高功率激光装置的负载能力及其相关物理问题 郑万国 9787030401779 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郑万国 著

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• 高功率激光
• 激光技术
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• 等离子体物理
• 激光损伤
• 负载能力
• 郑万国
• 科学出版社
• 物理学

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030401779

商品编码：29318769516

包装：精装

出版时间：2014-04-01

基本信息

书名：高功率激光装置的负载能力及其相关物理问题

定价：120.00元

作者：郑万国

出版社：科学出版社

出版日期：2014-04-01

ISBN：9787030401779

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：12k

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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国家科技重大专项（涉密项目）《高功率激光装置的负载能力及其相关物理问题》内容主要包含高功率固体激光系统负载能力相关的物理问题、发展历程和新科研成果和研究进展，综述美国和法国在高功率激光装置负载能力的研究成果，总结中国工程物理研究院激光聚变研究中心和电子科技大学近几年的新科研成果和经验。丛书包含固体激光装置负载能力相关物理问题、光学元器件损伤特性响规律、光学元件预处理和损伤修复相关物理问题；同时，包含光学元件的激光预处理和损伤修复工艺研究成果。《高功率激光装置的负载能力及其相关物理问题》内容可为高功率固体激光装置负载能力提升方向提供参考。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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高功率激光装置：揭示其能量传输与物质相互作用的奥秘 高功率激光，作为现代科技领域一股强劲的驱动力，以其卓越的能量密度和精确的指向性，深刻地改变着工业制造、科学研究、医疗健康乃至国防安全的面貌。理解并精确掌控高功率激光装置的负载能力，以及其在能量传输过程中与周围环境所发生的物理现象，是推动这一领域不断向前发展的关键。本文旨在深入探讨高功率激光装置的负载能力，并细致剖析与之紧密相连的系列物理问题，从而揭示其内在的运行机制与潜在的挑战。 一、 高功率激光的负载能力：量化的界限与多维度的考量 高功率激光装置的“负载能力”，并非一个单一的物理量能够简单概括，而是需要从多个维度进行综合评估。其核心在于激光器能够稳定、持续地向目标提供多少能量，以及这种能量输出是否在装置的安全和性能范围内。 1. 功率与能量输出: 这是最直观的衡量标准。激光功率通常以瓦特（W）或千瓦（kW）为单位，表示单位时间内输出的能量。而激光能量则指总的输出能量，单位为焦耳（J）。高功率激光的特点在于能够瞬间或在短时间内释放巨大的能量，因此，峰值功率和平均功率都显得尤为重要。