激光物理与激光应用以及其发展历史(原创PPt)全解

1、激光原理与应用 班级：光科0802班 制作者： 徐为绪论部分内容摘要绪论部分内容摘要 1 .激光与其他光源相比的特点 2 .激光理论是何时有哪些科学家提出 3 .激光在各个领域的应用 激光相比普通光源的优越性 1. 方向性好方向性好 （平面发散角（平面发散角10 -3弧度）弧度） 发散角小： 传播相同距离时，光斑直径小 2.极高的光亮度极高的光亮度 脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达可达10 14瓦）瓦） 激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高度极高 太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的

2、激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界亿倍。激光是当今世界上最高亮度的光源。上最高亮度的光源。l 3.相干性好相干性好 时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），相干长度可达几十公里。埃），相干长度可达几十公里。 空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。4. 单色性好单色性好 总的来说，激光这种光的受激辐射，与自发总的来说，激光这种光的受激辐射，与自发辐射的普通光源不同，具有极好的方向性，辐射的普通光源不同，具有极好的方向性，极高的光亮度和相干性。极高的光亮度和相干性。激光的

3、激光的 单色性比普通光高单色性比普通光高 倍倍. .1010受激辐射图解Maiman汤斯汤斯肖洛肖洛爱因斯坦名称由来 激光的最初的中文名叫做激光的最初的中文名叫做“镭射镭射”、“莱莱塞塞”，是它的英文名称，是它的英文名称LASER的音译，是的音译，是取自英文取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是词头一个字母组成的缩写词。意思是通过通过受激发射受激发射光扩大光扩大。激光的英文全名已经完。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。全表达了制造激光的主要过程。1964年按

4、年按照我国著名科学家钱学森建议将照我国著名科学家钱学森建议将“光受激光受激发射发射”改称改称“激光激光”。19161916年，爱因斯坦提出了年，爱因斯坦提出了“受激辐射受激辐射”的概念，的概念，奠定了激光奠定了激光的理论基础。的理论基础。 19541954年年汤斯汤斯和他的助手和他的助手高顿（高顿（J. CordonJ. Cordon）、蔡格）、蔡格(H.(H. Zeiger)Zeiger)发明了氨分子束微波激射器并使其正常运行。这发明了氨分子束微波激射器并使其正常运行。这为以后激光器的诞生奠定了基础。为以后激光器的诞生奠定了基础。 19581958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的

5、经典年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。论文，奠定了激光发展的基础。 19601960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(T. H. Maiman)(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红发明了世界上第一台红宝石激光器。宝石激光器。 19621962年，年，HeHeNeNe气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。 最后的两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器时最后的两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导体激代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光

6、器、自由电子激光器都在相应学科的支持光器、染料激光器、自由电子激光器都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。光电子和微电子为主的信息时代。激光的应用 经过30多年的发展，激光现在几乎是无处不在，它已经被用在生活、科研的方方面面：激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光测距仪、激光陀螺仪、激光铅直仪、激光手术刀、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮，在不久的将来，激光肯

7、定会有更广泛的应用 激光激光50年发展时间表年发展时间表1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。 1953年：美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（英文首字母缩写maser） 1957年：Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利，相关法律纠纷维持了近年。 1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光 1961年: 激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。 196

8、2年: 发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。 1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。 1971年: 激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。 1974年: 第一个超市条形码扫描器出现 1975年: IBM投放第一台商用机光打印机 1978年: 飞利浦制造出第一台激光盘（）播放机，不过价格很高 1982年: 第一台紧凑碟片（）播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。

9、1983年: 里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器 1988年: 北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。 1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造 1991年: 第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。 1996年: 东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器 2008年: 法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤 2010年: 美国国家核安全管理局(NNSA)表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘（质量数）和氚（质量数），解决了核聚变的一个关键困难。 激光（LASER）是上世纪60年代发明的一种光源

10、。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种，尺寸大至几个足球场，小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦氖激光器和氩激光器；固体激光器有红宝石激光器；半导体激光器有激光二极管，像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。 激光激光冷水机激光淬火激光打标机激光点焊机激光在不同领域的应用 1.激光加工技术 2.激光医疗保健 3.激光在工业上的应用 4.激光的军事应用价值 5.激光核聚变和能源问题的解决 6.神光系统激光加工技术 是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别

11、物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，从传统上看，它的研究范围一般可分为： 1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。 2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm

