激光原理及應(yīng)用

1、激光原理及應(yīng)用組長：陳佳成員：周正琴、周聰、周成旭、王帥、周秀晴教材選用 激光原理及應(yīng)用電子工業(yè)出版社 激光原理與技術(shù)高等教育出版社 激光原理浙江大學(xué)出版社 激光原理與激光技術(shù)北京工業(yè)大學(xué)出版社課程內(nèi)容 激光介紹 激光的歷史 激光的基本原理 激光的特性 激光的發(fā)展與未來 激光的簡單應(yīng)用激光的簡介 激光： 激光的最初的中文名叫做”鐳射”、”萊塞”，是由受激發(fā)射的光放大產(chǎn)生的輻射的光。英文名：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation簡稱：Laser，表示“輻射的受激發(fā)射的光放大”。 激光的歷史 1958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛

2、發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。 1960年，美國加利福尼亞州修斯航空公司實(shí)驗(yàn)室的研究員梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。 1965年，第一臺(tái)可生產(chǎn)大功率激光的器件-二氧化碳激光器誕生。 1967年，第一臺(tái)X射線激光器研制成功。 1997年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員研制出第一臺(tái)原子激光器。 因?qū)す饧捌鋺?yīng)用的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)而先后獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家共有10位。激光的產(chǎn)生 產(chǎn)生激光需要三個(gè)條件：一要具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)、能產(chǎn)生受激輻射光放大的工作物質(zhì)(激光物質(zhì))；二要使激活物質(zhì)發(fā)出激光的能源(激勵(lì)能源)；三要有一個(gè)維持光振蕩的諧振腔(光學(xué)諧振蕩)。 1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 受激輻射是產(chǎn)

3、生激光的基礎(chǔ)。但是當(dāng)能量為hv=En-Em的光子在物質(zhì)中傳播時(shí)，通常有兩種過程，一方面可能引起受激輻射，形成光放大過程；另一方面，由于存在光吸收，處于低能級(jí)Em上的原子可能吸收光子躍遷到高能級(jí)En上去，從而使物質(zhì)中傳播的光子因吸收而減少。光放大和光吸收這兩個(gè)過程在物質(zhì)中是同時(shí)發(fā)生的，光放大會(huì)使光子數(shù)增加，光吸收會(huì)使光子數(shù)減少，這兩個(gè)過程究竟哪個(gè)占優(yōu)勢，取決于處于高能級(jí)En的原子數(shù)和處于低能級(jí)Em的原子數(shù)。若處于En的原子數(shù)多，則受激輻射的光放大占優(yōu)勢；反之，則光吸收占優(yōu)勢。因此，要形成激光，必須使受激輻射占優(yōu)勢。 通常，在具有一定溫度的物質(zhì)中，處于高能級(jí)En的原子數(shù)目恒少于處在低能級(jí)Em的原子

4、數(shù)目，此時(shí)光吸收將占優(yōu)勢。為了實(shí)現(xiàn)光放大，只有通過外界能源(如采用氣體放電或光輻射)的誘發(fā)，將低能級(jí)上的原子激發(fā)到高能級(jí)上去，使某個(gè)高能級(jí)上的原子數(shù)多于低能級(jí)上的原子數(shù)，這種狀態(tài)叫粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)光放大的必要條件。 為了使工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，除了要通過外界激勵(lì)，還必須選取能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光物質(zhì)。它們可以是氣體、液體或固體。但并不是所有物質(zhì)都可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。我們知道，原子可以長時(shí)間處于基態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間一般是很短的，約為10(-8)s，所以激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。除基態(tài)和激發(fā)態(tài)以外，某些物質(zhì)還具有亞穩(wěn)態(tài)，具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)就能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 2.光學(xué)諧振腔 使

5、激光物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，只能產(chǎn)生光放大，還不能獲得激光，因?yàn)楣夥糯蠛蟮氖芗ぽ椛鋸恼w上看也是隨機(jī)的，并不能獲得頻率、位相、傳播方向和振動(dòng)方向都完全相同的激光束。要獲得激光，還必須有一個(gè)光學(xué)諧振腔。 在激光物質(zhì)的兩端安置上兩個(gè)相互平行的反射鏡，就組成了光學(xué)諧振腔。它能從各種各樣可能的光信號(hào)中選取一種特定的信號(hào)消除。所以光學(xué)諧振腔對激光的形成和激光束的特性有著重要的影響。諧振腔的形狀和構(gòu)造有很多類型。 如圖所示，兩反射鏡除要求嚴(yán)格平行外，其中一個(gè)是全反射鏡R1，另一個(gè)是部分透光反射鏡R2。諧振腔的主要作用是使那些沿管軸方向傳播的光子能夠在反射鏡之間實(shí)現(xiàn)多次來回反射，且不斷激發(fā)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)

6、上的工作物質(zhì)，而得到光放大增強(qiáng)。其中一部分從R2輸出。凡是偏離管軸方向的光子，經(jīng)過若干次反射，就會(huì)溢出管外而被淘汰掉。所以諧振腔對光束具有選向作用，它使受激輻射集中于特定的方向輸出，使激光光束具有方向性好的特點(diǎn)。此外諧振腔還具有穩(wěn)定輸出強(qiáng)度的作用，且有選頻作用，故能提高輸出光束單色性等優(yōu)點(diǎn)。激光的特性 1.方向性好 激光幾乎是一束平行光。如把激光束射到距地球38萬千米的月球上，光束擴(kuò)散的直徑還不到二千米。而對于普通光源，即使是具有拋物形聚焦反射面的探照燈，它的光束在幾千米之外也要擴(kuò)散為幾千米的直徑。 2.單色性好 就是顏色極純。如He-Ne激光器輸出激光的波長為632.8nm，其頻率寬度為0.