负载能力的上限直接取决于激光器的设计、增益介质的性质、泵浦源的效率以及谐振腔的稳定性。例如，在材料加工领域，激光器需要具备足够的功率来熔化、汽化或切割材料；在科研领域，高功率激光可能用于驱动等离子体产生，模拟极端物理条件。 2. 光束质量与聚焦能力: 仅仅拥有高功率是不足够的。激光束的质量，即其空间相干性、横模结构和发散角，直接决定了其聚焦后的能量密度。高斯光束（TEM00模）通常具有最佳的光束质量，能够形成最小的聚焦光斑，从而获得最高的能量密度。激光装置的负载能力也体现在其输出的光束能否被有效地聚焦到所需的微小区域，以实现高能量密度下的精密作用。光束质量的衰减（如像差、热透镜效应）会显著降低实际的负载能力。 3. 重复频率与脉冲特性: 对于脉冲激光器而言，其负载能力还体现在重复频率和脉冲宽度上。高重复频率的短脉冲激光能够实现更高的平均功率，并在单位时间内对材料进行更频繁的作用，这在超快加工、生物医学成像等领域至关重要。而超短脉冲（飞秒、皮秒）激光则以其极高的峰值功率密度而著称，能够实现“冷加工”，减少热损伤。因此，负载能力需要考虑在特定脉冲参数下的能量输出稳定性、脉冲形状以及能量抖动。 4. 稳定性与可靠性: 负载能力的持续性是实际应用的关键。一个不稳定的激光输出，即使瞬间功率很高，也无法满足大多数工业和科研需求。长时间运行的功率稳定性、波长稳定性以及模式稳定性，都是衡量激光装置负载能力的重要指标。此外，装置的可靠性，即在各种工作环境下能够稳定运行的时间，也间接影响了其有效负载能力。 5. 安全性与环境适应性: 高功率激光对操作人员和周围环境可能造成严重危害。因此，负载能力的设计也必须考虑安全防护措施，例如辐射屏蔽、安全联锁等。装置的温度控制、光学元件的抗损伤阈值、以及在不同环境条件（如湿度、灰尘）下的适应性，也构成了其负载能力不可或缺的一部分。 二、 相关的物理问题：能量传输、物质相互作用与多物理场耦合 高功率激光在能量传输和与物质发生相互作用的过程中，会引发一系列复杂的物理现象，这些现象不仅是理解激光作用机理的核心，也是限制和决定激光装置负载能力的关键因素。 1. 激光的产生与放大: 增益介质的特性: 激光的产生依赖于特定增益介质（如固体、气体、半导体）的受激辐射。介质的吸收光谱、荧光寿命、饱和强度、热导率等特性直接决定了激光器的增益上限和输出功率。例如，Nd:YAG、CO2、光纤等不同类型的增益介质，在输出功率、波长、光束质量等方面各有优势和限制。 泵浦源的效率与稳定性: 泵浦源（如闪光灯、半导体激光器、气体放电）为增益介质提供能量，其效率、功率稳定性以及光谱匹配度，直接影响激光器的总效率和输出功率。 谐振腔设计与稳定性: 谐振腔是激光器实现相干振荡的关键。腔长、反射镜的曲率和反射率、腔内光学元件等的设计，影响着激光器的模式、光束质量和输出功率。腔内热效应（热透镜、热形变）是限制高功率激光器输出功率和光束质量的主要因素。 2. 激光能量的传输与聚焦: 光学元件的损伤阈值: 高功率激光在传输过程中会经过一系列光学元件（反射镜、透镜、窗口）。当激光强度超过元件的损伤阈值时，会发生光学损伤，导致能量损失甚至元件报废。因此，理解和提高光学元件的抗损伤阈值，对于实现高功率激光的稳定传输至关重要。 非线性光学效应: 当激光强度极高时，介质的介电常数会发生非线性变化，导致一系列非线性光学效应，如自聚焦、倍频、参量过程、受激拉曼散射等。这些效应可能导致光束畸变、能量损耗、甚至激光器本身的破坏。特别是自聚焦效应，会使激光束在介质中逐渐收缩，从而在远小于衍射极限的区域形成极高的能量密度，但也可能引发击穿。 