激光与光谱技术

一、激光产生原理

20世纪四个重要发明：原子能，半导体，计算机，激光

激光（Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 雷射）：由受激而辐射的光放大

1、 激光器的产生

20世纪初

迄今为止，光学已经有两千余年的历史，但在激光产生之前，人们使用的光源主要是炽热物体的热辐射和气体放电管，机理是自发发射，这是一个随机过程，相干性不好，两个光源甚至同一个光源的两点发出的光也不能形成干涉条纹。19世纪末赫兹发明了无线电波，20世纪初出现电子管后电磁波可由电子振荡器产生，可以产生单一频率持续时间任意长的完整正弦波，有很好的相干性，但波长只可以缩短至毫米波，因为放大器和选频用的谐振腔在电子学中无法实现。

激光的基

础 1917

1917: Albert Einstein calculated the conditions necessary for this stimulated emission to occur.

关于光与物质相互作用的问题早在1917年爱因斯坦就作过研究，他在解释普朗克黑体辐射公式时明确指出只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射”的概念，这也是激光的基础！

Townes et.al 20世纪50年代

粒子数反转的状态

提出用平行平面镜作为 光的谐振腔实现光反馈

产生激光的理论与实验 Schawlow, Townes,et.al

1958

 1960：首台ruby激光器（可见光）研制成功  He-Ne激光器；  1962：半导体激光器；  1963：可调谐燃料激光器

This was using Ammonia gas and produced amplified Microwave radiation instead of visible light (called a MASER微波发射器) in 1954. For this they shared the 1964 Nobel prize for Physics.

Maser: 微波段; Laser: 3000埃-1000000埃

对于热平衡物质，下能级的布居数大于上能级的布居数，所以要想光被放大就需要设法使布居数反转，20世纪50年代汤斯等人对氨分子束能级实现了布居数反转并于1954年研制成功了利用受激发射放大产生微波振荡的微波发射器。进一步要推向更短的光频段必须找到可以实现光放大的工作物质和产生光振荡的谐振腔。1958年美国肖洛、汤斯等人几乎同时提出了用平行平面镜作为光的谐振腔，用镜面反射实现光反馈的产生激光的理论与实验。紧接着，1960年梅曼用红宝石制成第一台可见光激光器，同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自激光出现以来得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。

2、激光器的结构

 激光工作介质  激励源  谐振腔

红宝石激光的示意图

1、激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级为实现粒子数反转之必要条件；现有工作介质近千种，可以产生的激光波长从真空紫外到远红外，非常广泛；

2、激励源使介质出现粒子数反转。可以是电激励、光激励、热激励、化学激励等等。电激励用气体放电的方法去激励介质原子；各种激励方式又被形象地称为泵浦或抽运。不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出。

3、有了前两者只能保证实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，所以可以用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。

按工作介质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器。固体激光器特点器件小，坚固、使用方便、输出功率大但电源一般都比较庞大。比如钛宝石激光器一般采用半导体激光器泵浦，常采用环形腔，可以是连续或是脉冲式的；…

3、激光器的种类

按工作介质的不同分类

 固体激光器（Nd:YAG、Ti:Sapphire等）

特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率大

连续100W以上 脉冲峰值则更高

钛宝石激光器

 气体激光器（He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等）

特点：结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束质量好，长时间稳定连续工作

氦氖激光器(Helium Neon lasers): Wavelength: 632.8nm；Power: ～mW； Efficiency: < 1%；A few thousand volts discharge is used, with a current of 10-20 milliamps. They can be cooled effectively by air.

CO2激光器(Carbon Dioxide lasers): Wavelength: 10.6mm; Power: ~10W; Efficiency: ~ 30%; Up to 30 % efficiency can be achieved and it is easy to produce a beam of 100 Watts of energy. Using laser tubes tens of metres in length enable many kilowatts of energy to be produced.

