激光技术及其应用

1、现代高新技术之 激光技术及其应用激光技术及其应用 激光激光技术、技术、计算机计算机技术、技术、原子能原子能技术、技术、生物生物技术，技术，并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。和改造自然的强有力工具。 40 40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光雷达，激光制导，

2、激光量技术，激光全息技术，激光雷达，激光制导，激光可控聚变，激光武器等等。可控聚变，激光武器等等。激光技术概述激光技术概述 1917 1917 年，爱因斯坦提出了受激辐射理论年，爱因斯坦提出了受激辐射理论, ,强强调光的物质性；用量子观点预言调光的物质性；用量子观点预言受激辐射受激辐射的的存在和存在和光放大光放大的可能性。的可能性。 自从自从19601960年美国人梅曼制造出第一台激光器年美国人梅曼制造出第一台激光器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开刀可自动止血；全息激光照片可以假乱真；开刀可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有激光灯、激光打印机、

3、激光治疗近视眼、还有激光灯、激光打印机、激光治疗近视眼、激光美容等激光美容等.。激光在军事上也有广泛的应。激光在军事上也有广泛的应用用。激光技术概述 激光技术是激光技术是2020世纪产生的最重大、最实用的科技世纪产生的最重大、最实用的科技成就之一。也是成就之一。也是2121世纪最活跃的高新技术之一。世纪最活跃的高新技术之一。 激光技术与激光技术与现代通信技术、计算机技术、建筑装现代通信技术、计算机技术、建筑装潢技术、机械加工技术、生物技术、医疗技术、潢技术、机械加工技术、生物技术、医疗技术、农业技术农业技术等相互结合，不断开发出现代激光技术等相互结合，不断开发出现代激光技术的应用性领域，带动了

4、科学技术领域的新突破。的应用性领域，带动了科学技术领域的新突破。什么是激光 激光是激光是利用光能、热能、电能、化学能或核能利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光产生的一种特殊的光。（。（中国大百科全书中国大百科全书军事卷军事卷608608）激光激光（laser-Light Amplification by laser-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Stimulated Emission of Radiation ）是指受

5、）是指受激辐射产生的光放大，是一种高质量的光源激辐射产生的光放大，是一种高质量的光源自然界存在两种不同的发光方式自然界存在两种不同的发光方式发光方式发光方式自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射产产 生生产生并加以放大产生并加以放大激光激光普通光普通光原子：原子：原子核、核外电子；原子核、核外电子；电子在不同的轨道；电子在不同的轨道；不同轨道上电子能量不同轨道上电子能量不同，稳定性不同不同，稳定性不同粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2E3E4E1E2粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2E3E4激光器的结构 激光器由三部分组成：激光器由三部分组成： 工作物质、激励源、谐振腔工作物质、激励源、谐振腔激

6、光的特性单色性好、颜色极纯太阳光：波长太阳光：波长0.760.76微米微米-0.4-0.4微米微米. .对应的颜色共对应的颜色共7 7种种. .所所以太阳光谈不上单色性以太阳光谈不上单色性. .激光灯激光灯舞台演出、歌剧院、迪厅、酒吧、舞台演出、歌剧院、迪厅、酒吧、广告等场所广告等场所香港维多利亚港湾灯光汇演香港维多利亚港湾灯光汇演高亮度、高能量密度 高亮度激光束经聚焦后，可产生几百万高亮度激光束经聚焦后，可产生几百万个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金属汽化。属汽化。 激光切割技术广泛应用于金属和非金属材激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，

7、可大大减少加工时间，降低加料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。现代的激光成了人工成本，提高工件质量。现代的激光成了人们所幻想追求的们所幻想追求的“削铁如泥削铁如泥”的的“宝剑宝剑”。 方向性好方向性好-发散角小发散角小激光器激光器LaserD=1.6kmrl(1km时光斑直径时光斑直径10m)38万公里万公里看似平行的探照灯看似平行的探照灯小型激光打标机纳米牛纳米牛迄今为止世界上最小的牛。大小相当于红血球，迄今为止世界上最小的牛。大小相当于红血球，它体长只有它体长只有10 微米，高微米，高7 微米，精度为微米，精度为120 纳米纳米科学家希望，这只牛能拉着装有药物的车在

