激光与物质相互作用(基础)1

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1、设计：李波激光与物质相互作用大学本科课程大学本科课程第一章 激光与物质相互作用基础 秦应雄 博士 副教授电话：02787541774（办公室）18971281421 Email：朱海红 博士 教授电话：02787544774（办公室）13016467839Email：设计：李波提纲二、材料对激光的反射与吸收三、激光作用材料的能量传输 四、本章小结一、激光束的特性与描述设计：李波一、激光束的特性与描述1.1 激光束的特点 1.2 激光束的空间特性 1.3 激光束的空间特性 1.4 激光束的频谱特性 1.5 激光束的偏振特性设计：李波+ 平行的 + 单色的 + 相干的 高功率密度 非接触 无磨损

2、高精度a) 激光激活介质(气体, 固体 或 半导体) b) 激励源(泵浦灯, 半导体 或 放电激励) c) 光学谐振腔(全反和部分反射镜)- 发散的 - 多色的 - 不相干的电灯泡激光束c)c) b)a)产生特性优势激光设计：李波一、激光束的特性与描述思考题 1、从激光束的特性分析，激光束为什么 能用于热加工，对激光与物质相互作用 有什么益处？ 2、如何理解M2因子是一个不变量？ 3、理解聚焦半径、焦深之间的关系，如 何应用？设计：李波1.1 激光束的特点（1） 方向性好 （发散角10 -4弧度）一束激光射到38万km的月球 上，光斑的直径只有2km手电筒的光射到m处， 扩展成很大的光斑。 对

3、加工的意义 ： 发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力 密度高。利用激光准直仪可使 长为2.5km的隧道掘进偏 差不超过16nm.激光准直、导向和测距就是利 用方向性好这一特性。设计：李波（2） 单色性好单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频HeNe激光器 激光的单色性比普通光高 倍.对加工的意义 ：与相干性好对应，另外， 聚焦球差小由于激光的单色性好，为 精密度仪器测量和激励某些 化学反应等科学实验提供了 极为有利的手段。设计：李波（3）亮度极高激光是当代最亮的光源，只有氢弹 爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟 。太阳光亮度大约是103瓦(厘米2.球 面度)，而一台大功率激光器的输出光

4、 亮度经太阳光高出714个数量级。设计：李波激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度 集中，同时在时间上也可 高度集中，因而可以在一 瞬间产生出巨大的光热。在工业上，激光打孔、切割和焊接。 医学上视网膜凝结和进行外科手术。 在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的 测量和卫星大地测量。 在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光 武器 设计：李波（a）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特 性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。描述时间相干 性的等效物理 量：相干时间：相干长度：谱线宽度：（b）空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性 的相关性。此相干性来源于光源中

5、不同原子发光的独立性 。（4） 相干性好普通光源的缺陷：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是 矛盾的！激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相 干光源。设计：李波激光相干性l空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。l时间相干性好（10 - 8埃），相干长度可达几十公里。普通光源的光是向四面八方发射的，光能无法高度集中。普 通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱 无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。 激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从 激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透 镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。

6、设计：李波小结 （1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力 密度高。 （2）单色性好:为精密度仪器测量和激励某些化学 反应等科学实验提供了极为有利的手段。聚焦色 差小。 （3）亮度极高：能量密度高，能量光电子的应用基 础。材料加工、医疗、武器等。 （4）相关性高：获得高的相关光强，从激光器发出 的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用 透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来 。设计：李波1.2 激光束的空间特性A 光束半径 （a） 1/e2 定义：对于旋转对称光束，在光强（光功率 密度）分布曲线I(r)上（r为径向坐标），最大值Imax 的1/e2 处二点间距离之半定义为束宽（b）

7、86.5%环围功率（能量）：即光强分布曲线I（r ）上占总功率（能量）86.5处二点间距离之半定义 束宽设计：李波（c）二阶矩阵定义：首先定义光束的重心设计：李波B、光束传输与特征参数的定义高斯光束传输公式 ： Z0：束腰位置； W0：束腰半径；：远场发散角设计：李波C、光束传输因子K与衍射倍率因子M2光束传输过程中，M2因子是一个不变量 光束参数乘积（BPP）设计：李波D、横向模式矩形厄米高斯光束设计：李波圆形拉盖尔高斯光束设计：李波平凹腔的数值计算计算的光束质量参数设计：李波E、光束的聚焦聚焦半径焦深：掌握聚焦半径、焦深与透镜焦距、光束本身参数的关系设计：李波不同焦距设计：李波设计：李波不

