第二章激光的特性及其應用

1、第二章 激光的特性及其應用一、激光的特性一、激光的特性 方向性好：普通光向四面八方輻射，而激光基本沿 某一直線傳播，激光束的發(fā)散角很小 單色性好：指光強按頻率的分布狀況，激光的 頻譜寬度非常窄 高亮度：在單位面積、單位立體角內的輸出功率特別大 相干性好：時間相干性和空間相干性都很好激光也是光，它與普通光沒有本質上的區(qū)別，但激光又是一種特殊的光，它與普通光源相比有四個特點1.1.方向性好方向性好一束激光射到38萬km的月球上，光斑的直徑只有2km手電筒的光射到幾米處，擴展成很大的光斑。 利用激光準直儀可使長為利用激光準直儀可使長為2.5km的的隧道掘進偏差不超過隧道掘進偏差不超過16nm.激光束

2、是高度平行的光束。 激光束發(fā)散角小，約為10-4rad量級，對應的立體角在10-6sr量級。普通光源發(fā)出的光向各個方向傳播。d2 發(fā)散角光波的單色性可表示為2.2.單色性好單色性好 or中心波長譜線寬度 2 2 20I0I單色性最好的氪燈Kr86 =4.710-3 nm 穩(wěn)頻HeNe激光器 910 nm3.3.亮度高亮度高激光器能產生寬度極窄的光脈沖，使用鎖模技術，可產生10-14s的光脈沖。由于能量被集中在極短的時間內發(fā)射出來，因此光功率極高。PBA 干的干的特制的氦氖激光器輸出的光束，相干長度達2107km。氪燈只有38.5cm。4. .相干性好相干性好ccL相干長度：1ccLc相干時間：

3、二、激光的應用二、激光的應用1.1.工業(yè)領域工業(yè)領域 激光打孔激光打孔激光打孔的特點：速度快、效率高，可在硬、脆、軟等各類材料上進行，可獲得大的深徑比等 激光能量在時間和空間上高度集中，激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產生幾百萬度的高溫。能在極小區(qū)域產生幾百萬度的高溫。 激光切割激光切割激光切割的特點：速度快、無接觸、精度高、切縫光滑 激光焊接激光焊接激光焊接的特點：焊接點均勻、美觀、精度高 激光熱處理激光熱處理激光熱處理的特點：處理速度快、變形小、效率高激光技術問世時間雖短，但發(fā)展速度驚人，尤其是在軍事領域中的應用。79年中越自衛(wèi)反擊戰(zhàn)使用了激光武器，82年英阿馬島戰(zhàn)爭使用了激光

4、武器，后來的一些局部戰(zhàn)爭大多都使用了激光武器，尤其是美國參戰(zhàn)的，基本上都使用了激光武器及其設備，如：海灣戰(zhàn)爭，科索沃戰(zhàn)爭，據(jù)報道，直接參戰(zhàn)的多國部隊戰(zhàn)斗機，都配備了機載激光投彈制導儀，大大提高了命中率?，F(xiàn)在世界上有許多國家都有激光制導儀，但目前最好的是美國的“低空飛行和夜間紅外線追蹤系統(tǒng)”，它不需地面人員指揮，便可自動瞄準敵方目標進行導彈襲擊。隨著激光技術的進一步發(fā)展，激光武器將會越來越先進，它必將在未來太空作戰(zhàn)中發(fā)揮巨大的作用。2.2.軍事領域軍事領域 激光在軍事上應用范圍很廣。主要是利用它的方向性、單色性、相干性和高亮度的優(yōu)點，用它進行激光制導、激光測距、激光雷達、激光通訊、激光偵察和制成

5、激光武器等。 激光制導激光制導 激光制導是繼雷達、紅外、電視制導之后發(fā)展起來的一種精確制導技術。目前已投入使用和正在研制的激光制導武器有激光制導炸彈、空地導彈、空地反坦克導彈、炮彈、火箭彈、防空導彈等。目前激光制導武器主要采用半主動式回波制導和半主動式波束制導兩種。激光制導炸彈空地導彈火箭彈防空導彈激光制導的優(yōu)點：1. 命中率高命中率高。經多次實驗證明命中率可在97%。2. 抗電磁干擾能力強?？闺姶鸥蓴_能力強。激光屬于可見光，故不受電磁波干擾。3. 制導系統(tǒng)體積小，重量輕、結構簡單、造價低廉。制導系統(tǒng)體積小，重量輕、結構簡單、造價低廉。 但是，激光制導也存在其缺點：主要是受天氣影響較大。大雨濃

