非线性光学作业2

南京理工大学理学院

非线性光学思考题

1、什么叫非线性光学，它与线性光学有何异同？

非线性光学是研究强光（激光）与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应。

极化响应过程 辐射过程

我们考察的是光与物质相互作用的过程，光进入物质中与物质相互作用，这就是上图中的极化响应过程，使得介质极化，之后光从物质中辐射出来，对应上图的辐射过程。

普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系

其中，

ε为真空介电常数，χ为线性极化率

强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数形式表示

其中， χ 为线性极化率，χ 和 χ 是二阶，三阶非线性极化率。对于各

(1)

(2)

(3)

向异性介质 ， χ

(n)

为（n+1）阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的

折射率，虚部对应介质的吸收。

(1)(2)(3)

由非线性光学理论可以证明

(n+1)

(n)

at

原子内的平均电场强度的大小（～10-11 V/m）

P =P

PP

+P

+P

E~E

在强光作用下，E~E

原子

或E>>E

原子

，产生非线性效应，要满足这一条件就要

求较高的光强，所以非线性光学在激光诞生后才得到快速的发展。 此外，线性光学与非线性光学的区别：

两者相同之处：

两者均满足Maxwell 方程组

∇⋅D=ρ

∇⋅B=0

∂B

∇⨯E=-

∂t

∂D

∇⨯H=j+

∂t

（ω）=ε（ω）·E（ω）

其中，电位移矢量

磁感应强度

（ω）=μ（ω）·H（ω）

电流密度

（ω）=σ（ω）·E（ω）

电感应极化强度

（ω）=∑ε0·χm·E（ω） ε（ω）、μ（ω）、σ（ω）、χ（ω）均为二阶张量。

2、 试述多波耦合方程的推导及其物理意义。

麦克斯韦方程 物质方程

∂ 0⨯=-

⎧

∇E

B

⎧D=εE+P

⎪ ⎪∂

t

⎪⎪

⎪ ⎨∇Hj

∂D⎨B

⨯=+

⎪∂t

⎪ ⎪ ⎪⎩

j ⎪∇⋅Dρ

⎩∇

B

= ⋅=0

对（1）式两边取旋度： ∇ ⨯ ∇ ⨯ E = - ∂ ∇

∂t⨯ B

将（6）式代入（8）式得到：

∇ ⨯ ∇ ⨯ E = - μ ∂ ∇ ⨯ H

∂t将(2)式代入(9)式，并且考虑到j = 0 ，可得到：

∇ ⨯ ∇ ⨯ E = - μ ∂ ⎛ ∂D

⎫⎪

∂t ⎝∂t⎪⎭将(5)式代入(10)式:

∇ ⨯ ∇ ⨯ E = - με ∂2E∂2P

0 2- μ 2 ∂t∂t

∇ ⨯ ∇ ⨯ E = ∇ (∇ ⋅ E )

- ∇ 2 E = -∇ 2 E ρ = 0

∇ ⋅E =0

(11)式改写为：

22

∇2

E

=με∂E∂P0∂t2+μ∂t

2

=μH =σE （8） （9）

（10） （11）

12）

（

P = P L + P NL = ε 0 χ L E + NL （13） P

ε=ε01+χL将（13）式代入（12）式中，并应用

则（12）式变为：

22

∂P∂E2

∇ E = με

2 + μ NL （14）

2

()

∂t∂t（14）电磁波在非线性介质内的波动方程 例：

ω1

ω2

ω3

E(ω1)

(z,t)=

1i2

(E1il(z)⋅ei(ω1t-k1z)+c.c)⎫⎪E(ω2)1⎪

i(ω2t-⎪k

(z,t)=2(E2kl(z)⋅ek2z)

+c.c)⎬⎪ E(ω3)1⎪j(z,t)=2(Ei(ω3t-k3z)

3jl(z)⋅e+c.c)⎪⎭

c.c为复共轭量，i，j，k为直角坐标系 对ω1=ω3—ω2

[Pω

i

1'NL(z,t)]i=

2

dijkEij

(z)E*

2k(z)exp{i[(ω3-ω2)t-(k3-k2)]}+c.c对（14）式取第i个分量 2

∇

2

E

(ωi)(z,t)=∂ω(i)

i

∂z

2

E

i

z(t, )

=1∂22∂z

2⎡⎣E1i(z)ei(ω1t-k1z)

+c.c⎤⎦

15）

16） 17） （ （ （

对上式进行微分运算时，考虑到复振幅随z的变化足够小，即

dE1id2E1i

k1 dzdz2

（18）

dE(z)⎤i(ω1t-k1z)1⎡2(ω)