8、同光斑大小设计：李波不同光束质量设计：李波1.2 光束的空间特性小结 A、光束半径定义 B、光束传输与特征参数的定义 C、光束传输因子K与衍射倍率因子M2 D、横向模式 E、光束的聚焦设计：李波1.3 时间特性激光束可分为连续激光和脉冲激光； 脉冲激光主要参数包括脉冲波形和宽度、脉冲频率、峰值功率、平均功率等参数。设计：李波传统腔内短脉冲压缩传统的短脉冲压缩Raman边频带的叠加高次谐波的产生与叠加设计：李波1.4 频谱特性波长、谱线宽度和轮廓等 常用激光器波长表 激光器名称介质光频数波长nm N2气体紫外光337.1 He-Ne气体可见光 红宝石Cr3+固体可见光694.3 Nd：YAG(掺

9、钕的钇铝石榴石)固体红外光 Nd:YLF(Nd:YLF(掺钕氟化钇锂)固体红外光1047 Nd:YLF(Nd:YLF(掺钕氟化钇锂)固体红外光1053 CO2气体远红外光 Ho：YAG（钬激光）固体红外光20102020 Ho：YLF（钬激光）固体红外光20202030 Nd：YAG倍频固体绿光 Nd：YAG三倍频固体蓝光 Nd：YAG四倍频固体紫外 半导体激光器（GaAlAs）固体红外光750850632.8106010600532355 266设计：李波频率为4.71014 Hz，频率宽度为 =1.5109谱线宽度例如，氖放电管发射的光波为图中所示，中心Hz，氖放电管如长100 cm ，相

10、邻二共振频率 之差 Hz 原子发光时间 和频率宽度 成反比， 发光时间 理想的单色光：频率宽度 ，任何光源， 和 都有一定大小。这就要求设计：李波A、横波的偏振性振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。 偏振: E的振动方向对传播方向的不对称性。光矢量 振动面v0 HE只有横波才有偏振现象1.5 偏转特性偏振态: 光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。设计：李波B、线偏振光E播传方向振动面线偏振光可沿 两个相互垂直 的方向分解EEyExyx面对光的传播方向看设计：李波在垂直于光传播方向的平面 内，右旋圆偏振光的电矢量 随时间变化顺时针旋转右旋圆偏振光在三维空间中 电矢量左旋在垂直于光传播方

11、向的固定平面内，光矢量的大小不变， 但随时间以角速度旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆 偏振光。某一固定时刻t0，在传播方向上各点对应的光矢量的 端点轨迹是螺旋线. 随着时间推移， 螺旋线以相速前移。 C、圆偏振光束设计：李波径向偏振光与环向偏振光的形成- ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.- ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Desig

12、n Inc.D、 径向偏振光与环向偏振光设计：李波E、偏振光束的产生常用反射镜表面对10.6um光波的反射率(%)反射镜对不同偏振方向入射光束的反射率设计：李波P-waveS-waveMain angle0 15 30 45 60 75 90 金属反射率1.00.80.60.40.20.0Angle of incidence 设计：李波CO2激光器常用激光谐振腔尾镜窗口单折腔U形多折腔矩形多折腔非偏振光线偏振光线偏振光设计：李波思考题：分析非稳波导 混合腔输出光束偏振特 性P-waveS-waveMain angle0 15 30 45 60 75 90 1.00.80.60.40.20.0A

13、ngle of incidence 设计：李波 径向偏振光的产生- ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.设计：李波SiliconTi-layerCu-layer12m5.2m4.8m具有偏振选择性的衍射镜结构a: 用于产生径向偏振光的结构 b: 用于产生环向偏振光的结构 反射系数: 平行于径向的电场矢量为 94% ，垂于径向的电场矢量 72%设计：李波具有偏振选择性的衍射镜设计：李波谐振腔后镜模型: W锥形镜(左)和锥形镜(右)Masamori Endo应用

14、W锥形镜作为谐振 腔尾镜来产生径向偏振光设计：李波W锥形镜谐振腔原理图谐振腔后镜由两部分组成,分别是W锥形镜和锥形镜.设计：李波F、 偏振光束的转换与应用反射式相位延迟器设计：李波P-waveS-waveMain angle0 15 30 45 60 75 90 金属表面反射率 1.00.80.60.40.20.0Angle of incidence Fresnel lawPS设计：李波设计：李波圆偏振光与径向偏振光切割对比在相同的条件下进行激光切割，径向偏振光R- TEM01*比圆偏振光TEM00的效率高，即切割深度与切割速 度的乘积值提高了1.52倍。设计：李波1.5 光束偏振特性小结A、横波的偏振性B、线偏振光 C、圆偏振光束 D、 径向偏振光与环向偏振光 E、偏振光束的产生 F、 偏振光束的转换与应用设计：李波华中科技大学 光电子科学与工程学院