激光技术的发展和应用

关于激光技术的发展和应用第1页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五第一讲激光技术的发展和应用1激光发展史

1）激光50年大事件

2）国外发展史

3）国内发展史2）激光技术3激光技术的应用（产业方面）

1）国外激光产业发展现状

2）我国激光产业发展现状及存在的主要问题第2页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史

1）激光50年大事件第一束激光。1960年，西奥多·梅曼（TheodoreMaiman）在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室设计和建造了一台小型的激光发生器。将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，产生了第一条激光，从此开启了激光时代。

第3页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史1961年8月王之江院士设计制造。“中国激光之父”第4页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光武器。军事机构和小说家目睹了射线枪从漫画书里的虚构变为现实的过程，所以他们在激光刚刚被发明时，就看到了激光作为武器的潜力。1964年，007电影《金手指》中大反派“金手指”奥瑞克威胁邦德，要用激光将他锯成两半——这在当时，还是纯粹的幻想。1激光发展史第5页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史激光轻武器第6页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史美国激光攻击机试验机第7页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史美国地基激光武器第8页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五三维激光。全息技术发明于1948年，以提高电子显微镜的分辨率，但埃米特·利斯（EmmettLeith）和朱瑞斯·乌帕特尼克斯（JurisUpatnieks）在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造，发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像。他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上，其中一束激光先被反射到被摄物体上，然后再与另一束会合，在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片，就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛·鲁恩实验室第一次记录的全息图。1激光发展史第9页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史《蒙娜丽莎》三维成像分析第10页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五梦幻激光：刚开始时，激光的色彩是相当有限的：氦氖激光器和红宝石发出红光，其他激光器则产生不可见的红外光。第一次实现七彩激光的是离子激光器，它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光，氪产生其他几种颜色，两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。激光秀从此诞生。

1激光发展史第11页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史广州亚运会开幕式激光表演第12页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史激光投影电视第13页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五无处不在的激光。激光技术第一次走进日常生活，是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化。若尔斯·阿尔费罗夫（ZhoresAlferovand）和赫伯特·克勒默（HerbertKroemer）发明了制作半导体二极管激光器的改进方法，让激光真正地无处不在。他们因此获得了2000年的诺贝尔物理奖。（图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。）如今，这样的芯片随处可见，比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔和全球电信网络的骨干中。1激光发展史第14页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五无尽的刀片。在工业上，激光被用来作为锯和钻头，而且它永远不会变钝。激光第一次作此用途是加工硬度很高的材料，如钻石，或非常柔软的材料，例如婴儿奶瓶的奶嘴。低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器，必须要非常庞大才能提供足够的能量，但新的固态激光器却令人吃惊的小巧：如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。1激光发展史第15页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史国产激光焊接机第16页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史激光数控切割机第17页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史进口高精度激光雕刻机第18页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光外科手术。激光在医学上的首次成功应用是进行眼内手术，但是不需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。更大的成功在1968年到来，外科医生弗朗西斯·莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光器破坏异常的血管，以避免这些血管在视网膜中扩散，致使糖尿病人失明。这种治疗方法已经挽救了数百万人的视力。如今，激光也被用来切割角膜，以矫正视力，或者使胎记和刺青褪色。1激光发展史第19页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史1064nm激光医疗设备（去斑等）心脏动脉血管支架第20页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光之母。受控核聚变很久以来都是人们认为最理想的清洁能源发电方式。1962年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家约翰·纳科尔斯（JohnNuckolls）在加利福尼亚州利弗莫尔，提出用激光脉冲加热和压缩的重氢同位素块实现受控核聚变。从那以来，利弗莫尔实验室一直追寻着这个理念，他们使用的激光器也越来越大，终于在美国国家点火实验设施中达到巅峰。这是一个复杂的系统，可以同时发出192束激光，去年，在十亿分之几秒的时间内，产生了能量达到100万焦耳的激光脉冲，使之成为有史以来能量最强的激光器。（美国国家点火实验设施

(NIF)是美国出于研究核聚变反应设想而建造的试验装置。）1激光发展史第21页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史超连续谱激光器第22页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史钛宝石激光器高次谐波能产生as脉冲第23页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史掺镱光纤超短脉冲激光器脉冲宽度：33fs中心波长：1030nm重复频率：29MHz单脉冲能量：1nJOLV.31,P1340,2006

