激光技术课件

1、Laser Technology激 光 技 术内 容 提 要 一、引 言二、激光器的物理原理三、激光技术的应用一.引 言历史回顾 该领域的有关诺贝尔奖爱因斯坦于1917年提出受激辐射概念1958年，美国两位微波领域的科学家发表论文红外与光学激射器，开辟了崭新的激光研究领域苏联科学家实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议论文1960，美国科学家梅曼制造第一台红宝石激光器历 史 回 顾Albert Einstein20世纪50年代初， 电子学和微波技术的应用提出将无线电技术从微波推向光波的要求。 从微波振荡器到光波振荡器 (激光器laser)。 微波振荡器的实现原理： 一个尺度和波长可比拟的封闭的

2、谐振腔； 利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。历 史 回 顾(first) Ruby laser, T.H.Maiman, July, 1960, at the Hughes Research Laboratories ，：694.3nm8“LASER” stands for Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation利用受激辐射实现光放大 ！The word laser has been generally accepted since about 1965神光装置3种输出波长：1.053m（ 6K

3、J/1ns ）、0.53m、0.35m激光储能供电系统神光主放大系统神光I主放大系统该领域的有关诺贝尔奖1954年，美国的汤斯(Charles H.Towns)、苏联的巴索夫(Nikolai G.Basov)和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)第一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser), 抛弃了利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。1964: Townes, Basov, Prokhorov ： 微波激射器和激光器的发明该领域的有关诺贝尔奖1997: 朱棣文、科昂-塔努吉（Cloder Coh

4、en Tanuky、菲利普斯（Felipus，William） 激光冷却和陷俘原子 该领域的有关诺贝尔奖 2005：罗伊格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献 约翰霍尔、奥多尔汉斯：基于激光的精密光谱学研究二. 激光器的物理原理 激光器组成结构 激光特性 基本概念 形成稳定激光振荡的条件 1. 能级 2. 粒子数反转 3. 吸收 4. 自发辐射 5. 受激辐射 基本概念 基态 激发态电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将 导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在特定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率： E = E2-E1 = hv

5、1.原子的能级在没有外界作用的情况下，原子从高能级E2向低能级E1的跃迁方式有两种：无辐射跃迁和自发辐射跃迁。自发辐射跃迁示意图 原子的自发辐射只与原子本身的性质有关，与外界辐射场无关 自发辐射的随机性，自发辐射光的相位、偏振态和传播方向杂乱无章 发出的光的单色性、定向性很差，没有确定的偏振状态。特点 2.光的自发辐射受激吸收跃迁示意图入射光当原子系统受到外来的能量为hv21的光子作用下，如果hv21 E2 E1 ，则处于低能级E1上的原子由于吸收一个能量为hv21的光子而受到激发，跃迁到高能级E2上去的过程。原子的受激吸收几率与外界辐射场的频率有关 特点 3.光的受激吸收通过受激辐射，可以实

6、现同态光子数放大从而得到相干光。激光器发光，正是利用受激辐射的上述特点。光的受激辐射和自发辐射的区别： 原子受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。普通灯光与激光的比较 5.粒子数反转状态例：红宝石激光器的工作原理1. 工作物质2. 谐振腔3. 泵浦源 激光器的组成结构放大使某一频率的光多次往返传播, 激励处于反转状态的工作物质, 造成连锁反应, 以实现光放大.选向将传播方向偏离光轴方向太多的光子淘汰掉, 使得到的激光是一束 方向性很好的光.选频反射镜镀上多层膜, 使反射最强,形成稳定振荡并不断加强, 得到单色性好的激光谐振腔的作用: 光泵浦红宝石激光器 电泵浦

7、半导体激光器 化学泵浦氟化氢/氘（H/DF）激光器2.泵浦机制 热能泵浦气动CO2激光器固体激光器： 红宝石激光，钛宝石激光，铷玻璃激光液体激光器：染料激光器 (可见光区宽范围可调谐)气体激光器：He-Ne激光器，CO2激光器半导体激光器：GaAs, AlGaAs , InGaAs（红外局部可调谐）光纤激光器: 掺稀土光纤自由电子激光器： 相对论电子X射线激光器：类氦离子，类锂离子3.激光器工作物质及其分类半导体激光器二极管泵浦高功率蓝光激光器液体激光器常见的激光器及其激光波长激光工作物质：有提供放大作用的增益介质作激光工作物质；粒子数反转：外界激励源作用使上下能级之间产生粒子数反转； （形成

8、激光的内部条件）激光谐振腔：使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。 （形成激光的外部条件）形成稳定激光振荡的条件方向性好：光束几乎在一条直线上传播，发散角毫弧度单色性好: He-Ne激光的谱线宽度约2 10-9 nm相干性好：He-Ne的相干长度200Km，而普通光源中最好的氪灯为0.78m高亮度：普通激光的亮度比太阳高100亿倍激光的特性（1）方向性强 激光束的发散角很小，一般为： 激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。 戈达德地球物理与天文观测站的激光测距仪工作掠影（2）单色性好 由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。计量工作的标准光源、激光

9、通讯等利用了单色性好的特点。光缆(3)亮度高 激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180范围内的光集中到0.18范围，亮度提高100万倍。激光由于等效发光点小、发散小，因此亮度非常高。(4)相干性好激光具有很好的相干性。 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。 全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。全息照相三. 激光技术的应用测量：测距，干涉计量法加工：焊接，打孔，切割，雕刻农业：育种医学：美容，治疗近视眼，激光手术军事：能量武器，制导信息处理：信息存储与读取，激光打印，照排 通信：光通信，光放大科研应

