激光原理及应用

1、激光原理及应用Laser主要内容l激光发展历史l激光基本原理l激光特点l激光应用引言l 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光” 。l 经过40多年的发展，激光已经被用在生活、科研的方方面面：激光笔、激光针灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光指示器、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、激光炮等等，在不久的将来，激光肯定会有更广泛的应用。一、激光发展历史l 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。l 1953年：美国物理学

2、家查尔斯哈德汤斯（ 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）。l 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30年。l 1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光。l 1961年：激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。l 1962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。l 1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表

3、面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。l 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。l 1974年：第一个超市条形码扫描器出现。l 1975年：IBM投放第一台商用激光打印机。l 1978年：飞利浦制造出第一台激光盘（LD）播放机，不过价格很高。l 1982年：第一台紧凑碟片（CD）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。l 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。l 1988年：北美和欧洲间架设了

4、第一根光纤，用光脉冲来传输数据。l 1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。l 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。l 1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器。l 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。l 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2）和氚（质量数3），解决了核聚变的一个关键困难。l 2014年6月5日美国航天局利用激光束把一段时长37秒、名为“你好，世界！”的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50

5、兆，而传统技术下载需要至少10分钟。激光通信技术，有望运用在手机上。一、激光发展历史l 世界上第一台激光器： 1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。l 我国也于1961年9月研制出了激光器。l 激光在基础科学研究、工业加工、IT领域、医疗和军事领域都有广泛的应用。中国第一台红宝石激光器红宝石激光器一般地包括红宝石棒、脉冲氙灯、聚光器和光学谐振腔等四部分。红宝石激光器一般地包括红宝石棒、脉冲氙灯、聚光器和光学谐振腔等四部分。王之江院士王之江院士二、激光原理lLight Amplification by Stimulated Emiss

6、ion of Radiationl意思是“受激辐射的光放大”。l激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。 激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。受激辐射 它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916 年提出了的一套全新的理论。 这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象

7、。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。自发辐射、受激吸收、受激辐射激光器的基本构成 激光谐振腔： 提供正反馈，形成谱线特输出激光。泵浦源（激励源）：提供激光能量，使下能级的粒子跃迁到上能级。 激励形式：电激励，光激励，热激励，化学激励，核激励等方式。尾镜（全反镜)激光介质输出镜（部分反射镜）泵浦源光放大的条件l 激光介质实现粒子数反转 所谓粒子数反转就是上能级的粒子数比下能级的粒子数多。N2/N11 这种状态称为“非热平衡态”，对光有放大作用。激光介质：气体，固体，半导体，准分子，液体等。激光器分类l 按工作物质分类： 气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、准分子激光器等。l

8、按谐振腔分类： 内腔激光器、外腔激光器、环型激光器、波导激光器等。l 按工作状态分： 连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。氦氖激光器氦氖激光器氦氖激光器（氦氖激光器（Helium-neon gas laser） 是研是研制成功的第一种制成功的第一种气体气体激激光器，也是最常用的一光器，也是最常用的一种，通常在可见光频段种，通常在可见光频段（6328）工作，其他）工作，其他还有还有1.1523m及及3.3913m，但不常用。，但不常用。功率一般约数毫瓦，连功率一般约数毫瓦，连续发光。因为制造方便、续发光。因为制造方便、较便宜、可靠，所以使较便宜、可靠，所以使用较多。由于单色性好，用较多。由于

9、单色性好，相干长度可达数十米以相干长度可达数十米以致数百米，其工作原理致数百米，其工作原理参见参见“四能级系统四能级系统”。固体激光器固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，年，T.H.梅曼发明梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。和电源等部分构成。染料激光器染料激光器工作物质是有机染料，其能级由单工作物质是有机染料，其能级由单重态

10、重态(S)和三重态和三重态(T)组成。组成。S和和T又又分裂成许多振动转动能态，在溶分裂成许多振动转动能态，在溶液中这些能态还要明显加宽，因此液中这些能态还要明显加宽，因此能发出很宽的荧光。能发出很宽的荧光。一般染料激光器的结构简单、价廉，一般染料激光器的结构简单、价廉，输出功率和转换效率都比较高。环输出功率和转换效率都比较高。环形染料激光器的结构比较复杂，但形染料激光器的结构比较复杂，但性能优越，可以输出稳定的单纵模性能优越，可以输出稳定的单纵模激光。激光。染料激光的调谐范围为染料激光的调谐范围为0.31.2微微米，是应用最多的一种可调谐激光米，是应用最多的一种可调谐激光器。器。半导体激光器

11、半导体激光器三、激光的特点l 相干性极好(单色性,空间相干性);l 方向性极好,亮度极高；l 脉冲瞬时功率大；激光的方向性 当=10-3 弧度时， =10-6 弧度，这意味一般激光只在数量级为10-6弧度立体角内传输。而白炽灯在4 弧度的立体角范围发光。由此可见，激光束比普通光束的方向性好几百万倍。 亮1000，000倍激光的高亮度 光源的亮度是表征光源辐射强弱的一个重要参量。对于在光源表面法向的发光亮度定义为 脉 冲 激 光 的 亮 度 可 以 比 普 通 光 源 高 达100,000,000倍EBSt 激光的单色性一般物体发光是由构成物体的粒子（原子、分子、离子等）从一个高能级跃迁到另一个