7、1Hz，而普通光源的頻率寬度10(7)10(9)Hz。由此可知，激光的單色性比普通光高10(8)10(9)倍。 3.相干性好 由于激光是受激輻射產(chǎn)生的，它是相干光束，激發(fā)的空間相干性和時(shí)間相干性都很好。 4.能量高度集中 由于激光束方向性好，可使激光的能量高度集中而獲得極強(qiáng)的輸出功率，激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)10(4)10(5)W量級(jí)，脈沖輸出功率可達(dá)10(13)10(14)W量級(jí)。由于激光束發(fā)散角很小，它照到物體上只形成很小的光斑，所以單位面積上的輻射能很高，即激光束的能量在空間高度集中，在千分之幾秒內(nèi)可以熔化或汽化各種材料。 如圖所示：激光的發(fā)展與未來 激光是20世紀(jì)60年代的新光源，具有方

8、向性好、亮度高、單色性好和高能量密度等特點(diǎn)。以激光器為基礎(chǔ)的激光工業(yè)在全球發(fā)展執(zhí)著迅猛，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、通訊、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、文化教育以及科研等方面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從高端的光纖到常見的條形碼掃描儀，每年和激光相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)的市場價(jià)值高達(dá)上萬億美元。 根據(jù)早先報(bào)道，世界激光器市場可劃分為三大區(qū)域：美國(包括北美)占55%，歐洲占22%，日本及太平洋地區(qū)占23%。 在世界激光市場上日本在光電子技術(shù)方面占首位，美國占第二位；在激光醫(yī)療及激光檢測方面則美國占首位；而在激光材料加工設(shè)備方面則是德國占首位。 當(dāng)前，國內(nèi)激光市場主要分為激光加工設(shè)備、光通信器件與設(shè)備、激光測量設(shè)備、激光器、激光

9、醫(yī)療設(shè)備、激光元部件等，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于工業(yè)加工和光通信市場，兩者占據(jù)了近7成的市場空間。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國已經(jīng)有200余家激光相關(guān)企業(yè)，主要位于湖北、北京、江蘇、上海和廣東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省市，這些地區(qū)年銷售額約占全國激光產(chǎn)品市場總額的90%，我國激光行業(yè)已形成以上述省市為主體的華中地區(qū)、環(huán)渤海、長江三角洲和珠江三角洲四大激光產(chǎn)業(yè)群，未來，國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展也將更為集中。 隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，中國激光行業(yè)必將獲得快速的發(fā)展，未來五年，我國激光市場在相關(guān)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)下，將會(huì)以20%左右的速度發(fā)展，至2015年，我國激光應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑿纬梢约す饧庸?、激光通信、激光醫(yī)療、激光顯示、激光全息等為產(chǎn)業(yè)的激光產(chǎn)業(yè)群，行業(yè)

10、發(fā)展前景十分看好。 激光未來 現(xiàn)代社會(huì)中，信息的作用越來越重要，誰掌握的信息越迅速、越準(zhǔn)確、越豐富，誰也就更加掌握了主動(dòng)權(quán)，也就有更多成功的機(jī)會(huì)。激光的出現(xiàn)引發(fā)了一場信息革命，從VCD、DVD光盤到激光照排，激光的使用大大提高了效率，以及方便人們保存和提取信息，激光革命意義非凡，已成為全球最具競爭力和吸引力的經(jīng)濟(jì)體之一。中國擁有巨大的內(nèi)需潛力，只要發(fā)展國內(nèi)需求，經(jīng)濟(jì)可望持續(xù)高速。目前，中國提升裝備制造業(yè)水平、推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的需求依舊十分緊迫；作為關(guān)鍵支撐技術(shù)的激光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)仍有較大發(fā)展空間，激光制造設(shè)備技術(shù)將在信息、能源、交通運(yùn)輸、電子、冶金、機(jī)械等支柱產(chǎn)業(yè)中會(huì)得到更深入的應(yīng)用，進(jìn)而提高

11、這些行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，在提高市場競爭力中發(fā)揮重大作用。激光的應(yīng)用 激光在各技術(shù)領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用.(1)激光加工 利用激光的能量高度集中的特性，可以用激光進(jìn)行精密加工，功率較大的脈沖激光器發(fā)出的激光，能在透鏡的焦距附近產(chǎn)生幾千度甚至幾萬度的高溫，足以熔化以至汽化各種金屬及非金屬材料，可用于鉆孔、焊接、切割等。在醫(yī)學(xué)上，可用激光作為手術(shù)刀；在軍事上，激光可用來攔截導(dǎo)彈。 (2)激光計(jì)量 由于激光的單色性好，利用激光作為光源的干涉儀，其測量精度和測量長度都大大提高，激光波長被用作為長度的標(biāo)準(zhǔn)，其周期被用來作為時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)行精確測量。 利用激光方向性好、亮度高的特性，可以制成激