10、用：高新技术的攻关 激光干涉测量技术、激光衍射测量技术、激光散斑测量技术、激光准直及多自由度测量技术、激光三维视觉测量技术等。激光测距原理：主要构造：激光发射器；电源和显示装置。激光接收器；记时器电源放大器光电转换 器距离显示器Laser激光发射器激光接收器射向目标来自目标参考光麦克唐那激光测距仪外景角锥棱镜(Corner prism):反向作用后反射直角棱镜光线进入棱镜,依次经三直角面反射后,出射光线与入射光线反向平行 后反射镜又称四面直角体,空间一定范围的光线,依次经三个相互垂直的平面反射后,出射光线的方向与入射光线的方向相反.这种棱镜在激光谐振腔中可以代替高反射介质镜;在激光测距中把它当

11、作被测目标的反射器,不仅减少能量损失,而且减少了瞄准调整的困难;在高速公路上,这样的四面体常用来作“无源路灯” 阿波罗登月在月面留下的回射器LAGEOS-2卫星的回射器 第一台激光测距仪GODLAS（左）与Beacon Explorer-B卫星（右）测量俯仰角度测量直线距离测量物体高度目前激光已广泛应用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等方面。实例1 激光淬火 实例2 激光切割纸制品激光缕空加工竹木制品激光刻字打标加工塑料制品激光刻字加工水晶激光切割实例3 激光打标

12、与钻孔激光打孔的典型值：几十到200 um，最小25um金属工艺品激光打标加工饰品激光打标加工实例4 大幅面玻璃内雕 玻璃雕刻机水晶激光内雕激光保鲜、激光育种激光育种是突变育种的一种，选用适当波段剂量的激光照射植物种子和其它器官，以诱发突变，进而在其后代中，选择优良变异个体，有可能培育成新品种。目前已在果树等植物育种上应用获得初步成功。也可照射卵、蛹，用于家蚕育种上。 激光培育蔬菜日本东海大学开发出把半导体激光用于蔬菜栽培技术，提高了蔬菜的营养成分。新技术采用播放DVD所用的蓝色和红色激光，取代现在“植物工厂”里使用的钠光灯照射温室里栽培的蔬菜，两种激光的比例是10：1。采用新技术后，蔬菜中维

13、生素C含量能够增加10。激光美容、激光手术激光手术刀、激光纤维内窥镜、低功率激光治疗及检测诊断等。 激光治疗仪 脉冲Ho:YAG激光治疗仪 （德国,0.8m,3J,20Hz, 光纤输出） 脉冲Er:YAG激光治疗仪 （美国,2.94m,30w,2J,七关节输出）波长为6705nm，功率连续可调，最大光纤末端输出功率2瓦医用半导体激光器卤化银光纤式CO2激光手术刀 激光近视治疗 照射飞秒激光，制作角膜瓣膜照射准分子激光，改变角膜的屈光率将角膜瓣复位并进行消毒 飞秒激光设备激光美容 激光雷达、能量武器、制导激光武器：战术武器，主要代表有激光枪和激光炮；战略武器，用于对付敌方的远程导弹、军事卫星等空

14、间武器。 激光制导 利用激光控制炸弹、炮弹、导弹，使之“长上眼睛”，盯住目标，穷追不舍，直到将它消灭。1）激光波束制导装置：A-激光照射器；B-导弹发射器；C-尾部带有激光接 收器的制导导弹。ACBC弹体2）半主动式激光制导导引头控制仓45678123构造：A）激光照射器B）导弹发射器C）装有“寻的器”的导弹1-滤光器；2-透镜；3-光敏元件；4-放大器5-计算器；6-自动驾驶仪；7-舵面伺服仪；8-电源3）全主动式制导 激光照射器与目标寻的器均装在导弹弹体上。作战时，激光照射器向目标照射激光，目标寻的器接收目标反射来的激光信号，将导弹导向目标。目前尚不很成熟！装备激光压制武器的99式坦克La

15、ser 激光武器直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的武器进行杀伤、破坏的武器。特点：1）不需计算弹导，“指哪打哪”。2）不需计算提前量，“说时迟，那时快”。特别适合攻击高速运动的目标。 3）无后座之扰；4）不受电子干扰。受天气影响，云雾、雨雪都有是激光难以逾越的障碍。局限：电源1）低能激光武器（激光轻武器、单兵激光武器）A）激光手枪第一支激光手枪是用红宝石激光器制成的用途：可在几米内烧毁衣服、皮肤且无声 响。也可使人在不知不觉中致盲，近距离内引爆，破坏敌方夜视仪、测距仪等光电传感器。B）激光枪用途：可在更远距离内使人致盲引爆。破坏敌方夜视仪、测距仪等光电传感器且无声响、效益高。97-3式激光枪2）高能激光武器（强激光武器、激光炮） 利用高功能激光摧毁敌方卫星、导弹、飞机、坦克等大型目标的武器。（现仍在研制阶段）历史与现状：1973年春，美军用激光炮一举击落长4.57m时速482.8Km的飞行靶机;1976年以用激光炮击落两架飞行于900m高空的高空无人架驶飞机;1978年美国陆军用激光炮在1-2Km内击落正在高速飞行的“陶式”反坦克导弹弹头裂成碎片;由美国国防部和波音公司联合研发的“机载战术激光”(ATL)系统今年进入飞行测试阶段。该系统能发出宽度约10厘米的激光束，并在15公里的战术距离内命中地面目标。 机载战术激光系统美空军洛克希