非线性光学作业2(7)

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。

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