高等激光技术7
激光原理及应用(第4版)课件 7-6[1页]
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加 是一种“绿色”消洗工艺，并且清洁度远远高于化学清洗工艺；
工 技
（2）清洗的对利象范围很广。
术 （3）激光清洗适用于几平所有固体基材。
§.
（4）激光清洗可以方便地实现自动化操作，还可利用光纤将激光引入污染区， 操作人员只需远距离具有重要的意义。
7 7.6.2 激光弯曲
6
其 他 激
1. 激光弯曲是一种柔性成形新技术，它利用激光加热产生不均匀的温度场诱发热 应力代替外力实现金属板料的成形。
光
加
工
技
术
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7.6.1 激光清洗技术
第 1.激光洁洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、颗粒、锈斑 七 或者涂层等附着物发生瞬间蒸发或者剥离、从而达到洁净化的工艺过程。 章
激 2.与普通的化学清洗法和机械清洗法相比．激光清洗具有如下特征：
光 （1）它是一种完全的“干式”清洗过程，不需要使用清洁液或者其它化学溶液，
超长波长激光技术及其应用
超长波长激光技术及其应用随着科技的不断进步，激光技术在生产制造、医疗、军事、通信等领域的应用越来越广泛。
而超长波长激光技术又是激光技术中的一种，它具有波长长、功率低、穿透深等特点，在某些特殊领域有重要的应用价值，并引起广泛关注。
一、超长波长激光技术的基本原理在光学领域中，超长波长激光通常是指波长大于10微米的激光。
与常规光相比，它具有更大的能量传输深度和较低的吸收率，可以穿透很多材料，如纸张、玻璃、金属等材料。
超长波长激光的产生依赖于红外光。
它通常使用光纤激光器或固态激光器。
当激光器产生的光经过透镜，然后通过各种反射镜和多级频率转换器后，最终产生具有所需波长的激光。
二、超长波长激光技术的应用领域1. 医学领域超长波长激光可以穿透人体表层，如果在临床医学中使用，则可以用于某些类型的切除手术和肿瘤治疗。
它还可以帮助医生查找更深层的组织和器官。
2. 通信领域超长波长激光可以用于光纤通信中。
由于它的激光不会几乎被材料吸收，它可以为波分复用系统提供较低的损耗，从而提高网络的传输速度。
此外，超长波长激光还可以用于基于红外光的无线通信系统，同时这种通信方法也比传统的微波通信更加安全。
3. 工业制造领域超长波长激光的穿透力使其在许多工业制造领域中变得非常有用。
例如，它可以用于安装在汽车或飞机组件中的传感器的密封，以保证它们的工作效率从而提高产品质量。
此外，超长波长激光还可以用于特定的焊接和切割应用，如切割陶瓷、增强材料和材料表面的刻蚀等。
4. 建筑保护领域超长波长激光也可以用于建筑物的保护和检查。
比如说，它可以检测并清除降雨管道的障碍物，这可以加速下水道系统的维护。
5. 告警系统领域超长波长激光可以用于各种告警系统中，如烟雾侦测器和光学追踪器。
对于烟雾探测器而言，当烟雾进入探测器时，激光的穿透力可以更容易地检测到有烟产生。
而在光学追踪器中，激光发射来偵測物體，就像机器人一样，可以在光学设备中和工厂系统中轻松跟踪和识别运动物体。
激光技术课件
激光技术课件激光技术课件激光技术是一种高度精密的技术，广泛应用于各个领域，如医学、通信、制造等。
本文将探讨激光技术的原理、应用以及未来发展趋势。
一、激光技术的原理激光技术是利用激光器产生的激光束进行各种操作的技术。
激光器的核心部件是激光介质，如气体、固体或液体。
当激光介质受到外界能量激发时，原子或分子的能级发生跃迁，释放出能量，形成激光光束。
激光技术的原理主要包括受激辐射、波长选择和光放大。
受激辐射是指激光介质中的原子或分子受到外界激发后，与另一个处于低能级的原子或分子发生碰撞，使其也跃迁到高能级，达到激发态，然后在外界光的作用下，从高能级返回到低能级，释放出一束与外界光同相干的激光。
波长选择是通过光学元件对激光进行波长选择，使其具有特定的波长。
光放大是指激光在激光介质中传播时，通过光学元件的反射和折射，使激光光束逐渐增强。
二、激光技术的应用激光技术在医学领域有广泛的应用。
例如，激光手术可以用于眼科手术，如激光近视矫正术和激光白内障手术。
激光手术具有高精度和无创伤的特点，可以减少手术风险和恢复时间。
激光技术在通信领域也有重要的应用。
光纤通信是一种基于激光光束传输信息的技术。
激光光束在光纤中传播时，可以保持较高的能量和信息传输速度，使得通信更加快速和稳定。
此外，激光技术在制造业中也发挥着重要作用。
激光切割和激光焊接是常见的制造工艺。
激光切割可以精确地切割各种材料，如金属、塑料和陶瓷。
激光焊接可以实现高强度的连接，广泛应用于汽车制造和电子设备制造。
三、激光技术的未来发展趋势随着科技的不断进步，激光技术也在不断发展。
