度比太阳表面高 倍。 时间高度集中：功率峰值为 瓦。,激光的高单色性 ：在小孔、细丝、狭缝等小尺寸的衍射测量中得到了广泛的应用；激光的光波的波长的分布范围可以低于10-8 nm。激光的单色性很好，像普通氦-氖激光器所发射的波长约6328埃（1埃=10-10米）的红光来说，它的波长范围相差只有一千分之一埃。,光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小，光的单色性越好。可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为40-50nm，激光的单色性远远好于普通光源，如氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有10-8nm。激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。,激光的高相干性：有很好的时间相干性和空间相干性。当激光束分成两束进行迭加时，产生的干涉条纹非常清晰。全息摄影就是利用了激光相干性好的这一特征。,时间相干性高谱线窄，单色性好； 空间相干性好波前上各点都是相干的。 即一方面激光是定向强光束，另一面是单色的相干光束。,现在人们已经按照实际应用的需求，造出了各种各样的激光器。通常可以按工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几方面来进行分类。,一按工作物质分类,1、 固体激光器,工作物质有红宝石、钕玻璃等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀地掺入少量离子，称为激活离子。产生激光发射作用的是掺入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬离子(Cr3+)、稀土金属离子如钕离子(Nd3+)、锕系离子等。 一般来说固体激光器具有器件体积小，坚固，使用方便，输出功率大的特点。,2、气体激光器,工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出波长范围较宽。常用的氦-氖激光器，是通过气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长为632.8nm（红光）。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品种最多应用最广泛的激光器。,3、半导体激光器,以半导体为工作物质，产生激光的方法有p-n结注入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。如砷化镓二极管激光器,它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。,4、液体激光器,常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调，且覆盖面宽。,6、其他激光器 X射线、薄膜、光纤激光器等激光器,5、化学激光器,如碘原子激光器,三按激励方式分类,可分为光泵式激光器，电激励式激光器，化学激励激光器（又称化学激光器），核泵激光器。,四按输出激光的波段范围分类,可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等。,二按运转方式分类,可分为连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器，调Q激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器等等。,激光器的结构与工作原理 以氦氖激光器为例 除激励电源之外，氦氖激光器通常包括放