∇2Ei1(z,t)=-⎢k1E1i(z)+2ik11i⎥ e+c.c （19）

2⎣dz⎦

将（19）式代入（14）式可得关于

的波动方程：

dE1i(z)⎤i(ω1t-k1z)1⎡2

E(z)+2ik1 e+c.c= k11i⎢⎥2⎣dz⎦

21∂⎡⎤i(ω1t-k1z)ω12

⎡⎤⎡⎤-iωμσ+ωμεE(z)e+c.c-μP 10⎦⎢1i0NL(z,t)⎦i（20）2⎣⎣10⎥2∂t⎣⎦

将上式中用（16）式代替，又知道，得到：

ik1

dE1i-ik1z11'*

e=-iω1μ0σE1ie-ik1z+ω12μ0dijkEijE2ke-i(k3-k2)z （21） dz22

，

对上式两边除以

dE1i'1*-i(k3-k2-k1)z

=1E1i-iEe （22） ijk3jE2kdz2同理得到：

dE*2k'1*

=2E*2k+iωijkE1iE3je-i(k1-k3+k2)z （23）

dz2dE3jdz

物理意义：

='1*

3E3j-iωijkE1iE2ke-i(k1+k2-k3)z （24）

2（1）ω1ω2ω3通过非线性相关系数

彼此耦合并可能发生能量转移

（2）每个方程给出了一个频率的场振幅随距离的变化速率，它是另外两光场振

幅与位相差的函数

（3）如ω3的功率够小（即转换效率低）以致两输入场的振幅为常数

则三个方程并为一个，且易解 （4）若

，则是线性光学范畴。

3、如何获得最佳倍频输出，倍频光与基频光特征有何变化？

当i=j ωi=ωj=ω时

（1）

代入三波耦合方程

（2）

过程中要求能量与动量守恒

ω+ω=2ω=

k+k= （3）

（4）

即当晶体中倍频光的折射率等于基频光的折射率时，满足相位匹配条件，所以在具有双折射特性的各向异性晶体中，对于频率不同的两束光，有可能找到某种传播方向，它们的两个垂直的偏振方向的折射率相同，即

要做到相位匹配，需要对角度调谐或温度调谐以满足二式其一， 以负单轴晶体为例，相位匹配条件为

为对正单轴，相位匹配条件为

（1）基频光波和倍频光波的折射率相等。

（2）倍频光强与基频光强的平方成正比，这说明一个倍频光子是由两个基频光子湮灭后产生的，符合能量守恒定律。

（3）倍频效率正比于基频光的功率密度，可以通过聚焦基频光的方法来提高倍频效率。

4、试用折射率椭球图示倍频效应的位相匹配条件。

以负单轴晶体为例：

实线为频率为ω的基频光的o光折射球和e光折射椭球 虚线为频率为2ω的倍频光的o光折射球和e光折射椭球

虚线为频率为2ω的倍频光的o光折射球和e光折射椭球

5、试设计一个可调谐参量振荡器。

双共振参量振荡器：

三光是共线的，非线性晶体置于由两球面反射镜组成的光腔中。两球面反射镜1和2的反射率对信号光、闲频光和泵浦光分别

是

。

（2）

蓝宝石

输出镜

用于角度调谐的参量振荡器的单振荡谐振腔装置图

分束器透射90%的泵浦光束，反射99%的信号光束。当在谐振腔内用棱镜扩束器来增加光栅上的光束斑点尺寸时，还可以使线宽再变窄一个数量级，另一个做

-1

法是，把一个1mm的倾斜标准具插进谐振腔内，使线宽减小到0.1cm，也可以在谐振腔内使用其他频率选择元件，比如段元双折射滤光片和标准具组件，来减少输出线宽。

6、三次极化产生的非线性效应有哪几种？如何用动量与能量守恒条件解释？

三次极化非线性效应有三次谐波、四波混频、相位共轭、光场感应双折射、自聚焦、双光子吸收和受激散射（拉曼、布里渊）效应等

四波混频（FWM）

4)

四个不同频率的波失在介质中混频.在四波混频过程中光子的能量与动量守恒

在四个波的频率相等的情况下，四波混频称为简并四波混频（DFWM）

下面是三种混频效应示意图：

E1

3

（1）

E1

（2）

（3） 图（3）

，是光学共轭的原理图。

受激拉曼散射（SRS）

＝ 1

v＝ 1

＝ 0

(a)

(b)

v＝ 0

（a） 斯托克斯散射; （b）

反斯托克斯散射

图(a)表示分子原来处在基态v=0上，一个频率为ωp的入射光子被分子吸收，同时发射一个频率为ωs= ωp – ωV 的斯托克斯光子，而分子被激发到v=1的振动能级上；图(b)表示分子原来处在v=1的激发态上，散射的反斯托克斯光的频率为ωas = ωp + ωV。

对于普通的拉曼散射光来说，它们都是非相干辐射。当用强激光照射某些介质时，在一定的条件下，散射光具有受激的性质，是相干辐射，这就是所谓的受激拉曼散射。

受激布里渊散射

7、 光散射现象有几种？其物理机理有何不同？

（一）普通光散射现象

光与各种物质相互作用都将引起散射，其本质是介质感应电极化特性的空间起伏或时间起伏引起的光散射现象。

分类：1、非纯净介质中的光散射

2、纯净介质中的光散射

① 瑞利散射，由介质中分子原子引起

② 拉曼散射，发生在由分子组成的介质中，分子内部因电偶极矩随时间的周期性调制引起的散射 3、布里渊散射

由介质中粒子热运动引起的连续弹性力学振动导致

（二）受激拉曼散射效应

受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，入射光会改变介质的光学性质。

① 分子振动跃迁受激拉曼散射 ② 分子纯转动跃迁引起 ③ 原子的能级跃迁 ④ 半导体的自旋反转 （三）受激布里渊散射

起源于激光光场与分子或固体中的声波场的相互作用，也就是光子与声子的相互作用。与自发布里渊散射不同，受激布里渊散射的产生过程是：在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，而导致入射光由声波场间发生相干散射过程。

8、产生自聚焦的条件是什么？它对物质和光波本身产生了什么影响？

假定频率为ω的光电场作用于介质的同时, 还有另一束任意频率为ω′的光电场作用于该介质, 则由于ω′光电场的作用, 会使介质对ω光波的作用有所改变。 通过三阶非线性极化效应, 将产生与频率为ω′光电场平方有关的三阶非线性极化强度的复振幅P(3) (ω)为

