激光与物质相互作用第二讲基础.ppt

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1、设计：李波设计：李波激光与物质相互作用激光与物质相互作用大学本科课程大学本科课程大学本科课程大学本科课程第一章第一章 激光与物质相互作用基础激光与物质相互作用基础 秦应雄秦应雄 博士博士 副教授副教授 电话：电话：02787541774（办公室）（办公室）Email：朱海红朱海红 博士博士 教授教授 电话：电话：02787544774（办公室）（办公室）Email：设计：李波设计：李波提纲提纲二、材料对激光的反射与吸收二、材料对激光的反射与吸收三、激光作用材料的能量传输三、激光作用材料的能量传输 四、本章小结四、本章小结一、激光束的特性与描述一、激光束的特性与描述设计：李波设计：李波一、激光束

2、的特性与描述一、激光束的特性与描述1.1 1.1 激光束的特点激光束的特点1.2 1.2 激光束的空间特性激光束的空间特性1.3 1.3 激光束的空间特性激光束的空间特性1.4 1.4 激光束的频谱特性激光束的频谱特性1.5 1.5 激光束的偏振特性激光束的偏振特性设计：李波设计：李波+平行的+单色的+相干的 高功率密度高功率密度 非接触非接触 无磨损无磨损 高精度高精度a)激光激活介质激光激活介质 (气体,固体 或 半导体)b)激励源激励源 (泵浦灯,半导体 或 放电激励)c)光学谐振腔光学谐振腔 (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)产生产生特性特性优势

3、优势激光激光设计：李波设计：李波一、激光束的特性与描述一、激光束的特性与描述思考题思考题1 1、从激光束的特性分析，激光束为什么、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能用于热加工，对激光与物质相互作用有什么益处？有什么益处？2 2、如何理解、如何理解M M2 2因子是一个不变量？因子是一个不变量？3 3、理解聚焦半径、焦深之间的关系，如、理解聚焦半径、焦深之间的关系，如何应用？何应用？设计：李波设计：李波1.1 1.1 激光束的特点激光束的特点（1 1）方向性好方向性好 （发散角（发散角10 10-4-4弧度）弧度）一束激光射到一束激光射到3838万万kmkm的月

4、球的月球上，光斑的直径只有上，光斑的直径只有2km2km手电筒的光射到手电筒的光射到m m处，处，扩展成很大的光斑。扩展成很大的光斑。对加工的意义：对加工的意义：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度高。密度高。利用激光准直仪可使利用激光准直仪可使长为的隧道掘进偏差不超长为的隧道掘进偏差不超过过16nm.激光准直、导向和测距就是利激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。用方向性好这一特性。设计：李波设计：李波（2 2）单色性好单色性好单色性最好的氪灯单色性最好的氪灯Kr86 10-3 nm 稳频稳频HeNe激光器激光器 激光的单色性比普通光高激光的单色性比普通光

5、高 倍倍.对加工的意义：对加工的意义：与相干性好对应，另外，与相干性好对应，另外，聚焦球差小聚焦球差小 由于激光的单色性好，为由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。极为有利的手段。设计：李波设计：李波（3 3）亮度极高）亮度极高 激光是当代最亮的光源，只有氢弹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。爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是太阳光亮度大约是10103 3瓦瓦(厘米厘米2 2.球面球面度度)，而一台大功率激光器的输出光亮，而一台大功率激光器的输出光亮度经

6、太阳光高出度经太阳光高出7 71414个数量级。个数量级。设计：李波设计：李波激光的能量在空间上、在时间上高度集中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光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。瞬间产生出巨大的光热。在工业上，激光打孔、切割和焊接。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。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在在测测绘绘方方面面，可可以以进进行行地地球球到到月月球球之之间间距距离离的的测量和卫星大地测量。测量和卫星大地测量。在在军军事事领领域域，可可以

7、以制制成成摧摧毁毁敌敌机机和和导导弹弹的的激激光光武器武器 设计：李波设计：李波（a a）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特）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。性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。描述时间相干描述时间相干性的等效物理性的等效物理量：量：相干时间：相干时间：相干长度：相干长度：谱线宽度：谱线宽度：（b b）空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性）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。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 4）相干性好相

8、干性好 普通光源的缺陷普通光源的缺陷：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是矛盾的！矛盾的！激光光源激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相干光源。干光源。设计：李波设计：李波激光相干性激光相干性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。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（时间相干性好（10-8埃），相干长度可达几十公里。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

9、源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱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。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。镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。设计：李波设计：李波小结小结（1 1）方向性好：）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度

10、高。密度高。（2 2）单色性好）单色性好:为精密度仪器测量和激励某些化学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。聚焦色反应等科学实验提供了极为有利的手段。聚焦色差小。差小。（3 3）亮度极高：能量密度高，能量光电子的应用基）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。础。材料加工、医疗、武器等。（4 4）相关性高：获得高的相关光强，从激光器发出）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。透镜把它们会聚到一点上，把能量高度

