第2章光学仪器中的常用光源

②光学谐振腔（必要条件）
工作物两端对称地放置两反射镜。
无谐振腔的受激辐射方向 是随机的。
有谐振腔，偏离腔轴线的光子 来回几次后最终逸出腔外。
而沿轴线的光子来回反射，被 增益介质连锁式光放大。
③阈值条件（决定性条件）
有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光。 虽然激活介质能使光得到增益放大；但介质吸收、 散射；端面发射、透射等会产生光能损耗。 只有当光在腔内来回一次，增益大于损耗才能产生激光。 描述工作物对光的放大能力, 用 I=IoeGx (G是增益系数)。 I1 I4 I5
脉冲氙灯:
五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气
灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长， 常用作连续紫外光源（185～400nm）。
1.4 激光器
“Laser”： light amplification by stimulated emission of radiation “受激辐射光放大”。 20世纪激光的诞生标志着人类 对光子的掌握和利用进入了一个 崭新的阶段。
v m e
对含有多种波长的辐射通量，它对应的光通 量为：
v K m V ( ) e ( )d
0
4）光出射度 M v 与光亮度 Bv
dv Mv dS
2
单位：lm /m2 单位： cd/m2
实用单位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2
d v dI v Bv dS cos d dS cos
激 机光 理形 成
自发辐射
处于高能态的原子不稳定 ， 要自发从 E2 跃迁到 E1 ，并发 射一光子，光子能量满足 hν=E2—E1。
受激辐射
E2 E1
处于高能态的原子，在自发辐射之前，受外来光子 的诱发，在E2 跃迁到E1 的同时，发射一个与外来 光子全同的（同方向、同频、同相位、同偏振）光 子。依次不断地得到大量特征相同的光子，就实现 了相干光的放大。 E2 E1
复利原则.ppt
（2）产生激光的条件
①粒子数反转（前提条件）
热平衡下，原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律： Ni=Aexp（-Ei/kT）于是：N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT] 设 T=300K，E2-E1=10eV， 则 N2/N1=10-40。
故使受激辐射大于受激吸收, 必须: N2>N1 ， 即粒子数 反转。
１、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲 功率达13×1015 W，亿度以上高温，能焊接、加 工和切割最难熔的材料； ２、激光能产生最高的压强。光压强达3×1011大气压， 可以实现激光聚变点火； ３、激光能产生最短的脉冲。 780nm 达 4fs ，相当该 光1.5周期进入强场物理领域，用超短激光脉冲研究光 合作用，能看到皮秒（1ps = 10-12s）或飞秒（1fs = 10-15s）内发生的变化； ４、最精密光刻。能制造最小的光机电一体化设备， 加工的最小机械零件从几微米到几十微米，制作的大 规模集成线路的线宽已达到 0.18 μ m，纳米器件和量 子光学器件最终可达50nm，测量精度就更高了（测长 的精度达0.005μ m）；
一、激光器概述
基激 本光 结器 构的
•电泵浦或光泵浦； •造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射； •谐振腔对辐射光波选频放大。 （1）光与原子作用的三种跃迁 受激吸收 处于低能态E1（基态）的原子，受光照满 足hν=E2—E1原子可能吸收光子能量跃迁 到高能态E2（激发态）。 E2 E1
此时，V(λ）=1 1W ＜683 lm
555nm 时， V(λ）＜1
可见， 555nm是明视觉曲线中人眼最敏 感波长，V(555nm)=1。
定义： K m 683Lm / W 为明视觉最大光谱 光视效能。 于是, 同一波长下，辐射通量与光通量之间的 换算关系： ( ) K V ( ) ( )
单位：
W
m2 （瓦每平方米）
辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。
d e e ( ) d
光谱辐射通量e ( )与波长的关系
e e ( ) d
0

其它辐射度量都有类似关系。 dM e 光谱辐射出射度 M e ( ) d
光谱辐射亮度 光谱辐射照度
dBe Be ( ) d
5)光照度 Lv 普适关系式：
d v 单位：lx（勒克斯） Lv dS 1lx = 1lm/m2
X V K m V ( ) X e ( ) d
0
1.2 热辐射光源
由于内部原子、分子的热运动而产 生辐射的光源 辐射光谱是连续光谱
一、理想的热辐射光源
α(λ，T)=1 在热平衡条件下 —绝对黑体
1.气体激光器
工作物质是气体或金属蒸汽，通过气体 放电实现粒子数反转。 工作物质（气体）均匀性好，输出光束 的质量相当高。
2.固体激光器
工作物质是掺杂的晶体 或光学玻璃，光泵浦。 有脉冲输出激光器和连 续输出激光器。 主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、 坚固可靠和使用方便。
3.染料激光器
工作物质是有机染料溶液，光泵浦。 输出激光波长可以在很宽范围内调谐， 有极好的光束质量。 有连续输出的激光器，也有脉冲输出的 激光器。 可产生超短光脉冲，峰值功率达几百 MW 。
