激光與物質(zhì)相互作用第二講基礎(chǔ)

激光與物質(zhì)相互作用第二講基礎(chǔ)第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日提綱二、材料對激光的反射與吸收三、激光作用材料的能量傳輸

四、本章小結(jié)一、激光束的特性與描述第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日一、激光束的特性與描述1.1激光束的特點(diǎn)1.2激光束的空間特性1.3激光束的空間特性1.4激光束的頻譜特性1.5激光束的偏振特性第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日

平行的單色的相干的

高功率密度非接觸無磨損高精度a)激光激活介質(zhì)

(氣體,固體或半導(dǎo)體)b)激勵源

(泵浦燈,半導(dǎo)體或放電激勵)c)光學(xué)諧振腔

(全反和部分反射鏡)

發(fā)散的多色的不相干的電燈泡激光束c)c)b)a)產(chǎn)生特性優(yōu)勢激光第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日一、激光束的特性與描述思考題1、從激光束的特性分析，激光束為什么能用于熱加工，對激光與物質(zhì)相互作用有什么益處？2、如何理解M2因子是一個不變量？3、理解聚焦半徑、焦深之間的關(guān)系，如何應(yīng)用？第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日1.1激光束的特點(diǎn)（1）方向性好（發(fā)散角～10-4弧度）一束激光射到～38萬km的月球上，光斑的直徑只有～2km手電筒的光射到～m處，擴(kuò)展成很大的光斑。對加工的意義：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度高。利用激光準(zhǔn)直儀可使長為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm.激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測距就是利用方向性好這一特性。第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日（2）單色性好單色性最好的氪燈Kr86

Δ=4.7×10-3nm

穩(wěn)頻He—Ne激光器

激光的單色性比普通光高倍.對加工的意義：與相干性好對應(yīng)，另外，聚焦球差小由于激光的單色性好，為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了極為有利的手段。第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日（3）亮度極高

激光是當(dāng)代最亮的光源，只有氫彈爆炸瞬間強(qiáng)烈的閃光才能與它相比擬。太陽光亮度大約是103瓦／(厘米2.球面度)，而一臺大功率激光器的輸出光亮度經(jīng)太陽光高出7～14個數(shù)量級。第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。在工業(yè)上，激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進(jìn)行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的激光武器第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日（a）時間相干性：波場中同一點(diǎn)不同時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。描述時間相干性的等效物理量：①相干時間：②相干長度：③譜線寬度：（b）空間相干性：波場中不同點(diǎn)在同一時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨(dú)立性。（4）相干性好普通光源的缺陷：增大相干面積、相干長度與增大相干光強(qiáng)是矛盾的！激光光源：是把大的相干光強(qiáng)與好的相干性結(jié)合起來的強(qiáng)相干光源。第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日激光相干性空間相干性好，有的激光波面上各個點(diǎn)幾乎都是相干光源。時間相干性好（～10-8埃），相干長度可達(dá)幾十公里。普通光源的光是向四面八方發(fā)射的，光能無法高度集中。普通光源上不同點(diǎn)發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂無章的，經(jīng)過透鏡后也不可能會聚在一點(diǎn)上。

激光與普通光相比則大不相同。因?yàn)樗念l率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起來。第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日小結(jié)（1）方向性好：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度高。（2）單色性好:為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了極為有利的手段。聚焦色差小。（3）亮度極高：能量密度高，能量光電子的應(yīng)用基礎(chǔ)。材料加工、醫(yī)療、武器等。（4）相關(guān)性高：獲得高的相關(guān)光強(qiáng)，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起來。第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日1.2激光束的空間特性A光束半徑（a）1/e2定義：對于旋轉(zhuǎn)對稱光束，在光強(qiáng)（光功率密度）分布曲線I(r)上（r為徑向坐標(biāo)），最大值Imax的1/e2處二點(diǎn)間距離之半定義為束寬（b）86.5%環(huán)圍功率（能量）：即光強(qiáng)分布曲線I（r）上占總功率（能量）86.5％處二點(diǎn)間距離之半定義束寬第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日（c）二階矩陣定義：