6、霧、揚塵(煙幕)使激光傳輸受限制難以正常工作。激光測距激光測距 激光測距機的類型很多，結構也不盡相同。在軍事領域中，激光測距機主要用于地形測量、戰(zhàn)場前沿測距、火炮測距、飛機、導彈測距和云層測量等。目前世界各國的激光測距機大部分裝配于坦克、地炮、艦炮和機載武器等，少數(shù)型號裝備于迫擊炮、槍榴彈發(fā)射器等步兵武器。激光測距的優(yōu)點：1. 1. 操作操作簡便簡便、速度快、速度快2. 2. 測距精度高。測距精度高。3. 3. 體積小、重量輕。體積小、重量輕。4. 4. 抗電磁干擾。抗電磁干擾。 激光測距的主要缺點：不能全天候使用，其作用距離受天氣和戰(zhàn)場條件(硝煙、塵埃等)影響較大，為適應全天候作戰(zhàn)的需要，常

7、常配合雷達使用。激光雷達激光雷達 在激光測距機的基礎上加裝測角、測速和自動跟蹤裝置就構成激光雷達。它同工作在微波段的雷達相比，激光雷達的優(yōu)點是角分辨力高、成像清晰、測量精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強和體積小、設備簡單。激光雷達設備的主要用途就是用于測量飛機、導彈、地面主戰(zhàn)兵器、艦艇,甚至炮彈的運動軌跡。目前，比較成熟的激光雷達有美軍研制的激光障礙物和地形回避警戒系統(tǒng)，在直升機前方掃描半徑為1.6km能發(fā)現(xiàn)450m處直徑為3.2m的金屬線。激光武器激光武器 利用激光的能量摧毀目標或使其喪失戰(zhàn)斗能力的武器稱為激光武器。根據(jù)激光武器發(fā)射的能量不同，可分為低能激光武器和高能激光武器兩類。 低能激光武器

8、：低能激光武器：指發(fā)射功率較小的激光輕武器。它的外形 和普通步槍差不多，故亦稱激光槍。它體積小，重量輕，擊 發(fā)時無聲響。用激光槍照射各種精密儀器，可燒壞其脆弱 部件而使儀器失靈；在近距離用它照射人員，可以燒焦皮膚， 或使衣服燃燒而失去戰(zhàn)斗力；在一定距離上用它照射人眼， 可以使人致盲。那么，無論戰(zhàn)時，還是平時都應重視對激光 的防護。基本方法是配帶反射型或吸收型的防護眼鏡。激光致盲器裝有激光瞄具裝有激光瞄具的的MP5K沖鋒槍沖鋒槍特種作戰(zhàn)激光槍2. 2. 高能激光武器：高能激光武器： 又稱強激光武器或激光熱武器。它是一種大型的激光裝置，外型和普通火炮差不多，所以也叫激光炮。它主要用于對各種高速運動

9、的目標實施攻擊。用它照射導彈，可把極高的能量傳送到導彈表面，使其跟蹤器被燒壞而失靈，從而失去正確飛行方向。用它照射衛(wèi)星，可以對衛(wèi)星造成嚴重破壞，甚至將其星體擊穿。地基激光炮地基激光炮 (USA)機載激光武器機載激光武器(ABL,USA)(ABL,USA)ABLABL設想圖設想圖艦載激光武器艦載激光武器遼寧艦遼寧艦3.3.信息領域信息領域激光信息處理：光存儲(光盤),激光通信(或光纖通信) 電纜電纜光纖光纖衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信4.4.醫(yī)療應用醫(yī)療應用最早的激光醫(yī)療應用：1961年12月在美國哥倫比亞長老會醫(yī)院用紅寶石激光器進行了視網(wǎng)膜腫瘤治療 腫瘤治療腫瘤治療 眼科手術眼科手術 外科手術外科手術用激

10、光使脫落的視網(wǎng)膜再復位用激光使脫落的視網(wǎng)膜再復位 心血管疾病治療心血管疾病治療 激光美容術激光美容術 激光碎石術激光碎石術心肌壁心肌壁( (心臟搭橋手術心臟搭橋手術) )激光治療儀激光治療儀激光手術激光手術5.5.農業(yè)應用農業(yè)應用激光育種：用激光束照射植物種子，使產量提高，蛋白質含量增加。 6.6.科研應用科研應用英國女王英國女王全息照片全息照片現(xiàn)任美國能源部部長現(xiàn)任美國能源部部長三維激光冷卻三維激光冷卻Magneto-Optical Trap (磁光阱)他提出了一個實現(xiàn)玻色玻色-愛因斯坦凝聚愛因斯坦凝聚的方法：用磁場約束原子，同時利用激光冷卻和蒸發(fā)冷卻，使系統(tǒng)溫度降到足夠低 對光學相干性的量子理論的貢獻 銣原子速度的分布 n 激光核聚變美國美國Nova激激光聚變裝置光聚變裝置n 激光在強場物理研究中的應用強場過程示意圖Time-dependent electron density Above-threshold ionization (ATI, 閾上電離)M. Protapapas, C. H. Keitel, and P. L. Knight, Rep. Prog. Phys. 60, 389 (1997)Z. Chen et al., Phys. Rev. A 79, 033409 (2009)HATI by rescatteringHigh-order-harm