P(ω)=6ε0χ(ω,ω',-ω')

E(ω)E(ω')E(ω')

(3)(3)

*

激

如图所示是光克尔效应开关。这种开关的速度取决于样品对激光场的响应时间，一般很短，可达Ps。

上述的光克尔效应中，光波的频率ω与产生效应的光波频率ω’不相同，实际上，一束强的光波本身就能起到产生该效应的光波作用。

自聚焦是感生透镜效应, 这种效应是由于通过非线性介质的激光束的自作用使其波面发生畸变造成的。

现假定一束具有高斯横向分布的激光在介质中传播, 此时介质的折射率为

n=

n0+

∆n(E)

2

其中, Δn(|E|2)是由光强引起的折射率变化。

如果△n是正值，由于光束中心部分的光强较强，则中心部分的折射率变化较边缘部分的变化大，因此，光束在中心比边缘的传播速度慢，结果是戒指中传播的光束波面越来越畸变，如图所示。这种畸变好像是光束通过正透镜一样，光线本身呈现自聚焦现象。

如图是光束在非线性介质中的光线路径 （虚线为波面, 实线为光线） 对介质的影响

当一个强光场入射介质后，由于强场与介质的非线性相互作用，使得介质的折射率发生改变，即在原来的线性折射率之外又加上非线性折射率，这是光致非线性折射率现象。这种与光强有关的折射率可使光在介质中传播时产生自聚焦及自相位调制（SPM）等现象。

对光波的影响

光束在中心比边缘的传播速度慢，结果是戒指中传播的光束波面越来越畸变，这种畸变好像是光束通过正透镜一样，光线本身呈现自聚焦现象。但是，由于具有有限截面的光束还要经受衍射作用，所以只有自聚焦效应大于衍射效应时，光才表现出自聚焦现象。在许多情况下，一旦自聚焦作用开始，自聚焦效应总是强于衍射效应，因此光束自聚焦的作用一直进行着，直至由于其他非线性光学作用使其终止。使自聚焦作用终止的非线性光学作用有：受激喇曼散射、受激布里渊散射、双光子吸收和光损伤等。

9、试述CARS光谱的基本原理与用途。

CARS-相干反斯托克斯拉曼散射是一种拉曼共振增强四波混频效应。

P(ωas)=3ε0χ(-ωas;ωl,ωl,-ωs)E(ωl)E(ωs)

入射光拍频相干地激发出一个频率是

的物质激发波，然后

(3)(3)2*

该激发波同的波混频产生具有反斯托克斯频率，

。

特点：

1、可提供较强的2、3、

信号光强或宽度

具有定向性，易于分离

4、利于提高空间分辨率

CARS的谱分辨率基本上是受激光谱线线宽的限制，所以可用CARS来得到气体的高分辨率拉曼光谱，CARS的高灵敏度使得它能被用来检测气体中的痕量分子，特别是CARS已在燃烧研究中得到了应用，用作检测各种种类的时间和空间的分布和寻求种类的内能分布的工具。因为输出是相干的和高度的方向性，

可用于时间、空间和谱滤波来抑制燃烧过程中产生的强的发光背景。类似的，

CARS也可用来探测在化学反应产物和它们的内能分布，和得到荧光物质的拉曼光谱。CARS能够以很好的空间和时间分辨率探测在一个封闭的有害的环境中的物质，这一点已促使人们提议用CARS来研究高温等离子体和监视激光聚变中的靶的聚爆。

10、相位复共轭为何能改善波形，有何用途？

沿z方向传播的两列波： 1 -i(ωt-kz)

E(r,t)=E(r)e+c.c

2

1 * -i(ωt±kz)Epc(r,t)=E(r)e+c.c

2

光波E(r,t)经过一个光学系统，其输出光场是Epc(r,t)的形式，则称输出光波是输入光波

的相位共轭波。当波矢k前面取负，对应于原光波的前向相位共轭波，其传播方向与原光波方向相同，振幅为原光波振幅的复共轭，其波阵面的空间分布于原光波成镜像对称；当波矢

原光波振幅的复共轭。

对比原光波电场与后向相位共轭波电场：

前面取正，对应于原光波的后（背）向相位共轭波，其传播方向与原光波方向相反，振幅为

所以，后向相位共轭波被称为原光波的时间的反演波。后向相位共轭波的波阵面空间分布与原光波的波阵面空间分布相同，只是传播方向与原光波相反。

结论：前向相位共轭波：传播方向相同、相位分布呈镜像对称

后向相位共轭波：传播方向相反、相位分布相同

上图对相位共轭反射镜和透镜与普通反射镜进行了比较，当一平面波面通过畸变介质后被两镜反射，普通镜起着增加波面畸变的作用，而共轭镜对畸变的波面有补偿作用。这就是相位复共轭改善波形的原理，如下图所示：

图（a）所示，普通反射镜对光波的畸变起了增强的作用。

图（b）所示，光波通过相位共轭反射镜的作用，可以消除波面畸变。 图（c）所示，光波通过相位共轭同样可以消除畸变。

我们可以通过简并四波混频过程来实现后向位相共轭，在此过程中相位匹配条件将自动满足。

应用：

1、相位共轭谐振腔

所谓相位共轭谐振腔（PCR）, 是指普通光学谐振腔中, 一个（或两个）反射镜由相位共轭反射镜（PCM）代替形成的谐振腔。 由于这种代替, 使其呈现出良好的光学性能: 可以补偿腔内各种像差元器件（如增益介质的不均匀性、 有缺陷的光学元件等）引起的光束波前畸变, 输出高质量、 近衍射极限的光束; 相对普通谐振腔而言, 其纵模频率加倍, 使有效输出功率增大。