Ar+ Laser: Wavelenth: 514.5nm; Power: ~W Efficiency: ~1%

气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便；工作介质均匀、光束质量好，能长时间稳定连续工作等特点也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场的60％左右。氦氖激光器输出波长632.8纳米，功率约几个毫瓦，采用几千伏高压的电激励，工作电流10-20毫安，可以采用内腔式、外腔式、半外腔式结构的光学谐振腔；CO2激光器输出波长1064纳米，功率一般约10瓦左右，…；

 液体激光器（燃料激光器等）

特点：输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光泵浦

液体激光器输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。常用的是染料激光器，采用有机染料为工作物质，利用不同的染料可以获得不同波长的激光（在可见光范围内），一般用激光作泵浦源，如氩离子激光器等。

 半导体激光器（ GaAlAs、InGaAs等）

利用半导体介质掺杂; Wavelength: infra-blue Power: mW~W;

Efficiency: high efficiency



特点：体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。

半导体激光器特点是体积小、质量轻、寿命长、结构简单而且坚固等，波长范围可以从红外到蓝光，功率从毫瓦量级到瓦级都有，光光转换效率较高。常用的有砷化钾激光器，发射840纳米的激光。另有掺铝的砷化钾、砷化锌等。激励方式有光泵浦、电激励等等。

按激光的输出方式不同分类 连续激光器 脉冲激光器

根据激光输出方式的不同又可以分为连续和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大。

4. 激光的基本特性

A. 单色性 (单频性相干性，位相相同) B. 准直性 (发散角小)

C. 高功率密度(CO2:10.6 m m数十瓦到数百瓦,腰斑直径：<0.2 mm)

Comparison 100 Watts Laser Beam Vs 100 Watts Light Bulb

P.D = P/A

Spot Size Diameter(D) = 1 cm Area = 0.79 cm2

P.D = 100/0.79 = 127 W/cm2

SPHERICAL(SP) (D) = 1 m = 100 cm SP Area =125.664 cm2

P.D = 100/125664 = 0.0008 W/cm2

Conclusion:

100 W Laser Bream Energy Equal To 160,000 Times of 100 W Light Bulb's Energy.

D. 定位精度高( 0.01mm)

激光的单色性强，相干性好，发散角小，从而功率密度较高；对比100瓦的激光光束和灯泡的一些参数可得到结论：即100瓦的激光能量密度相当于100瓦灯泡的16万倍！所以可以加工几乎所有的材料。另外定位精度高，可以进行微区或定点的光谱分析等等！

5. 激光的应用

激光信息存储与处理、激光材料加工、 激光医学与生物学、激光通讯、 激光印刷、激光光谱学、激光化学、 激光分离同位素、激光核聚变、 激光检测与计量、军用激光技术等等

激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学与生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光检测与计量、军用激光技术等等，激光的出现极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。

激光在生物医学方面的应用

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Laser Skin Surgery（激光皮肤外科） Dermatology （皮肤医学） Laser Dentistry （激光牙科学） Podiatry （脚病学）

Veterinary Medicine （兽医）

Laser Applications in Otolaryngology（激光在耳鼻喉学中的应用） Neurosurgery （神经外科）

Photodynamic Therapy （光动力治疗） General Surgery （普通外科）

比如激光在生物医学临床方面即有如此广泛的研究！

二、激光光谱技术的发展与应用

1、激光光谱学的发展

•用棱镜发现了光的色散现象----1666牛顿

→由此开始了光谱学的发展

•用棱镜光谱仪观察到太阳谱线----1814夫琅和费 →由此逐渐进入光谱学发展的盛期 •展开吸收、发射和散射光谱（喇曼散射）研究•冶金、电子、化工、医药、食品等----20世纪初 →经典光谱学得到了广泛的应用

激光光谱学是自激光技术出现以来在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。传统光谱学已有300多年的历史。1666年伟大的科学家牛顿用棱镜发现了光的色散现象，由此开始了光谱学的发展，不过在起初的一百多年内，其发展极为缓慢，直到1814年著名的物理学家夫琅和费用他发明的棱镜光谱仪观察到太阳谱线开始，才逐渐进入光谱学发展的盛期，除了对吸收与发射光谱的研究外，还相应发展了对散射光谱的研究，特别是喇曼散射的发现，即在光发生散射时，除了原有频率之外，散射光中还有一些其它频率的光出现，通过喇曼散射可以研究物质的结构与组成等！其实光谱学作为一门实用性学科是由物理学家和化学家共同开创起来的。到20世纪初，传统光谱学已经十分成熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段。