未来，激光技术有望在更多领域得到应用。
首先，激光技术在医学领域的应用将进一步扩大。
随着人口老龄化的加剧，激光技术在癌症治疗和疾病诊断方面的应用将变得更加重要。
激光技术可以精确地破坏肿瘤细胞，减少对正常组织的伤害。
同时，激光技术也可以用于检测和诊断疾病，提高诊断的准确性和效率。
其次，激光技术在能源领域的应用也将得到进一步发展。
激光原理与技术 第7讲 高斯光束的聚焦和准直
第七讲 高斯光束的聚焦、准直
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
已知入射高斯光束束腰半径为0，束腰位置与透镜的距离为l，
透镜的焦距为F，各参数相互关系如下图，则有：
z
0处：q 0
q0
i
02
在B面处： q
1
B
q
1
A
1 F
在A面处：q A q0 l 在C面处：q C q B lC
研究其规律：
1
02
1
02
1
l F
2
f2
F
2
d dl
2 0
02
2 F2
l
F
d0
dl
03 02 F
2
F
l
7
7.2 高斯光束的聚焦
A、l F：
d0
dl
03 02 F
2
F
l
0
0 将随着l的减小而减小，
因此当l 0时有最小值：
此时像方高斯光束束腰位置：l
lC
F
F2 0 F 0 F 2 f 2
4
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
当不满足以上条件时，则不能套用几何光学的结论。
当l F时，可以求出l F，此时物方、像方高斯光束的束腰都位于 焦点处，这与几何光学中平行光成像于无穷远处的结论不相符。
当l F时，l仍可解出大于零的解。 例如当时l 0，即入射的物方高斯光束的束腰位于透镜上，可以得到：
2
0 F l k 0 l F l
几何光学薄透 镜成像垂轴
放大率公式
束腰半径是高斯光束所有光斑半径的最小值，可以将其类比为几何光学中
光束的焦点，在满足假设条件的情况下，物方、像方高斯光束经过薄透镜
超强激光的研究进展与应用
超强激光的研究进展与应用随着科技的不断进步，激光技术被广泛应用于医学、材料加工、光通信等领域。
而其中又以超强激光最为引人注目，其强度可达数千万至数万亿倍的常规激光强度，具有极高的能量密度和超快速度，因此在科学研究和工业应用中都有着广泛的应用前景。
一、超强激光的研究进展1. 激光短脉冲技术超强激光中的激光脉冲时间极短，常常只有几百飞秒，这种超短脉冲在物理学和化学等领域中有着广泛的应用。
比如，高能物理学中利用激光脉冲产生高能电子束，进行物理学实验；化学中利用激光脉冲抓拍瞬态反应。
2. 制备高质量二维材料超强激光在制备二维材料中也有着广泛的应用。
二维材料作为一种新型的材料，具有独特的电学、光学和物理特性，对电子元件、传感器、储能装置等具有良好的应用前景。
超强激光等技术可以制备高质量的二维材料，并利用二维材料进行光电器件的制备。
3. 激光聚变技术激光聚变是指利用超强激光进行核聚变反应研究的技术。
核聚变是一种将轻元素合成为重元素的核反应，能够释放出巨大的能量。
利用超强激光进行核聚变研究，不仅可以丰富我们对宇宙起源的认识，还可以利用核聚变技术进行丰富、廉价、清洁的能源开发。
二、超强激光的应用前景1. 医学领域超强激光被广泛应用于医学领域，比如激光手术、激光治疗等。
超强激光可以精确打击病变组织，减少手术出血，大大提高手术治疗的效果。
此外，超强激光还可以用于医学诊断，比如超强激光可用于成像检查、组织切割等操作。
2. 工业材料加工超强激光可用于工业材料加工，比如激光切割、激光打标、激光焊接等。
激光加工具有高精度、高效率、污染小等特点，可以大大提高工业生产效率。
超强激光的应用使得激光加工得以更加精细化，减少了工业制造中的浪费。
3. 光通信领域超强激光也被广泛应用于光通信领域。
光通信是指利用光来进行通信传输的技术，和电信技术相比，光通信具有更高的传输速度和更大的传输距离。
超强激光可以提高光通信中的传输速度和精度，为光通信技术的发展提供了新的方向和支持。
激光技术与应用
激光技术与应用激光技术自从问世以来，就被广泛应用于各个领域中。
激光是一种特殊的光束，具有高度的单色性、高度的相干性以及高集中的能量。
这些特性使得激光在众多领域中发挥着不可替代的作用。
本文将介绍激光技术的原理和一些主要的应用领域。
激光的原理基于光的放大器原理和电磁波的相位关系。
激光产生的基本原理是通过将能量转化为光子激发发光介质中的原子或分子，使其处于激发态，当它们回到基态时，释放出一束具有高度相干性和单色性的激光。
激光器是产生和放大激光的关键设备，其中常见的有气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
激光在医学领域有着广泛的应用。
激光手术已经取代了传统的刀割手术，成为许多治疗疾病的首选方法。
例如，激光近视手术、激光皮肤手术等已经成为常见的医疗技术。
