光学chapter9 laser

1、第九章第九章 激光技术激光技术 19601960年诞生一种神奇的光，它就是激光。它英文名年诞生一种神奇的光，它就是激光。它英文名LaserLaser，是，是“light amplification by stimulated emission of light amplification by stimulated emission of radiationradiation”的缩写，即的缩写，即“受激发射光放大受激发射光放大”，它包含了激光产，它包含了激光产生的由来。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓生的由来。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人一鸣惊人”。这是光学史上的重大里程碑，也是

2、科学史上的重要里程碑。这是光学史上的重大里程碑，也是科学史上的重要里程碑。 19641964年按照我国著名科学家钱学森建议将年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射光受激发射”改称改称“激光激光”。 二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激光二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激光 世界上第一台激光器是美国人梅曼于世界上第一台激光器是美国人梅曼于19601960年年7 7月研制出来的，月研制出来的，随后，我国也于随后，我国也于19611961年年9 9月研制出了激光器。在短短的几十年月研制出了激光器。在短短的几十年间，世界激光技术的发展速度十分惊人。目前，它已广泛应用间，世界激光

3、技术的发展速度十分惊人。目前，它已广泛应用于工业、农业、医疗和科研等许领域。于工业、农业、医疗和科研等许领域。 在军事上，激光已被应用于制导、测距、雷达、通讯、侦察、在军事上，激光已被应用于制导、测距、雷达、通讯、侦察、对抗等方面，并已取得了许多重要成果。同时，激光武器的研对抗等方面，并已取得了许多重要成果。同时，激光武器的研制与开发工作也在紧锣密鼓地进行。制与开发工作也在紧锣密鼓地进行。第九章第九章 激光技术激光技术 第一节第一节 玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论一、原子结构经典理论的困难一、原子结构经典理论的困难1 1、经典原子模型、经典原子模型 卢瑟福粒子散射

4、实验证明，原子中心有个很小的核，即原子卢瑟福粒子散射实验证明，原子中心有个很小的核，即原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成，它们之间存在着静电是由带正电的原子核和带负电的电子组成，它们之间存在着静电的吸引力。按照库仑定律，静电力服从平方反比律，的吸引力。按照库仑定律，静电力服从平方反比律，这和天体间这和天体间的万有引力服从的规律是一样的的万有引力服从的规律是一样的。所以由经典理论可知：。所以由经典理论可知：（1 1）原子中的电子应像太阳系中的行星绕日旋转那样，围绕着）原子中的电子应像太阳系中的行星绕日旋转那样，围绕着原子核沿圆或椭圆轨道不断地旋转。原子核沿圆或椭圆轨道不断地旋转。（2 2）

5、电子绕核旋转，必须具有一定的动能。动能越大轨道的半）电子绕核旋转，必须具有一定的动能。动能越大轨道的半径或半长轴就越大；没有动能时，它就会被静电力吸引到原子径或半长轴就越大；没有动能时，它就会被静电力吸引到原子核上去。核上去。（3 3）电子轨道运动的周期）电子轨道运动的周期T T正比与半径或半长轴正比与半径或半长轴a a的的3/23/2次方，即次方，即TaTa3/23/2（开普勒第三定律）。轨道越小，周期越短。（开普勒第三定律）。轨道越小，周期越短。第九章第九章 激光技术激光技术2 2、经典理论的困境、经典理论的困境（1 1）任何作加速运动的带电粒子都要发射电磁波。而电子沿圆或）任何作加速运动

6、的带电粒子都要发射电磁波。而电子沿圆或椭圆轨道旋转是一种加速运动，它必然要不断地发射电磁波。椭圆轨道旋转是一种加速运动，它必然要不断地发射电磁波。（2 2）电磁波要带走一部分能量，这能量来源于带电粒子本身，既）电磁波要带走一部分能量，这能量来源于带电粒子本身，既然电子不断发射电磁波，其动能不断被消耗掉。如果没有能量补然电子不断发射电磁波，其动能不断被消耗掉。如果没有能量补充，每个电子的轨道都要不断缩小，最后被吸引到原子核上去。充，每个电子的轨道都要不断缩小，最后被吸引到原子核上去。（3 3）若电子运动周期是）若电子运动周期是T T，则它发射电磁波的周期也是，则它发射电磁波的周期也是T T，或说