12、光測距儀。據(jù)了解，用此法測得的地球表面至月球表面的距離，精度可達(dá)5cm. (3)激光通信 由于光波頻率遠(yuǎn)比無線電波的頻率高。所以，以光波為載波的激光通信，可以容納更多的信息量，特別是1970年以后，研制低損耗光纖技術(shù)有很大突破，加之新型的適用于光學(xué)纖維低損耗區(qū)的長波半導(dǎo)體激光器已問世，所以激光光纖通信即將開出絢麗的花朵，它具有傳輸量大、清晰、功率損耗小、抗干擾能力強(qiáng)、保密性等一系列特點(diǎn)。 (4)激光武器 用大功率激光聚焦以后的強(qiáng)大破壞力，可以作為武器摧毀對方飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，激光制導(dǎo)炸彈是用激光尋找、追擊目標(biāo)的炸彈。 (5)激光核聚變 利用激光能量在空間、時(shí)間上可以高度集中的特點(diǎn)，將大功率激

13、光照射在聚變物質(zhì)上，可使它短時(shí)間內(nèi)受到巨大的壓縮并產(chǎn)生高溫實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)。此外，激光在作物發(fā)育、生物遺傳工程、分離同位素、激光全息、激光照排印刷以及激光光閥大屏幕顯示等方面的應(yīng)用也都顯示出誘人的前景。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 激光診斷、手術(shù)和治療： 激光層析造影 激光熒光 診斷 光動(dòng)力學(xué)治療（PDT）技術(shù) 激光 心臟 打孔 激光光纖內(nèi)窺鏡手術(shù) .激光武器的應(yīng)用 激光武器用于殺傷敵重武器裝備時(shí)，需要較高的能量，通常稱為高能激光武器稱激光炮。目前美國已研制出機(jī)載和車載激光炮。激光炮的威力強(qiáng)大，命中率極高。由于強(qiáng)激光束具有很強(qiáng)的燒蝕作用、幅射作用和激光效應(yīng)，因而對武器裝備具有很大的破壞力。激光武器可以破壞

14、制導(dǎo)系統(tǒng)、引爆彈頭和毀壞殼體、攔擊制導(dǎo)炸彈、炮彈、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈和破壞雷達(dá)、通信系統(tǒng)等。激光摧毀衛(wèi)星可由地面、空中和空間進(jìn)行。目前一個(gè)激光器的能量還無法將高軌衛(wèi)星摧毀，但能用幾個(gè)激光器同時(shí)對準(zhǔn)1顆衛(wèi)星進(jìn)行攻擊將其摧毀?？臻g激光反衛(wèi)星是將激光器裝在衛(wèi)星或航天飛機(jī)上，攻擊對方的衛(wèi)星；空中激光反衛(wèi)星是將激光器裝在飛機(jī)上攻擊衛(wèi)星，它可克服地面發(fā)射激光攻擊衛(wèi)星的許多缺點(diǎn)，但不如航天器攻擊衛(wèi)星那么理想，因航天器比飛機(jī)平穩(wěn)，沒氣流和飛行振動(dòng)的干擾，激光的能量可充分發(fā)揮。 激光測距與激光雷達(dá)激光測距與激光雷達(dá) 激光測距的原理如同微波雷達(dá)測距一樣，但激光測距與普通測距相比，具有遠(yuǎn)、準(zhǔn)、快、抗干擾、無

15、盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。激光測距在常規(guī)兵器中已廣泛應(yīng)用，有取代普通光學(xué)測距的趨勢。第一代紅寶石激光測距，隱蔽性差(發(fā)紅光)，對人眼有損傷，且效率低，已淘汰。第二代YAG激光測距已廣泛使用，但對人眼也有一定損傷。目前正在研發(fā)第三代CO2氣體或固體激光測距，對人眼無傷害，將逐步取代第二代激光測距。激光雷達(dá)與微波雷達(dá)相似，用窄激光束對某一地區(qū)進(jìn)行掃描，并得出雷達(dá)圖。隨著有關(guān)器件和技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)在高精度和成像方面占有優(yōu)勢，其測距精度可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)，比微波雷達(dá)高近100倍；測角速精度，理論上比微波雷達(dá)高一億倍以上，現(xiàn)在已做到高100010000倍。 軍用激光雷達(dá)最成功的應(yīng)用是輔助導(dǎo)航，特別是速度計(jì)。激光速度計(jì)可給機(jī)載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)提供超精度測量，其測速誤差可達(dá)0.5mm/s。激光雷達(dá)最適于遠(yuǎn)距離高分辨率成像。90年代初林肯實(shí)驗(yàn)室改造“火他” CO2激光雷達(dá)，成功的跟蹤800km外的再入飛行器誘