激光的技术应用

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1、第一讲第一讲激光的技术应用激光的技术应用。、蒸汽动力时代蒸汽动力时代电气时代电气时代光子时代光子时代20世纪世纪19世纪世纪21世纪世纪1769年瓦特发明蒸汽机年瓦特发明蒸汽机18671873年格拉姆先后发年格拉姆先后发明发电机和电动机明发电机和电动机1960年梅曼发明红宝石激光器年梅曼发明红宝石激光器MF:中波中波HF:短波短波VHF:超短波超短波UHF:极超短波极超短波SHF:厘米波厘米波EHF:毫米波毫米波THZ:亚毫米波亚毫米波国际光学与光子学学会（国际光学与光子学学会（SPIE）最新调查显示：）最新调查显示：光子学行业的薪酬光子学行业的薪酬远高于远高于平均水平平均水平 尤其是在发达国

2、家。尤其是在发达国家。全球范围内，光学和光子学产业工人的平均工资为全球范围内，光学和光子学产业工人的平均工资为73000美元。美元。在美国，这一数字为在美国，这一数字为106000美元；收入最高的光子学产业工人美元；收入最高的光子学产业工人生活在瑞士，平均工资超过生活在瑞士，平均工资超过120000美元（瑞士的平均工资水平美元（瑞士的平均工资水平为为50000美元）。美元）。光电产品与资讯光电产品与资讯，2012.9，p72007年欧洲光子产业市场分布年欧洲光子产业市场分布2011年全球激光应用市场分布年全球激光应用市场分布What is light?10nm-1000 mX-ray: 10n

3、m, 同步辐射：同步辐射：0.4nm380nm780nmThe development of lasersA chronology of selected events普朗克提出普朗克提出物体辐射能物体辐射能量量子化假量量子化假设，开创量设，开创量子物理学新子物理学新领域。领域。爱因斯坦在普朗爱因斯坦在普朗克理论基础上，克理论基础上，指出光也是一份指出光也是一份一份的一份的(后来称为后来称为光子光子)，解释光电，解释光电效应。效应。玻尔建立原子玻尔建立原子模型，指出电模型，指出电子依据其能量，子依据其能量，占据不同的分占据不同的分立轨道。立轨道。爱因斯爱因斯坦提出坦提出受激辐受激辐射概念射概念

4、汤斯发现怎样驾驭受汤斯发现怎样驾驭受激辐射产生聚焦微波激辐射产生聚焦微波束，称为束，称为Maser辐辐射受激发射的微波放射受激发射的微波放大。大。1964年同另外两年同另外两位前苏联物理学家分位前苏联物理学家分享享Nobel物理学奖。物理学奖。汤斯和肖洛发表了如汤斯和肖洛发表了如何获得更短波长（包何获得更短波长（包括可见光）的受激辐括可见光）的受激辐射的理论文章，提出射的理论文章，提出了激光的概念。了激光的概念。梅曼发明梅曼发明红宝石激红宝石激光器。光器。不同研究不同研究小组研制小组研制成功成功GaAs半导体激半导体激光器。光器。灯Ruby荧光光谱仪红宝石闪光灯抛光、镀银1958,12. T-

5、S 发表文章，提出了实现发表文章，提出了实现Laser的可能性。几十个小组都在争做世界的可能性。几十个小组都在争做世界第一台第一台Laser。难点在于探索合适材料，实现粒子反转。难点在于探索合适材料，实现粒子反转。Maiman: 1955 Stanford. Ph.D 后在后在Hughes.R.Lab研究红宝石的荧光特性研究红宝石的荧光特性:1959年看到年看到S-T文章文章1960，July实现第一台实现第一台Ruby Laser两周后两周后, USSR 重复实现重复实现 Ruby Laser 1961, He-Ne Laser 1962, GaAs Semiconductor Laser自

6、此以后的许多年，激光及其应用飞速发展。它的历自此以后的许多年，激光及其应用飞速发展。它的历史是一部典型的史是一部典型的交叉学科的发展史交叉学科的发展史：1. 发明了近百种不同类型的激光器件，其发明者都有发明了近百种不同类型的激光器件，其发明者都有完全不同的专业背景完全不同的专业背景2. 形成了许多重要的交叉学科：如信息光电子学、激形成了许多重要的交叉学科：如信息光电子学、激光计量、激光生物医学、激光化学、激光全息术、激光计量、激光生物医学、激光化学、激光全息术、激光光谱学、非光光谱学、非 线性光学、超快光电子学、线性光学、超快光电子学、激光加工激光加工与与制造制造 .3. 形成了一系列重要技术

