论文总字数：30930字

摘 要

激光具有单色性佳、相干性强、方向性好、能量集中等不同于一般光源的优越特性，是现代光学技术的革命性创新，并在定位测距、光纤通信、材料加工、医疗美容等很多领域得到广泛应用。为了更好地利用激光，就需要对激光的产生原理和传播规律有清晰深刻的认识，并对激光的特性有较为全面的掌握。

本文运用物理光学、原子物理等相关知识，对激光的原理、特性进行了深入的探讨。研究了光与原子的相互作用、产生连续手机辐射的条件及实现粒子数反转的泵浦过程。介绍了光学谐振腔的结构，推导了阈值增益、振荡条件等谐振腔参数，对激光输出的过程有了较为全面的了解。阐述了激光光学系统的重要特征。对高斯光束作了详细介绍，明确了激光光束的传播规律。

在深刻理解激光产生机理、激光光束传播规律的基础上，引入了激光光束整形这一重要课题，深入探讨了激光光束空域整形的各种典型方法，也对激光光束的时域整形作了阐述。

此外，本文还创新地展望了量子点激光器的可能发展方向，创新地提出了几种激光光束空域整形的优化方法。

关键词：激光的原理、激光光束传播规律、激光光束整形、量子点激光器、空域整形优化方法

Abstract

The laser has the advantages of good monochromatic, strong coherence, good direction and energy concentration, which are different from the general light source. It has caused great changes in modern optical application technology, promoted the development of physics and other related disciplines. In order to make better use of the laser, it is necessary to have a clear and profound understanding of the principle and the propagation law of the laser, and to have a more comprehensive grasp of the characteristics of the laser. By using physical optics, atomic physics and other related knowledge, the principle and characteristics of laser are discussed in depth. The interaction between light and atom, the condition of generating continuous cell phone radiation and the pumping process of particle number inversion are studied. The structure of the optical resonator is introduced, and the parameters of the resonator, such as threshold gain and oscillation condition, are derived. The important characteristics of the laser optical system are also expounded. The Gauss beam is introduced in detail, and the propagation law of the laser beam is defined.

On the basis of deep understanding of the mechanism of laser production and the law of laser beam propagation, the important topic of laser beam shaping is introduced. The typical methods of laser beam shaping are discussed deeply, and the time domain shaping of laser beam is also expounded.

In addition, prospected the possible development direction of quantum dot lasers, and proposed several optimization methods for laser beam spatial shaping.

KEY WORDS: Principle of laser, propagation law of laser beam, laser beam shaping, quantum dot laser，airspace shaping optimization method

目录

摘要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究状况 1

1.2.1 激光的研究历史 1

1.2.2 光束整形的研究 2

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 4

第二章 激光的原理与特性 5

2.1 引言 5

2.2 激光的原理 5

2.2.1 自发辐射、吸收和受激辐射 5

2.2.2 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布 7

2.2.3 光学谐振腔 13

2.3 激光的特性 15

2.3.1 谱线宽度 15

2.3.2 激光的特性 16

2.3.3 激光的应用 17

2.4 新型激光器的研究——量子点激光器 18

2.5 本章总结 19

第三章 激光光束特征 20

3.1 高斯光束 20

3.1.1 高斯光束的截面半径 20

3.1.2 高斯光束的波面曲率半径 21

3.1.3 高斯光束的相位因子 21

3.2 平顶光束 21

第四章 激光光束整形 23

4.1 激光光束整形的背景和概述 23

4.2 激光的空域整形 23

4.2.1 光阑拦截 23

4.2.2 非球面透镜 23

4.2.3 微透镜阵列 25

4.2.4 双折射晶体 26

4.2.5 衍射整形 26

4.2.6 激光光束空域整形新思路 27

4.3 激光的时域整形 29

4.4 本章总结 29

第五章 总结与展望 30

致谢 31

参考文献 32

绪论

研究背景

激光是“受激辐射产生的光放大”的缩写。根据Charles Hard Townes和Arthur Leonard Schawlow的理论研究，第一台激光器由休斯研究实验室的Theodore H. Maiman于1960年创建。

激光与其他光源有很大不同，其中一方面在于其空间和时间上的高相干性。空间相干性使得激光可以聚焦到狭窄的区域，从而实现激光切割和光刻等应用。空间相干性还允许激光束在很远的距离保持狭窄（即激光的准直性），从而实现激光指示器等的应用。激光器还具有高时间相干性，这使得它们发射的光束可以具有非常窄的光谱，即它们可以发出单一颜色的光。

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