激光还可以用于治疗癌症、疤痕以及其他皮肤病等。
由于激光具有高度的精确性和可控性，它可以精确地切割、焊接、照射或凝固组织，从而减少手术创伤并提高治疗效果。
激光在通信领域的应用也越来越广泛。
由于激光的高度相干性和高集中的能量，它可以在光纤中传输大量的数据。
激光通信已经成为现代通信系统中应用最广泛的技术之一。
激光通信不仅传输速度快，而且抗干扰能力强，是实现长距离、高速率数据传输的理想选择。
此外，激光还被用于激光雷达和激光测距仪等领域，提供高精度的测量和探测能力。
激光在工业生产中的应用也非常广泛。
激光切割机、激光焊接机、激光打标机等已经成为现代工业生产中不可或缺的设备。
激光加工技术可以实现对各种材料的高速、高精度加工，具有较低的能耗和环境污染。
激光加工技术在汽车制造、航空航天、电子制造等领域中发挥着重要作用，提高了生产效率并降低了生产成本。
除了上述领域，激光还在科学研究、军事国防、环境监测等方面有着重要应用。
在科学研究中，激光被广泛用于光谱分析、原子物理研究、等离子体物理学等领域。
在军事国防方面，激光武器技术已经成为现代战争中的重要武器之一，如激光导弹、激光制导武器等。
先进激光技术及应用
先进激光技术及应用激光是一种特殊的光源，具有高度的单色性、同步性和聚束性。
其独特的性质使其在科学、医学、通信、制造等领域得到广泛应用。
以下是关于先进激光技术及应用的一些介绍：一、激光技术的研究进展和发展方向1. 高功率激光技术：高功率激光技术是当前激光技术的一个重要发展方向。
高功率激光器具有强大的输出功率，可以在材料加工、核聚变、粒子物理等领域发挥重要作用。
2. 超快激光技术：超快激光技术是指光脉冲的时间尺度在飞秒（10^-15秒）至皮秒（10^-12秒）量级的激光技术。
超快激光技术在材料科学、光谱学等研究领域具有重要应用，尤其是在超快光谱学和超快动力学研究中。
3. 量子激光技术：量子激光技术是一种基于量子效应的新型激光技术。
它利用量子态来操控和控制光的特性，可以用于制备高效的光源、高灵敏度的光学器件等。
4. 全息激光技术：全息激光技术是一种利用激光的波特性进行信息存储与复原的技术。
它可以产生出真实感的三维全息图像，并具有高度的安全性和防伪性。
二、激光在不同领域的应用1. 激光医学：激光在医学领域有广泛的应用，例如激光手术、激光诊断、激光治疗等。
激光手术具有创伤小、准确性高的特点，已被广泛应用于眼科手术、皮肤手术等领域。
激光诊断技术可以通过检测激光在人体组织中的反射、散射等信息，实现对疾病的早期诊断。
激光治疗技术可以用于癌症治疗、真皮治疗等。
2. 激光通信：激光通信是一种基于激光器的无线通信技术。
由于激光具有高度的方向性和聚束性，因此可以实现高速、高容量的通信传输。
激光通信已经应用于卫星通信、无线接入网等领域。
3. 激光制造：激光在制造领域的应用十分丰富，包括激光切割、激光焊接、激光打印等。
激光切割技术具有切割速度快、精确度高的特点，可以用于金属、塑料等材料的切割。
激光焊接技术可以在焊接过程中减少热影响区，并且可以实现自动化焊接。
激光打印技术可以用于3D打印、光固化打印等。
4. 激光测量：激光测量技术是一种利用激光进行精确测量的技术，例如激光测距、激光扫描等。
激光原理教程七-激光器特性的控制与改善
c c 2j qj 2 L l 2 2 L 2l 2 l1 满足 1i 2 j 即复合腔的谐振频率。此时从B输出的光强为0，干涉仪对谐振腔中 c 光束具有最大反射率。复合腔中两相邻的频率间隔 2 l1 l 2 选择适当l1和l2，使 osc 可获得单纵模输出。
0 r1 r2 1 00 exp 2 g 00 l 1 2 2 0 00
exp2 g l 1
0 r1 r2 1 00 exp g 00 l 1
即可实现激光 器的单横模 TEM00振荡
§7-1 模式选择
实现单模振荡的条件——
由衍射损耗与菲涅尔数N之间的关系， 增大高阶横模与基模的衍射损耗比； 减少其它损耗，相对增大衍射损耗。 考虑到模式之间的竞争，即使激光器 开始有多个横模满足条件起振，如果 各模式的增益相同，因基模损耗最小， 在模式竞争中占优势。 一旦基模首先振荡，就会从工作物质 中不断补充能量，由于增益饱和效应， 工作物质g下降，当满足： 0 r1 r2 1 00 expg 00 l 1 此时振荡稳定，其他高阶横模因不满 足阈值条件而受到抑制，就能够使得 激光器单横模运转。
1i qi 两子腔的谐振频率：
为实现单纵模振荡，首先用频率粗选法抑制不需要的激光谱线，其次用横模 选择法选出TEM00，在此基础上进行纵模选择。
§7-1 模式选择
纵模选择思想：