7、，或说，电磁波的频率电磁波的频率=1/T=1/T。在电子轨道不断缩小的过程中周期不断减。在电子轨道不断缩小的过程中周期不断减小，从大量原子平均来看，它们发射的电磁波谱应是小，从大量原子平均来看，它们发射的电磁波谱应是连续的。连续的。（4 4）事实上电子可以在核周围处于无辐射状态，此外原子的光谱）事实上电子可以在核周围处于无辐射状态，此外原子的光谱不是连续谱，而是线状的分立谱。这和经典理论直接冲突。不是连续谱，而是线状的分立谱。这和经典理论直接冲突。第九章第九章 激光技术激光技术二、氢原子光谱中的谱线学二、氢原子光谱中的谱线学1 1、在长期的研究中人们发现氢原子光谱中可见光波段内有一个、在长期的

8、研究中人们发现氢原子光谱中可见光波段内有一个谱线序列，它们的波长可用下列经验公式表示：谱线序列，它们的波长可用下列经验公式表示：第九章第九章 激光技术激光技术2 2、氢原子谱线系、氢原子谱线系第九章第九章 激光技术激光技术3 3、结论、结论其中其中m，n是正整数，是正整数，nm. T(m)=RH/m2, T(n)=RH/m2称为光谱项。称为光谱项。三、玻尔假说三、玻尔假说1、原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。、原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值原子定态的能量只能采取某些分立的值E1，E2，En，而不能，而不能采取其它

9、值。这些定态能量的值叫做能级。采取其它值。这些定态能量的值叫做能级。2、只有当原子从一个定态跃迁到另一定态时，才发出或吸收电磁、只有当原子从一个定态跃迁到另一定态时，才发出或吸收电磁辐射。辐射。3、玻尔频率条件：、玻尔频率条件：hv= En- Em 或或 v= ( En- Em)/h4、氢原子能级应为：、氢原子能级应为：En=-hcT(n)=-hcRH/n2, n叫做（主）量子数。叫做（主）量子数。5、原子能级中能量最低的叫做基态，其余的叫做激发态。、原子能级中能量最低的叫做基态，其余的叫做激发态。第九章第九章 激光技术激光技术四、粒子数按能级的统计分布四、粒子数按能级的统计分布若原子处于热平

10、衡状态，各能级上的粒子数目分布将服从一定的若原子处于热平衡状态，各能级上的粒子数目分布将服从一定的统计规律，这就是玻耳兹曼正则分布律。统计规律，这就是玻耳兹曼正则分布律。设原子体系的热平衡绝对温度为设原子体系的热平衡绝对温度为T, 在能级在能级En上的粒子数：上的粒子数：kTEnneN 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 高能级上原子数少高能级上原子数少2121/EEkTkTNeeN112 kTEEe数量级估计：数量级估计：T 103 K; kT1.3810-20 J0.086 eVE 2-E 11eV;211520.0861101EEkTNeeN在常温的热

11、平衡态下，绝大部分原子处于基态，高能级上的粒子在常温的热平衡态下，绝大部分原子处于基态，高能级上的粒子数数N2一定小于低能级上的粒子数一定小于低能级上的粒子数N1，即，即N1N2。第九章第九章 激光技术激光技术五、原子能级分类及寿命：五、原子能级分类及寿命：1、基态能级：、基态能级： 原子最低能级，原子状态最稳定原子最低能级，原子状态最稳定2、激发态能级：、激发态能级：原子停留时间原子停留时间 010-8s3、亚稳态能级：、亚稳态能级：原子停留时间原子停留时间 10-3s 0六、自发辐射、受激辐射和受激吸收六、自发辐射、受激辐射和受激吸收物质由原子组成。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质

12、物质由原子组成。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。绕着原子核运动。 碳原子示意图碳原子示意图 第九章第九章 激光技术激光技术自发吸收（自发吸收（受激吸收受激吸收）：电子通过吸收光子从低能级跃迁到高能）：电子通过吸收光子从低能级跃迁到高能级级( (图图a)a)。自发辐射：电子自发地通过释放光子从高能级跃迁到较低能阶自发辐射：电子自发地通过释放光子从高能级跃迁到较低能阶 ( (图图b)b)。受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释受激辐射：光子射