12、以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。 激光治疗：可以用于手术开刀，减轻痛苦，减少感染。 激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。 激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然

13、金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器同位素激光器和半导体泵浦激光器。 激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。 激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。 激光涂敷：在航空航天、

14、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。 激光加工，打孔激光焊接激光划片机医学保健应用 激光在医学上的应用主要分三类：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为：激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。 激光手术有传统手术无法比拟的优越性优越性。首先激光手术不需要住院治疗，手术切口小，术中不出血，创伤轻，无瘢痕。 激光在美容界的用途越来越广泛。激光是通过产生高能量，聚焦精确，具有一定穿透力的单色光，作用于人体组织而在局部产生高热量从而达到去除或破坏目标组织的目的，各种不同波长的脉冲激光可治疗各种血管性皮肤病及色素沉

15、着，如太田痣、鲜红斑痣、雀斑、老年斑、毛细血管扩张等，以及去纹身、洗眼线、洗眉、治疗瘢痕等；而近年来一些新型的激光仪，高能超脉冲CO2激光，铒激光进行除皱、磨皮换肤、治疗打鼾，美白牙齿等等，取得了良好的疗效，为激光外科开辟越来越广阔的领域。 微创手术微创手术眼睛激光手术眼睛激光手术工业应用 激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成

16、为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。 军事用途 激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。 战术激光武器是利用激光作为能量，是像常规武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等，打击距离一般可达20公里。这种武器的主要代表有激光枪和激光炮，它们能

17、够发出很强的激光束来打击敌人。1978年3月，世界上的第一支激光枪在美国诞生。激光枪的样式与普通步枪没有太大区别，主要由四大部分组成：激光器、激励器、击发器和枪托。目前，国外已有一种红宝石袖珍式激光枪，外形和大小与美国的派克钢笔相当。但它能在距人几米之外烧毁衣服、烧穿皮肉，且无声响，在不知不觉中致人死命，并可在一定的距离内，使火药爆炸，使夜视仪、红外或激光测距仪等光电设备失效。还有7种稍大重量与机枪相仿的小巧激光枪，能击穿铜盔，在1500米的距离上烧伤皮肉、致瞎眼睛等。 目前，反战略导弹激光武器的研制种类有化学激光器、准分子激光器、自由电子激光器和调射线激光器。例如：自由电子激光器具有输出功率

18、大、光束质量好、转换效率高、可调范围宽等优点。但是，自由电子激光器体积庞大，只适宜安装在地面上，供陆基激光武器使用。作战时，强激光束首先射到处于空间高轨道上的中断反射镜。中断反射镜将激光束反射到处于低轨道的作战反射镜，作战反射镜再使激光束瞄准目标，实施攻击。 美制美制GBU-12-B“GBU-12-B“宝石路宝石路”系列激光制导弹系列激光制导弹国产国产“雷霆雷霆”-2 -2 500500公斤级激光制导公斤级激光制导弹弹激光核聚变 激光核聚变就是利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应。它是模拟核爆炸物理效应的有力手段。 由于激光核聚变与氢弹的爆炸在许多方面非常相似，所以，20世纪60年代，当激光器

19、问世以后，科学家就开始致力于利用高功率激光使聚变燃料发生聚变反应，来研究核武器的某些重要物理问题。 我们知道，氘、氚等较轻元素的原子核相遇时，聚合为较重的原子核，并释放出巨大能量的过程称为核聚变。人工控制的持续聚变反应可分为磁约束核聚变和惯性约束核聚变两大类。后者又可分为激光核聚变、粒子束核聚变和电流脉冲核聚变3类。 激光核聚变主要有3种用途：一是可为人类找到一种用不完的清洁能源，二是可以研制真正的“干净”核武器，三是可以部分代替核试验。因此，激光核聚变在民用和军事上都具有十分重大的意义。 神光系统 我国著名物理学家王淦昌院士1964年就提出了激光核聚变的初步理论，从而使我国在这一领域的科研工

