第6章-超快超强激光加工PPT推荐.ppt

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聚焦光斑小：

mm量级量级比全世界发电比全世界发电总功率还大总功率还大l聚焦功率密度大：

聚焦功率密度大：

1010202010102222W/cmW/cm22电磁场的强度比电磁场的强度比原子核对其周原子核对其周围电子的作用围电子的作用力还要高数倍力还要高数倍精确的靶向聚焦精确的靶向聚焦设计：

李波l物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体成等离子体;

l用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整用飞秒激光进行加工，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会对基材造成损伤。

个光程中都不会对基材造成损伤。

飞秒激光飞秒激光设计：

李波飞秒激光飞秒激光飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具飞秒激光已成为科学探索的最有力的工具飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、飞秒激光微加工技术将在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。

的市场前景。

科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。

重要作用。

李波内容提要内容提要l超快激光技术l超快激光与物质相互作用基础l飞秒激光应用举例设计：

李波超快激光技术超快激光技术设计：

李波脉冲激光技术脉冲激光技术调调Ql先关闭Q开关，使得激光器不能起振，使得粒子数反转浓度迅速增大电光调电光调QQ：

脉宽达到数：

脉宽达到数nsns数十数十nsns；

声光调声光调QQ：

脉宽达到数百：

脉宽达到数百nsnsl在激光腔内增加一个Q开关；

l打开Q开关，腔呈低损态，高Q值；

l关闭Q开关,腔呈高损态，低Q值；

l当打开Q开关时，粒子数反转浓度远大于高Q态的阈值粒子数反转浓度，激光器开始起振设计：

李波脉冲激光技术脉冲激光技术锁模l腔内存在单纵模和各种模式的组合l锁模就是将需要的那种组合模式选出来让它振荡，即增益相同时，让它的损耗最小设计：

李波锁模激光器原理腔内波函数空间分布锁模激光器原理腔内波函数空间分布l在三维自由空间中，波的运动方程式为：

在三维自由空间中，波的运动方程式为：

l在矩形开放式的驻波腔内，只考虑波函数空间分布：

在矩形开放式的驻波腔内，只考虑波函数空间分布：

矩形截面光学谐振腔矩形截面光学谐振腔设计：

李波l是垂直于Z轴（x,y平面）的光强分布锁模激光器原理横模锁模激光器原理横模l驻波条件：

l得：

分离值分离值设计：

李波锁模激光器原理横模锁模激光器原理横模l由于腔边沿存在严重衍射损耗，所以不能用正弦由于腔边沿存在严重衍射损耗，所以不能用正弦函数描述，而用高斯函数描述函数描述，而用高斯函数描述几种低阶横模的光强分布和光斑图几种低阶横模的光强分布和光斑图TEMnmTEMnm设计：

李波锁模激光器原理纵模锁模激光器原理纵模l纵模：

纵模：

是光场沿是光场沿ZZ方向的分布方向的分布l驻波波长驻波波长与腔长与腔长ll应满足如下关系应满足如下关系l则波矢则波矢给定一个给定一个qq，对应一个，对应一个kzkz，分离的，分离的l对于开放式谐振腔有：

对于开放式谐振腔有：

l故有：

故有：

纵波波长即为光波波长，纵波纵波波长即为光波波长，纵波频率即为光波频率频率即为光波频率设计：

李波锁模激光器原理纵模锁模激光器原理纵模l设有一个激光器，其中有设有一个激光器，其中有nn个纵模在振荡，其中第个纵模在振荡，其中第nn个个纵模的电矢量为：

纵模的电矢量为：

都是腔内允许都是腔内允许存在的模式存在的模式l腔内驻波条件腔内驻波条件设计：

李波锁模激光器原理纵模锁模激光器原理纵模l多模场的电矢量多模场的电矢量E（t）E（t）是所有单模场电矢量的总和：

是所有单模场电矢量的总和：

l相邻两个纵模的圆频率间隔相邻两个纵模的圆频率间隔l这些和是各种各样的，取决于它们之间的相位，所这些和是各种各样的，取决于它们之间的相位，所有这些形式的组合实际就是各个纵模的不同形式的有这些形式的组合实际就是各个纵模的不同形式的拍频，它们同样是腔内允许存在的模式。