2、自适应光学

由于相位共轭波通过畸变介质后能够恢复到原来的波前状态, 所以可将相位共轭技术应用到自适应光学。 在这里, 以图所示的激光核聚变引爆过程来说明其基本原理。

激光器

激光放大器聚焦系统

相位共轭谐振腔结构示意图 (a)

聚焦系统激光放大器聚焦系统(b)

光学相位共轭技术在激光核聚变中的应用

光学相位共轭技术应用到激光大气通信中。 如图所示, 如果要将地面A站的信息通过人造地球卫星传送到地面B站, 可以首先由卫星向装有PCM的A站发射舵信号, 该光传播到A站时, 携带了大气的畸变信息。

光学相位共轭技术用于激光大气通信

3、图像传递

相位共轭技术在图像传递中应用的一个典型例子是多模光纤中的图像传递。

4、无透镜成像

在微电子工业的照相制版中, 为了将复杂的电路图精确地投影到光刻胶上成像, 对光学元件的均匀性、 调整精度有严格的要求。 实际上要满足这种要求还十分困难。 如果采用相位共轭技术, 利用无透镜成像系统, 就可以解决这一问题。 下图就是无透镜成像系统的原理图。

f0(x, y, t)f1(x, y, t)f1'(x, y, t)f2'(x, y, t)z＝0z＝Lz＝Lz＝2L修正多模光纤图像传递失真的物理过程

PCM晶片

11、如何使激光武器更有效地作用？

激光武器从问世以来就一直受到美国等发达国家的高度重视并投入巨额资金加以研制。不同于其它的常规武器, 激光武器能够以光速对目标进行攻击且具有极高的精确性, 同时激光的单色性好、相干性好、方向性强和能量密度高等优点使得激光武器还具有作战效能高、效费比高、抗干扰等优点。这种常规武器所无法比拟的优异性能将使未来的战场发生革命性的变化。现在激光武器主要应用于防御系统, 包括飞机和船只自卫、战术、战区和国家弹道导弹防御、反巡航导弹以及反卫星系统等各个方面。

要研究使激光武器更有效地作用的方法，首先需要了解激光武器的构成：

如上图所示：激光武器系统由 4 个分系统组成: 高能激光器分系统、总体控制分系统、光束控制（跟瞄发射）分系统和光学平台与能源辅助分系统。

（一）高能激光器分系统：

由光学系统( 高稳定光学谐振腔, 储能放电腔)、机械结构(激光器壳体, 激光器减震装置, 高效冷却系统, 激光气体循环系统, 高稳定可控旋转开关, 配气系统, 激光器电源, 显示控制系统, 可控开关脉冲触发器)、电控系统 3 大部分组成。激光武器系统中最基础最重要的就是高能激光的选择，开发高效率、高能量、高稳定性、结构简单的高能激光器是重中之重。

目前的激光器选择主要有化学激光器、CO2气动激光器、自由电子激光器、X射线激光器和准分子激光器等等。

（1）化学激光器是利用工作物质本身发生化学反应所释放的能量夹激励工作物质,从而产生激光。其优点是:1比能量高，可达500~100J/g；2、光束质量较好；3不需外电源；4、可达到较高的输出功率；5、波长3.8um的DF激光的大

气传输性能好。化学激光器主要有氟化氘(DF)、氟化氢(HF)和氧碘(COIL)等。美国第一代军用高能激光器就采用了化学激光器。

（2）CO2气动激光器的主要优点是:1、无电源,废气无毒可直接排入大气；

2、结构简单；3、输出功率较高。CO2气动激光器适用于陆基或车载式战术激光武器。但CO2气动激光器因能量转换效率低(一般为0.5-1%)、体积大、光束质量较差等原因、竞争力似乎不如化学激光器。

（3）自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。它可望成为一种高平均功率、高效率（理论极限达40%）、高分辨率的具有稳定功率和频率输出的激光器件，采用它能够避免某些工艺上的麻烦（如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀金属、玻璃），另外，它基本上不存在使用寿命问题，所以被美国的SDI计划定为战略反导激光武器的首选器件，重点发展。

（4）准分子激光器主要是0.24um的氟化氢激光器和0.35um的氟化氦激光器,波长处于紫外波段:这种激光器采用电子束或放电激励,其输出是脉冲激光。准分子激光器可通过拉曼转移技术，产生高质量的可见光束。预期准分子激光器的效率为10-20%，但实际要低得多，日前准分子激光器重点是反卫星。

下面重点介绍一种新型的激光器——高功率双包层光纤激光器，它是国际上新近发展的一种新型固体激光器件,它具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点,同常规的体积庞大的气体激光器和固体激光器相比有显著优势,已成为激光在军事中应用的重要候选者。美国空军研究室已将它作为空载激光武器的重要技术方案。