11、集中起来。设计：李波设计：李波1.2 1.2 激光束的空间特性激光束的空间特性A A 光束半径光束半径（a a）1/e1/e2 2 定义定义：对于旋转对称光束，在光强（光功率：对于旋转对称光束，在光强（光功率密度）分布曲线密度）分布曲线I(r)I(r)上（上（r r为径向坐标），最大值为径向坐标），最大值I Imaxmax的的1/e1/e2 2 处二点间距离之半定义为束宽处二点间距离之半定义为束宽（b b）86.5%86.5%环围功率（能量）环围功率（能量）：即光强分布曲线：即光强分布曲线I I（r r）上占总功率（能量）处二点间距离之半定义）上占总功率（能量）处二点间距离之半定义束宽束宽设计

12、：李波设计：李波（c c）二阶矩阵定义：）二阶矩阵定义：首先定义光束的重心首先定义光束的重心设计：李波设计：李波B B、光束传输与特征参数的定义、光束传输与特征参数的定义高斯光束传输公式：高斯光束传输公式：Z Z0 0：束腰位置；：束腰位置；W W0 0：束腰半径；：束腰半径；：远场发散角：远场发散角设计：李波设计：李波C C、光束传输因子、光束传输因子K K与衍射倍率因子与衍射倍率因子M M2 2光束传输过程中，光束传输过程中，M M2 2因子是一个不变量因子是一个不变量光束参数乘积（光束参数乘积（BPPBPP）设计：李波设计：李波D D、横向模式、横向模式矩形厄米高斯光束矩形厄米高斯光束设

13、计：李波设计：李波圆形拉盖尔高斯光束圆形拉盖尔高斯光束设计：李波设计：李波平凹腔的数值计算平凹腔的数值计算计算的光束质量参数计算的光束质量参数设计：李波设计：李波E E、光束的聚焦、光束的聚焦聚焦半径聚焦半径焦深：焦深：掌握聚焦半径、焦深与透镜焦距、光束本身参数的关系掌握聚焦半径、焦深与透镜焦距、光束本身参数的关系设计：李波设计：李波不同焦距不同焦距设计：李波设计：李波设计：李波设计：李波不同光斑大小不同光斑大小设计：李波设计：李波不同光束质量不同光束质量设计：李波设计：李波1.2 1.2 光束的空间特性小结光束的空间特性小结A A、光束半径定义、光束半径定义B B、光束传输与特征参数的定义、

14、光束传输与特征参数的定义C C、光束传输因子、光束传输因子K K与衍射倍率因子与衍射倍率因子M M2 2D D、横向模式、横向模式E E、光束的聚焦、光束的聚焦设计：李波设计：李波1.3 1.3 时间特性时间特性激光束可分为连续激光和脉冲激光；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、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。平均功率等参数。设计：李波设计：李波传统腔内短脉冲压缩传统腔内短脉冲压缩传统的短脉冲压缩传统的短脉冲压缩RamanRaman边频带的叠加边频带的叠加高次谐波的产生与叠加高次谐波的产生与叠加设计：李

15、波设计：李波1.4 1.4 频谱特性频谱特性波长、谱线宽度和轮廓等波长、谱线宽度和轮廓等常用激光器波长表常用激光器波长表激光器名称激光器名称介质介质光频数光频数波长波长nmnmN2N2气体气体紫外光紫外光337.1337.1He-NeHe-Ne气体气体可见光可见光红宝石红宝石Cr3+Cr3+固体固体可见光可见光694.3694.3NdNd：YAG(YAG(掺钕的钇铝石榴石掺钕的钇铝石榴石)固体固体红外光红外光Nd:YLF(Nd:YLF(Nd:YLFNd:YLF(掺钕氟化钇锂掺钕氟化钇锂)固体固体红外光红外光10471047Nd:YLF(Nd:YLF(Nd:YLFNd:YLF(掺钕氟化钇锂掺钕氟

16、化钇锂)固体固体红外光红外光10531053CO2CO2气体气体远红外光远红外光HoHo：YAGYAG（钬激光）（钬激光）固体固体红外光红外光2010201020202020HoHo：YLFYLF（钬激光）（钬激光）固体固体红外光红外光2020202020302030NdNd：YAGYAG倍频倍频固体固体绿光绿光NdNd：YAGYAG三倍频三倍频固体固体蓝光蓝光NdNd：YAGYAG四倍频四倍频固体固体紫外紫外半导体激光器（半导体激光器（GaAlAsGaAlAs）固体固体红外光红外光750750850850106010601060010600532532355355266266设计：李波设计：

17、李波频率为4.71014 Hz，频率宽度为=1.5109谱线宽度谱线宽度例如例如，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。这就要求设计：李波设计：李波A A、横波的偏振性、横波的偏振性振动面振动面：光矢量：光矢量E E与传播方向组成的平面。与传播方向组成的平面。偏振偏振:E:E的振动方向对传播方向的不对称性。的振动方向对传播方向的不对称性。光光矢矢量量振振动动面面v v0 0H HE E只有横波才有偏振现象只有横波才有偏振现象1.5 1.5 偏转