拍频，它们同样是腔内允许存在的模式。

李波l腔内允许存在的纵模虽然有无数多个，但必须落在腔内允许存在的纵模虽然有无数多个，但必须落在增益线宽内的纵模，才有可能获得增益；

增益线宽内的纵模，才有可能获得增益；

图图腔内可能振荡的最大纵模数腔内可能振荡的最大纵模数l只有增益足够大，满足阈值条件，才能够在腔内振荡；

只有增益足够大，满足阈值条件，才能够在腔内振荡；

l增益线宽越宽，可能振荡的模式数就越多；

增益线宽越宽，可能振荡的模式数就越多；

l最大模式数不会超过：

最大模式数不会超过：

锁模激光器原理纵模锁模激光器原理纵模设计：

李波锁模激光器原理纵模组合锁模激光器原理纵模组合l研究一种简单组合，假设所有纵模的相位都相等且研究一种简单组合，假设所有纵模的相位都相等且为零，即使这样的求和也是很麻烦的。

首先研究三为零，即使这样的求和也是很麻烦的。

首先研究三个纵模。

个纵模。

l求和，即拍频效应：

求和，即拍频效应：

l上述三个周期电场可分别用三个旋转矢量来表示，设上述三个周期电场可分别用三个旋转矢量来表示，设它们的长度都相同为它们的长度都相同为AA，而旋转角速度分别为：

，而旋转角速度分别为：

李波锁模激光器原理纵模组合锁模激光器原理纵模组合l以一角速度以一角速度的动坐标来研究此问题的动坐标来研究此问题l当当时：

时：

拍的峰值拍的峰值l当当时：

l当当时：

李波锁模激光器原理纵模组合锁模激光器原理纵模组合l当当时：

三模锁相的拍频随时间变化三模锁相的拍频随时间变化三模锁相的旋转矢量模型三模锁相的旋转矢量模型设计：

李波锁模激光器原理纵模组合锁模激光器原理纵模组合nn个个,每个巨脉冲的峰值为每个巨脉冲的峰值为nAnA，空间间隔为，空间间隔为22ll,记为记为EEnn（t）（t）分为两组求和分为两组求和,每个巨脉冲的每个巨脉冲的峰值为峰值为nA/2nA/2，空间间隔为，空间间隔为ll，EEn/2n/2（t）（t）分为四组求和分为四组求和,每个巨脉冲的每个巨脉冲的峰值为峰值为nA/4nA/4，空间间隔为，空间间隔为ll/2,/2,EEn/4n/4（t）（t）设计：

李波锁模激光器原理纵模组合锁模激光器原理纵模组合l一直分下去，单个纵模。

这些都是允许存在的模式一直分下去，单个纵模。

这些都是允许存在的模式l腔长随机变化，相位也随机，所以上述拍频模式都腔长随机变化，相位也随机，所以上述拍频模式都存在，因此腔内真实存在的模式：

存在，因此腔内真实存在的模式：

图图各种拍频随机出现时的腔内模式各种拍频随机出现时的腔内模式无论其振幅和相位无论其振幅和相位都在随机变动都在随机变动设计：

李波锁模激光器原理简单原理锁模激光器原理简单原理l让腔内只有一种拍频模式存在，特别是只让让腔内只有一种拍频模式存在，特别是只让EEnn（t）（t）振荡，振荡，而其余拍频不能振荡而其余拍频不能振荡锁模技术锁模技术l拍频拍频EEnn（t）（t）是一个周期为是一个周期为TT的巨脉冲系列，比起调的巨脉冲系列，比起调QQ技技术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄，峰值功率更高术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄，峰值功率更高设计：

