1.1 激光光束

1概述 激光laser lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 理论基础 光与物质之间的共振相互作用是激光器发光的物理基础 1900年普郎克提出量子化假说 成功地解释了黑体辐射的实验规律 1913年波尔又利用量子化假说 成功地解释了氢原子光谱的实验规律 在此基础上 Einstain于1917年首次提出了原子或分子可以在光的激励下产生光子的受激发射或吸收 受激辐射的概念四十年后 这个概念在激光技术中得到了广泛的应用 50年代电子学 微波技术的应用提出了将无线电技术从微波 1cm量级 光波 1 m量级 的需求 需要振荡器 微波振荡器 在一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔中利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡 光 1954美国C H Townes 汤斯1964诺贝尔物理奖 等提出利用受激辐射来放大电磁波的新概念 开辟了利用原子 分子 中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波 1958年汤斯和肖洛 ArthurL Schawlow 提出了应用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现激光器的新思想 布隆伯根 NicolaasBloembergen 提出利用光泵浦三能级原子系统原子数反转分布的新构思 美国修斯公司实验室梅曼 TheodoreH Maiman 1960年演示了世界第一台红宝石固态激光器 实验证实激光确实具有理论预期的完全不同于普通光的性质 单色性 方向性和相干性 1960 5 17 TedMaiman发明第一台激光器 第一台红宝石激光器的拆卸图 Laser突破了非相干光源单色亮度低 在介质中中传播时因吸收而不断减弱的缺陷 当泵浦光通过激光介质并有适当的谐振腔时 发生受激发射 形成出射光强远大于入射光强 相位整齐 亮度高 方向性好 强度高的相干光 为信息处理提供了稳定的媒介 激光的出现是光学 光谱学 电子学发展到一定阶段的产物 从根本上赋予了古老的光学技术以新的强大生命力 随着激光的出现 人们对光与物质相互作用过程的研究变得空前活跃 导致了激光物理学 非线性光学 半导体光电子学 导波光学和相干光学等一系列新学科的涌现 激光的出现还把无线电技术与光学技术相互沟通了起来 使二者相互渗透 相互补充 开辟了一系列无线电和光学应用的新领域 使非线性光学 超快过程研究 信息光学等得到了迅速的发展 激光器应用 工业加工 测量 快速成型 准直 光刻 光盘通讯半导体激光器 放大器航天测距军事雷达 制导 测距 制盲医学手术刀 眼科 皮肤科 结石 血管 光镊科研 工业应用 g n3 医学 测距 敌我识别 通信 制导 军事应用 惯性约束聚变 ICF 磁约束核聚变 MCF 理想新能源 受控热核聚变能 资源丰富经济洁净安全 受控热核聚变反应 惯性约束聚变 ICF 优点 条件 温度条件 T 1亿度 劳逊条件 n 在极短时间内使靶丸表面形成高温等离子体 等离子体膨胀向外爆炸的反作用力产生相当于十亿倍大气压力的向心聚爆压力 将氘氚等离子体压缩到高温 高密度状态 使之在中心 点火 引起氘氚燃料核聚变反应 典型高功率固体激光装置图 美国里弗莫尔实验室NOVA装置 1984 主放级 MOPA构型激光束数 10束激光波长 0 35 m激光能量 20KJ 3w40KJ 3w工作脉宽 1 3ns驱动方式 间接驱动 美国里弗莫尔实验室NIF装置 在建 主放级 多程放大 四程 激光束数 192束光束口径 40cm 40cm激光波长 0 35 m激光能量 1 8MJ 3w峰值功率 500TW工作脉宽 3 5ns驱动方式 直接 间接 神光 I激光装置 上海1986 主放级 MOPA构型激光束数 2束激光波长 1 054 m激光能量 1 6KJ 1w工作脉宽 1ns峰值功率 1012W驱动方式 间接驱动 神光 II激光装置 上海2000 主放级 多程放大 双程 激光束数 8束激光波长 0 35 m激光能量 4 8 6KJ 1w3KJ 3w工作脉宽 1ns驱动方式 间接驱动 科研 神光 III原型装置 中物院在建 主放级 多程放大 四程 激光束数 8束光束口径 30cm 30cm激光波长 0 35 m激光能量 10KJ 1w工作脉宽 1 5ns驱动方式 间接驱动 课程大致可分为三部分 第一部分 讲授光学谐振腔理论 速率方程理论 激光器的振荡特性第二部分 讲授激光振荡半经典理论 第三部分 激光的全量子理论 教材 激光物理 作者 卢亚雄等北京邮电大学出版社 2005 参考书 1 激光物理导论 作者 章若冰2 激光物理 作者 钱梅珍等3 激光光学 作者 吕百达4 激光原理 作者 周炳琨5 激光物理基础 作者 王雨三 张中华 出版社 哈尔滨工业大学出版社 2004 2 第一章激光光束 1 2 2光线传播的矩阵表达式 光学变换矩阵是指傍轴 近轴 光线通过光学元件后 描述其传播特性的参数发生变化的矩阵表达方法 任何一条近轴光线在一给定横截面内都可以用两个坐标参数来表征 一个是光线离轴线的距离r 另一个是光线与轴线之间的夹角 符号规定 光线位置在轴线上方时r 0取正 否则取负光线的出射方向在轴线上方时 取正 否则取负 0 r 0 z r 0 0 0 r 0 z r 0 0 球面镜 凹面镜R 0 凸面镜R 0 通过光学元件后 坐标向量的变化可用下边的矩阵形式表示 T 该光学元件的光学变换矩阵 其满足 1 2 12 1 2 10 一 自由空间传播L距离 近轴光线 1很小 有tg 1 1 故有 写成矩阵表达形式为 二 球面反射镜 凹面反射镜为例 O为反射镜面曲率中心 A为光线入射点 OA为曲率半径 用R表示 为入射或反射线与A点处镜面法线间夹角 为AB所对圆心角 得到球面反射镜的光学变换矩阵为 对凸面镜 只要R取负即可 对平面反射镜 R取 变换矩阵表 当光线顺序穿过变换矩阵分别为T1 T2 Tm的m个光学元件组成的光学系统时 该系统的变换矩阵等于这些元件各自的变换矩阵反序的乘积 即 1 2 11 1 2 3Collins公式 马卢斯 malus 定理 任何没有像散的成像系统中 沿任何成像路径所测量的光程应该相等 O1 O2 Q1 Q2 P1 P2 R1 R2 z 1 2