12、低能级，而引起的，其频率为 单色性常用来 表征 ，同样也可以用频率范围为表示单色性，这时单色性可表为： 由此可见， 或越窄，光的单色性越好。hEEv12vv2cv激光的相干性 在普通光源中，各个发光中心彼此独立，它们之间基本没有位相联系（或很少），因此难于存在恒定的位相差，所以相干性较差。对于激光器来说则完全不同，各个发光中心是相互联系的，在较长的时间内存在一定的位相联系（或同位相），所以激光器发出的激光束无论是时间相干性或空间相干性都是很好的。四、激光应用1激光测距2激光加工3日常仪器4激光核聚变5激光通信6医学应用7军事应用徕卡手持式激光测距仪徕卡手持式激光测距仪测距仪发射出的激光经被测量

13、物体的反射后又被测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。测量物体之间的距离。受持式激光测距仪测量距离一般在受持式激光测距仪测量距离一般在200米内，精米内，精度在度在2mm左右。这是目前使用范围最广的激光左右。这是目前使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。算测量物体的体积。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而激光测距仪重

14、量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。数百分之一。应用举例：交通事故现场应用举例：交通事故现场1 1激光测距激光测距2 2激光加工激光加工l 激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工激光热加工和和光化学反应光化学反应加工两类。加工两类。l 激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光的热效应

15、来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；等；l 光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。激光打标l 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用是利用高能量密度高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发

16、生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。有特殊的意义。激光打标l 聚焦后的极细的激光光束如同刀具，可将物体表面材料逐点去除，其先进性在于标记聚焦后的极细的激光光束如同刀具，可将物体表面材料逐点去除，其先进性在于标记过程为非接触性加工，不产生机械挤压或机械应力，因此不会损坏被加工物品；由于激光过程为非接触性加工，不产生机械挤压或机械应力

17、，因此不会损坏被加工物品；由于激光聚焦后的尺寸很小，热影响区域小，加工精细，因此，可以完成一些常规方法无法实现的聚焦后的尺寸很小，热影响区域小，加工精细，因此，可以完成一些常规方法无法实现的工艺。工艺。 l激光加工使用的激光加工使用的“刀具刀具”是聚焦后的光点，不需要额外增添其它设备和材料，只要激是聚焦后的光点，不需要额外增添其它设备和材料，只要激光器能正常工作，就可以长时间连续加工。激光加工速度快，成本低廉。激光加工由计算光器能正常工作，就可以长时间连续加工。激光加工速度快，成本低廉。激光加工由计算机自动控制，生产时不需人为干预。机自动控制，生产时不需人为干预。 l激光能标记何种信息，仅与计

18、算机里设计的内容相关，只要计算机里设计出的图稿打激光能标记何种信息，仅与计算机里设计的内容相关，只要计算机里设计出的图稿打标系统能够识别，那么打标机就可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。因此软件的标系统能够识别，那么打标机就可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。因此软件的功能实际上很大程度上决定了系统的功能。功能实际上很大程度上决定了系统的功能。 激光切割激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一

19、个个细微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面溅射出一个细小的孔，在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样就会把物体加工成想要的形状。切割时,一股与光束同轴气流由切割头喷出，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出(注：如果吹出的气体和被切割材料产生热效反应,则此反应将提供切割所需的附加能源；气流还有冷却已切割面，减少热影响区和保证聚焦镜不受污染的作用)。与传统的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割质量(切口宽度窄、热影响区小、切口光洁) 、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状

20、) 、广泛的材料适应性等优点。 钣金激光切割钣金激光切割灯罩灯罩 纽扣纽扣激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。中国的激光焊接处于世界先进水平，具备了使用激光成形超过中国的激光焊接处于世界先进水平，具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。 2013年年10月，中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖月，中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖-布鲁克奖，中国

21、激光焊布鲁克奖，中国激光焊接水平得到了世界的肯定。接水平得到了世界的肯定。激光日常应用 CD光盘：直径光盘：直径 12 cm ，厚度，厚度 1. 2 mm 。光盘材料为聚碳酸酯透明。光盘材料为聚碳酸酯透明塑料，信息面镀有铝反射层，并涂塑料，信息面镀有铝反射层，并涂有一层保护膜。有一层保护膜。 数字信号以坑点序列的物理形数字信号以坑点序列的物理形式刻制在厚度为式刻制在厚度为 0.01 m 的铝反的铝反射层上，信号坑的宽度为射层上，信号坑的宽度为 0.5 m ，长度为长度为 0.833 3.054 m ，深度，深度为为 0.11 m 。坑点序列沿着相距。坑点序列沿着相距 1.6 m 中心距的螺旋形