某一个纵模能否起振和维持振荡取决于该纵模的增益和损耗的相对大小。 控制着两个参数之一，使谐振腔内可能存在的纵模中只有一个满足振荡 条件，即可实现单纵模振荡。 对于同一横模的不同纵模而言，其损耗相同，不同纵模间存在增益差异。 可在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选择的纵模损耗最小，其余纵模 附加损耗较大，即增大各纵模间增益差异，使只有中心频率处少数纵模 建立振荡。这样在激光形成过程中，通过多纵模间模式竞争机制，最终 中心频率对应的单纵模形成激光。
高等激光技术复习题
《高等激光技术》习题与思考题1、简述一台激光器的主要组成部分及其作用。
答：一台激光器的有三个基本组成部分：工作物质、谐振腔和激励能源。
工作物质的作用是提供放大作用（增益介质），提供适合的能级结构，以达到粒子数反转。
谐振腔一般是在工作物质两端适当的放置两个反射镜组成。
它的作用是提供正反馈，使受激辐射能多次通过介质得到放大，最后在腔内形成自激振荡；另一个作用是控制腔内振荡光束的特性，以获得单色性好、方向性好的强相干光。
激励能源的作用是提供能源，将工作物质基态原子(离子)泵浦到激发态，最后形成布居数反转。
2、推导出一束来自于热光源的光束的光子简并度和单色亮度之间的关系。
解：设光源辐射的光为准平行、准单色光，光束截面为S ∆，立体角为∆Ω，频宽为ν∆，平均光功率为P ，则在t ∆时间间隔内通过S ∆截面的光子总数为：νh tP n ∆⋅= 在频率ν到νν∆+间隔内的光子分布在∆Ω立体角范围内的光子状态数或模式数为∆Ω⋅∆⋅=⋅∆Ω=∆ΩV cg g 3224ννπ 在t ∆时间内，光束垂直于S ∆截面传播时，光束所占据的空间范围为 c t S V ⋅∆⋅∆=代入上式可得t S g ∆⋅∆⋅∆⋅∆Ω⋅=∆Ωνλ22由此可求出，一种光子量子状态或模式，所具有的平均光子数即光子简并度为νλνδ∆⋅∆⋅∆Ω⋅==∆Ω-S h P g n )/2(2 在光度学里，通过单位截面、单位频宽和单位立体角的光功率为光辐射的单色定向亮度∆Ω⋅∆⋅∆=ννS PB 则光子简并度与单色亮度之间的关系为νλδνh B ⋅=-223、若一工作物质的折射率为n ＝1.73，试问ν为多大时，32121/1/m S J B A ⋅=？解：由公式332121)/(8n c h B A νπ=得：Hz B A h n c 1831348312121108.61063.614.38173.1100.381⨯=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⋅⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅=-πν 4、解：爱因斯坦系数关系338c h B A νπ⋅=黑体辐射普朗克公式1)/ex p(18),(33-⋅⋅=KT h c h T ννπνρ 平均分配在某个状态K 的受激发射几率W K 与该状态的自发辐射几率A K 之比为K K K N KT h A B A W =-=⋅=1)/ex p(1νρ N K 为状态K 上的平均光子数。
激光技术及其应用全汇总.ppt
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★激光核聚变的研究 • 将高功率的激光束聚焦后照射靶丸上产生高温高压，引起核聚变。
美国国家点火装置（简称NIF），世界 最大的激光核聚变装置。被称为“人造 太阳”。
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★激光化学技术
激光化学技术是用激光来指挥化学反应。
因为激光携带高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的 键上，比如用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改 变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程，也可利用 改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效的把能量打在分子 上，触发某种预期的反应。
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★超快激光技术
• 超快超强激光主要是以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的 工具和手段，飞秒激光的应用可以概括为三个方面：飞秒激光在超快领域、超强领 域和超微细加工中的应用。
•
感
感
谢 阅 读
谢 阅性能的合金。 自熔性合金粉末主要分为镍基、钴基、铁基自熔性合金粉末。
铁基合金 镍基合金 粉末 钴基合金
粉末 复合粉末 粉末
二 激光加工技术应用
工业应用
• 激光熔覆加工方式 1、预置粉末：将粉末预置到基体上，预置的过程中要使粉末分布均匀然后用激光
进行熔覆。 2、同步送粉：是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆
在整个中国的激光产业中，激光材料加工近几年的发展势头强劲，且有 很大的空间，激光加工在中国激光产业中占的比例也是日益重大。
三 激光技术发展现状与趋势
发展现状
• 目前，全国激光市场销售主要为光通信器件、激光加工设备、激光器、 激光医疗设备等。主要分布在长三角、珠三角、华中、环渤海等区域。
高等激光技术7
• 自再现模是多次衍射的结果，与初始波形无关， 但不同的初始波形最终形成的场分布不同，而自 发辐射可提供不同的初始波形,因此决定了自再现 模的多样性。每经过一次衍射，光束横截面上各 点的相位关联度变增加一次，则由于经过足够多 次衍射的作用后，光束横截面上各点的相位关联 越来越紧密，从而使光的空间相干性变强。在无 源开腔中，自再现模的形成过程和场的空间相干 性的增强过程，都不可避免地伴随着初始入射波 能量的衰减，不足以形成激光。在激活腔中，只 要某一自再现模能满足阈值条件，则该模在腔内 就可以形成自激振荡。自再现模的形成过程伴随 着光的受激放大，其结果是，光谱不断变窄，空 间相干性不断增强，光强不断增大，最终形成高 强度的激光输出。
• 对于一个对称矩形平面镜腔 (尺寸为 2a×2b ，其中),有：
x
y y ' L2 x'
2 2
2 2 4 4 1 x x ' 1 y y ' 1 x x ' 1 y y ' L 1 2 L 2 L 8 L 8 L
1
1 2
A D 1
L
0 1
L (1 R1
R
) 1
2
• 引入两因子来表示谐振腔的几何参数
g
1
1
L
• 0< g1g2<1 此式称为共轴球面腔的稳定性条件。 • 式中当凹面镜向着腔内时，R为正值；而当凸面镜向着腔内时R取负 值。 • 如果g1g2>1或g1g2<0 则为非稳定腔；g1g2=1或g1g2=0 为临界腔 （介稳腔）。
• 若满足：
高等激光技术要点
1、一个激光器要产生激光，如何从源头分析（从受激辐射大于受激吸收和自发辐射这个定义出发），再利用爱因斯坦关系式来说明一个激光器所需要的三个基本的组成部分。
2、产生激光的条件3、阈值特性（结合激光振荡特性），三能级和四能级阈值特性的比较第二章工作物质的增益特性1、增益饱和的特性2、一些基本的概念如增益系数、受激辐射截面等，受激辐射截面与增益系数的关系，增益线性与线型函数的关系3、两类不同介质的增益特性，特别是两类不同增益介质的增益饱和特性第三章光学谐振腔及其模特性1、概念：模式、Q值、损耗、自再现模等所有的概念2、高斯光束的特性、传输矩阵第四章激光器振荡、输出特性1、空间特性、频率特性、时间特性的演变过程及特性2、概念：空间烧孔、频率烧孔、兰姆凹陷、频率竞争等3、激光器的速率方程的含义、描述第五、第六章激光调Q、锁模1、锁模激光器、调Q激光器的主动锁模声光调制器的应用的共同点、区别。
2、声光调制器用在调Q和锁模上面有什么区别？可饱和吸收体用在调Q和锁模上面有什么区别？3、对于调Q的多脉冲特性，特别是可饱和吸收体的多脉冲特性以及电光调Q的多脉冲特性，它们的区别。
4、如何用锁模激光器的脉冲序列来获得我们所需要的不同重复频率的脉冲串（就是讲过的选脉冲的方式）5、电光调Q的几个例子搞清楚。
第七章典型激光器1、各种激光器的特性、激光器的波长（分别给出下列几个激光器的主要输出波长）2、什么样的激光器难以连续波运转，只能脉冲运转？3、什么是终端静止激光器、什么是自终止激光器？4、常用的常规类型激光器的泵浦方法。
5、给一个激光器的光路，从头到尾分析一下它的过程。
第八章激光选模、调谐、稳频技术1、激光选模的原则是什么？2、调谐的原理是什么？3、选横模的方法有哪些（特别是小孔选模）、选纵模的方法4、稳频不作要求。
1、各种放大器的特性，再生放大器（主要是环形再生放大器）的工作过程，双程放大器（放大器中有偏振器、有反射镜，用不同的元件，比如四分之一波片、KDP晶体、法拉第材料这三种情况下它们应用的区别，原理详细分析）2、给一个放大器的光路，从头到尾说明放大的过程，每一个光路里面的元件有什么作用，包括空间滤波器、隔离器。
超快激光技术及其在材料科学中的应用
超快激光技术及其在材料科学中的应用超快激光技术是一种前沿的科技，它以非常高的精度和速度加工材料。
超快激光技术被广泛应用于材料科学领域，在制造、表面改性、超硬材料研究、生物医药等方面都发挥着重要作用。
一、激光技术概述激光是光学、电子和量子力学等学科交叉的产物，是一种高度纯净、高能量、高聚集度、高可控性的光束。
激光技术是在激光的基础上开发出来的一种技术，它主要应用于物理、化学、材料、生物医药、信息技术等领域。
激光技术已经成为材料加工和制造的主要手段之一。
随着科技的发展，激光技术逐渐发展为超快激光技术。
这一技术具有短脉冲宽度、高峰值功率、高能量、高光束质量和高光束均匀性等优势。
二、超快激光技术的发展历程超快激光技术是以波长为物理尺度的研究，自上世纪80年代以来，随着激光技术的进步，超快激光技术也逐渐成为了激光技术领域的一个热点。