衍射与像差: 激光束在传输过程中会发生衍射，导致光斑大小和能量密度分布的变化。光学系统的像差（球差、像散、彗差等）会进一步影响聚焦效果，降低能量密度。高功率激光装置需要采用先进的光学设计和补偿技术来最小化这些效应。 3. 激光与物质的相互作用: 吸收与反射: 激光能量与物质的相互作用首先体现在吸收和反射。不同物质对不同波长的激光具有不同的吸收率和反射率。材料的吸收率决定了有多少激光能量能够被转化为热能或其他形式的能量。 热效应: 激光能量被吸收后，会在材料内部产生大量的热量，导致材料升温、熔化、汽化甚至等离子体形成。材料的导热系数、比热容、熔点、汽化潜热等热物理性质，决定了激光作用的深度、范围以及材料的形变。高功率激光的瞬时加热效应会导致极高的温度梯度，引发应力、断裂等问题。 等离子体产生与演化: 当激光强度足够高时，材料会电离形成等离子体。等离子体的形成和演化是一个极其复杂的过程，涉及电子-离子碰撞、辐射冷却、冲击波传播等。等离子体本身会吸收激光能量，并对激光束产生散射和屏蔽效应，这会影响激光与材料的进一步作用，也是限制激光能量传输效率的重要因素。 烧蚀与加工: 激光与物质的相互作用是实现激光加工（切割、焊接、打孔、表面处理）的基础。理解激光烧蚀阈值、烧蚀速率、表面形貌、热影响区（HAZ）等，是实现精密激光加工的关键。超短脉冲激光通过其极高的峰值功率密度，能够实现“无热”或“少热”烧蚀，减少材料损伤。 冲击波与声波: 激光与物质相互作用产生的高温高压区域会引发冲击波，在材料内部传播。冲击波可以用于改善材料的机械性能，但也可能导致材料的损伤。激光诱导的声波也可能对材料产生影响。 化学反应与相变: 高功率激光的能量密度可以引发材料的化学反应或相变，例如，在特定气氛下进行激光焊接时，可能发生氧化反应；激光辐照可能导致材料从一种晶体结构转变为另一种。 三、 负载能力的制约因素与优化方向 激光装置的负载能力受到上述物理问题的多重制约。例如，增益介质的饱和效应、腔内光学元件的损伤、非线性效应的限制、以及材料烧蚀过程中的等离子体屏蔽等，都可能导致实际的能量输出远低于理论设计值。 为了提高高功率激光装置的负载能力，需要从多个方面进行优化： 新型增益介质与泵浦技术: 开发具有更高增益、更高损伤阈值、更优热学性能的增益介质，以及更高效、更稳定的泵浦源，是提升激光器性能的基础。 先进的光学设计与材料: 采用具有更高损伤阈值、更低损耗的光学元件，并运用先进的光学设计技术，如自适应光学、相位补偿等，来校正像差，优化光束质量。 抑制非线性效应: 通过优化光束传播路径、降低激光强度、或采用特殊的光学结构来减弱或控制非线性光学效应。 高效的冷却与热管理: 针对高功率激光器产生的热量，设计高效的冷却系统，避免热透镜效应等热效应的负面影响。 精细的材料相互作用控制: 深入研究不同材料在不同激光参数下的相互作用机制，通过优化激光参数（功率、脉冲宽度、重复频率、波长）和工艺参数（扫描速度、聚焦位置），实现更高效、更精确的材料加工。 智能控制与监测: 引入先进的反馈控制和实时监测系统，能够实时调整激光参数，补偿外界干扰，保证输出的稳定性和精确性，从而提升实际的负载能力。 总之，高功率激光装置的负载能力是一个涉及激光产生、能量传输、物质相互作用等多方面物理过程的复杂问题。对这些物理问题的深刻理解，是设计、制造和应用高功率激光的关键。随着科学技术的不断发展，对高功率激光负载能力及其相关物理问题的研究也将不断深入，为人类创造更美好的未来提供强大的技术支撑。