光纤激光器同气体或常规固体激光器相比,因其具有结构简单、散热效果好、转换效率高、低阈值等优点而倍受青睐。但对于1μm 左右的波长而言,其典型的纤芯直径小于10μm ,该芯径远小于透镜聚焦后高斯光束的光斑直径。由于泵浦光是直接耦合进直径低于10μm 的纤芯,限制了泵浦光的入纤效率,导致光纤激光器的输出功率较低,限制了其应用范围。近年来,国际上发展的以双包层光纤为基础的包层泵浦技术,为提高光纤激光器的输出功率提供了解决途径,改变了光纤激光

器只是一种小功率光子器件的历史。利用该技术,光纤激光器的转换效率可达50 %以上,输出功率可提高几个数量级,且有着接近衍射极限的光束质量和小巧、全固化、低阈值等显著优点。因而,双包层掺镱( Yb) 光纤激光器成为近年人们研究的热点,引起广泛关注,并已在光通信、材料加工与处理、医学、印刷等领域展现出诱人的应用前景,呈现出逐步替代现有传统高功率激光器的趋势。

常规光纤和双包层光纤(矩形内包层)的结构激光产生示意图

同其他高功率激光系统相比,双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面,均有明显的优势,已被广泛应用于汽车,医疗,半导体,通信等工业上,全球销售额已高达几十亿美元。在国防军事领域也有广阔地应用前景。美、德等国也正进行积极研究,以期替代现有体积庞大的气体或固体激光系统。开展高功率光纤激光系统的研究,对推动我国激光在军用领域的发展,具有重要战略意义。

从应用目标出发,连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低,而脉冲工作的光纤激光或许更为有用。双包层激光虽然具有散热好、体积小、效率高、光束质量好等优点,但目前常规脉冲双包层光纤的激光单脉冲输出能量,仍低于高能的气体或固体激光器,还不到1 mJ。因此,双包层光纤激光在保持其体积小巧、效率高、冷却散热方便、光束质量好等优点的同时,实现更高能量的激光输出,是今后发展的一个重要方向。高能相干光纤激光的实现,有以下几种新技术方案可供选择。

（1）研发低数值孔径纤芯的双包层光纤

双包层光纤激光器能否实现单模激光输出,取决于纤芯的直径d和数值孔径NA0。对于波长1um的激光,常规双包层光纤纤芯的数值孔径NA0为0.1~0.15,

光纤芯径不到10um,其模体积有限,单脉冲能量不能太大(能得到高平均功率的器件);若降低纤芯的数值孔径NA0,就可保证在较粗纤芯的情况下,依然为单模模式。

（2）采用光纤激光模式控制技术

较粗的多模纤芯(如90Lm)的双包层光纤,可高功率激光输出,但模式非常差,不是单模输出。若通过合适的光纤激光模式选择技术,希望可利用多模纤芯实现单模高功率激光输出。利于光纤本身实现模式控制有2种方案可供选择

（1）在多模纤芯双包层光纤激光的输出端一定距离处,放置一合适的小腔片作输出镜,如图所示

,

使得受激光中与纤芯轴线成小角度的光线(即低数值孔径的光线)Q值大,形成激光振荡;而大角度光线(高数值孔径的光线)Q值小,不能形成激光振荡,从而实现对光纤激光输出模式的选择,达到高功率高光束质量的目的。

（2）将具有多模纤芯的双包层光纤弯曲,利用其宏弯损耗和模式的关系,使得掺杂纤芯的基模LP01损耗最小,而LP11和其它高阶模的损耗增大,只输出基模LP01激光。

研究光纤激光相干组束技术：

（1）研发多芯双包层光纤在较大的内包层中有多个掺杂纤芯,每个纤芯的直径、掺杂浓度等均相同,且均为单模,纤芯间的距离很近。由于振荡激光瞬逝波的耦合,使得各纤芯受激发射的激光相互作用,达到同相位激光输出。该技术可在保持高光束质量的同时,达到高能的激光输出。

（2）光纤激光相干组束技术。将很多个相同的光纤互相靠近,排成致密的列阵,在其输出端共用一个腔片作为激光输出镜。由于各个光纤激光衍射的耦合作用,获得高能相干激光输出。

（二）跟瞄发射系统

跟瞄发射系统也是激光武器系统的重要组成部分。激光武器对目标的攻击首先需要对目标进行捕获、跟踪和瞄准, 为提高激光聚焦到目标上的光斑能量密度, 需要把激光器输出光束扩展到较大口径发射。这些功能都需要通过光束控制分系统即跟瞄发射系统来实现。

跟瞄发射系统主要由以下几部分组成:

(1) 伺服跟踪瞄准发射转台( 跟踪架、光束控制、伺服控制等);

(2)光电成像传感器(粗跟踪长波红外成像系统,连续变倍粗跟踪电视成像系统, 精跟踪中波红外成像系统, 共孔径精跟踪电视成像系统);

(3) 光电成像跟踪处理器( 粗跟踪红外成像跟踪处理器; 粗跟踪电视成像跟踪处理器; 精跟踪红外成像跟踪处理器; 精跟踪电视成像跟踪处理器);

(4) 激光发射与光电传感器调焦 /调光控制。

随着光纤激光器及光纤激光组束技术的不断成熟, 组束激光的输出功率不断提高, 开拓了合成光束应用的新领域。初步的分析和研究表明, 组束激光可以达到千瓦甚至更高量级的输出功率, 不仅可以满足一般的工业、加工和科研领域的需求, 而且在战术激光武器方面也表现出了一定的应用前景。然而, 战术激光武器面临的另一个严峻的问题是大气传输效应, 组束激光必须通过大气传输才能到达目标靶面, 在此过程中研究大气媒质对强激光造成的影响就显得尤为重要。