美国，康奈儿大学

第24页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史飞秒掺铒光纤激光器脉冲宽度：46.2fs中心波长：1550nm重复频率：38.3MHz单脉冲能量：2.08nJOLV.32,P41,2007第25页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史无锁模飞秒激光脉冲脉宽：516fs能量：3.5nJ中心波长：1550nmOLV.32,P1408,2007,美国，康奈儿大学第26页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1激光发展史CCLRCRutherfordAppletonLaboratory,Chilton,Didcot,Oxon.,OX110QX,UK(2006)outputpulsewithenergyof35JCompressionto85fs(70nminFWHM)potentialpowerofbetween300TWand400TW(350TW)第27页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五名称研制成功时间研制人He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等脉冲Ar+激光器1964年10月万重怡等CO2分子激光器1965年9月王润文等CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等YAG激光器1966年7月屈乾华等激光国内大事记

1激光发展史第28页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光概述（产业）第29页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五2激光概述（产业方面）

国外激光产业发展现状根据《激光集锦》1997年报导，世界激光器市场可划分为三大区域：美国（包括北美）占55%，欧州占22%，日本及太平洋地区占23%。在世界激光市场上日本在光电子技术方面占首位，美国占第二位；在激光医疗及激光检测方面则美国占首位；而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。因此我们选择美国、日本、德国三个国家，介绍他们激光产业发展情况，也就反映了世界激光市场的基本情况及其发展趋势。第30页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五我国激光产业发展现状及存在的主要问题2激光概述（产业方面）

主要问题是：

(1)科研与生产结合得不好，科研成果转化为生产力的能力较差，许多具有市场前景的成果仍停留在实验样机阶段；

(2)资金投入不足，市场开拓不够，一些重要激光产品尚未形成规模生产，效益较低；

(3)产品质量较差，在安全性、稳定性、可靠性及标准化等方面还有待进一步提高；

(4)激光系统的配套能力较差，增加了用户使用的困难；

(5)创新能力较差，高档次的激光产品少，智能化、自动化程度较低，缺乏市场竞争能力；

(6)从技术管理上看，激光产品缺少国家标准，激光产业没有归口主管部门，产品质量监督不够，这些都不利于激光产业的发展。第31页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五3辐射与物质的相互作用1)普通光源的发光——受激吸收和自发辐射第32页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五2)受激辐射和光的放大3)粒子数反转3辐射与物质的相互作用第33页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五美国国家点火装置（NationalIgnitionFacility，NIF）的靶室

第34页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五这个巨型装置坐落在加州的一个特大号“仓库”里，它利用激光将微小的氢原子转变为热核反应的能量。大约要过12个月，装置才能逐渐达到全功率运转的状态，不过相关实验还要继续进行，直到2040年左右。第35页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五国家点火装置的终端光学检查系统。科学家利用世界上最强激光产生的192道光束直接照射在冰冻的氢原子珠上，激发了一次持续十亿分之五秒的猛烈爆炸。

第36页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五国家点火装置不仅有世界上最强的激光，也有世界上最大的光学仪器。这是磷酸二氢钾（KDP）晶体，重达800磅（360千克），是激光器的主要部分。应用新的方法，生成这么一大块晶体只需要两个月时间，而传统的方法则需要两年。每块晶体被切成边长40厘米的方形晶片，整个国家点火装置需要600个这样的晶片。

第37页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五在线性可替换单元（LRU）之间的激光玻璃调和板。LRU由一个大金属框，以及固定于其上的各种类型的透镜、反射镜或玻璃组成。这些透镜或玻璃等可以轻松地安置在光线的通路中，也可以方便地取出进行维护。玻璃调和板LRU将安装在两个闪光灯暗盒之间，激光束穿过的时候，闪光灯暗盒点亮，从而使激光在通往靶室的过程中吸收来自特殊处理的玻璃的能量。第38页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五这张示意图显示的当激光从辐射空腔两端射入时的靶物球芯。密集光束产生的高能震荡波以百万英里每小时的速度冲击燃料球芯，制造出一亿摄氏度左右的高温。在这种只有恒星内核中才存在的极端条件下，氢原子将发生聚变，产生氦和巨大的能量。第39页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五第40页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五整个建筑有10层楼高，面积与三个橄榄球场相当。如果一切顺利，它将成为第一个能量产出大于消耗的（激光核聚变）设施，同时也为商业激光核聚变发电站的发展铺平道路，世界能源危机问题也将迎刃而解。第41页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光治疗近视的图片及原理展示第42页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五第43页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光治疗近视第44页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光治疗近视激光在医学上的发展史LASIK手术适应症及手术前准备LASIK的治疗原理及过程手术后注意事项第45页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光在医学中的发展史第46页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五1960年第一台红宝石激光器问世；1961年 红宝石视网膜激光凝固机在眼科开始使用；1963年 激光手术开始应用于肿瘤；1970年 激光开始应用于恢复高血压等内科疾病；1973年 奥地利用激光代替针炙做实验；1975年 第一台激光针炙仪开始用于经络疾病；1990年 俄罗斯将激光能量导入仪带上太空作为宇航员预防太空病重要工具；1991年 中国首次引进俄罗斯低强度激光技术应用于临床心脑血管病症；2004年 海纳川公司生产的鼻炎治疗仪问世，一举通过了国家食品药品监督管理局审批，成为准字号医疗器械，并获得国家知识产权局三项专利。第47页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五准分子激光治近视的发展史