13、入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相位相同的波长和相位，此波长对，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子最后就变成两个相同的光子 ( (图图c)c)。 2121hEEEEh第九章第九章 激光技术激光技术六、粒子数反转与光放大六、粒子数反转与光放大当一束频率当一束频率的光通过具有能级的光通过具有能级E E2 2和和E E1 1( E( E2 2-E-E1 1=h=h) )的介质时，将的介质时，将同时发生受激吸收和受

14、激发射过程。前者使入射光减弱，后者，同时发生受激吸收和受激发射过程。前者使入射光减弱，后者，使入射光加强。使入射光加强。1、热平衡时，、热平衡时，N1 N2，光在介质中传播，光在介质中传播， 总是总是受激吸收受激吸收占优占优势；势； 当当N1N2时，出现了粒子数布居反转分布，简称时，出现了粒子数布居反转分布，简称反转分布，反转分布，这时这时dN21dN12,即光经介质传播过程中，受激发射的光子数大于即光经介质传播过程中，受激发射的光子数大于受激吸收的光子数，宏观表现为光被放大，或称光增益。能造成受激吸收的光子数，宏观表现为光被放大，或称光增益。能造成粒子数反转分布的介质称为粒子数反转分布的介质

15、称为激活介质或增益介质激活介质或增益介质。2、在处于反转分布的激活介质中，当有外来光信号输入时，其、在处于反转分布的激活介质中，当有外来光信号输入时，其中中v= ( E2- E1)/h 的成分就放大了（受激辐射）。的成分就放大了（受激辐射）。第九章第九章 激光技术激光技术1 1、激光的产生、激光的产生 19171917年爱因斯坦发表年爱因斯坦发表按照量子论辐射的发射和吸收按照量子论辐射的发射和吸收，关于辐射的量子理论关于辐射的量子理论，提出，提出受激辐射理论受激辐射理论，强调光的物，强调光的物质性；用量子观点预言质性；用量子观点预言受激辐射受激辐射的存在和的存在和光放大光放大的可能性。的可能性

16、。 19581958年年 肖洛和汤斯发表了肖洛和汤斯发表了红外线和光的微波激器红外线和光的微波激器 19601960年年 梅曼制成了世界上第一台激光器梅曼制成了世界上第一台激光器红宝石激光器红宝石激光器第二节第二节 激光简介激光简介一、激光的产生和性质一、激光的产生和性质 高方向性高方向性2 2、激光的特性、激光的特性 光束发散角光束发散角=2 探照灯：探照灯：3535毫弧度毫弧度1 1度度激激 光：光：1010-2-2毫弧度毫弧度sr第九章第九章 激光技术激光技术 高强度，高亮度；高强度，高亮度；一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高

17、8 8个数量个数量级级( (几千万倍）；强激光甚至可产生几千万倍）；强激光甚至可产生上亿度上亿度的高温；的高温；地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下1 1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对它打孔。激光均可轻而易举地对它打孔。 相干性强，颜色极纯相干性强，颜色极纯- -单色性强单色性强 它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可用透镜把它们会聚到

18、一点上，把能量高度集中起来；向传播，可用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来；光的颜色极纯光的颜色极纯单色性强单色性强单色光：单色光：具有单一频率的光波称为单色光具有单一频率的光波称为单色光任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好。第九章第九章 激光技术激光技术 2 2 20I0I谱线宽度谱线宽度：通常用强度下降到 I0/2 的两点之间的波长范围来表

19、来表示。示。谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量。谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量。第九章第九章 激光技术激光技术二、激光器原理二、激光器原理激光器是利用物质受激辐射放大电磁波的原理产生激光的装置。它由工作物质，谐振腔和激励源三部分组成。1 1、激光器的结构、激光器的结构2 2、产生激光有三个主要元素：、产生激光有三个主要元素：（1 1）激活介质（工作介质）激活介质（工作介质）能经受激发射而使入射光强放大；能经受激发射而使入射光强放大；（2 2）能使激活介质产生粒子数反转的）能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置（激励源）泵浦装置（激励源）；（3 3）放置激活介质的）放置激活介质的谐振腔谐振

20、腔，它增加放大并选择发射频率。，它增加放大并选择发射频率。第九章第九章 激光技术激光技术工作物质：工作物质：工作物质具有一定的能级结构，用来实现粒子数反工作物质具有一定的能级结构，用来实现粒子数反转。不同的激光器工作物质不同。转。不同的激光器工作物质不同。泵浦源泵浦源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用用气体放电的办法气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励电激励；也可用