1 光功率衰减

一般来讲, 强激光在大气中传输产生的效应可分为两大类: 第一类是线性光学效应, 包括大气折射、吸收、散射和湍流; 第二类是非线性光学效应, 包括热晕、受激拉曼散射和大气击穿等。分子、气溶胶吸收和散射是造成强激光功率衰减的重要原因, 大气造成的光功率衰减可由布尔定律描述

式中: I0 是初始光强; R 是大气传输距离; μ是大气消光系数, 由α和β的线性和表示, 其中α和β分别代表大气和气溶胶的消光系数。

2 光束扩展

影响激光武器作用效果的重要指标是靶面功率密度, 而该功率密度的大小既取决于到达目标靶面的功率, 又取决于光束对目标的作用面积。理想条件下光束光斑的大小由衍射极限决定, 此面积可表示为

式中D 为发射系统光学口径直径。

实际大气传输过程中, 大气折射率随时间和空间作无规则的变化。这种湍流状态常常用折射率结构常数

强湍

流来表示。。一般近地面湍流强度可分为强中弱三种: ，中等湍

流，弱湍

流

。在弱湍流条件下, 辐照面积很小并且几乎不随传输距离的

增加发生变化; 而在中等湍流条件下, 辐照面积随传输距离和湍流强度的增加出现迅速增大的情况,A 的值也迅速增大。由此可见, 湍流强度将是影响激光武器系统靶面功率密度的重要因素。

实际上, 除了大气湍流影响光束辐照面积外, 强激光系统还需要考虑以下因素: 光束质量因子β; 大气抖动幅度以及由热晕引入的畸变参数N。这些参数都有可能导致光束辐照面积的增大。

大气中的分子吸收和散射造成靶面功率的衰减,湍流和热晕造成光束辐照面积的增大, 二者的共同作用将使得靶面功率密度降低, 从而影响到激光武器系统的作用距离。激光武器系统的适用条件仅仅是中、低强度湍流和热晕, 除此之外激光武器系统的作用距离将大大减小。提高激光武器性能的有效途径: 一是对发射系统和光束质量进行进一步的控制（比如在激光器内加上位相共轭镜消除激光出腔时由于热效应和微扰造成的波面畸变、减小激光束光斑直径集中光束能量等

等方法）; 二是采用先进的自适应补偿、非线性相位共轭系统, 这些都是进一步研究的重点。

综上所述，激光在大气传输过程中,大气扰动使激光波前发生畸变,激光束发生发散漂移和闪烁等现象,影响激光传输效果。

利用光学相位共扼技术实现激光大气传输补偿的主要有两种方法:校正式自适应光学技术和非线性光学相位共扼技术。

自适应光学技术的思想是由微波自适应技术发展而来的，它在上述几种实现光学相位共扼过程的技术中提出最早，也得到了最充分的研究。一个典型的自适应光学系统包括一个波前传感器，一个变形镜及其控制系统和主激光器。它的原理是先由波前传感器探测出来自目标的信标光的波前分布，再由控制系统将变形镜的反射面调整到与信标光波前相位共扼的样子，这样由变形镜反射出去的主激光就成为与信标光相位共扼的光，当相位共扼光沿信标光传输来的路途原路返回到达目标上时，大气湍流给激光传输带来的相位畸变得到了补偿。在美国的SDI(Strategic Defense Initiative)计划中，利用自适应光学技术实现激光大气补偿传输的一个典型示意图如图

在这一方案中，首先利用自适应光学技术将激光由地面传输到大气层外的一个中继镜和一个战斗镜上，通过快速调节战斗镜，将激光束反射到目标上。目前自适应光学技术已经基本成熟，达到工程应用的水平。然而，自适应光学技术又存在着一些缺点:首先自适应光学系统复杂，响应速度较慢，目前的响应时间为

毫秒量级，而大气湍流的驰豫时间也是这个量级，因此这种技术必然引入时间非等晕误差，在较强的湍流条件下，这一误差的影响是致命的;另外，自适应光学中的变形镜的可控单元数是有限的，而且单元数的增加会大大增加系统的复杂性，由这些有限的可控单元控制的变形镜只能模拟信标光的低阶畸变(像差)，而不能模拟高阶畸变，再加上波前传感器、控制算法和控制系统的误差，使得由变形镜反射出的主激光不完全是信标光的相位共扼光，而存在着一定的误差，这将影响激光补偿传输的效果。

利用一些非线性光学效应，也可以产生信标光的相位共轭光。在这一方法 中，相位共扼器是由非线性光学效应实现的，它相对于传统的自适应光学技术 具有诸多的优点：

1)用非线性光学效应实现相位共扼不需要自适应光学系统中所必需的变形控制系统(即变形镜，这是一个非常复杂的系统)，而只需要几个极简单的光学元件(在受激布里渊散射过程中，只需要一个透镜和一个盛布里渊散射介质的池子)，因此用非线性光学效应实现相位共扼使系统大为简化，不仅降低了成本，而且提高了可靠性。

2)用非线性光学效应实现相位共扼不需要自适应光学系统所需要的波前探测装置，这不仅使系统简化，还完全消除了由波前探测及各种算法和控制带来的误差，使相位共扼精度得到很大的提高。

