激光技術(shù)課件

1、Laser Technology激 光 技 術(shù)內(nèi) 容 提 要 一、引 言二、激光器的物理原理三、激光技術(shù)的應(yīng)用一.引 言歷史回顧 該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)愛因斯坦于1917年提出受激輻射概念1958年，美國兩位微波領(lǐng)域的科學(xué)家發(fā)表論文紅外與光學(xué)激射器，開辟了嶄新的激光研究領(lǐng)域蘇聯(lián)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)三能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議論文1960，美國科學(xué)家梅曼制造第一臺(tái)紅寶石激光器歷 史 回 顧Albert Einstein20世紀(jì)50年代初， 電子學(xué)和微波技術(shù)的應(yīng)用提出將無線電技術(shù)從微波推向光波的要求。 從微波振蕩器到光波振蕩器 (激光器laser)。 微波振蕩器的實(shí)現(xiàn)原理： 一個(gè)尺度和波長可比擬的封閉的

2、諧振腔； 利用自由電子與電磁場的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩。歷 史 回 顧(first) Ruby laser, T.H.Maiman, July, 1960, at the Hughes Research Laboratories ，：694.3nm8“LASER” stands for Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大 ！The word laser has been generally accepted since about 1965神光裝置3種輸出波長：1.053m（ 6K

3、J/1ns ）、0.53m、0.35m激光儲(chǔ)能供電系統(tǒng)神光主放大系統(tǒng)神光I主放大系統(tǒng)該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)1954年，美國的湯斯(Charles H.Towns)、蘇聯(lián)的巴索夫(Nikolai G.Basov)和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)第一次實(shí)現(xiàn)了氨分子微波量子振蕩器(Maser), 拋棄了利用自由電子與電磁場的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩，利用原子或分子中的束縛電子與電磁場的相互作用來放大電磁波。1964: Townes, Basov, Prokhorov ： 微波激射器和激光器的發(fā)明該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)1997: 朱棣文、科昂-塔努吉（Cloder Coh

4、en Tanuky、菲利普斯（Felipus，William） 激光冷卻和陷俘原子 該領(lǐng)域的有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng) 2005：羅伊格勞伯，對(duì)光學(xué)相干的量子理論的貢獻(xiàn) 約翰霍爾、奧多爾漢斯：基于激光的精密光譜學(xué)研究二. 激光器的物理原理 激光器組成結(jié)構(gòu) 激光特性 基本概念 形成穩(wěn)定激光振蕩的條件 1. 能級(jí) 2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3. 吸收 4. 自發(fā)輻射 5. 受激輻射 基本概念 基態(tài) 激發(fā)態(tài)電子只能處于分立的能級(jí)，電磁輻射與物質(zhì)的相互作用將 導(dǎo)致物質(zhì)中電子能級(jí)的變化，當(dāng)吸收或輻射能量時(shí)，可在特定的能級(jí)間躍遷；該能量為這兩個(gè)能級(jí)的能量差，并該能量差唯一地決定了電磁輻射的頻率： E = E2-E1 = hv

5、1.原子的能級(jí)在沒有外界作用的情況下，原子從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1的躍遷方式有兩種：無輻射躍遷和自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射躍遷示意圖 原子的自發(fā)輻射只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射場無關(guān) 自發(fā)輻射的隨機(jī)性，自發(fā)輻射光的相位、偏振態(tài)和傳播方向雜亂無章 發(fā)出的光的單色性、定向性很差，沒有確定的偏振狀態(tài)。特點(diǎn) 2.光的自發(fā)輻射受激吸收躍遷示意圖入射光當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來的能量為hv21的光子作用下，如果hv21 E2 E1 ，則處于低能級(jí)E1上的原子由于吸收一個(gè)能量為hv21的光子而受到激發(fā)，躍遷到高能級(jí)E2上去的過程。原子的受激吸收幾率與外界輻射場的頻率有關(guān) 特點(diǎn) 3.光的受激吸收通過受激輻射，可以實(shí)

6、現(xiàn)同態(tài)光子數(shù)放大從而得到相干光。激光器發(fā)光，正是利用受激輻射的上述特點(diǎn)。光的受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別： 原子受激輻射的光與外來的引起受激輻射的光有相同的頻率、位相、偏振及傳播方向。普通燈光與激光的比較 5.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)例：紅寶石激光器的工作原理1. 工作物質(zhì)2. 諧振腔3. 泵浦源 激光器的組成結(jié)構(gòu)放大使某一頻率的光多次往返傳播, 激勵(lì)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì), 造成連鎖反應(yīng), 以實(shí)現(xiàn)光放大.選向?qū)鞑シ较蚱x光軸方向太多的光子淘汰掉, 使得到的激光是一束 方向性很好的光.選頻反射鏡鍍上多層膜, 使反射最強(qiáng),形成穩(wěn)定振蕩并不斷加強(qiáng), 得到單色性好的激光諧振腔的作用: 光泵浦紅寶石激光器 電泵浦