21、脉冲光源来照射工作介质，称为；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励光激励；还有；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦泵浦”以维持处于以维持处于上能级的粒子数比下能级多。上能级的粒子数比下能级多。谐振腔谐振腔是位于激光器两端的一对反射镜，其中一个是全反射镜，是位于激光器两端的一对反射镜，其中一个是全反射镜，另一个是部分反射镜，可以使激光部分透过并输出。这两面反另一个是部分反射镜，可以使激光部分透过并输出。这两面反射镜及它们之间的空间称为光学

22、谐振腔射镜及它们之间的空间称为光学谐振腔. .第九章第九章 激光技术激光技术谐振腔的作用谐振腔的作用就是只让与反射镜轴向平行的光束能在工作物质中就是只让与反射镜轴向平行的光束能在工作物质中来回反射，链锁式放大，最后形成稳定的激光输出，偏离轴向的来回反射，链锁式放大，最后形成稳定的激光输出，偏离轴向的光很快就从侧面逸出。光很快就从侧面逸出。谐振腔对光束方向的选择谐振腔对光束方向的选择，保证了激光器输出的激光具有极好的，保证了激光器输出的激光具有极好的方向性。经谐振腔反射回来的光对工作物质的作用称为方向性。经谐振腔反射回来的光对工作物质的作用称为光反馈，光反馈，激光器实际就是正反馈放大器。若反射镜

23、安置在激光管两端面上激光器实际就是正反馈放大器。若反射镜安置在激光管两端面上则为内腔式激光器，若反射镜安置在激光管两端以外，则为外腔则为内腔式激光器，若反射镜安置在激光管两端以外，则为外腔式激光器。式激光器。光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：（1 1）产生和维持光振荡）产生和维持光振荡（2 2）确定激光方向）确定激光方向（3 3）选频）选频（4 4）选偏振）选偏振第九章第九章 激光技术激光技术三、粒子数反转三、粒子数反转(population inversion)1. 1. 为何要粒子数反转为何要粒子数反转从从E2E1 自发辐射的光，可能引起受激辐射过自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可

24、能引起吸收过程。程，也可能引起吸收过程。产生激光必须使受激辐射的原子数产生激光必须使受激辐射的原子数吸收光子吸收光子的原子数，即：造成粒子数反转。的原子数，即：造成粒子数反转。12NN 光经介质传播过程中，受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数，光经介质传播过程中，受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称宏观效果表现为光被放大，或称光增益，光增益，能造成粒子束反转分布能造成粒子束反转分布的介质称为的介质称为激活介质或增益介质。激活介质或增益介质。2E1E2N1N原子处在激发态时间很短原子处在激发态时间很短108s，但还，但还有一些亚稳态，可以停留有一些亚稳态，可以停留1

25、03s, ,在亚稳态上粒子数不断积累，在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒实现粒子数反转，达到光放大的目的。子数反转，达到光放大的目的。激发态亚稳态基态第九章第九章 激光技术激光技术方向性好方向性好 单色性好单色性好高亮度高亮度空空 间间 相相 干干 性性 第九章第九章 激光技术激光技术四、激光的分类四、激光的分类激光器的种类繁多。按工作物质划分工作物质划分有：固体、气体、半导体、化学、染料等激光器。按谐振腔分按谐振腔分有：非稳腔激光器、共焦腔激光器、平面腔激光器等。按激发方式激发方式分有：电激发激光器，热激发激光器，光泵激光器和化学激光器等。按工作方式工作方式分有：连续式（功率可达104W）和脉

26、冲式（瞬时功率可达1014W ）激光器是激光应用技术中的重要部件。因此，激光器的研制水平激光器的研制水平标志着一个国家激光技术的发展水平。标志着一个国家激光技术的发展水平。1 1）固体激光器）固体激光器 一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd:YAGNd:YAG激光器。激光器。NdNd（钕）是一种稀土族元素，（钕）是一种稀土族元素，YAGYAG代表钇铝石榴代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。石，晶体结构与红宝石相似。固体激光器中常用的还有钇铝石榴石激光器，它的工作物质是固体激光器中常用的还有钇铝石榴石激光器，它的工作物质是