５、激光能产生最大的信息量。目前已接近3T （Tera即1012）目标，即通信传输容量T bit/s， 运算速度T bit/s，三维立体存储密度T bit/cm3 ； ６、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目 前理论证明的最安全的通信系统，目前美国、日本、 瑞士等几个国家建立了量子通信系统； ７、激光能产生最低的温度。激光冷却可将原子冷却 到20nK，接近绝对零度，量子冷却到基态，为量子 光学和量子力学的实验研究准备了条件 。
1.辐射能 Qe 单位为J（焦耳） 2.辐射通量又称辐射功率 e 单位为W（瓦、焦耳每秒） 3.辐射强度 Ie , 描述点辐射源的辐射功e ( , ) d
单位: W sr （瓦每球面度）
4.辐射出射度 M e 与辐射亮度 Be ,
1.1 辐射度学与光度学的 基础知识
介绍描述光辐射的一套参量 光辐射:以电磁波形式或粒子(光子)形 式传播的能量,可用光学元件反射、 成像或色散，这种能量及其传播过程 叫光辐射。
为了对光辐射进行定量描述，需引入 计量光辐射的物理量，有两套体系： 辐射度单位体系和光度单位体系。
一、辐射度的基本物理量
优激 高亮度、高方向性、高单色性 越光 和高度的时间空间相干性 性的 已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到 远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。
激光将对21世纪的科技腾飞和产业 革命产生深远的影响！
激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通 道，在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹，在高 新科学技术记录中创造了许多之最：
第一章 光电系统的常用光源
1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源
1.3 气体放电光源
1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED)
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源
天然光源
人造光源
电磁波谱
太阳、黑体辐射器 热辐射光源 按照发光机理， 白炽灯、卤钨灯 光源的分类： 汞灯 钠灯 需要了解 气体放电光源 金属卤化物灯 氙灯 各类光源 光源 的发光机 氘灯 理、重要 气体激光器 特性、适 固体激光器 用场合， 激光器 以便正确 染料激光器 选用光源。 半导体激光器 发光二极管
常用作标准光 源，最高工作 温度是3000K。 太阳的光谱分布
2.白炽灯与卤钨灯 灰体
白炽灯
钨丝做灯丝
玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μm。 可见光占6～12%，用于照明； 加红外滤光片可作为近红外光源。
卤钨灯
石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)， 作仪器白光源.
三、金属卤化物灯 泡壳内充的是
通过金属 卤化物循环， 铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。 提供足够的 镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。 金属原子 钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）： 气体。 近白色光源, 色温5500K。 金属卤化物气体。
四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体—氙。
色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。 长弧氙灯: 大范围照明 光源 短弧氙灯: 日光色点光源 脉冲时间极短（nS～pS)，光很强,用于 光泵、光信号源、照相制版、高速摄影
实现反转的物质叫激活介质（或者叫激光工作物）。
激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫 “泵浦”。
激活介质本身必需要有适当的能级结构。
例如激光的三能级系统:
E3 E2
泵浦
E1 泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3。 E3不稳定(平均寿命约10-8s)，无辐射跃迁到亚稳态 E2 （平均寿命约10~3~1s）。 E2有可能积聚大量粒子，从而受激辐射。
I2 I3
于是, I2 = I1eGL I3 = r2I2 = r2I1eGL (r2是镜2 反射率) I4 = I3eGL = r2I1e2GL I5 = r1 I4 =r1 r2I1e2GL (r1是镜1 反射率)
必须，I5 > I1，即: r1 r2e2GL ＞1 r1 r2e2GL ＞1 即为产生激光的阈值条件。
1）光能 Qv 单位：lm· s（流明· 秒） 2）光通量 v 单位：lm （流明） d v 单位：cd（坎德拉） 3）发光强度 I v I v d 发光强度 I v 是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定： 555nm 时， 1lm 1
1cd
sr