激光与物质相互作用第二讲基础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： 027 87541774（办公室mail： 朱海红 博士 教授电话： 027 87544774（办公室mail： 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 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 He Ne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亮度经太阳光高出 7 14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。 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） 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 M2D、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 nmN2 气体 紫外光 337.1He-Ne 气体 可见光红宝石 Cr3+ 固体 可见光 694.3Nd： YAG(掺钕的钇铝石榴石 ) 固体 红外光Nd:YLF(Nd:YLF(掺钕氟化钇锂 ) 固体 红外光 1047Nd:YLF(Nd:YLF(掺钕氟化钇锂 ) 固体 红外光 1053CO2 气体 远红外光Ho： YAG（钬激光） 固体 红外光 2010 2020Ho： YLF（钬激光） 固体 红外光 2020 2030Nd： 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 750 850632.8106010600532355266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