技术说明

空间滤波器提供了一种消除激光束强度分布随机波动的便捷方法，这对全息和光学数据处理等应用来说是至 关重要的。光学缺陷和空气中的粒子造成的散射会导致激光束拾取强度变化。将激光束扩展到屏幕上时可以直观 地看出这一点，其中叠加在理想的均匀散斑图案上的图案、孔和环是由散射造成的。

如第I.A.3 节中详述，因为激光有高度准直性和大光强，所以激光与其他光源不同。激光强度经过长距离传 输后仍然很大，而且可以使用聚焦元件来大幅提升强度。尽管这些独特的属性使得无数基于激光的应用成为可能， 但也使激光辐射对用户有潜在危害，对眼睛或者皮肤有潜在的生物损伤，因此激光安全是激光使用很关键的一个 方面。本节主要讨论根据安全危害水平划分的激光等级以及保证激光安全的一般做法。此外，还给出了激光系统 …

为了评估激光二极管的质量、性能和特征，制造商经常进行详尽的测试，这需要表征激光输出的电- 光、 光谱和空间特性。如前文章节所述，激光二极管的输出取决于注入电流和温度。因此，使用电流 和温度控制器严格控制这些参数，对提取重要的运行参数是非常关键的。

典型的热释电传感器配置及其工作输出见图1。热电材料通常是晶体，即使在没有施加电压的情况下也存 在电极化。入射激光脉冲加热晶体，使材料膨胀并产生极化变化。

典型的热释电传感器配置及其工作输出见图50。热电材料通常是晶体，即使在没有施加电压的情况下也存 在电极化。入射激光脉冲加热晶体，使材料膨胀并产生极化变化。电荷积聚在晶体的相对表面上，产生电流，为 器充电。电容器经充电产生电压，其幅度变化与原始激光脉冲能量成比例。

光电二极管由半导体p-n 结（如第I.B.1 节中所述激光二极管和LED）构成，但涉及的基本辐射过程是吸收。落在结上的光导致了电子- 空穴对的形成。在光伏模式中，即没有施加偏压，电子- 空穴对迁移到结的 相对侧，从而产生电压（和电流，如果器件连接在电路中）。

要实现光学系统和光学元件的最佳性能，对光束偏振态的精确控制是必须的。不同偏振态对应的反射率、插 入损耗和分束比等特性也是不同的。相对光的其他特性，偏振性也很重要，因为可借助偏振性来传输信号和进行 灵敏度测量。即使光强度恒定时，也可以借助光束的偏振状态来传递信息。通过解调光束偏振态可以揭示光与物 质相互作用（磁性、化学性、机械性）后如何被调制的，根据这种偏振态 …

当配备高性能热成像系统时，无人机（也称为遥控飞机）可用于广泛的国防、政府和商业应用。在国防和政 府领域，无人机用于军事和警方监控、边境控制、监视和搜救行动。具有热成像功能的商用无人机在检查电力线路、 石油管道以及其他基础设施方面发挥了显著作用。热成像无人机还在用于辅助消防活动，其功能是定位和评估火灾， 甚至在能见度差的情况下也能发挥作用。

激光器产生的光与其他种类光源（比如白炽灯或者LED）发出光的特性完全不同。这些特性使其具有非常广 泛的应用。

光在激光器中是经过以下过程产生的：物质中的电子从激发态能级跃迁到较低能级，发射光子，贡献于激光 束的产生。因此，光与物质之间的基本相互作用是分析激光器运行和激光特性的基础[2, 3]。这一节简略描述激光 材料中的原子/ 分子与生成激光的光子之间的相互作用。

在使用激光器或者其他光源的许多应用中，光束扩展或者缩小是常见的要求。虽然这里讨论的是光束扩展， 但是也可以简单地将这些光学系统反转过来用作缩束器。简单的扩束器本质上是望远镜系统，最基本的形式是由 两个透镜组成的。假设输入光束是准直光束。第一个透镜的直径必须大于输入光束的直径，以避免光束裁剪（参 见第II.A.1 节中光圈相关内容）。