7、半導(dǎo)體激光器 化學(xué)泵浦氟化氫/氘（H/DF）激光器2.泵浦機(jī)制 熱能泵浦氣動(dòng)CO2激光器固體激光器： 紅寶石激光，鈦寶石激光，銣玻璃激光液體激光器：染料激光器 (可見光區(qū)寬范圍可調(diào)諧)氣體激光器：He-Ne激光器，CO2激光器半導(dǎo)體激光器：GaAs, AlGaAs , InGaAs（紅外局部可調(diào)諧）光纖激光器: 摻稀土光纖自由電子激光器： 相對(duì)論電子X射線激光器：類氦離子，類鋰離子3.激光器工作物質(zhì)及其分類半導(dǎo)體激光器二極管泵浦高功率藍(lán)光激光器液體激光器常見的激光器及其激光波長激光工作物質(zhì)：有提供放大作用的增益介質(zhì)作激光工作物質(zhì)；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：外界激勵(lì)源作用使上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； （形成

8、激光的內(nèi)部條件）激光諧振腔：使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維持振蕩。 （形成激光的外部條件）形成穩(wěn)定激光振蕩的條件方向性好：光束幾乎在一條直線上傳播，發(fā)散角毫弧度單色性好: He-Ne激光的譜線寬度約2 10-9 nm相干性好：He-Ne的相干長度200Km，而普通光源中最好的氪燈為0.78m高亮度：普通激光的亮度比太陽高100億倍激光的特性（1）方向性強(qiáng) 激光束的發(fā)散角很小，一般為： 激光定位、導(dǎo)向、測距等就利用了方向性好的特點(diǎn)。 戈達(dá)德地球物理與天文觀測站的激光測距儀工作掠影（2）單色性好 由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度。計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光

9、通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。光纜(3)亮度高 激光的輸出功率雖然有個(gè)限度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別?。β拭芏忍貏e大，因而其亮度也特別大。把分散在180范圍內(nèi)的光集中到0.18范圍，亮度提高100萬倍。激光由于等效發(fā)光點(diǎn)小、發(fā)散小，因此亮度非常高。(4)相干性好激光具有很好的相干性。 普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。 全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。全息照相三. 激光技術(shù)的應(yīng)用測量：測距，干涉計(jì)量法加工：焊接，打孔，切割，雕刻農(nóng)業(yè)：育種醫(yī)學(xué)：美容，治療近視眼，激光手術(shù)軍事：能量武器，制導(dǎo)信息處理：信息存儲(chǔ)與讀取，激光打印，照排 通信：光通信，光放大科研應(yīng)

10、用：高新技術(shù)的攻關(guān) 激光干涉測量技術(shù)、激光衍射測量技術(shù)、激光散斑測量技術(shù)、激光準(zhǔn)直及多自由度測量技術(shù)、激光三維視覺測量技術(shù)等。激光測距原理：主要構(gòu)造：激光發(fā)射器；電源和顯示裝置。激光接收器；記時(shí)器電源放大器光電轉(zhuǎn)換 器距離顯示器Laser激光發(fā)射器激光接收器射向目標(biāo)來自目標(biāo)參考光麥克唐那激光測距儀外景角錐棱鏡(Corner prism):反向作用后反射直角棱鏡光線進(jìn)入棱鏡,依次經(jīng)三直角面反射后,出射光線與入射光線反向平行 后反射鏡又稱四面直角體,空間一定范圍的光線,依次經(jīng)三個(gè)相互垂直的平面反射后,出射光線的方向與入射光線的方向相反.這種棱鏡在激光諧振腔中可以代替高反射介質(zhì)鏡;在激光測距中把它當(dāng)

11、作被測目標(biāo)的反射器,不僅減少能量損失,而且減少了瞄準(zhǔn)調(diào)整的困難;在高速公路上,這樣的四面體常用來作“無源路燈” 阿波羅登月在月面留下的回射器LAGEOS-2衛(wèi)星的回射器 第一臺(tái)激光測距儀GODLAS（左）與Beacon Explorer-B衛(wèi)星（右）測量俯仰角度測量直線距離測量物體高度目前激光已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激光清洗等方面。實(shí)例1 激光淬火 實(shí)例2 激光切割紙制品激光縷空加工竹木制品激光刻字打標(biāo)加工塑料制品激光刻字加工水晶激光切割實(shí)例3 激光打標(biāo)