最早的激光是连续波激光和脉冲宽度数微秒的巨脉冲激光。
到了20世纪60年代，科学家们发现可以产生毫秒至纳秒级别的脉冲宽度的激光。
80年代，超快激光技术开始出现，在20年的时间里，这一技术经历了从飞秒（10-15秒）到亚飞秒（10-18秒）的发展，成为了当时激光技术的一个热点。
三、超快激光技术在材料科学中的应用超快激光技术在材料科学领域中的应用已经得到广泛的研究和应用。
其中，最重要的应用之一是在微纳加工中。
①微纳加工：超快激光技术这一应用主要基于光的非线性效应，通过纳秒、飞秒或亚飞秒的超短激光脉冲对各种材料进行高精度加工，实现微米甚至亚微米级别的细微小加工。
这样，可以制造出各种晶体管器件、光纤连接器、微电器件等微米级的微结构。
②表面改性：超快激光技术另一个重要的应用是在表面改性方面。
将超快激光照射到材料表面，可以对表面进行改性，形成各种微米级、纳米级的表面结构，如多种形态的结晶、锥形孔等，从而改变表面的特性，增强材料的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性等。
此外，对于一些材料性质的改性，如降低材料的摩擦系数和热膨胀等性质，也都可以通过超快激光技术实现。
高等激光物理
式中, V 是光场与二能级原子的电偶极矩的相互作用，表示为：
3.1 光与二能级原子相互作用系统的密度矩阵理论
高等激光物理 xx
二能级原子作用的哈密顿量是 再假定原子没有固有偶极矩(非极性的原子或分子)，必有
3.1 光与二能级原子相互作用系统的密度矩阵理论 二、电偶极近似
高等激光物理 xx
三、Haken的场方程
则对应的密度矩阵为
用混合系综的密度矩阵 求乎均值的公式以及运 动方程，在形式上 与纯系综的情况相似
3.1 光与二能级原子相互作用系统的密度矩阵理论
高等激光17)式，则 混合系综的密度矩阵的运动方程也可由薛定格方程得到
(3.1.36)
3.1 光与二能级原子相互作用系统的密度矩阵理论 五、混合系统的密度矩阵
三、旋转波近似下的Bloch方程
高等激光物理 xx
3.2 光学Bloch方程
三、旋转波近似下的Bloch方程
高等激光物理 xx
四、慢变化振幅近似下的Bloch方程
(1). 慢变化振幅近似
3.2 光学Bloch方程
高等激光物理 xx
(2). 慢变化振幅包络近似下的光学Bloch方程
3.2 光学Bloch方程
3.2 光学Bloch方程
七、光学Bloch方程的定态解
高等激光物理 xx
3.2 光学Bloch方程
七、光学Bloch方程矢量模型的物理意义
高等激光物理 xx
3.2 光学Bloch方程
七、光学Bloch方程矢量模型的物理意义
高等激光物理 xx
3.3 光和二能级原子相互作用系统的M-B方程 一、二能级原子和光场的相互作用
超高速激光加工技术的应用
超高速激光加工技术的应用现代工业制造技术不断发展，越来越多的行业开始使用激光加工技术。
其中，超高速激光加工技术成为了制造业中不可或缺的一个部分。
超高速激光加工技术的特点是快速、精确、可靠。
这种技术可以在加工过程中减少材料损失和精度误差，同时提高生产效率。
超高速激光加工技术是将高能量激光束焦到工件表面，对其进行加工的一种技术。
该技术的工作原理是激光束通过起伏不平的物体表面时，产生高强度的局部加热，物体表面就会融化、汽化、蒸发，完成加工过程。
这种技术具有长时间作业、高机械强度、高静电精度、高可靠性等优点。
因此，这种技术被广泛应用于工具、设备、电子元器件及其它微小物体的制造过程。
1. 金属材料的加工超高速激光加工技术可以对金属材料进行高效、高精度的加工。
它可以使金属工件表面实现高速传热，从而形成非常细密的微结构和纳米结构。
这种技术可以用来制造各种金属零部件、细小工具、开发新型金属合金，还可以增加非常丰富的材料特性。
2. 硅基元器件的加工在微电子制造领域，超高速激光加工技术可以用于制造硅基微电子元件。
激光切割能够产生合适的切割边缘，同时控制切割形状。
超高速激光加工技术可以创造大量的利用价值，可以为生产低成本、高性能的先进集成电路设备提供技术支持。
3. 纳米技术的制造超高速激光加工技术可以帮助nano-tubes成品实现准确的局部尺寸控制，从而提高nano-tubes在纳米技术领域的利用价值。
这种技术可以使nano-tubes之间具备更高的激杀效应，可应用于纳米制造、纳米加工等领域。
4. 对光学器件的制造在光学器件制造行业，超高速激光加工技术可以用来加工各种较大的光学元器件。
加工的元器件具有高精度、高表面质量的特点，比传统方法制造的光学元器件效果显著。
总的来说，超高速激光加工技术将在未来成为制造业的一部分。
作为一种高效、高精度、高可靠性的加工技术，能够对新材料和新设备的研究和制造带来很大的改变和发展，但它仍面临一些技术挑战，如如何准确掌握加工参数，选用适合的激光源等问题。
高等激光技术8.