第48页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五第一阶段：PRK

1983年，准分子激光成功切削动物眼角膜组织；1988年PRK进入人眼临床运用；1991年获得批准推广，实现了人类告别近视的梦想，准分子激光手术正式踏入舞台。第49页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五第二阶段：LASIK1991年，LASIK在美国成功完成临床验证；1995年通过美国FDA获准，从此掀起了激光治疗近视的热潮，跟随着激光设备的发展使准分子激光手术进入成熟期。第50页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五第三阶段：个性化LASIK2005年，准分子激光设备商推出的个性化切削系统得到了临床眼科医生的认可，实现对像差的个性化切削，达到高视觉质量。第51页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五第四阶段：SBK2006年SBK进入临床运用；2008年香港世界眼科大会上确定为准分子激光手术的新标准，准分子激光矫正术进入完美时代。第52页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五眼的构造

第53页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五近视矫正的三种方法对角膜表面进行二维切削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的PRK(PhotoRefarctiveKeratectomy)方法；激光原位角膜镶术的LASIK(LaserinsituKeratomileusis)方法；将角膜表面放射状切开的RK(RadialKeratotomy)方法。第54页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五LASIK（准分子激光原位角膜磨镶术）第55页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五准分子激光手术适应症

18岁以上；屈光度≥-2.00D，稳定超过两年；屈光介质无混浊，排除下列眼部疾患：严重的眼附属器病变，如眼睑缺损、变形、兔眼和慢性泪囊炎等、干眼病、圆锥角膜、病毒性角膜炎活动期、青光眼、虹膜炎、视网膜及视神经病变等;排除全身结缔组织病及严重自身免疫性疾病。第56页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五手术前准备工作(1)视力检查：包括裸眼视力和戴镜最佳矫正视力;

(2)屈光检查：包括电脑验光、散瞳验光和复验三个步骤。验光度数正确与否直接影响手术效果;

(3)眼前节及眼底检查：重点检查角膜透明度，角膜是否有疤痕，晶体师傅混浊，眼底检查是否有玻璃体混浊、眼底病变等;第57页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五(4)眼压检查：以排除高眼压和青光眼的可能性;

(5)角膜测厚：对角膜中心厚度低于500μm者，如果患者是高度近视，应注意角膜中心切削厚度，术前向患者说明情况;

(6)角膜地形图检查：主要目的是对整个角膜表面的规则性和对称性有所了解，排除各种异常因素。第58页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五激光治疗近视原理

准分子激光是氟氩两种气体混合后经激发而产生的一种人眼看不见的波长仅193纳米的紫外线光束，其特性为光子能量大，波长极短，对组织的穿透力极弱，不会穿入眼内，仅被组织表面吸收，对周围组织无损或损伤极微，属冷激光，无热效应，能以“照射”方式对人眼角膜组织进行精确气化，达到“切削”和“雕琢”角膜的目的而不损伤周围组织和其他器官，其独特性质是最适合角膜屈光手术。第59页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五角膜手术的准分子激光装置第60页，共76页，2022年，5月20日，10点22分，星期五准分子激光手术的过程

准分子激光角膜屈光治疗技术（LASIK技术，准分子激光手术），是用一种特殊的极其精密的微型角膜板层切割系统（简称角膜刀）将角膜表层组织制作成一个带蒂的角膜瓣，翻转角膜瓣后，在计算机控制下，用准分子激光对瓣下的角膜基质层拟去除的部分组织予以精确气化，然后于瓣下