8、血管科学家希望，这只牛能拉着装有药物的车在血管中运动中运动激光内雕刻激光内雕刻激光技术的应用现状激光技术的应用现状 激光在工业上的应用激光在工业上的应用 激光在医学上的应用激光在医学上的应用 激光在军事上的应用激光在军事上的应用 激光在农业上的应用激光在农业上的应用 激光在通信中的应用激光在通信中的应用 激光在科研中的应用激光在科研中的应用24激光在工业上的应用激光在工业上的应用 激光已经广泛应用于焊接、切割、打标、激光已经广泛应用于焊接、切割、打标、热处理、快速成型、涂敷和化学工业中。热处理、快速成型、涂敷和化学工业中。25激光打标激光打标激光在工业上的应用激光在工业上的应用26用激光焊接汽

9、车用激光焊接汽车激光在工业上的应用激光在工业上的应用 激光切割飞行员头盔27激光在工业上的应用激光在工业上的应用激光熔覆航空发动机叶片激光熔覆航空发动机叶片28激光在医学上的应用激光在医学上的应用现在已经用于手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等。现在已经用于手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等。29激光在军事上的应用激光在军事上的应用 激光测距激光测距 激光雷达激光雷达 激光对潜通信激光对潜通信 激光模拟武器激光模拟武器 军用光纤陀螺军用光纤陀螺 激光照明与激光夜视激光照明与激光夜视30激光雷达测距仪31激光在军事上的应用激光在军事上的应用激光雷达32激光在军事上的

10、应用激光在军事上的应用机载激光武器机载激光武器33美国小布什政府将激光武器用于其国家导弹防御系统中，用来摧美国小布什政府将激光武器用于其国家导弹防御系统中，用来摧毁助推阶段的敌方导弹。毁助推阶段的敌方导弹。美研发的新型低能激光武器美研发的新型低能激光武器34在过去的十年中，美国军方一直习惯性的认为美军需要的是能够立即融化在过去的十年中，美国军方一直习惯性的认为美军需要的是能够立即融化导弹外壳的高能量激光武器，但是美国陆军和空军通过研究发现低能量激导弹外壳的高能量激光武器，但是美国陆军和空军通过研究发现低能量激光武器也是一种非常有效的野战武器。在近些年的研究中，美国军方发现光武器也是一种非常有效

11、的野战武器。在近些年的研究中，美国军方发现低能量激光武器能够有效的引爆来袭导弹的战斗部和安放在路边的炸弹。低能量激光武器能够有效的引爆来袭导弹的战斗部和安放在路边的炸弹。对此，美国国防部也已经进行了大量的试验以验证低能激光武器的作战效对此，美国国防部也已经进行了大量的试验以验证低能激光武器的作战效能。能。 35测距、敌我识别、通信与制导36激光核聚变37激光核聚变的四个阶段激光驾束制导激光驾束制导38激光在光纤通信中的应用激光在光纤通信中的应用39像用凿子凿石头一样用激光把原子从材料的表面凿出或者更确切地说“熔化（Ablate）” 是一项越来越受到欢迎的技术，可以用来制备精细结构以形成微米或是

12、纳米机器。 全球激光技术与产业的全球激光技术与产业的发展现状与趋势发展现状与趋势41激光技术全球发展现状激光技术全球发展现状 激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。四十多年来，以激光器为基础的激光工业在全球发展势头迅猛，现在已经广泛的应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等各个领域，对国民经济及社会发展已经做出了重要贡献，今后在国际竞争中的战略地位还将会进一步提升。 发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的“激光核聚变计划”，德国的“激光2001行动计划”，英国实施 “阿维尔计划”

13、，日本启动“激光研究五年计划”等。这些项目的实施，有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。 由于受美国光通信泡沫的影响，自2001年开始，全球激光产业的形势比较严峻，特别是电讯和半导体业的低迷伤及到了激光、光器件、光纤、成像和显示等行业的发展。2001年，全球激光产业的销售收入为56亿美元，而在2002年2005年中，激光产业的销售收入仅分别为：43亿、49亿、54亿美元。在2002年2006年全球激光产业销售收入呈现出迅猛增长的态势，销售收入依次为43亿、49亿、54亿、55.8亿、59.8亿美元，2007年全球激光产业销售收入进一步增加到62亿美元。 42我国激光产业的发展现状我国激光产业

14、的发展现状 全球激光市场的萎缩对中国激光市场虽然带来了一定的影响，而整个中国的激光市场还是处于一个稳定增长的局面。自1999年2003年，中国激光产品市场销售情况分别为：14.13亿、19.11亿、32.4亿、28.62亿、36.89亿人民币。在整个中国的激光产业中，激光材料加工近几年的发展势头强劲，且有很大的空间，激光加工在中国激光产业中占的比例也是日益重大。 43激光产业主要聚集区激光产业主要聚集区 目前，全国激光市场销售主要为光通信器件、激光加工设备、激光器、激光医疗设备等。当前，武汉、广州、深圳、长春等地都建立起了光电子产业群,这无疑将给我国激光产业创造更大的发展空间。 国内激光器及设

