激光的技术应用课件

1、第一讲激光的技术应用。、蒸汽动力时代电气时代光子时代20世纪19世纪21世纪1769年瓦特发明蒸汽机18671873年格拉姆先后发明发电机和电动机1960年梅曼发明红宝石激光器MF:中波HF:短波VHF:超短波UHF:极超短波SHF:厘米波EHF:毫米波THZ:亚毫米波国际光学与光子学学会（SPIE）最新调查显示：光子学行业的薪酬远高于平均水平 尤其是在发达国家。全球范围内，光学和光子学产业工人的平均工资为73000美元。在美国，这一数字为106000美元；收入最高的光子学产业工人生活在瑞士，平均工资超过120000美元（瑞士的平均工资水平为50000美元）。光电产品与资讯，2012.9，p7

2、2007年欧洲光子产业市场分布What is light?10nm-1000mX-ray: 10nm, 同步辐射：0.4nm380nm780nmThe development of lasersA chronology of selected events普朗克提出物体辐射能量量子化假设，开创量子物理学新领域。爱因斯坦在普朗克理论基础上，指出光也是一份一份的(后来称为光子)，解释光电效应。玻尔建立原子模型，指出电子依据其能量，占据不同的分立轨道。爱因斯坦提出受激辐射概念汤斯发现怎样驾驭受激辐射产生聚焦微波束，称为Maser辐射受激发射的微波放大。1964年同另外两位前苏联物理学家分享Nobel

3、物理学奖。汤斯和肖洛发表了如何获得更短波长（包括可见光）的受激辐射的理论文章，提出了激光的概念。梅曼发明红宝石激光器。不同研究小组研制成功GaAs半导体激光器。两周后, USSR 重复实现 Ruby Laser 1961, He-Ne Laser 1962, GaAs Semiconductor Laser自此以后的许多年，激光及其应用飞速发展。它的历史是一部典型的交叉学科的发展史：1. 发明了近百种不同类型的激光器件，其发明者都有完全不同的专业背景2. 形成了许多重要的交叉学科：如信息光电子学、激光计量、激光生物医学、激光化学、激光全息术、激光光谱学、非 线性光学、超快光电子学、激光加工与制

4、造 .3. 形成了一系列重要技术应用领域,光子产业方兴未艾The nature of laser radiation激光-大量原子(或分子)受激发射形成的可以控制的振荡光波。受激辐射光波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振。激光的特性空间相干性和方向性， 10-4 弧度发散角(TEM00)时间相干性和单色性， 10-11波长不纯度高强度（相干光强）， xxxKW-CW, 107-8 W/cm2 1012-15 W, 101-6 J Pulse, 1023W/cm2.* 可产生极短脉冲:飞秒 10-15sec. 阿秒 10-1sec.？* 极宽的波长范围：从红外到X射线激光高亮度连续激光：

5、108 W/cm2脉冲激光： 1023W/cm2表面：6103W/cm2激光的应用信息的载体：通讯、存贮、测量、控制、导航能量的载体：材料加工、激光手术、激光武器、核聚变激光独有的特性导致激光干涉测长光电计数器显示记录装置单模稳频He-Ne激光器光电显微镜待测物体可移动平台激光束迈克耳逊干涉仪光束1光束2M1M2平台每移动半波长的长度，光束2的光程就改变一个波长，于是干涉条纹就产生一个同期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以测量被测长度。激光干涉测长利用激光干涉法可否测量气体折射率、气体压力、气体温度？激光衍射测量b激光参考物被测物xk观测屏L对第k个衍射暗条纹有当不大时，激光衍射测量

6、方法举例b激光参考边被测物（a）比较测量b激光参考物被测物（b）轮廓测量b激光参考边试件（c）应变测量P激光准直He-Ne激光器发射光学系统光电目标靶控制机械运算器指示器激光准直仪基本组成框图运算电路运算电路激光束上下指示表左右指示表四象限光电探测原理图激光准直仪光学系统卫星距离 3 万公里测距精度 8 mm激光多普勒测速 1842年Doppler发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化。 入射激光束 照明光束 参考光束 光电倍增管 M1 M2 L1 L2衰减片 参考光束型多普勒测速光学系统示意图环境计量激光雷达原理光散射弹性散射非弹性散射瑞利散射米氏

7、散射布里渊散射拉曼散射拉曼散射是指光遇到原子或分子发生散射时，由于散射体的固有振动以及回转和能量交换，致使散射光的频率发生变化的现象。瑞利散射：入射光在线度小于光波长的微粒上的散射现象。瑞利散射强度与入射光的波长四次方成反比。 米氏散射：粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射。米氏散射强度与波长的二次方成反比。 布里渊散射：光通过介质时，因其无规则热运动的弹性波引起的散射。布里渊散射也属于拉曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与拉曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。 激光雷达在工作激光在信息技术中的应

8、用 光纤通信 光信息存储 光显示 激光视频投影显示 激光光束图文扫描显示 激光全息三维显示 光纤通信用光纤（线）中的光子流代替电线中的电子流来传输信息 。 优点： 频带宽例如一对商用光纤可传 大约30万路电话（2.5G 比特/秒）一条20芯（10对光纤）光缆可传300 万路电话，相当于两个300 万人口的城市间每人有一专用电话线。 传输衰减小-中继站距离可长达几百公里 抗电磁干扰和辐射光纤之父2009年诺贝尔物理学奖获得者高锟1966年提出设想色 散 概 念用激光束（针）代替唱针在光盘上存储和读出信息 优点：易于大量复制-最大优点！ 存储密度高-在一张直径12厘米的光盘上可以存储 数千兆比特的

9、数字信息( DVD-ROM)或四小 时左右的高质量电影(DVD) 光信息存储Mutilayer Disk IdeaLASER TV SET激光在医学中的应用 利用光热效应激光外科手术、理疗等 利用激光光子能量的光化学效应 激光诊断、癌症治疗等激光手术激光消除血栓示意图激光治疗光动力学疗法治疗癌症过程示意图激光分离同位素原子序号相同而质量数不同的元素称为同位素。氢的同位素是氘。氘在自然界的比例是0.0149%，称之为自然存在比。天然铀中的大部分是铀238，铀235只占0.7%。若铀作为反应堆核燃料，必须将铀235浓缩至3%，制造核弹必须将铀235浓缩至80%以上 。气体扩散法、离心分离法激光分离

10、同位素的理论基础是同位素偏移原子、分子同位素的谱线频率差异。m电子质量：M1，M2同位素原子质量M两同位素质量差激光二级光电离法分离同位素原理激光铀浓缩示意图 激光的若干军事应用精确制导半主动激光制导的DPSSL YAG激光跟踪/目标指示器已大量装备并应用于实战。激光雷达主动制导导弹具有“发射后不管”和攻击远距离目标的能力,是激光制导武器的发展方向。美国空军怀特实验室正在研制这种激光雷达寻的器。 预警探测和反导精密跟瞄美国的“眼镜蛇球”(CobraBall)预警机(RC-135S)已加装了测距能力达400km以上的YAG测距机,并于1998年服役,同时还将在2006年布置的YAC-1机载激光武器系统上使用。火控各种火炮和导弹系统都可配备激光测距机/目标指示器,提高首发命中率,其型号繁多,已大量装备部队。美国八十年代研制的LANTIRN机载目标瞄准吊舱已大量装备F-15、F-16等先进战机并在海湾战争等作战中发挥了重要作用。局部风场测量采用脉冲相干多普勒激光雷达测量小范围风速分布,特别是水平风速切