3)用非线性光学效应实现相位共扼是对信标光进行全视场的相位共扼，而不象自适应光学过程那样，将信标光的波前分为若干单元，分别进行部分相位共扼，因此非线性相位共扼过程的完全相位共扼不仅可以补偿波前畸变的低频部分，也可以补偿高频畸变(这是自适应光学无法做到)，在已有的实验中，非线性光学效应可以补偿达到10倍衍射极限的激光光束。

4)用于实现相位共扼的非线性光学效应是自动完成的，它的反应时间为纳秒量级，而自适光学系统中由于有非常复杂的计算和控制过程，其反应速度较慢，目前大约为毫秒量级。这一差别对于实现激光的大气传输是非常重要的。因为由相位共扼光补偿信标光波前畸变的时间必须小于由大气中湍流等引起波前畸变的效应的驰豫时间(这一时间大约为毫秒量级)，这样在相位共扼光的补偿波前畸变的过程中，大气才能被视为稳态，畸变才能被补偿。因此用非线性光学效应实

现相位共扼是非常适用于激光的大气传输过程的。

5)用非线性光学效应实现相位共扼可以对目标进行自动寻的和自动跟踪。在下图描述的过程中，如果探测激光是向目标所在区域发射的一束发散

的激光，那么只要目标在激光所覆盖的区域内，就会有目标的反射光返回系统，系统产生的相位共扼光就会自动传输到目标上，对于移动目标，相位共扼光也会随目标反射光的移动而移动，从而达到自动跟踪的目的。

基于上述各优点，利用非线性光学效应实现的相位共扼技术，是一种理想 补偿激光传输波前畸变的方法。

能够产生相位共扼光的非线性光学效应主要包括受激布里渊散射，受激拉曼散射，三波混频、四波混频(FWM)及布里渊增强四波混频(BEFWM)效应等。其中前四种效应的研究历史较长，布里渊增强四波混频效应的研究直到1980才见到首次报道。在这些非线性光学效应中，除受激拉曼散射因其相位共扼光相对泵浦光频移太大和三波混频不实用以外，其它三种都曾被人们尝试着用来补偿激光在大气传输中的波前畸变。这里主要介绍受激布里渊散射相位共轭技术消除大气传播畸变。

先由系统向目标发射一束探测光(如图1-5)，探测光源是一台倍频YAG激光器，为了使由目标反射回的信标光能被系统中的拉曼散射池放大，在出射前探测光先经一个拉曼散射过程而产生一个拉曼频移，探测光是以0.1°的发散角向6km以外的目标发射的，目标是一个3 cm孔经的―猫眼‖反射器，由目标反射回的信标光已经很弱，入射到系统中的信标光(系统接收孔经为10cm)被成像到两级拉曼放大池内，拉曼散射的泵浦光是由与探测光源共用的种子激光器注入的一台YAG倍频激光器提供的，(值得一提的是，两台YAG倍频激光器均采用了受激布里渊散射效应来提高光束质量)

，信标光在两级拉曼池中的增益达到

（85dB），到达受激布里渊散射池前的信标光能量为10mJ，受激布里渊散射池是一个装有TiC14的波导池，由受激布里渊散射效应产生的相位共扼光经信标光传输的路经原路返回目标。在相位共扼光通过拉曼放大池时，由于时间的匹配问题，没有得到放大。利用上述实验系统，在大气折射率结构常数为10-16到10-13的范围内，即在由弱到较强湍流的各种天气条件下，均实现了激光在大气中的补偿传输。

用受激布里渊散射实现相位共扼过程相对于其它的非线性光学效应又具有结构简单和自泵浦的优点。实现受激布里渊散射只需要一个透镜和一个盛装散射介质的池子，这相对四波混频等非线性光学效应较复杂的光路设置，即简单，又提高了系统的稳定性。受激布里渊散射的自泵浦的优点也是十分重要的，用布里渊增强四波混频的方法实现相位共扼，来补偿激光在大气传输中的波前畸变，因

这种方法无泵浦闽值，并可以获得极大的弱信号放大倍数(目前已达到107)，而受到重视，但布里渊增强四波混频过程中，需要与目标反射回的信标光有严格的频率关系的泵浦光注入到作用介质内，这就需要在由激光器发出的探测光传输到目标并被目标反射回系统的整个过程中，激光器的激光频率始终稳定在一个小区域内，这样才能使激光器后来发射出的泵浦光在作用介质内与信标光实现布里渊增强四波混频，而这种稳频技术对于许多激光器又是十分困难的，这就大大限制了这种方法的使用。而受激布里渊散射是由信标光自泵浦的，对入射光没有严格的频率要求，甚至可以实现宽带或几个频率同时的散射过程。

受激布里渊散射相对于四波混频或布里渊增强四波混频的一个缺点是这一效应有一个闽值，只有信标光的功率密度大于闽值(大约为10}W/cm2)时，才能在散射介质内激发出受激布里渊散射效应。用高增益的功率放大器对信标光进行预放大，可以解决这一问题，这在强激光的应用中是不难做到的。

基于上述诸多优点，采用受激布里渊散射来实现激光在大气中的补偿传输。

近几年德国柏林光机学院和美国洛伦斯实验室等单位也在利用SBS改善激光器输出的光束质量方面做了大量工作，其中前者的工作主要集中在准分子激光器方面，后者主要集中在固体激光器方面。在本实验室的工作中，曾做出无后反镜的SBS相位共扼腔，不仅获得了优质激光输出，还简化了激光器的结构，降低了成本，在现在的工作中，还把SB S技术用于光学参量振荡器的研制工作中。

