十激光光学系统演示型

激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统激光基础知识1.1 激光的产生三要素：1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质；2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转；3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡；1.2 激光光束的特性1）高光亮度——激光束发散角很小，光能量集中，光强度很高例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ；气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr)；固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr)；若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光亮度2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。

例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1－10 mrad（毫弧度）3）高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度，可视为单波长。

4）高相干性——由于激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大（时间相干性好）；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干（空间相干性好）1.3激光器的输出特性1）激光波长——激光器输出准单色光；不同激光器输出激光波长不同，材料吸收特性各不同；对不同材料用不同的激光来加工。

2）激光输出的能量和功率连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒脉冲激光: 峰值功率P= 脉冲能量E / 脉冲宽度Tm脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f3）激光束的空间分布特性——基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布；振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径；对应的全角宽度定义为光束发散角；为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法高斯光束的参数：束腰；等相位面；发散角；基模多模基模与低阶模实际激光束的横模c.调Q 脉冲激光——用调Q 技术压缩脉宽（纳秒量级），提高激光的峰值功率（声光调Q 可达数百千瓦；电光调Q 可至兆瓦以上）；d.超短脉冲激光——用锁模技术压缩脉宽到皮秒至飞秒量级，峰值功率达1012W, 可作很多精密微加工；4）激光束时间分布特性a.连续激光——以连续恒定的功率来描述；b. 普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级）.脉冲能量与脉冲频率来描述；激光焊接常用脉宽1－10ms, 能量1至数十焦尔；峰值功率数千瓦；打孔和切割常用脉宽0.1－2ms ，能量为0.5－20j ；峰值功率达万瓦5）激光束的偏振特性光波是横向电磁波，电矢量与磁矢量总是在相互垂直方向上，一般只讨论电矢量的方向。

第八章 现代光学系统随着激光技术、光纤技术和光电技术的不断发展，各种不同的用途的新型光学系统相继出现，例如激光光学系统、付里叶光学系统、扫描光学系统等。

为能全面地了解这些光学系统的成像特性和设计要求，本章就上述几种新型光学系统作一简要介绍。

§8－1 激光光学系统一、高斯光束的特性激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布式不均匀的，激光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅A 与光束截面半径r 的函数关系为：220r A A e ω-=其中A 0为光束截面中心的振幅；ω为一个与光束截面半径有关的参数；r 为光束截面半径。

由上式可以看出光束波面的振幅A 呈高斯型函数分布，如图8-1所示，所以激光光束又称为高斯光束。

图8-1 高斯光束截面当r =ω时，0A A e=，说明高斯光束的名义截面半径ω是当振幅A 下降到中心振幅0A 的1/e 时所对应的光束截面半径。

二、高斯光束的传播高斯光束的截面半径、波面曲率半径和位相因子是高斯光束传播中的三个重要参数。

1、高斯光束的截面半径高斯光束截面半径()z ω的表达式为：()1220201z z λωωπω⎡⎤⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ 从图8-2中可以看出，高斯光束在均匀的透明介质中传播时，其光束截面半径()z ω与z 不成线性关系，而是一种非线性关系，这与同心光束在均匀介质中的传播完全不同。

图8-2高斯光束传播2、高斯光束的波面曲率半径高斯光束的波面曲率半径表达式为：()2201R z z z πωλ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦高斯光束在传播过程中，光束波面的的曲率半径由无穷逐渐变小，达到最小后又开始变大，直至达到无限远时变成无穷大。

3、高斯光束的位相因子高斯光束的位相因子表达式为：()20zz arctg λπωΦ=高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线，双曲线的渐近线可以表示高斯光束的远场发散程度，如图8-3所示。

图8-3 高斯光束的发散角高斯光束的孔径角为：tg λθπω= 4、高斯光束传播的复参数表示假设有一个复参数()q z ，并令()()()211i q z R z z λπω=-当z =0时，得()()()211000i q R λπω=-因为()0R =∞，()00ωω=所以()2000q q i πωλ==- 把()2201R z z z πωλ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦和()2220201z z λωωπω⎡⎤⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦代入式()()()211i q z R z z λπω=-得()0q z q z =+这与同心球面光束沿z 轴传播时，其表达式为0R R z =+有相同的表达形式。