20、作走在当时世界各国的前列。1974年，我国采用一路激光驱动聚氘乙烯靶发生核反应，并观察到氘氘反应产生的中子。此外，著名理论物理学家于敏院士在20世纪70年代中期就提出了激光通过入射口、打进重金属外壳包围的空腔、以 X光辐射驱动方式实现激光核聚变的概念。1986年，我国激光核聚变实验装置“神光”研制成功，聂荣臻元帅还专门写信祝贺。我国激光核聚变大事记我国激光核聚变大事记1964年，王淦昌提出了研究激光聚变的倡议。1965年，上海光机所开始用高功率钕玻璃激光产生激光聚变的研究。1973年5月，上海光机所建成两台功率达到万兆瓦级的高功率钕玻璃行波放大激光系统。1974年，上海光机所研制成功毫微秒10

21、万兆瓦级6路高功率钕玻璃激光系统，激光输出功率提高了10倍。1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议，称为激光12号实验装置。1987年6月27日，神光I通过了国家级鉴定。1994年，神光I退役，神光I连续运行8年。1994年5月18日，神光装置立项，工程正式启动。2001年8月，神光装置建成，总体性能达到国际同类装置的先进水平。2007年2月4日，中物院神光激光装置实验室工程举行了开工奠基仪式。2008年11月16日晚，中央电视台新闻联播曝光了中国工程物理研究院的惯性约束核聚变激光驱动装置原型。 神光 加工好的380mm成品晶片生长中的KDP晶体神光系列的现状与展望 目

22、前，神光-原型装置“十五”建设目标已圆满完成，达到“8束出光，脉冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。 神光装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的“两弹”。这是挑战也是机遇，在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果，而这只不过是序幕，需要几代人的不懈努力。根据规划，我国在2010年前后还将研制“神光IV”

23、核聚变点火装置。“国家点火装置国家点火装置”产生最强激光的几产生最强激光的几大步骤大步骤 1、安装球形外壳、安装球形外壳为了产生聚变所必须的高温和高压，“国家点火装置”将汇聚其所有192束激光束同时射向一个氢燃料目标之上。“国家点火装置”呈球形(如图所示)，直径约为10米，重约130吨。装置内有一个目标聚变舱，点火实验就发生于目标聚变舱内。整个球体由18块铝材外壳拼接而成，每块外壳均约10厘米厚。球体外壳上正方形窗口就是激光束的入口，而圆形窗口则是用来安装和调节诊断装置，诊断装置共有近100个分片。 2、用调节器调整靶位、用调节器调整靶位这是目标聚变舱内部的照片。激光束通过外壳上的入口进入目标

24、舱，把将近500万亿瓦特的能量瞄准于位置调节器的尖端。图中右侧的长形带有尖端的物体就是位置调节器，每次实验的目标氢燃料球就置放于尖端之上。当所有激光束全部投入时，“国家点火装置”将能够把大约200万焦耳的紫外线激光能量聚焦到小小的目标氢燃料球之上，它比此前任何激光系统所携带能量的60倍还要多。当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。3、将燃料放入燃料舱、将燃料放入燃料舱(圆柱体圆柱体)进入“国家点火装置”的所有192束激光束都将被引向图中这个

25、铰笔刀大小的圆柱体。该圆柱体中将装有聚变实验所使用的目标燃料，目标燃料就是约为豌豆大小的球状冰冻氢燃料。实验时，激光束将通过各自窗口进入目标舱内，从各个方向压缩和加热氢燃料球，希望能够产生自给能量的聚变反应。曾经有不少科学家认为可控核聚变反应是不可能实现的。近年来，科学家找到了一些点燃热聚变反应的方法，美国研究人员找到的方法是利用高能激光。虽然科学家们也尝试了其他种核聚变发生技术，但从已完成的实验效果看，激光技术是目前最有效的手段。除激光外，利用超高温微波加热法，也可达到点燃核聚变的温度。 4、压缩并加热燃料、压缩并加热燃料所有激光束进入这个金属舱内部时，他们将产生强烈的X光线。这些X光线不仅

26、仅可以把豌豆大小的氢燃料球压缩成一个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，它还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。在激光点火装置内，一束红外线激光经过许多面透镜和凹面镜的折射和反射之后，将变成一束功率巨大的激光束。然后，研究人员再将该激光束转变为192束单独的紫外线激光束，照向目标反应室的聚变舱中心。当激光束照射到聚变舱内部时，瞬间产生高能X射线，压缩燃料球芯块直至其外壳发生爆裂，直到引起燃料内部的核聚变，从而产生巨大能量。5、用磷酸二氢钾晶体转换激光束、用磷酸二氢钾晶体转换激光束激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线转换成紫外线，因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入一个高约2米的溶液桶中，经过两个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成一个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火