激光与物质相互作用第二讲(基础)

设计：李波,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,设计：李波,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,设计：李波,项目实施后,积极推动我国激光产业技术进步,提升激光产业国际竞争力,提高区域经济总量和质量,支撑我国国民经济支柱产业的发展,结束语,激光与物质相互作用,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）,Email,：,朱海红 博士 教授,电话：,027,87544774,（办公室）,Email,：,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,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,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,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,M,2,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？,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。,（,2,）单色性好,单色性最好的氪灯,Kr,86,=4.7,10,-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。,（,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,10,3,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。,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,（,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。,激光相干性,空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。,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。,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。,1.2,激光束的空间特性,A,光束半径,（,a,）,1/e,2,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,I,max,的,1/e,2,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,（,c,）二阶矩阵定义：,首先定义光束的重心,B,、光束传输与特征参数的定义,高斯光束传输公式：,Z,0,：束腰位置；,W,0,：束腰半径；,：远场发散角,C,、光束传输因子,K,与衍射倍率因子,M,2,光束传输过程中，,M,2,因子是一个不变量,光束参数乘积（,BPP,）,D,、横向模式,矩形厄米高斯光束,圆形拉盖尔高斯光束,平凹腔的数值计算,计算的光束质量参数,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,不同焦距,不同光斑大小,不同光束质量,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,M,2,D,、横向模式,E,、光束的聚焦,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。,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,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,2010,2020,Ho,：,YLF,（钬激光）,固体,红外光,2020,2030,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,750,850,632.8,1060,10600,532,355,266,频率为,4.710,14,Hz,，频率宽度为,=1.510,9,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,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,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,v,0,H,E,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。,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,E,E,y,E,x,y,x,面对光的传播方向看,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,t,0,，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,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 Design Inc.,D,、,径向偏振光与环向偏振光,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,P-,wave,S-wave,Main angle,0 15 30 45 60 75 90,金属反射率,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,Angle of incidence,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,思考题：分析非稳波导混合腔输出光束偏振特性,P-,wave,S-wave,Main angle,0 15 30 45 60 75 90,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,Angle of incidence,径向偏振光的产生,-ThemeGallery,is a Design Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.,Silicon,Ti-layer,Cu-layer,12m,5.2m,4.8m,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%,具有偏振选择性的衍射镜,谐振腔后镜模型,:W,锥形镜,(,左,),和锥形镜,(,右,),Masamori Endo,应用,W,锥形镜作为谐振腔尾镜来产生径向偏振光,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,.,F,、,偏振光束的转换与应用,反射式相位延迟器,P-,wave,S-wave,Main angle,0 15 30 45 60 75 90,金属表面反射率,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.0,Angle of incidence,Fresnel law,P,S,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,1.5,2,倍。,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,Thank You!,华中科技大学,光电子科学与工程学院,