27、氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺有氧化钕。激光是由晶体中氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺有氧化钕。激光是由晶体中的钕离子放出，是人眼看不见的的钕离子放出，是人眼看不见的红外光红外光，可以连续工作，也可，可以连续工作，也可以脉冲方式工作。以脉冲方式工作。第九章第九章 激光技术激光技术由于这种激光器输出功率比较大，不仅在军事上有用，也可广由于这种激光器输出功率比较大，不仅在军事上有用，也可广泛用于工业上。此外，钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染泛用于工业上。此外，钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器，对治疗白内障和青光眼十分有效。料激光器，对治疗白内障和青光眼十分有效。 掺铒光纤激光器掺铒光纤激

28、光器: :在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。体积小（只有火柴盒大小）、重量轻、寿命长、结构简单，是一体积小（只有火柴盒大小）、重量轻、寿命长、结构简单，是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0.80.9微米微米之间。只要之间。只要通以适当强度的电流就有激光射出通以适当强度的电流就有激

29、光射出，再加上输出波长，再加上输出波长在红外线光范围内，所以保密性特别强，很适合用在飞机、军舰、在红外线光范围内，所以保密性特别强，很适合用在飞机、军舰、坦克、车辆和宇宙飞船上使用。坦克、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器发展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有半导体激光器发展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50 m x 150 m x 250 m，比普通的米粒还小。，比普通的米粒还小。应用：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等。应用：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等。2) 2) 半导体激光器半导体激光器第九章第九章 激光技术激光技术3) 3) 气体激光

30、器气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。 分子激光器：分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光刀，医疗， 机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器准分子激光器：

31、特点发光都在紫外波段紫外波段。用途多用于微细加工，光刻及医学。原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。第九章第九章 激光技术激光技术4) 4) 液体激光器液体激光器主要是染料激光器。多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点特点：从红外到紫外范围调谐任意波长(几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的应用。5) 5) 红外激光器红外激光器红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是

32、辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连接方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生的波长10.6微米激光也是最强大的一种激光。它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。做实验时，一不小心就会把自己的衣服烧坏，裸露的皮肤碰到了也要烧伤，所以这种激光器上都贴着“危险”的标记，操作时要特别留神。 第九章第九章 激光技术激光技术X X射线激光器射线激光器X射线是原子内部壳层电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射线波长已达到4.483

33、nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区， X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研究。纳米激光器问世纳米激光器问世据2001年美国科学杂志报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器纳米激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器，这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。第九章第九章 激光技术激光技术由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而由于激

34、光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用：在许多领域得到广泛应用：五、激光的应用五、激光的应用1.1.激光技术在军事上的应用激光技术在军事上的应用激光技术问世时间虽短，但发展速度惊人，尤其是在军事领域中的应用。79年中越自卫反击战使用了激光武器，82年英阿马岛战争使用了激光武器，后来的一些局部战争大多都使用了激光武器，尤其是美国参战的，基本上都使用了激光武器及其设备，如：海湾战争，科索沃战争，据报道，直接参战的多国部队战斗机，都配备了机载激光投弹制导仪，大大提高了命中率。现在世界上有许多国家都有激光制导仪，但目前最好的是美国的“低空飞行和夜间红外线追踪系统”，它

35、不需地面人员指挥，便可自动瞄准敌方目标进行导弹袭击。随着激光技术的进一步发展，激光武器将会越来越先进，它必将在未来太空作战中发挥巨大的作用。第九章第九章 激光技术激光技术(1) (1) 激光制导激光制导激光制导是继雷达、红外、电视制导之后发展起来的一种精确制导技术。目前已投入使用和正在研制的激光制导武器有激光制导炸弹、空地导弹、空地反坦克导弹、炮弹、火箭弹、防空导弹等。目前激光制导武器主要采用半主动式回波制导和半主动式波束制导两种。激光制导与其它制导方式相比，具有如下特点：1. 命中率高命中率高。经多次实验证明命中率可在97%。2.2.抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。由于激光属于可见光，故

36、不受电磁波干扰。3.3.制导系统体积小，重量轻、结构简单、造价低廉。制导系统体积小，重量轻、结构简单、造价低廉。但是，激光制导也存在其缺点：主要是受天气影响较大。大雨浓雾、扬尘(烟幕)使激光传输受限制难以正常工作。第九章第九章 激光技术激光技术(2) (2) 激光测距激光测距激光测距机的类型很多，结构也不尽相同。在军事领域中，激光测距机主要用于地形测量、战场前沿测距、火炮测距、飞机、导弹测距和云层测量等。目前世界各国的激光测距机大部分装配于坦克、地炮、舰炮和机载武器等，少数型号装备于迫击炮、枪榴弹发射器等步兵武器。与一般光学测距相比，激光测距有以下优点：1.1.操作简便、速度快。操作简便、速度