12、 试述激光加工的物理机理与过程。

由于激光具有方向性好、高能量和单色性好等一系列优点,自60年代初间世以来,就受到科研领域的高度重视。激光技术推动了诸多领域的迅猛发展,应用范围越来越广,在加工领域中的应用成果尤为显著。

激光加工系指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变,或物体性能的改变的加工过程。按光与物质相互作用机理,大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工系指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种加工过程;激光光化学反应加工系指激光束作用于物体,借助高密度高能量光子引发或控制光化学反应的各种加工过程,也称为冷加工。热加工和冷加工均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、刻槽、标记等。热加工对金属材料进行焊接、表面强化、切割均极有利;冷加工则对光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化很合适。

1．激光加工技术在传统制造业中的应用

(1)激光焊接:激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上,使工件受热熔化,然后冷却得到焊缝。激光焊缝熔深大,速度快,效率高;激光焊缝窄,热影响区很小,工件变形也很小,可实现精密焊接;激光焊缝结构均匀,晶粒很小,气孔少,夹杂缺陷少,在机械性能,抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。激光焊接技术具有溶池净化效应,能纯净焊缝金属,适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高,对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前,汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型,激光拼接焊取代了电焊,使得每辆轿车可节约100美元。

(2)激光切割:激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑,将材料快速加热至汽化温度,蒸发形成小孔洞,并使光束与材料相对移动,实现连续孔洞的窄切缝。脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。与计算机控制的自动设备结合,激光束具有无限的仿形切割能力,切割轨迹修改方便;通过预先在计算机内设计,进行众多复杂零件整张板排料,可实现多零件同时切割,节省材料。激光切割以其优越的性能成为现代工业应用中的第一大户。在美国、德国、日本等发达国家,因其汽车工业的发达而使激光切割的使用比例达60%以上。

(3)激光打孔: 采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1～1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005～1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。

(4)激光标记:激光标记技术是激光加工最大的应用领域之一。激光标记是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而留下永久性标记的一种技术。通过计算机控制可实现各种文字、符号和图案大小从毫米量到微米量级的标记,激光标记速度快,所标记线条、字符图案清晰,且易于在生产线上更改标记符号(如每个工件一个编号),对工件表面无作用力,不产生形变,对表面不产生腐蚀,对软、硬表面都可标记。

(5)激光表面热处理:激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等,这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

2.激光加工技术在徽电子行业应用

(1)激光光刻:掩模版上的电路图形，在光照下或直接投影或缩小5、10倍后投影到硅片的感光胶(抗蚀剂)上，经过显影步骤后，未被曝光部分的感光胶被溶解(负型感光胶)，或者被感光部分的感光胶被溶解(正型感光胶)。感光胶被溶解部分的硅片裸露出来，以便进行下一步的刻蚀、扩散或金属淀积处理，获得芯片的内部的实际结构制作。因为保留下来的感光胶起保护硅片的作用，这种特殊的感光胶通常又叫做抗蚀剂。能够把集成电路的集成度越做越高，完全得益于微细加工技术的不断进步。越来越多的晶体管元件集成在小的硅片上，一直是微电子工业界不懈的追求目标，尤其是近10年中，单位面积硅片上的晶体管集成度以每三年翻四番的速度增长。

(2)激光微调:激光微调是把激光束聚焦成很小的光点，对电阻导电膜进行切割(熔融、燕发)，改变电阻导电体的有效导电面积或有效导电长度，达到精确调

整电阻单元阻值的目的。激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%~0.002%，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调已广泛用于生产，它是在大规模集成电路生产中最为成熟的工艺，是获得高精度电路和高速生产的唯一方法。

(3)激光退火:激光退火最初是消除半导体中离子注入引起电路基体的破坏，并使注人杂质激活。现在这项工作已伸展至很宽的范围，有些情况已不存在离子注入的破坏，如硅化物形成、非晶物生长单晶、使化学沉积多晶形成大粒多晶等.这些技术为大规模集成电路的制造提供了新方法.它能形成陡峭又浅的p-n结，获得比普通杂质激活法更高的掺杂浓度区，形成良好的连接。最有益的是为在非晶材料上生长晶状半导体提供了一种较便宜的晶体制造方法，可形成有绝缘层的多层晶状薄膜，为三维集成路发展提供了可能性。

(4)激光存储:光盘的制作分两个阶段，第一阶段是激光刻制母盘既印模模具;

第二阶段是压制生产用户盘。在母盘刻制中，信息首先用激光录制到优质盘形衬底的光致抗蚀剂上，这个过程称为主录。染料记录层改用无机材料层，无机材料层可在晶态和非晶态之间转换，并通过脉冲激光加热又可变回来，实现对原有数据信息的擦除，并可重新录制新的数据信息。

(5)激光划线:随着单晶硅衬底尺寸的不断增大和超大规模集成芯片尺寸的逐渐减小，几英寸晶片上制造的芯片数目达几千片，在封装这些芯片之前，必须将基片按芯片的布局进行切断。与过去的超薄金钢石砂轮切割相比，激光划线是非接触切断，无切削粉末和冷却液污染，切口光滑，精度高。目前激光划线技术已成为生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15~25}Cm，槽深为5~200 um)，加工速度快(可达200 mm/s)，成品率可达99.5%以上。

(6)激光清洗:使用短脉冲的紫外激光照射基片，基片吸收光子的能量其表面温度发生变化而产生热膨胀，导致吸附在基片表面上的微粒和油脂克服吸附力的束缚而向前喷射，使基片实现清洗。

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