7、应用领域形成了一系列重要技术应用领域,光子产业方兴未艾光子产业方兴未艾The nature of laser radiation激光激光- -大量原子大量原子( (或分子或分子) )受激发射受激发射形成的可以控制的形成的可以控制的振荡振荡光波。光波。受激辐射光受激辐射光波与激励光波波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振同相位、同方向、同频率、同偏振。激光的特性激光的特性空间相干性和方向性，空间相干性和方向性， 1010-4-4 弧度发散角弧度发散角(TEM(TEM0000) )时间相干性和单色性，时间相干性和单色性， 1010-11-11波长不纯度波长不纯度高强度（相干光强），高强度（相干

8、光强）， xxxKW-CW, 107-8 W/cm2 1012-15 W, 101-6 J Pulse, 1023W/cm2.* * 可产生极短脉冲可产生极短脉冲: :飞秒飞秒 1010-15-15sec.sec. 阿秒阿秒 1010-1-1sec.sec.？* * 极宽的波长范围极宽的波长范围：从红外到：从红外到X射线射线激光方向性激光方向性10-4 弧度发散角弧度发散角激光高亮度激光高亮度连续激光：连续激光： 108 W/cm2脉冲激光：脉冲激光： 1023W/cm2表面：表面：6 103W/cm2激激光光的的应应用用信息的载体信息的载体：通讯、存贮、测量、控制、导航通讯、存贮、测量、控制

9、、导航能量的载体能量的载体：材料加工材料加工、激光手术、激光武器、核聚变、激光手术、激光武器、核聚变激光独有的特性导致激光独有的特性导致激光在精密测量中的应用激光在精密测量中的应用 激光干涉测长激光干涉测长 激光衍射测量激光衍射测量 激光准直激光准直 激光测距激光测距 激光多普勒测速激光多普勒测速 激光环境计量激光环境计量激光干涉测长激光干涉测长光电计数器光电计数器显示记录装置显示记录装置单模稳频单模稳频He-Ne激光器激光器光电显微镜光电显微镜待测物体待测物体可移动平台可移动平台激光束激光束迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪光束光束1光束光束2M1M2平台每移动半波长的长度，光束平台每移动半波长的

10、长度，光束2的光程就改变一个波长，于是干涉条纹就产生的光程就改变一个波长，于是干涉条纹就产生一个同期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以测量被测长度。一个同期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以测量被测长度。激光干涉测长激光干涉测长2NL NNLL利用激光干涉法可否测量气体折射率、气体压力、气体温度？利用激光干涉法可否测量气体折射率、气体压力、气体温度？激光衍射测量激光衍射测量b激光激光参考物参考物被测物被测物xk观测屏观测屏L 220sinII sinbn,.,2,0I对第对第k个衍射暗条纹有个衍射暗条纹有kbsin当当 不大时，不大时，Lxtgk/sinkxkLb/激光衍射

11、测量方法举例激光衍射测量方法举例b激光激光参考边参考边被测物被测物（a）比较测量）比较测量b激光激光参考物参考物被测物被测物（b）轮廓测量）轮廓测量b激光激光参考边参考边试件试件（c）应变测量）应变测量P激激光光准准直直He-Ne激光器激光器发射发射光学系统光学系统光电光电目标靶目标靶控制机械控制机械运算器运算器指示器指示器激光准直仪基本组成框图激光准直仪基本组成框图运运算算电电路路运运算算电电路路激激光光束束上下指示表上下指示表左右指示表左右指示表四象限光电探测原理图四象限光电探测原理图激光准直仪光学系统激光准直仪光学系统Mff122112激光脉冲测距激光脉冲测距激光器激光器发射望远镜发射望

