应用光电第二章——激光技术及应用

1、1第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用激光：LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光是光的受激辐射光学量子放大器，镭射，莱塞激光（钱学森）2第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用o 1 1、方向性、方向性 激光发散角小，可达激光发散角小，可达mradmrad量级，接近于衍射极限。量级，接近于衍射极限。o 2 2、单色性、单色性 激光的谱线宽度很窄，单色性很好。激光的谱线宽度很窄，单色性很好。o 3 3、高亮度、高亮度 激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的光激光的发光面小，发散角小，线宽窄，

2、所以有很高的光谱辐亮度。谱辐亮度。 o 4 4、相干性、相干性 激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都很激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都很好。例如，稳频的好。例如，稳频的He-NeHe-Ne激光器线宽可达激光器线宽可达v v10kHz10kHz，相干，相干长度达长度达LcLc= =c c/v v=30km=30km。3第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用爱因斯坦爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念，年，提出受激辐射概念，预测了受激辐射放大。预测了受激辐射放大。R.C.Tolman1924年，提出具有粒子数翻转年，提出具有粒子数翻转的介质，具有光学增益（激光产生的条件

3、之一）。的介质，具有光学增益（激光产生的条件之一）。激光器发展历史激光器发展历史4第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用Townes and Prokhorov1953年，分别独立报道年，分别独立报道微波受激辐射放大器（微波受激辐射放大器（Maser），激光的实验基础），激光的实验基础Townes and Schawlow1958年，抛弃了尺寸年，抛弃了尺寸必须和波长可比的封闭或者谐振腔的思路，提出尺寸必须和波长可比的封闭或者谐振腔的思路，提出尺寸远大于波长的开放式谐振腔实现远大于波长的开放式谐振腔实现laser的新思想。的新思想。TownesProkhorov激光器发展历史激光器发展历史

4、5第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用Maiman1960年年5月月16日，利用红宝石棒首次观察日，利用红宝石棒首次观察到激光（美国休斯公司）。到激光（美国休斯公司）。7月月7日，向世界演示。日，向世界演示。8月月16日，在日，在Nature发表简短报道。发表简短报道。激光器发展历史激光器发展历史6第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用激光器发展历史激光器发展历史邓锡铭，王之江邓锡铭，王之江1961年年7第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用激光器发展历史激光器发展历史8第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用激光器的种类激光器的种类工作物质：固体、气体、液体、染料、离子、原子

5、、半导体、工作物质：固体、气体、液体、染料、离子、原子、半导体、X射线射线输出功率：大功率、低功率输出功率：大功率、低功率工作方式：超短脉冲、短脉冲、脉冲、连续工作方式：超短脉冲、短脉冲、脉冲、连续输出稳定性：稳频、稳功率、稳方向输出稳定性：稳频、稳功率、稳方向9第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用激光应用技术激光应用技术利用其能量 2. 利用其它参数，相位、波长、偏振等，传递信息信息技术方面应用：光通讯，光存储，光放大，光计算检测技术方面：测长，测距，测速，测角，测三维形状激光加工：焊接，打孔，切割，热处理医学应用：外科手术，眼科手术，激光辐照（皮肤科，妇产科）科学研究：激光核聚变，激

6、光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷1. 激光加工激光加工第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用长脉宽激光作用于材料时，通过焦耳加热吸收激光能量，经晶格/电子热传导使材料辐照区域升温，熔化至汽化完成材料的去除。“热加工”效应所引起的热影响区、熔凝残渣及应变裂纹是限制工件加工精度、效率和工艺重复性提高的主要原因。激光冷加工：激光冷加工：消除激光对材料“热加工”作用就必须抑制激光能量输入所产生的热传导效应。如果激光光子的作用时间可以小于材料导带电子/晶格的热振动传递时间，就有可能因为来不及进行热传递，而通过光子作用下的碰撞电离、光致电离或隧道电离等机制激发电子从价带跃迁至导带，电子浓度会伴随

7、电离的进行而不断增强，在脉冲结束之前通过库仑爆炸达到临界阈值，引发材料晶格结构不可恢复的破坏，宏观表象即为被作用材料无“热效应”的去除，这就是超短脉冲激光实现“冷加工”的基本物理基础。不同材料电子与离子间的能量弛豫时间为 1061012 s。23第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用2. 惯性约束核聚变（激光点火，王淦昌，惯性约束核聚变（激光点火，王淦昌，1964）24寻找新能源E=mc2 核能o 历史回顾1896. A. H. Becqueral发现铀放射现象1897. 居里夫妇发现钚和镭1903. 卢瑟福证实，就是4He和电子，接着 提出核 模型1919. 第一个人工核反应1932.