12、與鉆孔激光打孔的典型值：幾十到200 um，最小25um金屬工藝品激光打標(biāo)加工飾品激光打標(biāo)加工實(shí)例4 大幅面玻璃內(nèi)雕 玻璃雕刻機(jī)水晶激光內(nèi)雕激光保鮮、激光育種激光育種是突變育種的一種，選用適當(dāng)波段劑量的激光照射植物種子和其它器官，以誘發(fā)突變，進(jìn)而在其后代中，選擇優(yōu)良變異個(gè)體，有可能培育成新品種。目前已在果樹等植物育種上應(yīng)用獲得初步成功。也可照射卵、蛹，用于家蠶育種上。 激光培育蔬菜日本東海大學(xué)開發(fā)出把半導(dǎo)體激光用于蔬菜栽培技術(shù)，提高了蔬菜的營養(yǎng)成分。新技術(shù)采用播放DVD所用的藍(lán)色和紅色激光，取代現(xiàn)在“植物工廠”里使用的鈉光燈照射溫室里栽培的蔬菜，兩種激光的比例是10：1。采用新技術(shù)后，蔬菜中維

13、生素C含量能夠增加10。激光美容、激光手術(shù)激光手術(shù)刀、激光纖維內(nèi)窺鏡、低功率激光治療及檢測診斷等。 激光治療儀 脈沖Ho:YAG激光治療儀 （德國,0.8m,3J,20Hz, 光纖輸出） 脈沖Er:YAG激光治療儀 （美國,2.94m,30w,2J,七關(guān)節(jié)輸出）波長為6705nm，功率連續(xù)可調(diào)，最大光纖末端輸出功率2瓦醫(yī)用半導(dǎo)體激光器鹵化銀光纖式CO2激光手術(shù)刀 激光近視治療 照射飛秒激光，制作角膜瓣膜照射準(zhǔn)分子激光，改變角膜的屈光率將角膜瓣復(fù)位并進(jìn)行消毒 飛秒激光設(shè)備激光美容 激光雷達(dá)、能量武器、制導(dǎo)激光武器：戰(zhàn)術(shù)武器，主要代表有激光槍和激光炮；戰(zhàn)略武器，用于對(duì)付敵方的遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、軍事衛(wèi)星等空

14、間武器。 激光制導(dǎo) 利用激光控制炸彈、炮彈、導(dǎo)彈，使之“長上眼睛”，盯住目標(biāo)，窮追不舍，直到將它消滅。1）激光波束制導(dǎo)裝置：A-激光照射器；B-導(dǎo)彈發(fā)射器；C-尾部帶有激光接 收器的制導(dǎo)導(dǎo)彈。ACBC彈體2）半主動(dòng)式激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭控制倉45678123構(gòu)造：A）激光照射器B）導(dǎo)彈發(fā)射器C）裝有“尋的器”的導(dǎo)彈1-濾光器；2-透鏡；3-光敏元件；4-放大器5-計(jì)算器；6-自動(dòng)駕駛儀；7-舵面伺服儀；8-電源3）全主動(dòng)式制導(dǎo) 激光照射器與目標(biāo)尋的器均裝在導(dǎo)彈彈體上。作戰(zhàn)時(shí)，激光照射器向目標(biāo)照射激光，目標(biāo)尋的器接收目標(biāo)反射來的激光信號(hào)，將導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)。目前尚不很成熟！裝備激光壓制武器的99式坦克La

15、ser 激光武器直接利用高度集中的激光能量對(duì)敵人和敵人的武器進(jìn)行殺傷、破壞的武器。特點(diǎn)：1）不需計(jì)算彈導(dǎo)，“指哪打哪”。2）不需計(jì)算提前量，“說時(shí)遲，那時(shí)快”。特別適合攻擊高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。 3）無后座之?dāng)_；4）不受電子干擾。受天氣影響，云霧、雨雪都有是激光難以逾越的障礙。局限：電源1）低能激光武器（激光輕武器、單兵激光武器）A）激光手槍第一支激光手槍是用紅寶石激光器制成的用途：可在幾米內(nèi)燒毀衣服、皮膚且無聲 響。也可使人在不知不覺中致盲，近距離內(nèi)引爆，破壞敵方夜視儀、測距儀等光電傳感器。B）激光槍用途：可在更遠(yuǎn)距離內(nèi)使人致盲引爆。破壞敵方夜視儀、測距儀等光電傳感器且無聲響、效益高。97-3式激光槍2）高能激光武器（強(qiáng)激光武器、激光炮） 利用高功能激光摧毀敵方衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、坦克等大型目標(biāo)的武器。（現(xiàn)仍在研制階段）歷史與現(xiàn)狀：1973年春，美軍用激光炮一舉擊落長4.57m時(shí)速482.8Km的飛行靶機(jī);1976年以用激光炮擊落兩架飛行于900m高空的高空無人架駛飛機(jī);1978年美國陸軍用激光炮在1-2Km內(nèi)擊落正在高速飛行的“陶式”反坦克導(dǎo)彈彈頭裂成碎片;由美國國防部和波音公司聯(lián)合研發(fā)的“機(jī)載戰(zhàn)術(shù)激光”(ATL)系統(tǒng)今年進(jìn)入飛行測試階段。該系統(tǒng)能發(fā)出寬度約10厘米的激光束，并在15公里的戰(zhàn)術(shù)距離內(nèi)命中地面目標(biāo)。 機(jī)載戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)美空軍洛克希