12、远镜接收望远镜接收望远镜光电元件光电元件放大整形放大整形时间测量时间测量显示器显示器滤光片滤光片反射镜反射镜发射激光发射激光反射激光反射激光 光脉冲应具有足够的强度光脉冲应具有足够的强度 光脉冲的方向性要好光脉冲的方向性要好 光脉冲的单色性要好光脉冲的单色性要好 光脉冲的宽度要窄光脉冲的宽度要窄卫星距离卫星距离 3 万公里万公里测距精度测距精度 8 mm激光多普勒测速激光多普勒测速 1842年年Doppler发现，任何形式的波传播，由于波源、接发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化。收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化。 入射激光束入射激光

13、束 照明光束照明光束 参考光束参考光束 光电倍增管光电倍增管 M1 M2 L1 L2衰减片衰减片 参考光束型多普勒测速光学系统示意参考光束型多普勒测速光学系统示意图图环境计量激光雷达环境计量激光雷达环境计量激光雷达原理环境计量激光雷达原理光散射光散射弹性散射弹性散射非弹性散射非弹性散射瑞利散射瑞利散射米氏散射米氏散射布里渊散射布里渊散射拉曼散射拉曼散射拉曼散射是指光遇到原子或分子发生散射时，由于散射体的固有拉曼散射是指光遇到原子或分子发生散射时，由于散射体的固有振动以及回转和能量交换，致使散射光的频率发生变化的现象。振动以及回转和能量交换，致使散射光的频率发生变化的现象。瑞利散射：入射光在线度

14、小于光波长的微粒上的散射现象。瑞利瑞利散射：入射光在线度小于光波长的微粒上的散射现象。瑞利散射强度与入射光的波长四次方成反比。散射强度与入射光的波长四次方成反比。 米氏散射：粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏米氏散射：粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射。米氏散射强度与波长的二次方成反比。散射。米氏散射强度与波长的二次方成反比。 布里渊散射：光通过介质时，因其无规则热运动的弹性波引起的布里渊散射：光通过介质时，因其无规则热运动的弹性波引起的散射。布里渊散射也属于拉曼效应，即光在介质中受到各种元激散射。布里渊散射也属于拉曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其

15、频率变化表征了元激发的能量。与拉曼散射发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与拉曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。子和磁振子等。 激激光光雷雷达达在在工工作作激光在信息技术中的应用激光在信息技术中的应用 光纤通信光纤通信 光信息存储光信息存储 光显示光显示 激光视频投影显示激光视频投影显示 激光光束图文扫描显示激光光束图文扫描显示 激光全息三维显示激光全息三维显示 光纤通信光纤通信用用光纤光纤（线）中的（线）中的光子流光子流代替代替电线电线中的中的电子流电子流来传输信息来传输信息 。 优点

16、优点： 频带宽频带宽例如一对商用光纤可传例如一对商用光纤可传 大约大约30万路电话（万路电话（2.5G 比特比特/秒秒）一条）一条20芯（芯（10对光纤）光缆可传对光纤）光缆可传300 万路电话万路电话，相当于两个，相当于两个300 万人口万人口的城市间每的城市间每人有一专用电话线。人有一专用电话线。 传输衰减小传输衰减小-中继站距离可中继站距离可长长达几百公里达几百公里 抗电磁干扰和辐射抗电磁干扰和辐射光光 纤纤 结结 构构 示示 意意 材 料 ： 高 纯 石 英 几 何 尺 寸 ： 单 模 光 纤 芯 径 5 m , 外 径 1 2 5 m 多 模 光 纤 芯 径 1 0 0 m , 外

17、径 2 0 0 m光纤之父光纤之父2009年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖获得者获得者高锟高锟1966年提出设想年提出设想光光 纤纤 的的 两两 个个 重重 要要 参参 量量* * 损耗损耗 A=10 x log ( P in / P out ) db 在在 1.5 m 低损耗窗口处，一般数据：低损耗窗口处，一般数据： 1 db / km, 最低数据：最低数据： 0.2 db / km ( 即，一公里损耗即，一公里损耗 5 % ) 损耗决定光纤通信中继距离的长短损耗决定光纤通信中继距离的长短* * 色散色散 D=D=d d（ V Vg g ）-1 -1 / /d d ps/ps/kmkm nm

