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，成功地解釋了黑體輻射的實驗規(guī)律。1913年波爾又利用量子化假說，成功地解釋了氫原子光譜的實驗規(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，這個概念在激光技術(shù)中得到了廣泛的應用。 50年代電子學、微波技術(shù)的應用提出了將無線電技術(shù)從微波(1cm量級

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

3、n)1960年演示了世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器。 實驗證實激光確實具有理論預期的完全不同于普通光的性質(zhì)：單色性、方向性和相干性。1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺激光器發(fā)明第一臺激光器第一臺紅寶石激光器的拆卸圖第一臺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)中中傳播時因吸收而不斷減弱的缺陷,當泵浦光通過激光介質(zhì)并有適當?shù)闹C振腔時,發(fā)生受激發(fā)射,形成出射光強遠大于人射光強、相位整齊、亮度高、方向性好、強度高的相干光,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、光譜學、電子學發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物,從根本上賦予了古老的光學技術(shù)以新的強大生命力。 F

4、隨著激光的出現(xiàn),人們對光與物質(zhì)相互作用過程的研究變得空前活躍,導致了激光物理學、非線性光學、半導體光電子學、導波光學和相干光學等一系列新學科的涌現(xiàn);激光的出現(xiàn)還把元線電技術(shù)與光學技術(shù)相互溝通了起來,使二者相互滲透,相互補充,開辟了一系列無線電和光學應用的新領(lǐng)域,使非線性光學、超快過程研究、信息光學等得到了迅速的發(fā)展。 激光器應用F工業(yè) 加工，測量，快速成型，準直，光刻，光盤F通訊 半導體激光器，放大器F航天 測距F軍事 雷達，制導，測距，制盲F醫(yī)學 手術(shù)刀，眼科，皮膚科，結(jié)石，血管，光鑷F科研工業(yè)應用工業(yè)應用gn3醫(yī)學測距，敵我識別，通信，制導軍事應用軍事應用慣性約束聚變（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熱核聚變能受控熱核聚變能資源豐富資源豐富 經(jīng)經(jīng) 濟濟 潔潔 凈凈 安安 全全受控熱核聚變反應受控熱核聚變反應慣性約束聚變慣性約束聚變 （ICF）優(yōu)優(yōu) 點點條條 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在極短時間內(nèi)使靶丸表面形成高溫等離子體，等離子體在極短時間內(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“點火點火”，引起氘氚燃料核聚變反應。，引起氘氚燃料核聚變反應。 典型高功率固體激光裝置圖 美國里弗莫爾實驗室 NOVANOVA 裝置(1984)主放級：主放級：MOPA構(gòu)型構(gòu)型激光束數(shù)：激光束數(shù)：10束束激光波長：激光波長：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)動方式：間接驅(qū)動驅(qū)動方式：間接驅(qū)動 美國里弗莫爾實驗室 NIF 裝置(在建)主放級：多程放大（四程）主放級：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：激光波長：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)動方式：直接驅(qū)動方式：直接&間接間接 神光-I 激光裝置（上海 1986）主放級：主放級：MOPA構(gòu)型構(gòu)型激光束數(shù)：激光束數(shù)：2束束激光波長：激光波長：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)動方式：間接驅(qū)動驅(qū)動方式：間接驅(qū)動神光-II 激光裝置（上海 2000）主放級主放級 ：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：激光波長：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)動方式：間接驅(qū)動驅(qū)動方式：間接驅(qū)動科研神光

8、-III原型裝置（中物院 在建）主放級：多程放大主放級：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：激光波長：0.35m激光能量：激光能量：10KJ/1w工作脈寬：工作脈寬：15ns驅(qū)動方式：間接驅(qū)動驅(qū)動方式：間接驅(qū)動課程大致可分為三部分第一部分：講授光學諧振腔理論、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出版社,2005參考書參考書1、激光物理導論，作者：章若冰2.激光物理，作者：錢梅珍等3.激光光學，作者：呂百達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)大學出版社，2004.2第一章 激光光束1.2.2 光線傳播的矩陣表達式F光學變換矩陣是指傍軸(近軸)光線通過光學元件后，描述其傳播特性的參數(shù)發(fā)生變化的矩陣表達方法。F任何一條近軸光線在一給定橫截面內(nèi)都可以用兩個坐標參數(shù)來表征，一個是光線離軸線的距離r，另一個是光線與軸線之間的夾角。F符號規(guī)定:F光線位置在軸線上方時r0取正，否則取負F光線的出射方向在軸線上方時取正，否則取負。0r0zr00r0zr00，凸面鏡R0。F通過光學元件后，坐標向量的變化可用下邊的矩陣形式表示：1122rTrT:該光學元件的光學變換矩陣，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寫成矩陣表達形式為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，OA為曲率半徑，用R表示，為入射或反射線與A點處鏡面法線間夾角，為AB所對圓心角。21rr )2(121Rr1F得到球面反射鏡的光學變換矩陣為：1122rR1201R 對凸面鏡只要對凸面鏡只要R取負即可。對平面反射取負即可。對平面反射鏡，鏡，R取取。21rr 變換矩陣表F當光線順序穿過變換矩陣分別為T1,T2,，Tm的m個光學

11、元件組成的光學系統(tǒng)時，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:任何沒有像散的成像系統(tǒng)中，沿任何成像路徑所測量的光程應該相等。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上場分布A1(