37、快。实时显示，容易与有关装置组成自动化火控系统，缩小武器的反应时间，提高武器的火力机动性。 2.2.测距精度高。测距精度高。在测程范围内，测距精度不受距离远近的影响;3.3.体积小、重量轻。体积小、重量轻。国外有一种观察、测距两用激光测距机，重量0.4kg，大小如同一包香烟。4.4.抗电磁干扰。抗电磁干扰。激光测距机工作在光波波段，不受电磁波干扰。主要缺点主要缺点: :不能全天候使用，其作用距离受天气和战场条件(硝烟、尘埃等)影响较大.为适应全天候作战的需要，常常配合雷达使用。第九章第九章 激光技术激光技术(3) (3) 激光雷达激光雷达在激光测距机的基础上加装测角、测速和自动跟踪装置就构成激

38、光雷达。它同工作在微波段的雷达相比，激光雷达的优点是角分辨力高、成像清晰、测量精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强和体积小、设备简单。目前，比较成熟的激光雷达有美军研制的激光障碍物和地形回避警戒系统，在直升机前方扫描半径为1.6km能发现450m处直么为3.2m的金属线。(4) (4) 激光武器激光武器利用激光能量摧毁目标或使其丧失战斗能力的武器称为激光武器。根据激光武器发射的能量不同，可分为低能激光武器和高能激光武器两类。第九章第九章 激光技术激光技术低能激光武器。低能激光武器。系指发射功率较小的激光轻武器。它的外形和普通步枪差不多，故亦称激光枪。它体积小，重量轻，击发时无声响。用激光枪照射各种精

39、密仪器，可烧坏其脆弱部件而使仪器失灵；在近距离用它照射人员，可以烧焦皮肤，或使衣服燃烧而失去战斗力；在一定距离上用它照射人眼，可以使人致盲可以使人致盲。那么，无论战时，还是平时都应重视对激光的防护。基本方法是配带反射型或吸收型的防护眼镜。高能激光武器。高能激光武器。又称强激光武器或激光热武器。它是一种大型的激光装置，外型和普通火炮差不多，所以也叫激光炮。它主要用于对各种高速运动的目标实施攻击。用它照射导弹，可把极高的能量传送到导弹表面，使其跟踪器被烧坏而失灵，从而失去正确飞行方向。用它照射卫星，可以对卫星造成严重破坏，甚至将其星体击穿。第九章第九章 激光技术激光技术激光武器与常规武器相比，有以

40、下特点：激光武器与常规武器相比，有以下特点： 不需要计算弹道不需要计算弹道用常规火炮攻击目标，要根据距离、高度、风速、风向及弹头初速等因素进行弹道计算，确定射击诸元素，而激光武器发射的是高能激光束，其光路是一条直线，不用计算诸元素，命中率很高。 不需计算提前量不需计算提前量用常规火炮攻击运动目标时，必须根据弹头飞行时间和目标运动速度计算出适当的提前量，否则，无法命中目标。激光武器发射的是以光速飞行的激光束，其飞行时间几乎为零，故不需要提前量。瞄哪打哪。 激光武器不受电子干扰。激光武器不受电子干扰。第九章第九章 激光技术激光技术 不产生后坐不产生后坐激光武器是一种无惯性武器。因为激光武器发射的高

41、能激光束几乎没有质量，不会产生后坐力。所以，激光武器能灵活而迅速地改变射击方向，而不影响射击精度和效果。 激光武器的使用有很大的局限性。激光武器的使用有很大的局限性。自然条件中的云、雾、雨、雪等都是激光难以逾越的障碍，在大雾弥漫遇有雨雪时，激光武器便不能发挥威力。第九章第九章 激光技术激光技术激光枪激光枪舰载激光武器舰载激光武器机载激光武器机载激光武器第九章第九章 激光技术激光技术(1) (1) 全息照相全息照相 激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为称为物光束；另一束直接照到

42、感光胶片即全息干板上，称为参考光束。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片参考光束。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程上，就完成了全息照相的摄制过程 全息照片和普通照片截然不同全息照片和普通照片截然不同 用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹 用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物 从从不同的角度去观察，可以看到原来物体的不同侧面不同的角度去观察，可以看到原来物体的不同侧面 每一片碎片都包括被摄物体的完整信息每一片碎片都包括被摄物体的完整信息2.

