14.2 激光原理在线视频

各位同学 大家好

我是天津大学机械工程学院

工程中的流动测量理论与方法的主讲老师

汪洋

下面就讲第二讲

激光原理

激光又叫Laser

他的原意是通过受激辐射过程

实现的光放大

将通过下述几个内容进行详细讲解

一个是激光技术的历史回顾

激光器的工作原理

激光的产生条件

激光器的分类和典型激光器

最后是激光器的典型用途

首先介绍一下测量中的光源种类

按照光辐射来源不同

通常将光源分为两大类

自然光源和人工光源

自然光源主要包括太阳 月亮 恒星和天空等

按照工作原理的不同呢

人工光源又分为热光源 气体放电光源

固体光源和激光光源

激光光源是目前所有人工光源中

单色性 方向性 相干性最好

功率密度最大的光源

激光技术的历史回顾

1960年第一台红宝石激光器问世

40年来

激光的工作物质

从晶体发展到玻璃 气体 液体

以及自由电子等数百种之多

激励方式呢从光激励发展到放电激励

电激励 热激励 化学激励和核激励

输出的功率从最初的毫瓦级

发展到现在的万瓦量级

输出的谱线

从红外到X射线

有数千条谱线可以用

激光器的工作原理

首先要从原子能级开始讲

玻尔理论的基本假设如下

原子内的电子并非沿着任意的轨道运行

而是沿着具有一定半径

或者一定能级的轨道运行

在一定的轨道上运行的电子

称为处于定态

电子处在定态并不会辐射能量

原子内的电子可以有许多定态

其中能量最低的叫基态

其他的就叫激发态

第二个呢是原子内的电子

可以由某一定态跃迁到另外一个定态

这个过程叫吸收和放出辐射能

频率由h乘v等于E2减E1决定

当E2大于E1的时候放出辐射能

反之吸收辐射能

第三

原子内的电子可能存在着定态

有一定的限制

即电子的轨道运行的角动量PΦ

必须等于h除以2π的倍数

简并度

一个能级并不一定只对应一个电子态

往往有若干个不同的电子运动状态

即电子可以有两个或两个以上的运动状态

而具有相同的能级

这样的能级叫简并能级

同一能级对应的不同电子运动状态的数目

叫简并度

玻尔兹曼分布规律

由大量的粒子所组成的系统

由于热运动和相互碰撞

在热平衡状态下

粒子N 能级的分布服从玻尔兹曼的定律

如下图所示

随着密度的提高

它的粒子数数量在减少

光辐射与电子运动的关系

光辐射分为自发辐射

处于高能级E2的原子是不稳定的

即使没有外界作用

也将自发的跃迁到能级E1

发射一个频率为ν

能量为h乘ν的光子

大量处于高能级的原子

他们各自独立的发射一系列

频率各不相同的光波

各光波之间没有固定的相位关系

偏振方向和传播方向

这个叫自发辐射

受激辐射

处于高能级E2的原子

受能量为h乘ν等于

E2减El的外来光子的作用

而跃迁到能级El

并发出一个与外来一样的光子

受到辐射的光与入射的光具有相同的频率

相位 偏振方向和传播方向

第三 受激吸收

处于低能级El的原子受到能量

h乘ν等于E2减El的光子的作用

吸收这个光子

并跃迁到高能级E2的过程

包含大量原子的系统中

三种过程同时存在

在普通光源中

自发辐射是主要的

在激光器的工作过程中

受激辐射是主要的

激光产生的条件可以分为三个

第一 又是首要的条件

就是粒子数反转

要是介质对光产生放大作用

必须使受激辐射超过受激吸收

而两者的几率分别与上能级粒子数N2

与下能级粒子数密度N1成正比

根据玻尔兹曼分布规律

在热平衡状态下

高能级的粒子数小于低能级的粒子数

因此必须使粒子数分布达到反转状态

这样才能产生激光

这个激光产生的前提条件

也就是如下图

就是按照玻尔兹曼热平衡的分布状态

泵浦过程

把粒子从基态的激发到高能级

在两个能级之间实现粒子数反转的过程

叫做泵浦

泵浦的方法可以分为光泵浦

比如固体激光器

红宝石激光器

YAG激光器用的是光泵浦

电泵谱

比如气体激光器

半导体激光器

化学泵浦

比如氟化氢

化学激光器

热泵谱

比如动力二氧化碳激光器

还有核激励泵浦

第二个条件是谐振腔的共振

如下图所示

激光器的两端有一个相互平行的反射镜

左边是全反射镜

右边是部分反射镜

当一个自发状态的光

沿着两个反射镜的垂直面

传递的时候

这个光得到不停的放大

最后从部分反射镜的那一面溢出

就形成激光

激光形成的域值条件

要形成激光

首先必须使用激励能源

即泵浦

使其在某个能级之间

实现粒子数反转

同时还需要使光产生共振作用的共振腔

但这还是不够的

还必须满足域值条件

这是形成激光的决定性条件

激光在共振腔内

来回一次所获得的增益

必须等于或大于他所遭受的各种损耗

这些损耗主要指腔内的光学元件的吸收损耗

耗散损耗

衍射损耗

以及工作物质不均匀和吸收引起的损耗

第四块内容

激光器的分类和典型激光器

根据激光器的泵浦方式

可以分为电泵浦激光器