为了将激光功率（或强度）调低到特定应用所需的水平，通常使用中性密度滤光片或者其他器件来降低泵浦 功率。这些技术通常不能连续控制激光功率。另一方面，可变激光衰减器基本上由两个光学元件组成（一个半波 片和一个具有良好消光比的偏振器），并且可对线偏振激光进行连续功率调节。

如今，LED 应用广泛，包括家庭、街道和企业的照明，在这些应用中LED 开始取代更传统的光源。尽管 LED 有不少优点，但是LED 的功率、通量（与功率等效，但是以流明为单位测量）和光谱的测量技术与传统光源 的测量技术没有太大差别。主要原因是这些光源在所有方向上均匀辐射出非相干光（见第I.C 节和第I.B.3 节）。 这些光源产生高度发散的光发射。使用具有固定孔径尺寸的传感器精确测量这些光源的功率，需要复杂的收集光 …

激光束的辐照度分布由激光腔出射的横模决定。典型情况是选择最低阶横模（TEM00） 用于发射，因为其传播时的光束发散角最小，能够聚焦成最小的光斑（见第I.A.3 节）。TEM00 模式的辐照度分布 用高斯函数描述，因此本节大部分内容将详细说明高斯光束轮廓及其随距离的演化。高斯光束的传播很容易理解， 甚至没有TEM00 模式的激光束也经常使用M2 值，以修正的高斯模式分析来描述。最后，还给出了非高斯光束的 …

相干放大过程使激光具有一系列非常独特的性质。对某一特定应用而言，通常只有一个或者几个特性是非常 重要的，因此，我们会分别介绍这些特性；但是，其中许多特性又是互相关联的。最常见的激光输出特性包括：波长， 增益带宽，单色性，空间和时间分布，准直性，输出功率，相干性和偏振态。

如上所述，激光器的主要元件是增益介质、泵浦源和谐振腔。表1 列出了这些元件的主要功能以及典型实例， 图2 所示为运行的激光器中的这些元件。以下详细给出了这些元件的功能与作用，更深入的讨论可参考文献

激光器通常以其增益介质来识别，以产生受激辐射的辐射物质进行分类。这些辐射物质包括稀薄气体中的原 子和分子，以相对较低的浓度溶解在液体溶液中的有机分子，半导体材料，以及晶状固体或者掺杂高浓度离子的 玻璃类的介电材料。这些激光器通常被称为气体、液体、半导体和固体激光器。正如第I.A.1 节所述，辐射物质的 浓度对介质能级的形成有重要作用。转之，这些能级会决定光学泵浦跃迁、粒子数反转结构、激光辐射波长以及 …

以连续波模式工作的激光器的输出功率不随时间变化。这是由于激光器达到了一种激光腔增益（取决于与泵 浦速率成正比的粒子数反转）和损耗（包含腔损耗和受激辐射速率）保持平衡的稳态条件。如第I.A.3 节中所述， 由于能够显著提高峰值输出功率，所以通常希望激光器可以工作在脉冲模式。可以将连续激光输出发送至外部调 制器来实现脉冲激光运转，调制器充当一个只在短时间内允许透过的开关（见图21，左）。这种简单的方法有许 …

如图19 所示，可用的激光增益介质使得辐射波长能够覆盖大部分电磁波谱。尽管有这样的光谱覆盖范围， 但是由于成本和集成问题，需要一定激光波长范围的应用通常不会使用多波长激光系统。这些应用依靠单个激光 系统的输出波长在一个光谱范围内调谐。有两种不同的方法实现波长调谐。第一种方法是使用波长选择元件，选 择增益带宽内的一个特定部分来发射激光，完成激光波长调谐。该方法允许调谐并且在调谐范围内有同等的输出 …

半导体激光器，通常被称为激光二极管，是如今最重要的激光器种类之一，在光通信和控制应用中起着至关 重要的作用，且被广泛用于固体激光器和光纤激光器的泵浦源。与其他类型的激光器相比，激光二极管有一些独 特的特征，体积小，功耗低，效率高，能应用于各种现代电子设备中。激光二极管的许多特性可以归因于受激下 的增益介质和谐振腔。此外，激光二极管利用成熟的半导体制造工艺来实现良好的质量控制、大规模生产和可定 …