8、J. Chadwick发现中子,接受中子和质子组成原子核模型1934. 人工制备放射元素1938. O. Hahn and F. Strassmana： nU 中间质量元素1941.12. 曼哈顿计划25核反应堆现状核反应堆现状1954.第一座核电站第一座核电站;1976. 全世界装机容量全世界装机容量1亿亿kW;1999.全球全球30多个国家，多个国家，436座核电机运行座核电机运行3.5亿亿kW; 核发电占核发电占18%,美国占世界总量的美国占世界总量的27.6%; 核电占能源的比例核电占能源的比例: 法法78%,欧洲有欧洲有6个国家超过个国家超过 40%,日日 30%,台台8%,中国大陆

9、中国大陆2%21世纪初，估计世纪初，估计1000座，容量座，容量800GW，占总量占总量 35%261+1 1+1 2 2（Mn + Mp）- Md = 2.225Mev 重核裂变重核裂变: : n +235U 236U 144Ba+89Kr+3n 轻核聚变轻核聚变核能量获得途径：核能量获得途径：27裂变存在的问题裂变存在的问题1.1.核污染，核事故核污染，核事故2.2.铀分离成本极高铀分离成本极高前途前途 核聚变核聚变28D + T D + T 4 4He + nHe + n + 17.6Mev+ 17.6Mev聚变的优点：聚变的优点：1.效率是裂变效率是裂变4倍倍(蕴藏量蕴藏量1000万倍

10、万倍)2.安全、无污染安全、无污染（不产生长寿命放射性产物，（不产生长寿命放射性产物， 4He 次临界堆）次临界堆）3.原料易获得原料易获得 （海水（海水: 氘氘40万亿吨万亿吨,可用百亿年可用百亿年, 含量含量0.03g/L300L汽油汽油, 海水海水6Li, n+6LiT+4.9MeV29煤：煤：210210万吨，万吨，191191列列110110节车厢的火车节车厢的火车油：油：1 1千万桶，千万桶， 10 10艘超级油轮艘超级油轮核裂变：核裂变： 30 30吨吨UOUO燃料，燃料，1 1货车货车核聚变：核聚变： 600 600公斤公斤 6 6LiLi2 2H H原料原料100100万万k

11、WkW规模的电厂需要：规模的电厂需要：30J.D.Lawson J.D.Lawson 判据判据 R 0.2gcm-1T108Kt：足够长的热能约束时间足够长的热能约束时间 1026 cm-3 等离子体等离子体聚变三重积聚变三重积net 1014s/cm331惯性约束聚变（ICF）概念 激光聚变大事记 ICF概念的提出美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室( 3380年代激光聚变重大突破 -压缩点燃原理可行性考证阶段1985-88年LLNL与LANLILE联合进行Halite/Centurion计划，利用地下核爆强X射线模拟激光转换辐射场，实现百倍能量增益的聚变反应。1984年LLNL建成10束Nova激

12、光装置，具有二、三倍频能力（1999年拆掉，校核LASNEX程序）1988年日本大阪大学激光工程研究所(ILE),利用Gekko XII系统使DT密度压缩至600g/cm334激光聚变大事记 90年代聚变点火考证阶段o 1994年美建造巨型固体激光国家点火装置（NIF）192路、1.8MJ, 500TW,50亿美元o 1995年Rochester大学LLE建成新Omegao 1996年法国里梅尔-布朗顿研究中心Megajoule Laser(LMJ)计划启动,240路,35nso 1996年我国神光III（SGIII）计划启动o 1986年神光I, 2路, 800J/nso 1994年神光II

13、,8路, 3kJ/ns靶场系统概貌神光III激光装置束数 64（8组） 口径 300 x 300 能量 100kJ / 0.35m（60TW） 脉宽 3ns（任意整形脉冲） 打靶精度 50m 各束同步 10ps 各束能量平衡 losstimeSlow absorberPolarizerPolarizerHigh-intensity pulseLow-intensity pulseTi:SapphMirror.AnalyzerAnalyzer利用了材料的折射率随光强变化的特性第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用激光选模技术激光选模技术 限制参与振荡的模式的相关技术称为激光选模技术，一般分四

14、类 ：激光谱线选择、激光偏振选择、压缩振荡激光束的发散角（横模选择技术）、限制激光振荡频谱数目的纵模选择技术。1.激光谱线选择 在腔内放置棱镜，通过调整棱镜位置只让需要的波长到达高反射棱镜，完成反馈过程。2. 偏振选择 在气体激光器两端放置布儒斯特窗，可使腔镜上反射回来进入工作物质的光束中，TM无损通过，形成振荡。而TE受高反射损耗，难以形成振荡。 第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用3 横模选择 通过控制光腔横向尺寸，从而只让基横模TEM00振荡，其他高阶模都不满足振荡条件。 横模选择的原则： （1）增大横模与基横模的衍射损耗比 （2）减少激光工作物质的内部损耗和镜面损耗，以及增大谐振腔的衍射损耗在总损耗所占比重。4 纵模选择 激光物质的增益线宽是有限的，因而纵模是无源光场允许的分立频率成分的光场。 第二章第二章 激光技术及应用激光技术及应用其他的激光技术介绍 激光稳频技术： 解决频率漂移而发展起来的激光技术。 激光调制技