李波锁模激光器原理简单原理锁模激光器原理简单原理图图周期性损耗的调制开关周期性损耗的调制开关l在腔内装上一个周期性的损耗调制器：

在腔内装上一个周期性的损耗调制器：

l每隔每隔TT，开关打开一非常短的时间，使损耗减少到最，开关打开一非常短的时间，使损耗减少到最小，刚好能够让巨脉冲小，刚好能够让巨脉冲EEnn（t）（t）通过，促后又回到高损通过，促后又回到高损状态。

状态。

lEEnn（t）（t）模式能够起振，而其他模式模式能够起振，而其他模式EEn/2n/2（t）E（t）En/4n/4（t）（t）因损因损耗过大无法起振。

耗过大无法起振。

李波锁模激光器原理脉冲基本参量锁模激光器原理脉冲基本参量l锁相脉冲峰值：

锁相脉冲峰值：

l锁相脉冲时间宽度锁相脉冲可能的最短脉宽锁相脉冲时间宽度锁相脉冲可能的最短脉宽三相三相nn相相增益线宽越宽，可增益线宽越宽，可参与振荡谱线越参与振荡谱线越多，脉宽越窄多，脉宽越窄设计：

李波锁模激光器原理脉冲基本参量锁模激光器原理脉冲基本参量lnn个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下:

l平均功率平均功率:

l锁模峰值功率锁模峰值功率:

锁模巨脉冲的峰值功率为没有锁模巨脉冲的峰值功率为没有锁模时平均功率的锁模时平均功率的nn倍倍设计：

李波l主动锁模主动锁模周期性调制谐振腔损耗周期性调制谐振腔损耗振幅调制，相位调制振幅调制，相位调制l被动锁模被动锁模可饱和吸收体可饱和吸收体l同步泵浦锁模同步泵浦锁模周期性调制谐振腔的增益周期性调制谐振腔的增益l自锁模自锁模（Ti-Slaser）利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件锁模激光器原理锁模方式锁模激光器原理锁模方式几百几百fsfs，如果需要更短脉，如果需要更短脉冲，则脉冲压缩冲，则脉冲压缩设计：

李波锁模技术本质是在激光腔内利用恢复时间十分快锁模技术本质是在激光腔内利用恢复时间十分快的高速快门，这种快门可由电信号驱动（声光调的高速快门，这种快门可由电信号驱动（声光调制器）或依靠材料特性，例如，可饱和吸收染料制器）或依靠材料特性，例如，可饱和吸收染料或激光器本身的非线性特性自动形成。

在钕玻璃或激光器本身的非线性特性自动形成。

在钕玻璃或或Nd:

YAG激光器中，常用快恢复时间的可饱和激光器中，常用快恢复时间的可饱和吸收体如五甲川，十一甲川等染料作高速快门。

吸收体如五甲川，十一甲川等染料作高速快门。

这种染料吸收激光使激光器的阈值提高，但当它这种染料吸收激光使激光器的阈值提高，但当它吸收了足够的光子达到饱和就不再吸收激光，因吸收了足够的光子达到饱和就不再吸收激光，因而对激光呈透明状态，激光腔的损耗因而急剧减而对激光呈透明状态，激光腔的损耗因而急剧减少，此时激光产生振荡。

由于其恢复时间极短，少，此时激光产生振荡。

由于其恢复时间极短，它很快又恢复到吸收状态，阻碍激光发射。

周而它很快又恢复到吸收状态，阻碍激光发射。

周而复始复始.锁模激光器原理锁模方式实现锁模激光器原理锁模方式实现设计：

李波锁模激光器原理克尔效应锁模激光器原理克尔效应克尔透镜锁模技术克尔透镜锁模技术l当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延迟不再可以忽略。

迟不再可以忽略。

l光的折射率与光强有关：

光的折射率与光强有关：

l对于对于5050mm，2.5MW2.5MW，800nm800nm的激光的激光，传播，传播1cm1cm可产生可产生的的非线性相移，非线性相移，这等