22、轨迹由内中心距的螺旋形轨迹由内向外排列。每张光盘大约有向外排列。每张光盘大约有 2 万圈万圈信迹，共约信迹，共约 6 109 7 109 个个坑。坑。 聚碳酸酯透明塑料层的折射率聚碳酸酯透明塑料层的折射率n1 为为 1. 5 ，它也是光学系统的组成部分，它也是光学系统的组成部分，激光束从空气中射入它后，将进一激光束从空气中射入它后，将进一步产生折射，最终以步产生折射，最终以1m 的光点聚的光点聚焦在信号坑上。焦在信号坑上。 激光核聚变激光核聚变l 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的

23、一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。l 由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原子弹爆炸；l 由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源。 相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。l 目前已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。可控核聚变方式：l 超声波核聚变l 激光约束（惯性约束）核聚变l 磁约束核聚变（托卡马克）激光

24、核聚变装置内部激光核聚变装置内部激光通信美国宇航局的月球激美国宇航局的月球激光通信演示包括月球光通信演示包括月球大气与尘埃环境探测大气与尘埃环境探测器和地球间的双向激器和地球间的双向激光通信。它展示了这光通信。它展示了这样一个方法可能传输样一个方法可能传输大量数据。这意味着大量数据。这意味着高清视频可从地球传高清视频可从地球传送到外太空，也可能送到外太空，也可能从外太空传送给地球。从外太空传送给地球。2013年，这个科研组的月球激光通信演示年，这个科研组的月球激光通信演示(LLCD)以每秒以每秒622兆位的下载速度在兆位的下载速度在月球和地球间传输数据超过月球和地球间传输数据超过23.9万英里

25、万英里(约合约合38.5万公里万公里)。这个传输速度超过任。这个传输速度超过任何无线电频率何无线电频率(RF)系统。另外，他们还以每秒系统。另外，他们还以每秒19.44兆位的传输速度在地球和月兆位的传输速度在地球和月球间传送数据。这个速度比迄今所用最好的无线电频率上行链路高出球间传送数据。这个速度比迄今所用最好的无线电频率上行链路高出4800倍。倍。医学应用光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。

26、l激光诊断、手术和治疗 激光眼科手术激光眼科手术原理Argon 氩气氩气 dilated扩大的；膨胀扩大的；膨胀的；加宽的的；加宽的 Retina 视网膜视网膜激光牙科手术Erbium:bim 铒；铒；Dental 牙科的；牙科的；cavity n. 腔；洞，腔；洞，凹处凹处 Endorsement支支持持 激光美容按使用分l激光去除面部皮肤各种色素，如黑色素(痣与纹身)、红色素(血管瘤)； l激光去除痣、疣、丘疹、赘生物、良性瘤等皮肤瑕疵； l激光永久脱除多余体毛； l激光去除面部皱纹； l用激光刀替代手术刀开展精细、微创、无血的整形手术。 光子嫩肤l 原理：是光动力疗法的一种，它的原理主要

27、是产生一种连续的强脉冲物质光子，作用于皮肤组织产生光热作用和光化学作用：一方面使深部的胶原纤维和弹力纤维重新排列，并恢复弹性，同时使血管组织功能增强，循环改善，令面部皮肤皱纹消除或减轻、毛孔缩小；另一方面，强脉冲的光子能够穿透皮肤，被组织中的色素团及其血管选择性优先吸收，在不破坏正常皮肤的前提下，使血液凝固，色素团和色素细胞被破坏、分解，从而达到治疗毛细血管扩张、色素斑的效果。值得一提的是光子具有良好的光热分离性，简单来说就是光子对需要破坏的组织具有选择性，它只能作用于靶组织，使其吸收热能而被破坏，却不损伤周围正常组织。这种光动力疗法对阳光照射所导致的皮肤老化、色素沉着、色斑、雀斑及面部毛细血

28、管扩张、酒渣鼻等有良好的治疗效果，深受广大爱美人士的喜爱。光子嫩肤与黄褐斑l 所以单纯应用光子嫩肤的方法，只能使皮肤中的黑色素细胞暂时性被破坏，沉积的黑色素暂时性消退。在上述因素的作用下，黑色素细胞又再次增生，分泌黑色素，导致色素斑重新出现。并且在这种光子的刺激作用下，有的患者甚至可出现黑色素细胞功能亢进，导致色素沉着比治疗前更甚。由此可见，光子嫩肤的出现虽然为很多爱美的人们带来了福音，却非万能。奉劝有黄褐斑的朋友应用它时应慎重考虑。黄褐斑的治疗一直是个难题，建议患者到医院就诊检查，看看病因何在，如慢性肝炎患者可有黄褐斑；有什么诱因可以去除，如避免日光曝晒。针对病因治疗，如调节内分泌，滋补肝肾、活血化淤；配合外用遮光剂、脱色剂等，常有一定的效果。 激光治疗与疤痕 在皮肤科中用于治疗的激光种类很多，从功率来分，有大功率激光器也有小功