•激光器的产生给光谱学注入新的活力----1960

激光的单色性使分光器件分辨率提高

激光的高强度提高了探测的灵敏度；产生非线性光谱效应

激光的高度方向性可对微区或定点的光谱分析成为可能

→由此进入激光光谱学的发展阶段

↓

激光光谱技术的三大典型优点：高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率

尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但在激光问世之前，它的进一步发展已经面临着不可逾越的鸿沟。首先传统光谱学使用普通光源，探测分辨率低，而增强其单色性，又不得不以降低光强为代价，这样又会影响到探测的灵敏度，此外，在弱光辐射下光谱中的许多非线性效应表现不出来，因此包含物质结构深层次的信息被阻断。60年代高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，在其后发展的激光光谱学中，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应；此外激光的高度方向性又使对微区或定点的光谱分析成为可能。在激光光谱学中，作为光谱分析手段的激光光谱技术由于其高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率也倍受重视，在许多科学技术领域有着非常广泛的应用前景！

2. 激光光谱技术的应用



激光同位素分离(化学)

把激光光谱技术与光化学结合，工艺技术简单、设备小、效率高、成本低

 激光遥感技术—应用于大气和海洋环境监测

运用激光光谱技术确定大气成分、浓度及空间分布

 生物学—研究生物分子和细胞

激光微束仪研究单细胞生物物理和生物化学过程

激光喇曼光谱研究生物分子的结构和动力学等信息

 医学—医学研究和临床上治疗各种疾病

光敏疗法利用激光光谱技术进行诊断和治疗癌症

光化学方法应用激光光谱技术治疗皮肤病

激光喇曼光谱可用于体内气体的检测

在化学方面，激光光谱技术与光化学结合进行同位素分离，工艺简单、设备小、效率高、成本低。方法是基于气相状态时去选择性激发所要得到的原子或分子同位素。例如作为核能原料的铀235和同位素铀238在分离的原理及技术上都已经十分成熟。

在环境科学方面，广泛应用于大气和海洋环境监测的激光遥感技术是运用激光光谱技术来确定大气成分、浓度及空间分布等，对人类是十分有意义的！

生物学方面，用激光光谱技术可以研究生物分子和细胞等；例如激光微束仪又称为激光显微镜，是激光器与显微镜相结合的一种光学仪器，可以研究各种DNA分子结构等等；喇曼光谱是研究分子振动的有力工具，所以激光喇曼光谱可以研究生物分子的结构和动力学等信息。

医学上，运用激光光谱技术可以治疗各种疾病，比如光敏疗法可进行诊断和治疗癌症；光化学方法应用激光光谱技术治疗皮肤病；激光喇曼光谱可用于检测体内气体！等等

三、常用光谱仪器的介绍



光谱仪器的基本组成

照明系统 准直系统 色散系统 成像系统接受、检测显示系统

 摄谱仪

１、棱镜摄谱仪

应用：氢原子光谱、谱线宽度测量等等

光谱仪器是进行光谱研究和物质光谱分析的装置，它的基本作用是测定被研究光的光谱组成，包括它的波长、强度、与轮廓等。一般光谱仪器的基本组成有：照明系统、准直系统、色散系统、成像系统及接受检测显示系统。

摄谱仪的作用是将来自光源的复合光分解成光谱，并将其用感光板记录下来，既可以用于分析光谱，也可以作一台单色仪使用。根据分光形式的不同可以分为棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪两大类。棱镜光谱只有一套，是利用光的折射原理进行分光，色散率与波长有关；光栅光谱一般有许多级，每一级是一套光谱，是利用光的衍射原理进行分光，其色散率与波长无关，较棱镜相比容易获得大的色散，且色散比较均匀。

若在望远物镜的焦面上放置感光底片，用来拍摄光谱的，则称为摄谱仪；

色散本领和色分辨本领是标志任何类型分光仪器性能的两个重要指标，这个在讲义附录里有介绍。

2.光栅摄谱仪

光栅摄谱仪一般使用反射式闪耀光栅，光学原理图如下图所示。

应用：钠原子光谱、氢原子光谱等等

 

分光镜 单色仪

如果光谱仪中的望远物镜装有目镜，可供眼睛来直接观察光谱，则称为分光镜；若焦面上放一狭峰，是用来将各种波长的光分离出来的，则称为单色仪。



微弱信号检测原理---锁相放大器

相关检测原理：利用信号具有良好的时间相关性和 噪声的互不相关性，使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪声淹没的信号提取出来。跟踪滤波器