18、nm 色散色散决定光纤通信速率决定光纤通信速率（ 容量）的大小容量）的大小色色 散散 概概 念念用用激光束激光束（针）代替（针）代替唱针唱针在光盘上存储和读出信息在光盘上存储和读出信息 优点：优点：易于大量复制易于大量复制-最大优点！最大优点！ 存储密度高存储密度高-在一张直径在一张直径12厘米厘米的光盘上可以存储的光盘上可以存储 数千兆比特数千兆比特的数字的数字信息信息( DVD-ROM)或或四小四小 时左右的高质量电影时左右的高质量电影(DVD) 光信息存储光信息存储Mutilayer Disk IdeaLASER TV SET激光在医学中的应用激光在医学中的应用 利用光热效应利用光热效应

19、激光外科手术、理疗等激光外科手术、理疗等 利用激光光子能量的光化学效应利用激光光子能量的光化学效应 激光诊断、癌症治疗等激光诊断、癌症治疗等激光手术激光手术激光消除血栓示意图激光消除血栓示意图激光治疗激光治疗光动力学疗法治疗癌症过程示意图光动力学疗法治疗癌症过程示意图激光分离同位素激光分离同位素原子序号相同而质量数不同的元素称为同位素。原子序号相同而质量数不同的元素称为同位素。氢的同位素是氘。氘在自然界的比例是氢的同位素是氘。氘在自然界的比例是0.0149%，称之为自然存在比。称之为自然存在比。天然铀中的大部分是铀天然铀中的大部分是铀238，铀，铀235只占只占0.7%。若铀作为反应堆核燃料，

20、。若铀作为反应堆核燃料，必须将铀必须将铀235浓缩至浓缩至3%，制造核弹必须将，制造核弹必须将铀铀235浓缩至浓缩至80%以上以上 。气体扩散法、离心分离法气体扩散法、离心分离法激光分离同位素的理论基础是激光分离同位素的理论基础是同位素偏移同位素偏移原子、分子同位素的谱线频原子、分子同位素的谱线频率差异。率差异。21MMMmvvm电子质量：电子质量：M1，M2同位素原子质量同位素原子质量 M两同位素质量差两同位素质量差激光二级光电离法分离同位素原理激光二级光电离法分离同位素原理激光铀浓缩示意图激光铀浓缩示意图 激光的若干军事应用激光的若干军事应用 精确制导精确制导半主动激光制导半主动激光制导的

21、DPSSL YAG激光跟踪/目标指示器已大量装备并应用于实战。激激光雷达主动制导导弹光雷达主动制导导弹具有“发射后不管”和攻击远距离目标的能力,是激光制导武器的发展方向。美国空军怀特实验室正在研制这种激光雷达寻的器激光雷达寻的器。 预警探测和反导精密跟瞄预警探测和反导精密跟瞄美国的“眼镜蛇球”(CobraBall)预警机(RC-135S)已加装了测距能力达400km400km以以上的上的YAGYAG测距机测距机,并于1998年服役,同时还将在2006年布置的YAC-1机载激光武器系统上使用。 火控火控各种火炮和导弹系统都可配备激光测距机各种火炮和导弹系统都可配备激光测距机/ /目标指示器目标指

22、示器, ,提高首发命中率提高首发命中率,其型号繁多,已大量装备部队。美国八十年代研制的LANTIRN机载目标瞄准吊舱已大量装备F-15、F-16等先进战机并在海湾战争等作战中发挥了重要作用。局部风场测量局部风场测量采用脉冲相干多普勒激光雷达相干多普勒激光雷达测量小范围风速分布,特别是水平风速切变,以修正弹道和防止飞机失控。采用二极管泵浦2m固体激光器, 激光武器激光武器Laser fusion 激光核聚变激光核聚变轻元素的原子核（轻元素的原子核（D D氘氘-H-H2 2，T T氚氚-H-H3 3） 可控制地在高温下聚合成重原子核，可控制地在高温下聚合成重原子核， 发出大量能量发出大量能量可控氢弹可控氢弹氘氘+ +氘氘氚氚+ +质子质子+4Mev+4Mev 点火条件点火条件 (4(4亿度维持亿度维持1 1秒）秒）1 1克氘聚变可产生克氘聚变可产生1010万度电能万度电能光制造光制造物镜物镜飞秒激光束飞秒激光束激光制造发展路线图激光制造发展路线图