激光與物質(zhì)相互作用第二講基礎(chǔ)1課件

激光與物質(zhì)相互作用第一章激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)

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Email：提綱二、材料對激光的反射與吸收三、激光作用材料的能量傳輸

四、本章小結(jié)一、激光束的特性與描述一、激光束的特性與描述1.1激光束的特點1.2激光束的空間特性1.3激光束的空間特性1.4激光束的頻譜特性1.5激光束的偏振特性一、激光束的特性與描述思考題1、從激光束的特性分析，激光束為什么能用于熱加工，對激光與物質(zhì)相互作用有什么益處？2、如何理解M2因子是一個不變量？3、理解聚焦半徑、焦深之間的關(guān)系，如何應(yīng)用？1.1激光束的特點（1）方向性好（發(fā)散角～10-4弧度）一束激光射到～38萬km的月球上，光斑的直徑只有～2km手電筒的光射到～m處，擴(kuò)展成很大的光斑。對加工的意義：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度高。利用激光準(zhǔn)直儀可使長為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm.激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測距就是利用方向性好這一特性。（2）單色性好單色性最好的氪燈Kr86

Δ=4.7×10-3nm

穩(wěn)頻He—Ne激光器

激光的單色性比普通光高倍.對加工的意義：與相干性好對應(yīng)，另外，聚焦球差小由于激光的單色性好，為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。在工業(yè)上，激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進(jìn)行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的激光武器（a）時間相干性：波場中同一點不同時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。描述時間相干性的等效物理量：①相干時間：②相干長度：③譜線寬度：（b）空間相干性：波場中不同點在同一時刻光波場特性的相關(guān)性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。（4）相干性好普通光源的缺陷：增大相干面積、相干長度與增大相干光強(qiáng)是矛盾的！激光光源：是把大的相干光強(qiáng)與好的相干性結(jié)合起來的強(qiáng)相干光源。激光相干性空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。時間相干性好（～10-8埃），相干長度可達(dá)幾十公里。普通光源的光是向四面八方發(fā)射的，光能無法高度集中。普通光源上不同點發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂無章的，經(jīng)過透鏡后也不可能會聚在一點上。

激光與普通光相比則大不相同。因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來。1.2激光束的空間特性A光束半徑（a）1/e2定義：對于旋轉(zhuǎn)對稱光束，在光強(qiáng)（光功率密度）分布曲線I(r)上（r為徑向坐標(biāo)），最大值Imax的1/e2處二點間距離之半定義為束寬（b）86.5%環(huán)圍功率（能量）：即光強(qiáng)分布曲線I（r）上占總功率（能量）86.5％處二點間距離之半定義束寬（c）二階矩陣定義：

首先定義光束的重心B、光束傳輸與特征參數(shù)的定義高斯光束傳輸公式：Z0：束腰位置；W0：束腰半徑；：遠(yuǎn)場發(fā)散角D、橫向模式矩形厄米高斯光束圓形拉蓋爾高斯光束平凹腔的數(shù)值計算計算的光束質(zhì)量參數(shù)不同焦距不同光斑大小1.2光束的空間特性小結(jié)A、光束半徑定義B、光束傳輸與特征參數(shù)的定義C、光束傳輸因子K與衍射倍率因子M2D、橫向模式E、光束的聚焦1.3時間特性激光束可分為連續(xù)激光和脈沖激光；脈沖激光主要參數(shù)包括脈沖波形和寬度、脈沖頻率、峰值功率、平均功率等參數(shù)。頻率為4.7×1014Hz，頻率寬度為

=1.5×109譜線寬度例如，氖放電管發(fā)射的光波為圖中所示，中心Hz，氖放電管如長100cm，相鄰二共振頻率之差Hz

原子發(fā)光時間和頻率寬度成反比，●發(fā)光時間理想的單色光：頻率寬度，●●任何光源，和都有一定大小。這就要求A、橫波的偏振性振動面：光矢量E與傳播方向組成的平面。偏振:E的振動方向?qū)鞑シ较虻牟粚ΨQ性。光矢量振動面v0HE只有橫波才有偏振現(xiàn)象1.5偏轉(zhuǎn)特性偏振態(tài):光矢量在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)的振動狀態(tài)。B、線偏振光E播傳方向振動面線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解EEyEx

yx·面對光的傳播方向看在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，右旋圓偏振光的電矢量隨時間變化順時針旋轉(zhuǎn)右旋圓偏振光在三維空間中電矢量左旋在垂直于光傳播方向的固定平面內(nèi)，光矢量的大小不變，但隨時間以角速度旋轉(zhuǎn)，其末端的軌跡是圓。這種光叫做圓偏振光。某一固定時刻t0，在傳播方向上各點對應(yīng)的光矢量的端點軌跡是螺旋線.隨著時間推移，螺旋線以相速前移。C、圓偏振光束徑向偏振光與環(huán)向偏振光的形成-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.D、徑向偏振光與環(huán)向偏振光E、偏振光束的產(chǎn)生常用反射鏡表面對10.6um光波的反射率(%)反射鏡對不同偏振方向入射光束的反射率P-waveS-waveMainangle0153045607590

金屬反射率1.00.80.60.40.20.0Angleofincidence

CO2激光器常用激光諧振腔尾鏡窗口單折腔U形多折腔矩形多折腔非偏振光線偏振光線偏振光思考題：分析非穩(wěn)波導(dǎo)混合腔輸出光束偏振特性P-waveS-waveMainangle0153045607590

1.00.80.60.40.20.0Angleofincidence

徑向偏振光的產(chǎn)生-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.SiliconTi-layerCu-layer12μm5.2μm4.8μm具有偏振選擇性的衍射鏡結(jié)構(gòu)a:用于產(chǎn)生徑向偏振光的結(jié)構(gòu)b:用于產(chǎn)生環(huán)向偏振光的結(jié)構(gòu)反射系數(shù):平行于徑向的電場矢量為94%，垂于徑向的電場矢量72%具有偏振選擇性的衍射鏡諧振腔后鏡模型:W錐形鏡(左)和錐形鏡(右)MasamoriEndo應(yīng)用W錐形鏡作為諧振腔尾鏡來產(chǎn)生徑向偏振光W錐形鏡諧振腔原理圖諧振腔后鏡由兩部分組成,分別是W錐形鏡和錐形鏡.F、偏振光束的轉(zhuǎn)換與應(yīng)用反射式相位延遲器P-waveS-waveMainangle0153045607590

金屬表面反射率1.00.80.60.40.20.0Angleofincidence

FresnellawPS圓偏振光與徑向偏振光切割對比