1.自相关检测

采用微弱信号检测技术，可以保证在被测信号功率小于噪声功率的情况下，仍能检测出信号，其方法有很多种，如平均积累法、计数统计法等等，我们主要介绍一下相关检测技术，原理是，利用信号具有良好的时间相关性和噪声的互不相关性，使信号进行积累而噪声不积累，从而把被噪声淹没的信号提取出来。从原则上讲，用窄带滤波器也可以从噪声中提取信号，但滤波器的中心频率必须调到信号频率上。对于周期不固定的信号，滤波器的频带不能过窄，因此信噪比的改善不可能太大。而相关检测相当于一个跟踪滤波器，因此没有这方面的限制。相关检测有自相关检测和互相关检测两种。自相关检测原理图如下，将被测信号和噪声信号之和分成两路，其中一路经过延迟器延迟一段时间，与未经延迟的同时送入乘法器，在将其经过积分处理后保留了信号输出，抑制了噪声。积分处理后的自相关信号有如下表达式。

对比：互相关测量抑制噪声的能力强； 但要求用与被测信号同频的参考信号。

互相关检测是利用一个与待测信号同频率的信号对被噪声干扰的信号作互相关处理，原理图如下：经过积分器后得到互相关信号表达式。比较前面的自相关检测表达式可知，互相关测量比自相关测量少两项，所以互相关检测抑制噪声的能力比自相关检测强。但是互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号，所以当被测信号未知时，一般还不能采用互相关检测。

3.锁相放大器—Lock-in Amplifier

互相关检测仪器

注意：1.若被测信号不是交流信号，则先进行调制（崭波等），后用Lock-in 检测；2. Lock-in 时间常数的选择：对噪声的抑制能力取决于等效噪声带宽的大小，

与积分常数成正比，即信噪比的改善以牺牲测量时间为代价！

微弱信号检测最常用的仪器是锁相放大器，它便是采用互相关检测原理制成的，采用了相敏检波器来抑制噪声，并检测出信号的幅值和相位。相敏检波器是Lock-in的核心，由一个乘法器和一个低通滤波器组成（低通滤波器相当于一积分器），它直接测出淹没在噪声中的被测信号，输出一个与被测信号成正比的直流电压，相位与参考信号的相位有关。相关器等效于一个带通滤波器，但确切地说是跟踪滤波器。这里需要注意的是：若被测信号不是交流信号，则需要进行调制如崭波等，把直流变为某一频率的交流，再用lock-in检测；另外是时间常数的选择:…

应用：结合光谱仪、崭波器等即可对光纤光栅光学特性进行测量；另外广泛用于激光稳频技术中

锁相放大器结合光谱仪、崭波器等即可对光纤光栅的光学特性进行测量。另外锁相放大器还广泛用于激光稳频技术当中。

四、激光光谱技术实验介绍

1.激光谐振腔与倍频实验

实验目的

  

了解几种常见的激光谐振腔构型

进一步了解并掌握固体激光器中钕玻璃 激光器的调节

了解二阶非线性效应中倍频的产生原理，和影响倍频效率的几种因素



几种常见的激光谐振腔构型

按稳定性条件来分，光学谐振腔可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔三大类。稳定腔是指傍轴光线在腔内能往返多次而不横向逸出腔外，腔的几何损耗为零比如其中c、f；非稳腔则是指傍轴光线在腔内往返有限几次就从侧面逸出腔外，腔的几何损耗较大，但可以获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高工率单模运转，一般只适用于大功率激光器。图中其它腔属于临界腔，其中d是对成共焦腔，也属于稳定腔，任意傍轴光线往返多次不逸出腔外，经两次往返后自行闭合，是最重要的和最具有代表性的一种稳定腔。其它临界腔则属于介稳腔。平行平面腔在激光发展史上最先被采用，主要优点是：结构简单、光束方向性好发散角小、模体积较大，比较容易获得单横模振荡，缺点是调节灵敏度高，不易控制，球面镜的调节远不及其灵敏，另外球面镜加工精度高，形状偏差十分小，不会引起干涉图像的模糊，只会引起变形。

He-Ne激光器、外腔式钕玻璃激光器及其电源、晶体、像纸等等

实验装置

内腔式激光器结构简单，谐振腔长度不需调节，频率固定，非偏振。外腔式激光器的两个反射镜放在激光棒的外测，长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定角度贴有布如斯特窗片，还可降低激光器阈值，输出线偏振光。本实验采用的泵浦源即是外腔式的钕玻璃激光器。

注意事项

  