43、激光在信息技术领域的应用激光在信息技术领域的应用 全息照相全息照相 光存储光存储 大屏幕显示大屏幕显示第九章第九章 激光技术激光技术英女王的全息照片英女王的全息照片 全息再现用于艺术创作全息再现用于艺术创作第九章第九章 激光技术激光技术多路合成角度全息用于艺术品展示多路合成角度全息用于艺术品展示 全息激光防伪标签，已经是一个全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业很大的产业 第九章第九章 激光技术激光技术（2）激光全息存储）激光全息存储 利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术信息存储技术 通过将缩微胶片上的影像转变为光

44、信息，然通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图后制出存储密度更大的全息图 全息图是由干涉条纹组成的全息图是由干涉条纹组成的影像，该条纹记录了入射光线的全部信息影像，该条纹记录了入射光线的全部信息振幅和相位振幅和相位 阅阅读还原时，需在激光照射下利读还原时，需在激光照射下利 用条纹影像的衍射原理使其再现用条纹影像的衍射原理使其再现 激光全息存储的优点激光全息存储的优点 信息存储容量大信息存储容量大-可达可达1Tb/cm3 记录速度快记录速度快 记录信息不易丢失记录信息不易丢失-寿命可达数百年寿命可达数百年 便于长期保存便于长期保存-每一碎片都包含完整信息每一碎片都包含完

45、整信息 便于拷贝、复制便于拷贝、复制第九章第九章 激光技术激光技术体全息信息存储原理体全息信息存储原理第九章第九章 激光技术激光技术（3）DPL大屏幕显示大屏幕显示 采用二极管泵浦的固体激光器，采用二极管泵浦的固体激光器， 倍频输出红绿蓝三基色的倍频输出红绿蓝三基色的 激光激光全色显示具有色彩十分丰富多彩，亮度高、全色显示具有色彩十分丰富多彩，亮度高、 清晰度高等优点预清晰度高等优点预计未来计未来10年内在计算机投影仪、年内在计算机投影仪、 大屏幕高清晰显示和数字电视大屏幕高清晰显示和数字电视 方面得到广泛应用方面得到广泛应用. RGB TV SET 第九章第九章 激光技术激光技术3 ： 激光

46、用于通讯激光用于通讯第九章第九章 激光技术激光技术光通信原理示意图光通信原理示意图 第九章第九章 激光技术激光技术光纤通讯光纤通讯光通信用的激光器差不多全部是半导体激光器，只有少量的光通信用的激光器差不多全部是半导体激光器，只有少量的CATV系统采用系统采用1310纳米或纳米或1550纳米纳米LD泵浦固体激光器。泵浦固体激光器。通信用的激光器主要有两类：光纤放大器用的泵浦光源和发射通信用的激光器主要有两类：光纤放大器用的泵浦光源和发射机用的信号光源。机用的信号光源。应用于自由空间光通信（应用于自由空间光通信（FSO）的激光器有）的激光器有850nm和和1550nm两种两种第九章第九章 激光技术

47、激光技术激光光纤通讯激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级， 一根极细的光纤能承载的信息量相当于图片中这麽粗一根极细的光纤能承载的信息量相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的的电缆所能承载的信息量。信息量。第九章第九章 激光技术激光技术 照明束照明束照亮视场照亮视场 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光使堵塞物熔化使堵塞物熔化臂动脉臂动脉主动脉主动脉冠状动脉冠状动脉内窥镜内窥镜附属通道附属通道有源纤维有源纤维套环套环纤维镜纤维镜照明束照明束 附属通道附属通道 （可注入气或液）（可注入气或液） 排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 （可充、放气）（可充、放气）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通激光手术刀激光手术刀（不需开胸，不住院）（不需开胸，不住院）第九章第九章 激光技术激光技术原子力显微镜原子力显微镜(AFM) 用一根钨探针或硅探针在距用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上试样表面几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固体表面的来探测固体表面的情况。情况。试样通常是微电子器件。试样通常是微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