18、特性偏转特性偏振态偏振态:光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。设计：李波设计：李波B、线偏振光、线偏振光E E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光可沿线偏振光可沿两个相互垂直两个相互垂直的方向分解的方向分解E EE Ey yE Ex x y yx x 面对光的传播方向看面对光的传播方向看设计：李波设计：李波在垂直于光传播方向的平面在垂直于光传播方向的平面内，右旋圆偏振光的电矢量内，右旋圆偏振光的电矢量随时间变化顺时针旋转随时间变化顺时针旋转右旋圆偏振光在三维空间中右旋圆偏振光在三维空间中电矢量左旋电矢量左旋 在在垂垂直直于于光光传传播播方方向

19、向的的固固定定平平面面内内，光光矢矢量量的的大大小小不不变变，但但随随时时间间以以角角速速度度 旋旋转转，其其末末端端的的轨轨迹迹是是圆圆。这这种种光光叫叫做做圆圆偏偏振振光光。某某一一固固定定时时刻刻t t0 0，在在传传播播方方向向上上各各点点对对应应的的光光矢矢量量的的端点轨迹是螺旋线端点轨迹是螺旋线.随着时间推移，随着时间推移，螺旋线以相速前移。螺旋线以相速前移。C、圆偏振光束、圆偏振光束设计：李波设计：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 D

20、esign Inc.-ThemeGallery is a Design Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.D D、径向偏振光与环向偏振光径向偏振光与环向偏振光设计：李波设计：李波E E、偏振光束的产生偏振光束的产生常用反射镜表面对光波的反射率常用反射镜表面对光波的反射率(%)(%)反射镜对不同偏振方向入射光束的反射率反射镜对不同偏振方向入射光束的反射率设计：李波设计：李波P-waveS-waveMain angle0 15 30 45 60 75 90 金属反射率金属反射率Angle of incidence

21、 设计：李波设计：李波CO2CO2激光器常用激光谐振腔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非偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光设计：李波设计：李波思考题：分析非稳波导思考题：分析非稳波导混合腔输出光束偏振特混合腔输出光束偏振特性性P-waveS-waveMain angle0 15 30 45 60 75 90 1.00.80.60.40.20.0Angle of incidence 设计：李波设计：李波径向偏振光的产生径向偏振光的产生-ThemeGallery is a Design Digital Content&Contents mall developed

22、 by Guild Design Inc.设计：李波设计：李波SiliconTi-layerCu-layer12m5.2m4.8m具有偏振选择性的衍射镜结构具有偏振选择性的衍射镜结构a:a:用于产生径向偏振光的结构用于产生径向偏振光的结构b:b:用于产生环向偏振光的结构用于产生环向偏振光的结构反射系数反射系数:平行于径向的电场矢量为平行于径向的电场矢量为 94%94%，垂于径向的电场矢量，垂于径向的电场矢量 72%72%设计：李波设计：李波具有偏振选择性的衍射镜具有偏振选择性的衍射镜设计：李波设计：李波谐振腔后镜模型谐振腔后镜模型:W锥形镜锥形镜(左左)和锥形镜和锥形镜(右右)Masamori

23、 Endo应用应用W锥形镜作为谐振锥形镜作为谐振腔尾镜来产生径向偏振光腔尾镜来产生径向偏振光设计：李波设计：李波W W锥形镜谐振腔原理图锥形镜谐振腔原理图谐振腔后镜由两部分组成谐振腔后镜由两部分组成,分别是分别是W W锥形镜和锥形镜锥形镜和锥形镜.设计：李波设计：李波F F、偏振光束的转换与应用偏振光束的转换与应用反射式相位延迟器反射式相位延迟器设计：李波设计：李波P-waveS-waveMain angle0 15 30 45 60 75 90 金属表面反射率金属表面反射率 Angle of incidence Fresnel lawPS设计：李波设计：李波设计：李波设计：李波圆偏振光与径向

24、偏振光切割对比圆偏振光与径向偏振光切割对比 在在相相同同的的条条件件下下进进行行激激光光切切割割，径径向向偏偏振振光光R-R-TEM01*TEM01*比比圆圆偏偏振振光光TEM00TEM00的的效效率率高高，即即切切割割深深度度与与切切割割速速度的乘积值提高了度的乘积值提高了2 2倍。倍。设计：李波设计：李波1.5 1.5 光束偏振特性小结光束偏振特性小结A A、横波的偏振性、横波的偏振性B B、线偏振光、线偏振光C C、圆偏振光束、圆偏振光束D D、径向偏振光与环向偏振光径向偏振光与环向偏振光E E、偏振光束的产生偏振光束的产生F F、偏振光束的转换与应用偏振光束的转换与应用设计：李波设计：李波华中科技大学华中科技大学光电子科学与工程学院光电子科学与工程学院