os
q
TF P ( )
F P
c 2nd
I 激 ( )
m
G ( )
双标准具
I 腔 ( )
•
os
q
TF P-1 ( ) TF P-2 ( )
m
c F P-1 2nd1 F P-2 c 2nd2
•
改变角度1
双折射滤光片或 F P标准具色散腔法初选或 调谐
•
改变间隔 d
扫描F P干涉仪色散腔法初选或 调谐
•
2、短腔法（针对增益线 宽窄的激光器很有效）
缩短谐振腔长度，使得 相邻纵模频率间隔 q 增大， 到超过可振荡频率间隔 os时，导致 os内只有一个 纵模光场振荡。
,
1 2 1 L z w( z ) ( (1 2 )) 2 w0 (1 2 ) 2 , k f
L' R ' L ' 其中：f , 而w0 , 为z 0光斑半径，束腰半径。 2 2 2
•
a
高斯光束通过半径为 a的圆孔后功率 Pa与总的功率P之比： Pa 功率透过率T P
0 ' 0
T ( ) 1 1 F sin (
2
2nd
, 相邻光束位相差 )
2
2nd,
c c 相邻两透过率极大值频 率间隔： m 2nd cos ' 2nd
T ( )
d可以做得很薄 ,
1 .0
R 0.046 R 0.27
0 .5
•
0
R 0.87
光栅在自准直情况下， 1 2 0， 角色散率: D0 2 tan 0
超级激光技术的原理和应用
超级激光技术的原理和应用超级激光技术是当今世界上最先进的、研究最深入的、应用最广泛的激光技术之一。
它可以产生高功率、高纯度和高能量密度的激光，应用范围广泛，包括实验物理学、生物医学、材料科学、信息技术等领域。
本文将介绍超级激光技术的原理和应用。
一、超级激光技术的原理超级激光技术是一种通过能量的聚焦和放大来实现激光产生的技术。
其原理是利用一系列的光学元件来聚焦和放大激光束，使其产生高能密度，然后在短时间内释放出来形成一束强大的激光束。
超级激光技术的核心部件是增益介质，其通常是一些半导体材料，例如氮化镓、磷化铟等。
当外加能量激发了增益介质，电子跃迁会使放射粒子发射出光子，这些光子与入射光子相互作用，增益介质中的光子浓度急剧增加，形成了一束激光。
为了提高激光的能量密度，超级激光系统中还需要使用一些光学元件来把激光束聚焦到较小的空间范围内。
这些元件主要包括透镜、反射镜、光纤、棱镜、分束器等。
聚焦元件的选择和排列方式对激光效果的影响很大。
二、超级激光技术的应用超级激光技术的广泛应用在于其高能量密度和瞬时性质。
下面将介绍几个有代表性的领域：1. 实验物理学超级激光技术在实验物理学中得到了广泛应用。
例如，利用超级激光的高能量密度可以产生超高温、高压等极端物理条件，用以模拟宇宙大爆炸等自然现象。
另外，利用超级激光的高能量、短脉冲和针对性较强的特点，可以研究高能物理、核物理、量子物理等现象。
2. 生物医学超级激光技术在生物医学领域中的应用非常广泛，例如用于治疗皮肤疾病、超声成像、激光手术等。
当激光束聚焦到较小的范围内，激光能够穿透皮肤准确作用于靶组织细胞，对细胞和组织产生特定的生物学效应。
例如，针对性较强的热效应使得肿瘤组织被灼烧，而正常组织能够被充分保护。
3. 材料科学超级激光技术在材料科学领域中的应用也非常广泛。
例如用于制造超硬材料、超纯材料、光电材料、高温材料等。
利用超级激光产生的高能量、高温度、高压力，材料的微观状态和物理、化学性质得到极大改善，从而具有特殊的应用性质。
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• 自再现模是多次衍射的结果，与初始波形无关， 但不同的初始波形最终形成的场分布不同，而自 发辐射可提供不同的初始波形,因此决定了自再现 模的多样性。每经过一次衍射，光束横截面上各 点的相位关联度变增加一次，则由于经过足够多 次衍射的作用后，光束横截面上各点的相位关联 越来越紧密，从而使光的空间相干性变强。在无 源开腔中，自再现模的形成过程和场的空间相干 性的增强过程，都不可避免地伴随着初始入射波 能量的衰减，不足以形成激光。在激活腔中，只 要某一自再现模能满足阈值条件，则该模在腔内 就可以形成自激振荡。自再现模的形成过程伴随 着光的受激放大，其结果是，光谱不断变窄，空 间相干性不断增强，光强不断增大，最终形成高 强度的激光输出。
• 惠更斯-菲涅耳原理是分析衍射现象的理论基础， 定量处理开腔模式问题的数学理论是菲涅耳-基尔 霍夫衍射积分。运用以上两个工具，可以实现： 如果知道了光波场在其所达到的任意空间曲面上 的振幅和相位分布，就可以求出该光波场在空间 其他任意位置处的振幅和相位分布。
• 这种方法主要求解光学谐振腔的菲涅尔-基尔霍夫 衍射积分方程。积分方程的本征值描述了谐振腔 的损耗特性，本征函数描述了光场分布（模）。 但积分方程一般不存在解析解，只能用计算机进 行数值求解。对于实对称共焦球面镜腔可以获得 近似解析解。
除了一个表示振幅衰减和相位移动的复常
数因子 以外，u+1应该再现uj， ，则：
C [ 2 2 (1 2L )]
R2 R2 R1
2L
2L
2L
D [ (1 )(1 )]
R1
R1
R2
arccos 1 A D
2
• 对于稳定的序列，光束是有界的，即，当传输矩阵“Mn”的矩阵元为 有限的实数时，近轴光线在腔内往返进行无限次后，不会横向逸出腔 外，要求矩阵元为实数，则要求θ为实数。对于不稳定序列，方程中 的三角函数变成双曲线函数，这表明光束通过序列时将越来越发散， 光束是无界的，因此，稳定性条件是:
• 光线传输矩阵
•
1
L
• M(L)=
•
01
•
10
• M(f) =
•
-1/f 1
•
10
• M(R)=
•
-2/R 1
自由空间 薄透镜 球面全反射镜
•
•
腔内光线往返一次后的光线传播矩阵
• x5
A B x1
x1
x1
•
=
= M =M(R1)M(L)M(R2)M(L )
• θ5
C D θ1
θ1
θ1
• 上述的稳定性条件 0< g1g2<1 只是双镜 腔的结果.