评分☆☆☆☆☆

这本书在联系理论与实际工程应用方面，做得相当有分寸感。它没有像一些过于理论化的专著那样，把激光装置描述成一个完美的、理想化的系统。相反，它非常坦诚地探讨了在现实世界中，诸如热负荷管理、光学元件的热畸变、以及高压供电系统的稳定性等一系列“脏活累活”对最终性能的影响。例如，在分析系统的整体效率时，作者细致地分解了能量损耗的各个环节，从泵浦源的效率到耦合损耗，再到腔内介质的自吸收，每一个环节的量化分析都基于实际装置的运行数据或公认的实验常数。这种脚踏实地的态度，使得书中的结论不仅仅是纸面上的计算，而是真正具有指导工程实践价值的经验和方法论，让人感觉到作者对整个高功率激光系统的生命周期都有着深刻的洞察。

评分☆☆☆☆☆

从作者的学术背景和引用的文献来看，这本书明显融合了东西方在激光技术研究上的不同侧重点。我留意到书中对某些前沿的非线性频率转换技术有着相当详尽的论述，这部分内容结合了最近五年内国际上最顶尖的几组实验数据，显示出作者团队紧跟世界前沿的动态。更难能可贵的是，除了纯粹的物理推导，书中还穿插了一些关于“可制造性”和“成本控制”的讨论。比如，在讨论新型光学镀膜技术时，作者没有仅仅停留在理想的反射率指标上，而是探讨了特定镀膜工艺在大规模生产中的良率问题。这种多维度的审视——从微观物理到宏观经济和制造约束——使得整本书的视野显得异常开阔，真正体现了一部顶尖工程科学著作应有的广度和深度。它不仅仅是知识的汇编，更是一种解决复杂工程难题的思维方式的传递。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格，初看起来略显干燥，但当你沉浸其中后，会发现这是一种极致的“技术自信”所带来的简洁。作者似乎完全跳过了那些不必要的修饰和铺垫，直奔核心的物理机制和工程限制。这种风格的优点是效率极高，每一个段落都在传递信息，没有一句废话。然而，对于那些刚刚接触高功率激光领域的新手来说，这可能构成了一道不小的门槛。我记得在某个关于损伤阈值的讨论部分，作者直接给出了一个复杂的经验公式，然后紧接着就讨论了该公式在不同材料界面上的适用性边界。虽然信息密度极大，但如果事先没有对材料科学和激光损伤的背景知识有所了解，理解起来会非常吃力。这让我觉得，这本书更像是为已经站在某个专业门槛上的工程师或博士生量身定制的“进阶指南”，它更侧重于解决“如何在高限制下实现最优性能”的问题，而不是“这个现象是什么”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计确实是下了不少功夫的，封面那种深邃的蓝色调，配合着烫金的字体，一下子就给人一种专业、严谨的学术感。我拿到手的时候，首先注意到的是纸张的质感，那种略带磨砂的触感，使得长时间阅读眼睛也不容易感到疲劳。这对于一本技术性极强的著作来说，其实是非常重要的细节。内页的排版布局也相当清晰，图表的引用和公式的推导都做得非常规范，每一个章节之间的逻辑衔接也十分流畅，看得出作者在结构组织上下了大量的精力。特别是那些复杂的物理模型示意图，线条清晰，标注准确，即便是初次接触这些前沿概念的读者，也能通过这些视觉辅助工具，对抽象的理论有一个初步的、具象化的理解。这本书的目录设计也体现了编排者的用心良苦，从基础的原理阐述，到核心的参数分析，再到实际工程中的应用与挑战，层层递进，构建了一个非常扎实的知识体系框架。整体来说，这本书在硬件和软件的结合上，为读者提供了一个非常舒适且专业的阅读体验，光是捧在手里翻阅的过程，就能感受到出版方对高水平学术内容的尊重与投入。

评分☆☆☆☆☆

说实话，这本书的理论深度绝对不是那种泛泛而谈的科普读物可以比拟的。我印象最深的是对某些瞬态高能过程的数学描述部分，作者似乎没有满足于教科书上常见的近似模型，而是深入挖掘了非线性效应在极高功率密度下的真实表现。例如，在讨论脉冲整形和束流稳定性的章节里，作者引用的那些微分方程组，其复杂性和严谨性，让人不得不佩服其功底。阅读这些内容时，我发现自己必须频繁地回顾前面章节的基础假设，因为稍有不慎，就可能在复杂的耦合项中迷失方向。这绝对是一本需要“啃”的硬骨头，它要求读者不仅要有扎实的物理基础，更要有强大的数学建模能力。它不是那种读完就能立刻在工作中使用所有结论的书，它更像是一份详尽的、可供研究人员深入探究的参考手册，每一次重读都会有新的体会和理解上的突破，那种思维被挑战和延展的感觉，是阅读其他材料难以获得的。