15、备生产市场主要分布在广东、湖北、北京、江苏、上海这几个省市。以光通讯、激光等产业为主导的“武汉.中国光谷”，拥有光电子信息企业300多家，显现出强劲的发展势头。北京、上海以其特殊的地理位置，也推动了激光技术的发展。而广东作为改革开放的城市，近几年，设备需求的大幅度提高也使得其激光企业增长飞速，深圳有大族激光这类的上市企业。另外，陕西西安、四川成都，凭借科研院所技术的产业化，也有不少的激光企业纭纭而生。44我国激光技术和产业的发展方向我国激光技术和产业的发展方向45中国科学院院士许祖彦漫谈激光中国科学院院士许祖彦漫谈激光(实录实录) 国家“十一五”计划当中，列出四项高科技项目作为国家重点扶持，其

16、中之一就是激光技术。 激光技术发展本身来说大体有这样三个方向： 一个方向就是高功率，高亮度。就是提高激光输出的功率。 第二个发展方向，激光波长是可调控的。 第三个重大发展方向，就是激光产业化。 46 一个方向就是高功率，高亮度一个方向就是高功率，高亮度 固体激光做到万瓦了。同时可能会有一个基础问题：随着激光功率的提高，光束质量不会跟着提高，甚至于激光功率提高到一定程度的时候，光束质量是下降的，这样就不能保持激光的高亮度，这就是一个基本的问题。在这个方面也开展了很多研究，就是怎样高功率和高光束质量同时达到。这个问题发展出了一些新的激光技术。 过去固体激光是用闪光灯泵浦，泵浦光是宽带白色光源，激光

17、介质只吸收里面的一部分光，其他大部分光都去加热激光介质了。半导体激光效率很高但光束质量差，后来随着它的发展，就把这个激光器对准固体激光器吸收带作泵浦，固体激光一下子就从千瓦提高到了万瓦，提高了一个量级。即便是这样，激光的散热面积还是有限，于是就发明了光纤激光，光纤激光几米长，几十米长，几个微米那么大的孔径，这样散热面积就很大，光束质量也很好。 这也是激光技术最主要的发展方向，即为了解决光束质量变坏、不能保持激光高亮度的矛盾而发明新技术。 47 激光波长是可调控激光波长是可调控 其一是变频激光，其二是朝宽频段发展。长波，现在已经做到了中红外波段，像亚毫米波，甚至于毫米波。现在是朝两极方向发展。现

18、在长波研究的热点是亚毫米波与远红外之间那一段，叫太赫兹波。如果作为安检，一个人身上带着枪，你看不见，通过激光一照就可以马上发现，而且对人也没有伤害。它还有很多很多的用途，也有很多的发展。这是第二个发展方向，就是说波长可以调。 48激光产业化激光产业化 第三个重大发展方向，就是把已有的激光，为了产业化应用，为了更大地发挥支撑作用，向产业化方向去发展，降低价格，批量生产，提高性能。 值得指出的是大功率半导体激光器，它可以提高效率，从50%提高到80%。第二个是它可以提高亮度。第三个是产业化，就是一致性，成批量的产业化。 49信息产业科技发展信息产业科技发展“十一五十一五” 规划规划 和和20202

19、020年中长期规划纲要年中长期规划纲要 根据信息产业技术发展趋势、战略需求和发展思路，提出未来515年以下15个领域发展的重点技术。其中与激光技术相关的领域有以下一些。 50现代激光技术的发展前沿 实现大规模轻核聚变反应的一个重要条件，是要求有足够高的温度。 要利用核聚变解决能源问题，就要设法持续地、缓慢地实现轻核的聚变反应，这就是受控热核反应的设想，实现热核爆炸“爆炸”而释放能量，可能的加热方式有多种，其中一种就是激光核聚变，即将高功率的激光束聚焦后照射在由氘、氚或氘-氚制成的靶丸上产生高温高压，使氘、氚核发生聚合，同时释放出巨大的能量。现代激光技术的发展前沿国家点火装置（简称NIF）国家点火装置是美国科学家研制的、世界最大的激光核聚变装置。这个被称为“人造太阳”的装置能产生类似恒星内核温度和压力，使美国在无需核试的情况下保持核威慑力。不仅如此，该装置还能帮助研制不受全面禁止核试验条约限制的新型氢弹。NIF三大任务 1.科学家可以用它模拟核爆，保证美国在无需核试的情况下保持核威