第一章 激光光束 激光物理(研究生).ppt

§1 概 述 Laser 突破了非相干光源单色亮度低、在介质中中传播时因吸收而不断减弱的缺陷,当泵浦光通过激光介质并有适当的谐振腔时,发生受激发射,形成出射光强远大于人射光强、相位整齐、亮度高、方向性好、强度高的相干光,为信息处理提供了稳定的载息媒介。 激光的出现是光学、光谱学、电子学发展到一定阶段的产物,从根本上赋予了古老的光学技术以新的强大生命力。 随着激光的出现,人们对光与物质相互作用过程的研究变得空前活跃,导致了激光物理学、非线性光学、半导体光电子学、导波光学和相干光学等一系列新学科的涌现;激光的出现还把元线电技术与光学技术相互沟通了起来,使二者相互渗透,相互补充,开辟了一系列无线电和光学应用的新领域,使非线性光学、超快过程研究、信息光学等得到了迅速的发展。 激光器应用 工业 加工，测量，快速成型，准直，光刻，光盘 通讯 半导体激光器，放大器 航天 测距 军事 雷达，制导，测距，制盲 医学 手术刀，眼科，皮肤科，结石，血管，光镊 科研 工业应用 医学 惯性约束聚变（ICF） 美国里弗莫尔实验室 NIF 装置(在建) 神光-I 激光装置（上海 1986） 神光-II 激光装置（上海 2000） 科研 神光-III原型装置（中物院 在建） 第一章 激光光束 1.2.2 光线传播的矩阵表达式 光学变换矩阵是指傍轴(近轴)光线通过光学元件后，描述其传播特性的参数发生变化的矩阵表达方法。 任何一条近轴光线在一给定横截面内都可以用两个坐标参数来表征，一个是光线离轴线的距离r，另一个是光线与轴线之间的夹角θ。 符号规定: 光线位置在轴线上方时r0取正，否则取负 光线的出射方向在轴线上方时θ取正，否则取负。 球面镜：凹面镜R0，凸面镜R0。 通过光学元件后，坐标向量的变化可用下边的矩阵形式表示： 一、自由空间传播L距离 近轴光线，θ1很小，有tgθ1＝θ1 。故有 二、球面反射镜 凹面反射镜为例。O为反射镜面曲率中心，A为光线入射点，OA为曲率半径，用R表示，α为入射或反射线与A点处镜面法线间夹角，β为AB所对圆心角。 得到球面反射镜的光学变换矩阵为： 变换矩阵表 当光线顺序穿过变换矩阵分别为T1,T2,…，Tm的m个光学元件组成的光学系统时，该系统的变换矩阵等于这些元件各自的变换矩阵反序的乘积，即 1.2.3 Collins公式 马卢斯(malus)定理:任何没有像散的成像系统中，沿任何成像路径所测量的光程应该相等。 由ABCD定律有 假设RP1上场分布A1(r1)，RP2上场分布A2(r2)，根据菲涅耳衍射积分，有 θ0 r0 z r0 θ0 θ0 r0 z r0 θ0 T:该光学元件的光学变换矩阵，其满足： (1.2.12) (1.2.10) L r1 r2 z θ1 θ2 写成矩阵表达形式为 近轴近似 对凸面镜．只要R取负即可。对平面反射镜，R取∞。 (1.2.11) O1 O2 Q1 Q2 P1 P2 R1 R2 z (1.2.14) (1.2.17) 若参考平面RP1及RP2处的折射率分别为n1和n2，则(1.2.17)修改为 (1.2.18) 二维场，有 式中 (1.2.19) (1.2.20) (1.2.21) 电子科技大学 6 8 10 13 16 25 49 激光 laser —— light amplification by stimulated emission of radiation 理论基础： 光与物质之间的共振相互作用是激光器发光的物理基础。 1900年普郎克提出量子化假说，成功地解释了黑体辐射的实验规律。1913年波尔又利用量子化假说，成功地解释了氢原子光谱的实验规律。在此基础上， Einstain于1917年首次提出了原子或分子可以在光的激励下产生光子的受激发射或吸收。受激辐射的概念四十年后，这个概念在激光技术中得到了广泛的应用。 50年代电子学、微波技术的应用提出了将无线电技术从微波(1cm量级) 光波(1μm量级)的需求；需要振荡器 微波振荡器——在一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔中利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。光？ 1954美国C. H. Townes（汤斯1964诺贝尔物理奖）等提出利用受激辐射来放大电磁波的新概念，开辟了利用原子（分子）中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波 1958年汤斯和肖洛(Arthur L. Schawlow)提出了应用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现激光器的新思想。 布隆伯根(Nicolaas