首先定義光束的重心第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日B、光束傳輸與特征參數(shù)的定義高斯光束傳輸公式：Z0：束腰位置；W0：束腰半徑；：遠(yuǎn)場發(fā)散角第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日C、光束傳輸因子K與衍射倍率因子M2光束傳輸過程中，M2因子是一個不變量光束參數(shù)乘積（BPP）第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日D、橫向模式矩形厄米高斯光束第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日圓形拉蓋爾高斯光束第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日平凹腔的數(shù)值計(jì)算計(jì)算的光束質(zhì)量參數(shù)第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日E、光束的聚焦聚焦半徑焦深：掌握聚焦半徑、焦深與透鏡焦距、光束本身參數(shù)的關(guān)系第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日不同焦距第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日不同光斑大小第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日不同光束質(zhì)量第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日1.2光束的空間特性小結(jié)A、光束半徑定義B、光束傳輸與特征參數(shù)的定義C、光束傳輸因子K與衍射倍率因子M2D、橫向模式E、光束的聚焦第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日1.3時間特性激光束可分為連續(xù)激光和脈沖激光；脈沖激光主要參數(shù)包括脈沖波形和寬度、脈沖頻率、峰值功率、平均功率等參數(shù)。第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日傳統(tǒng)腔內(nèi)短脈沖壓縮傳統(tǒng)的短脈沖壓縮Raman邊頻帶的疊加高次諧波的產(chǎn)生與疊加第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日1.4頻譜特性

波長、譜線寬度和輪廓等常用激光器波長表激光器名稱介質(zhì)光頻數(shù)波長nmN2氣體紫外光337.1He-Ne氣體可見光紅寶石Cr3+固體可見光694.3Nd：YAG(摻釹的釔鋁石榴石)固體紅外光Nd:YLF(Nd:YLF(摻釹氟化釔鋰)固體紅外光1047Nd:YLF(Nd:YLF(摻釹氟化釔鋰)固體紅外光1053CO2氣體遠(yuǎn)紅外光Ho：YAG（鈥激光）固體紅外光2010～2020Ho：YLF（鈥激光）固體紅外光2020～2030Nd：YAG倍頻固體綠光Nd：YAG三倍頻固體藍(lán)光Nd：YAG四倍頻固體紫外半導(dǎo)體激光器（GaAlAs）固體紅外光750～850632.8106010600532355266第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日頻率為4.7×1014Hz，頻率寬度為=1.5×109譜線寬度例如，氖放電管發(fā)射的光波為圖中所示，中心Hz，氖放電管如長100cm，相鄰二共振頻率之差Hz

原子發(fā)光時間和頻率寬度成反比，●發(fā)光時間理想的單色光：頻率寬度，●●任何光源，和都有一定大小。這就要求第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日A、橫波的偏振性振動面：光矢量E與傳播方向組成的平面。偏振:E的振動方向?qū)鞑シ较虻牟粚ΨQ性。光矢量振動面v0HE只有橫波才有偏振現(xiàn)象1.5偏轉(zhuǎn)特性偏振態(tài):光矢量在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)的振動狀態(tài)。第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日B、線偏振光E播傳方向振動面線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解EEyEx

yx·面對光的傳播方向看第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，右旋圓偏振光的電矢量隨時間變化順時針旋轉(zhuǎn)右旋圓偏振光在三維空間中電矢量左旋在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的大小不變，但隨時間以角速度旋轉(zhuǎn)，其末端的軌跡是圓。這種光叫做圓偏振光。某一固定時刻t0，在傳播方向上各點(diǎn)對應(yīng)的光矢量的端點(diǎn)軌跡是螺旋線.隨著時間推移，螺旋線以相速前移。C、圓偏振光束第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日徑向偏振光與環(huán)向偏振光的形成-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.D、徑向偏振光與環(huán)向偏振光第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日E、偏振光束的產(chǎn)生常用反射鏡表面對10.6um光波的反射率(%)反射鏡對不同偏振方向入射光束的反射率第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日P-waveS-waveMainangle0153045607590

金屬反射率1.00.80.60.40.20.0Angleofincidence

第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日CO2激光器常用激光諧振腔尾鏡窗口單折腔U形多折腔矩形多折腔非偏振光線偏振光線偏振光第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日思考題：分析非穩(wěn)波導(dǎo)混合腔輸出光束偏振特性P-waveS-waveMainangle0153045607590

1.00.80.60.40.20.0Angleofincidence

第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日徑向偏振光的產(chǎn)生-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日SiliconTi-layerCu-layer12μm5.2μm4.8μm具有偏振選擇性的衍射鏡結(jié)構(gòu)a:用于產(chǎn)生徑向偏振光的結(jié)構(gòu)b:用于產(chǎn)生環(huán)向偏振光的結(jié)構(gòu)反射系數(shù):平行于徑向的電場矢量為94%，垂于徑向的電場矢量72%第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日具有偏振選擇性的衍射鏡第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日諧振腔后鏡模型:W錐形鏡(左)和錐形鏡(右)MasamoriEndo應(yīng)用W錐形鏡作為諧振腔尾鏡來產(chǎn)生徑向偏振光第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日W錐形鏡諧振腔原理圖諧振腔后鏡由兩部分組成,分別是W錐形鏡和錐形鏡.第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日F、偏