光泵浦激光器

热泵普和化学泵浦激光器

根据激光器的工作介质

又可以将激光器分为固体激光器

气体激光器

液体激光器

化学激光器

半导体激光器

下面以这种分类法对激光器进行简述

固体激光器

固体激光器的工作介质

就是掺杂了特定离子的透明晶体或者玻璃

普遍采用光激励方式

将处于基态的粒子抽运到激发态

以形成粒子数的反转

由于能量转换环节比较多

能量利用率比较低

一般是0.1%到2%

比较代表的是红宝石激光器

这个红宝石是掺混了少量氧化铬的氧化铝晶体

红宝石激光器通常只能产生694.3纳米的激光

通常指以脉冲方式运行

Q调制的红宝石激光器

可以输出巨脉冲

峰值功率可以达到10至50兆瓦

脉宽为10到20纳米

如下图所示

钕激光器以三价钕离子

作为激活粒子的激光器

是目前使用最广泛的激光器之一

以三价钕离子取代部分

钇铝石榴石晶体中的三价钇

这种物质简称ND:YAG

在固体激光器中

YAG激光器是效率最高的

可以达到3%

波长为1064纳米

属于红外波段

通过倍频后可以输出532纳米的激光

二倍频可以输出266纳米的激光

ND:YAG激光器不仅可以单次运行

还可以高重复率连续运行

目前可以达到5000次每秒

每秒几十次重复频率的调Q激光器的峰值功率

可以达到几百兆瓦

这个是YAG激光器的实物图

下面是他的核心器件

就是激光棒

它的两边是用LED

或者是半导体激光

作为泵浦光源

第二类是气体激光器

气体激光器是以气体或者蒸汽

为工作物质的激光器

由于气体工作物质的光学均匀性

远好于固体

所以气体激光器相干性和方向性都比较好

气体工作物质的谱线宽度远比固体的小

因此激光的单色性好

由于气体激光器粒子密度远低于固体

所以需要较大的体积

因此气体激光器的体积一般比较大

这是典型的气体激光器

氦氖激光器

它是两个电极

通过中间的那个毛细管中的气体放电

进行泵浦能量

还有一个典型的气体激光器

叫氩离子激光器

放电的过程中

氩原子与快速电子碰撞电离后

形成基态氩离子

其电子的组态为3P5

激光跃迁发生在氩离子的电子态

3P44P和3P44S之间

氩离子激光器可以发出九条蓝绿激光谱线

其中488和514.5的纳米的谱线最强

第三类液体激光器

又叫染料激光器

染料激光器采用溶于适当溶剂中的

有机染料作为激光物质

染料分子吸收泵浦能量

从基态S0跃迁到S1的某一振动能级后

再跃迁到S1的最低振动能级

又叫亚稳态

染料分子由此能级

在跃迁为S0各振动能级时

能产生荧光

该荧光发射的光谱是连续的

所以染料激光器有一个特点

就是它有很宽的调谐范围

出激光的时候

要从这个很宽的调节范围内

出一个特定频率的激光

这时候需要一个滤光设备

像这个图所示的

是采用双折射滤光片调谐的染料激光器

这个是内部的实物图

第四类呢叫化学激光器

是利用化学反应产生巨大的能量进行泵浦

由于这类化学反应激光器能量特别巨大

一般用在军事领域

比如如图所示是氟化氢激光器

第五类激光器叫半导体激光器

常用的半导体材料有砷化镓

硫化镉

磷化铟

硫化锌

激励方式有电子注入

电子束激励和电泵浦注入

半导体激光器它的特点

一个是效率特别高

可以达到70%以上

寿命特别长

可以达到10万小时

体积很小

可以达到一立方毫米

输出波长的范围也很广

从0.1到1.1微米

从2到3微米之间

调制也很容易

可以直接调制

成本很低廉

但它一个缺点就是

发散角比较大

相干性比较差

下面讲最后一个内容

就激光器在测量中的典型应用

第一是全息摄影

一般用的激光器是红宝石激光器

第二是在这个基础上衍生的

多幅全息高速摄影

就在一个全息干板上

记录不同时刻的一个物像

第三是激光诱导荧光法

这个图示是激光诱导荧光法

在喷雾撞壁过程测量中的应用

用的是准分子激光器

实际上现在用的最多的是

二倍频的YAG激光器

这个是在这个基础上

结合米氏散射获得的

喷雾体撞壁过程中的二维粒径分布

这个是二维粒径分布的3D表达

激光诱导白炽光法

火焰中的碳烟粒子

受到激光的强烈照射

被加入到一个相对较高的温度

产生强烈的炽光

其强度远远高于没有被激光加热的

普通碳烟粒子的辐射

此辐射属于激光照射范围内的

碳烟体积分数的增加而升高

用这个可以捕捉

火焰中的碳烟粒子的浓度

这个是实际测量的获得的

火焰碳烟粒子的炽光图像

第六个应用是激光多普勒测速技术LDA

或者相位激光多普勒测速PLDA

这个用的激光器是氩离子激光器

它可以测量粒子在空间的速度

或者速度和粒径

这个是PIV

又叫激光粒子图像测速技术

原理是两幅图像之间的

查询小区内的位移

统计出二维的流场分布

最后是基于激光衍射原理的

马尔文粒子直径测量系统

它利用的是微小粒子对激光的散射

好

这个内容就讲完了