第一章 激光光束激光物理(研究生)

1、6 8 10 13 1625 491 概 述激光 laser light amplification by stimulated emission of radiation理論基礎(chǔ)： 光與物質(zhì)之間的共振相互作用是激光器發(fā)光的物理基礎(chǔ)。 1900年普郎克提出量子化假說(shuō)，成功地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。1913年波爾又利用量子化假說(shuō)，成功地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上， Einstain于1917年首次提出了原子或分子可以在光的激勵(lì)下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收。受激輻射的概念四十年后，這個(gè)概念在激光技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。 50年代電子學(xué)、微波技術(shù)的應(yīng)用提出了將無(wú)線電技術(shù)從微波(1cm量級(jí)

2、) 光波(1m量級(jí))的需求；需要振蕩器微波振蕩器在一個(gè)尺度和波長(zhǎng)可比擬的封閉的諧振腔中利用自由電子與電磁場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩。光？ 1954美國(guó)C. H. Townes（湯斯1964諾貝爾物理獎(jiǎng)）等提出利用受激輻射來(lái)放大電磁波的新概念，開(kāi)辟了利用原子（分子）中的束縛電子與電磁場(chǎng)的相互作用來(lái)放大電磁波1958年湯斯和肖洛(Arthur L. Schawlow)提出了應(yīng)用尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開(kāi)放式光諧振腔實(shí)現(xiàn)激光器的新思想。 布隆伯根(Nicolaas Bloembergen)提出利用光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)原子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)思。 美國(guó)修斯公司實(shí)驗(yàn)室梅曼(Theodore H. Maima

3、n)1960年演示了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器。 實(shí)驗(yàn)證實(shí)激光確實(shí)具有理論預(yù)期的完全不同于普通光的性質(zhì)：?jiǎn)紊?、方向性和相干性?960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺(tái)激光器發(fā)明第一臺(tái)激光器第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸圖第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸圖FLaser 突破了非相干光源單色亮度低、在介質(zhì)中中傳播時(shí)因吸收而不斷減弱的缺陷,當(dāng)泵浦光通過(guò)激光介質(zhì)并有適當(dāng)?shù)闹C振腔時(shí),發(fā)生受激發(fā)射,形成出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于人射光強(qiáng)、相位整齊、亮度高、方向性好、強(qiáng)度高的相干光,為信息處理提供了穩(wěn)定的載息媒介。F激光的出現(xiàn)是光學(xué)、光譜學(xué)、電子學(xué)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物,從根本上賦予了古老的光學(xué)技術(shù)以新的強(qiáng)大生命力。 F

4、隨著激光的出現(xiàn),人們對(duì)光與物質(zhì)相互作用過(guò)程的研究變得空前活躍,導(dǎo)致了激光物理學(xué)、非線性光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)和相干光學(xué)等一系列新學(xué)科的涌現(xiàn);激光的出現(xiàn)還把元線電技術(shù)與光學(xué)技術(shù)相互溝通了起來(lái),使二者相互滲透,相互補(bǔ)充,開(kāi)辟了一系列無(wú)線電和光學(xué)應(yīng)用的新領(lǐng)域,使非線性光學(xué)、超快過(guò)程研究、信息光學(xué)等得到了迅速的發(fā)展。 激光器應(yīng)用F工業(yè) 加工，測(cè)量，快速成型，準(zhǔn)直，光刻，光盤(pán)F通訊 半導(dǎo)體激光器，放大器F航天 測(cè)距F軍事 雷達(dá)，制導(dǎo)，測(cè)距，制盲F醫(yī)學(xué) 手術(shù)刀，眼科，皮膚科，結(jié)石，血管，光鑷F科研工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用gn3醫(yī)學(xué)測(cè)距，敵我識(shí)別，通信，制導(dǎo)軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用慣性約束聚變（慣性約束聚變（ICF

5、）磁約束核聚變磁約束核聚變 （MCF）理想新能源理想新能源受控?zé)岷司圩兡苁芸責(zé)岷司圩兡苜Y源豐富資源豐富 經(jīng)經(jīng) 濟(jì)濟(jì) 潔潔 凈凈 安安 全全受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)慣性約束聚變慣性約束聚變 （ICF）優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)條條 件件溫度條件（溫度條件（T1億度）億度）勞遜條件（勞遜條件（n）F在極短時(shí)間內(nèi)使靶丸表面形成高溫等離子體，等離子體在極短時(shí)間內(nèi)使靶丸表面形成高溫等離子體，等離子體膨脹向外爆炸的反作用力產(chǎn)生相當(dāng)于十億倍大氣壓力的膨脹向外爆炸的反作用力產(chǎn)生相當(dāng)于十億倍大氣壓力的向心聚爆壓力，將氘氚等離子體壓縮到高溫、高密度狀向心聚爆壓力，將氘氚等離子體壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，使之在中心態(tài)，使之在