• 对于多镜腔,则要从腔内光线往返传输矩阵 来推导.
• 不同的腔型,腔内光线往返传输矩阵是不同 的.
第四节、光学谐振腔的衍射理论要点
• 自再现模 +惠更斯-菲涅耳原理(菲涅耳-基尔霍夫公式)+光学谐振腔
•
光学谐振腔的自洽衍射积分方程
2L A 1
R2
B 2L(1 L )
R2
C [ 2 2 (1 2L )]
R2 R2 R1
2L
2L 2L
D [ (1 )(1 )]
R1
R1 R2
• 谐振腔稳定性条件
• 如果激光束在共轴球面腔内经多次反射 后，其位置仍“紧靠”光轴，那么该光 学谐振腔是稳定的；
• 如果光束从腔内“逸出”反射镜之外， 即横向逸出腔外, 那么该光学谐振腔是不 稳定的。
M1
M2
R1
R2
图 1 开放式激光腔示意图。M1 和 M2 分别是两个 腔镜，R1 和 R2 是两腔镜的半径.注：该腔是球面 镜腔，当 R1=∞且 R2=∞时候成为 F-P 腔
L
2a
图 2-1
2a L
初始入射波
图 2 自再现模的形成过程描述
图 2-2
自再现模
图 2-3
• 腔镜M1上的光场分布，到达镜M2时，由于衍射 效应，要经历一次能量的损耗和场分布的变化， 中间能量损失小，镜边缘损失大，每渡越一次， 都会发生类似的能量损耗和场分布变化。多次往 返后，从而逐渐形成中间强、边缘弱的基本不受 衍射影响的相对稳态的场分布，该相对稳态的场 分布一个往返后可“自再现”出发时的场分布， 唯一变化是镜面上各点的场振幅按同样的比例衰 减，各点相位发生同样大小的滞后。该稳定场形 成过程就叫做腔模的自再现，形成的模式叫做自 再现模。
高等激光技术7
• 第三节、光学谐振腔的稳定性条件
• 光学谐振腔的几何光学分析 • 采用光束传输变换矩阵的方法 • 菲涅耳数很大(衍射损耗小) ＞100 • 以双球面镜腔为例
M1
M2
R1
R2
图 1 开放式激光腔示意图。M1 和 M2 分别是两个 腔镜，R1 和 R2 是两腔镜的半径.注：该腔是球面 镜腔，当 R1=∞且 R2=∞时候成为 F-P 腔
u2(x,y)4 ik u1(x',y')e ik(1co )d s's
• 式中为镜1上的场分布；为由经腔内一次渡 越后在镜2上生成的场。
• 经过j次渡越后所生成的场与产生它的场之间亦 应满足类似的迭代关系
•
uj 1(x,y)4 ikuj(x',y')e ik(1co )d s's
• 按照自再现观点，当渡越次数j足够大时，
1 1 A D 1
2
0
1
L
R1
(1
L )
R2
1
• 引入两因子来表示谐振腔的几何参数
g 1 L
g 1 L
பைடு நூலகம்
1
R1
2
R2
• 0< g1g2<1 此式称为共轴球面腔的稳定性条件。
• 式中当凹面镜向着腔内时，R为正值；而当凸面镜向着腔内时R取负 值。
• 如果g1g2>1或g1g2<0 则为非稳定腔；g1g2=1或g1g2=0 为临界腔 （介稳腔）。
• 腔内光线往返n次后的传播矩阵方程为：
• (利用了矩阵理论中的薛尔凡斯特Sylvester定理)
A B •
n [A
Bn ]
1
Asinn sin(n1) [
Bsinn ][ n n]
M C D C D sin Csinn Dsinn sin(n1) n n
2L A 1
R2
B 2L(1 L )
R2
• 设为已知空间任一曲面S上光波场的振幅和相位 分布函数u(x’,y’)，这里(x’,y’)为S面上点的坐标。 由它在所要考察的空间任一点P处产生的场为 u(x,y)，这里(x,y)为观察点P的坐标。有下列关系 式
ρ
θ
u(x,y)4 iku (x',y')e i k(1co )d s's
• 将此积分公式应用到开腔的两个镜面上的 场，则有