本实验采用高压大电容放电来激氙灯，注意高压危险； 每次打完激光后均要放电；

注意保护眼睛，放电时不能用眼睛正对光路；

激光的横模与纵模

3. 谱线宽度的测量（利用鲁末－盖格板测量汞灯谱线）

实验目的

  

了解与描述光干涉仪器性能相关的几个物理量 了解棱镜摄谱仪的原理

掌握谱线宽度的物理概念及测量方法

谱线强度曲线

实验原理图：

实验装置

汞灯、鲁末-盖格(L-G)板、 棱镜摄谱仪、CCD、计算机等

4.细丝无接触测量及其图象处理方法

实验目的

 

了解夫琅和费衍射理论和巴俾涅互补定理的应用 掌握用光衍射方法测量细丝直径及其计算机图象处理方法

实验装置

He-Ne激光器、细丝、定标屏和白屏、CCD、计算机、直尺等

.多模光纤双光束干涉与干涉条纹可见度分析

实验目的

   

了解双光束干涉的基本原理，光纤的一般特性及其传输模式的概念 掌握应用光纤的调节方法

掌握拍摄、冲洗双光束干涉照片的方法 分析测量照片干涉条纹可见度

实验装置

He-Ne激光器、多模光纤两根、10倍聚焦镜两个、分光镜、光屏等

实验装置图

6.全息图像存储

实验目的

    

了解全息照相的基本原理和基本规律 了解全息照相的意义，及与普通照相的区别 了解傅立叶变换全息图的基本原理 掌握全息图像的存储和提取信息的方法 掌握一些照相的基本常识

意义

艺术照相、科研、生产等领域

实验原理图

实验装置

He-Ne激光器、4f 系统、底版及冲洗用具、白屏等

.光纤光栅光学特性的测量（待定）

实验目的

  

了解 Bragg 光栅的原理及其主要光学特性 掌握锁相放大器的工作原理及使用方法

掌握测量光纤Bragg光栅透射光谱及其他光学特性的方法

光纤光栅结构

Bragg光纤光栅是指利用单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤光栅，成栅后的光纤纤芯呈周期性分布，产生Bragg光栅效应。也叫短周期光纤光栅，满足布拉格条件的入射光被光纤光栅耦合到反射模中： λ=2nΛ，其中λ为光栅中心波长； n为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。

光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波

Bragg光栅工作的原理是由于光纤具有光敏特性，从而 在周期性光强作用下沿着光纤轴向方向感生周期性折射率变化。

典型特点

  

带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体； 可靠性好、抗干扰能力强 ，抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作 ； 光纤光栅的中心波长会随温度和应变而变化；……

Bragg光纤光栅的制备

早期:驻波法和光刻腐蚀法--成栅条件苛刻，成品率低。

目前:紫外光写入--优点是工艺简单，重复性好；缺点是难以同时制作高反射率和窄线宽的滤波器，并无法实现调谐。

双光束干涉法(1989年GeryMeltz提出)、相位掩膜法、逐点写入法、在线成栅法

可随意调节Bragg 波长、简单灵活 意义

1.光纤光栅将成为未来全光通信网中的基石

2.光纤光栅传感器 －－在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全、温度及应变监测

3.光纤光栅可调谐滤波器 －－通过温度变化或机械装置调谐光纤光栅，可实现波长调谐。具有良好调谐速度和带宽，及良好的稳定性，可用于通信、传感及各种测试等

实验原理图

实验装置

LED光源、光纤、光纤光栅、光纤调节架、光栅单色仪、崭波器、锗探测器、锁相放大器、计算机等

8.钠原子光谱的观测

实验目的

   

学习用光栅摄谱仪拍摄钠原子发射光谱的方法并进行识别

掌握钠原子光谱主线系量子亏损的计算方法，并通过绘制能级图进一步了解钠原子结构 学习光栅摄谱仪的调节和使用方法

进一步加深对原子光谱、能级、量子数等的理解

意义

光谱分析方法可用来研究原子内部结构

量子亏损的概念

“黎德堡”关系式

两种使电子能量减少的效应:原子实极化与轨道贯穿

钠的价电子能量主量子数

∆L 为量子亏损 n* 为有效量子数

钠原子光谱线的波数

实验用具

光栅摄谱仪、哈德曼园盘光栏、激发电源、铁棒、碳棒、食盐等

五、小 结

版权所有：中山大学光信息科学与技术实验室 制作人：何景汉

THANK YOU!!