6、中心“點(diǎn)火點(diǎn)火”，引起氘氚燃料核聚變反應(yīng)。，引起氘氚燃料核聚變反應(yīng)。 典型高功率固體激光裝置圖 美國(guó)里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室 NOVANOVA 裝置(1984)主放級(jí)：主放級(jí)：MOPA構(gòu)型構(gòu)型激光束數(shù)：激光束數(shù)：10束束激光波長(zhǎng)：激光波長(zhǎng)：0.35m激光能量：激光能量：20KJ/3w 40KJ/3w工作脈寬：工作脈寬：13ns驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng) 美國(guó)里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室 NIF 裝置(在建)主放級(jí)：多程放大（四程）主放級(jí)：多程放大（四程）激光束數(shù)：激光束數(shù)：192束束光束口徑：光束口徑：40cm40cm激光波長(zhǎng)：激光波長(zhǎng)：0.35m激光能量：激光能量：1.8MJ/3w峰值功率：峰值功率：50

7、0TW工作脈寬：工作脈寬：35ns 驅(qū)動(dòng)方式：直接驅(qū)動(dòng)方式：直接&間接間接 神光-I 激光裝置（上海 1986）主放級(jí)：主放級(jí)：MOPA構(gòu)型構(gòu)型激光束數(shù)：激光束數(shù)：2束束激光波長(zhǎng)：激光波長(zhǎng)：1.054m激光能量：激光能量：1.6KJ/1w工作脈寬：工作脈寬：1ns峰值功率：峰值功率：1012 W驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng)神光-II 激光裝置（上海 2000）主放級(jí)主放級(jí) ：多程放大：多程放大 （雙程）（雙程）激光束數(shù)：激光束數(shù)：8束束激光波長(zhǎng)：激光波長(zhǎng)：0.35m激光能量：激光能量：4.86KJ/1w 3KJ/3w工作脈寬：工作脈寬：1ns驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng)科研神光

8、-III原型裝置（中物院 在建）主放級(jí)：多程放大主放級(jí)：多程放大 （四程）（四程）激光束數(shù)：激光束數(shù)：8束束光束口徑：光束口徑：30cm30cm激光波長(zhǎng)：激光波長(zhǎng)：0.35m激光能量：激光能量：10KJ/1w工作脈寬：工作脈寬：15ns驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式：間接驅(qū)動(dòng)課程大致可分為三部分第一部分：講授光學(xué)諧振腔理論、速率方程理論、激光器的振蕩特性第二部分：講授激光振蕩半經(jīng)典理論。第三部分：激光的全量子理論。教材：激光物理 作者：盧亞雄等北京郵電大學(xué)出版社,2005參考書(shū)參考書(shū)1、激光物理導(dǎo)論，作者：章若冰2.激光物理，作者：錢(qián)梅珍等3.激光光學(xué)，作者：呂百達(dá)4.激光原理，作者：周炳琨5.

9、激光物理基礎(chǔ) 作者：王雨三、張中華， 出版社：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.2第一章 激光光束1.2.2 光線傳播的矩陣表達(dá)式F光學(xué)變換矩陣是指傍軸(近軸)光線通過(guò)光學(xué)元件后，描述其傳播特性的參數(shù)發(fā)生變化的矩陣表達(dá)方法。F任何一條近軸光線在一給定橫截面內(nèi)都可以用兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù)來(lái)表征，一個(gè)是光線離軸線的距離r，另一個(gè)是光線與軸線之間的夾角。F符號(hào)規(guī)定:F光線位置在軸線上方時(shí)r0取正，否則取負(fù)F光線的出射方向在軸線上方時(shí)取正，否則取負(fù)。0r0zr00r0zr00，凸面鏡R0。F通過(guò)光學(xué)元件后，坐標(biāo)向量的變化可用下邊的矩陣形式表示：1122rTrT:該光學(xué)元件的光學(xué)變換矩陣，其滿足：DCBAT21d

10、etnnBCADT(1.2.12)(1.2.10)一、自由空間傳播L距離F近軸光線，1很小，有tg11 。故有Lr1r2z1212112tgLrr1寫(xiě)成矩陣表達(dá)形式為1122101rLr近軸近似近軸近似二、球面反射鏡F凹面反射鏡為例。O為反射鏡面曲率中心，A為光線入射點(diǎn)，OA為曲率半徑，用R表示，為入射或反射線與A點(diǎn)處鏡面法線間夾角，為AB所對(duì)圓心角。21rr )2(121Rr1F得到球面反射鏡的光學(xué)變換矩陣為：1122rR1201R 對(duì)凸面鏡只要對(duì)凸面鏡只要R取負(fù)即可。對(duì)平面反射取負(fù)即可。對(duì)平面反射鏡，鏡，R取取。21rr 變換矩陣表F當(dāng)光線順序穿過(guò)變換矩陣分別為T(mén)1,T2,，Tm的m個(gè)光學(xué)

11、元件組成的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)的變換矩陣等于這些元件各自的變換矩陣反序的乘積，即11TTTTmm (1.2.11)1.2.3 Collins公式公式F馬盧斯(malus)定理:任何沒(méi)有像散的成像系統(tǒng)中，沿任何成像路徑所測(cè)量的光程應(yīng)該相等。O1O2Q1Q2DCBAP1P2R1R2z2201221122112211OQLOQOQQOR)r ,r(LROPPO(1.2.14)22222212111122RrQORRrQORF由ABCD定律有212221021221rrDrArBL)r ,r(L2222),(22110222121021rrLRrRrLrrL112112DCrBArrBArr121BrDr122(1.2.17)若參考平面RP1及RP2處的折射率分別為n1和n2，則(1.2.17)修改為211222211021221rrnrDnrAnBL)r ,r(L(1.2.18)F假設(shè)RP1上場(chǎng)分布A1(