x8第八讲-激光及其应用总结

公共选修课现代物理概论

第八讲

激光及其应用

美国电影《星战前传》海报西安大唐芙蓉园芙蓉湖水面上升起的海市蜃楼图中的激光手枪是由电池驱动的400mW激光器，为世界上最小的二氧化碳激光器“激光”是“LASER”的意译.1964年，钱学森院士提议取名为“激光”激光原理简介LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)

----辐射的受激放射的光放大激光是20世纪的四项重大的独创之一激光的发展史

爱因斯坦于1917年提出受激辐射概念1958年，贝尔试验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。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年，美国加利福尼亚州休斯航空公司试验室的探讨员梅曼独创了世界上第一台红宝石激光器。1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。我国激光的发展史成长期：1970年~1980年标记：

1970年低损耗光纤与室温下连续工作的半导体激光器的研制成功；1976年世界第一条好用的光纤通信系统在美国建成；70年头末，武汉邮电科学院赵梓森院士等研制出我国第一根光纤；兴盛期：1980年~2000

光纤通信逐步取代常规通信，成为通信网的主要手段；

1982年，武汉邮电科学探讨院在武汉建成我国第一条商用光纤通信系统；

1994年密集光波分复用DWDM技术突破，充分发挥光纤巨大容量的优势。

纳米技术走向成熟，新型光电子材料和量子阱器件从而诞生；

全盛期：21世纪。

光量子计算机可望实现；

信息技术达到“3T”水平（即传输速率、信息交换容量、信息存储容量都将达到Tb/s量级），光子时代的到来。

激光产生的原理一般光源的发光:受激吸取和自发辐射激光产生:受激辐射、光的放大、粒子数反转

原理？？受激吸取和自发辐射一般常见光源发光：物质受外来能量作用原子中的电子吸取外来能量而从低能级跃迁到高能即原子被激发处在高能级在没有外界作用下会自发地向低能级跃迁，跃迁时将产生光辐射受激辐射和光的放大受激辐射的过程大致为：原子起先处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点：原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率相同，而且放射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光

形成激光的三个条件

产生激光必要条件1.实现粒子数反转

２.使原子被激发

３.要实现光放大

——工作物质

——光学谐振腔——激励能源

部分反射镜

激励能源

全反射镜

激光输出

工作物质

光学谐振腔L激光的特性

方向性好亮度高单色性好相干性好高的光子简并度包括了上述四特性

方向性好

单色性好高亮度激光的应用由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在很多领域得到广泛应用：1：激光应用于军事领域

2：激光在信息技术领域---全息照相与光存储中的应用3：激光在光通信领域领域的应用

4：激光在医学领域的应用5：激光在工业加工领域中的应用6：激光在物理、化学、生物领域的应用7：激光应用于科学探讨领域：激光冷冻原子与原子钟、激光引发核聚变绝无仅有的光刀激光的会聚性好，好到什么程度呢？假如将激光器放射出来的光，经透镜聚焦后形成一个圆锥形的光束，其光束可以聚集在0.1毫米乃至0.1微米的微细光点上，而功率密度高达109-1013瓦/厘米2，约为太阳光聚焦后最大功率密度的100万倍到10亿倍。这种微细的高能激光束犹如一把锋利的尖刀，使琳琅满目的刀具世界里，增加了具有无坚不摧威力和神通广袤本事的奇异激光刀。

用途广泛的激光刀正是由于激光刀具有这么多一般刀具所望尘莫及的珍贵特性，才使其在医学、生物、工业、农业等领域得到了日益广泛的应用。医疗手术的魔刀激光刀问世以来，在各种手术中得到广泛应用，而且效果比一般手术刀要好，因为激光刀作用到生物体上时会产生四种奇异的效应，分别是热效应、压力效应、电磁效应和光化效应。接受激光刀对人体做手术，当激光刀作用到人体组织的表皮上时，由于热效应使得在作用点上的温度急剧上升，在千分之几秒内作用区内的温度从一般体温上升到200—1000℃。在这么高温度的作用下，使得表皮内层部分的水分快速蒸发、汽化，致使皮层下部的气压快速上升，造成表皮层突起，进而形成一个封闭气泡。在千分之几秒的一刹那，这种气压可以猛升到每平方厘米几千公斤，比汽车轮胎中的气压还要高几十到100倍！在如此高压力的作用下，气泡突然裂开，于是表皮被切开。这就是激光刀的压力效应，似乎微型爆炸，快速将表皮炸开。皮层切开后，激光刀接着深化到内部组织，使内部组织不断被加热，温度接着上升，水分不断被蒸发掉，使得人体内部组织不断收缩，甚至被局部炭化。通过这种方式，便可以将患部的病灶切除或“烧”掉。激光手术刀具有不出血和精细的特点，特殊适宜于各种手术。现已广泛地用于一般外科、心脏外科、脑外科、骨科、消化道、泌尿外科、妇产科以及烧伤、五官科的手术。世界上很多国家的医院都有“光刀”，我国也已特殊普遍了。医生用激光手术刀切开病人的腹部裁剪分子的快速剪刀小小的分子，组成了千差万别、形形色色的各种各样的物质。高分子材料就是由高分子化合物组成的一种新的材料，算是浩大的材料王国中的后起之秀。由于高分子中各原子之间都是通过细小的化学键连接起来的，原子之间的化学键是不会轻易“松”开的，要使它“松”开，就得接受强制的方法，最好是能有种微型剪刀将它剪断。假如接受奇异的激光刀，在指定的地方将化学键剪断，使它形成一种新的高分子，具有所须要的特定性能，这样就会使高分子材料的面貌来一次空前的大改观。分子细小，化学键短是第一道难题，更难的在于分子中的这些原子，时时刻刻都在乱蹦乱跳，而且跳动的速度是惊人的，每秒钟内上下左右跳动几十亿次以上。因此化学键的短小以及原子的快速振动，成为分子裁剪中的关键。假如接受常用连续工作的激光刀，明显不行。虽然它很微细，化学键短的难题难不住它，但它不快速，所以一刀下去，该剪的地方可能没有剪着，不该剪的地方反而误伤了，甚至还可能剪到原子的“头”上去，不能达到预期的效果。为了攻下这道难关，就必需研制一种超快速微型激光刀，实行突然攻击的方式，在化学键两端的原子还来不及返回之前，就闪电般地将它斩断。70年头以来，由于超短脉冲激光技术的重大突破，已研制成功了一种超短脉冲激光器，它能放射出脉冲时间只有10-8-10-12秒的激光束，用它作为一种超快速的激光剪刀，可以在十亿分之一秒，甚至一万亿分之一秒的一瞬间，就以迅雷不及掩耳之势将指定的化学键精确地剪断。这种奇异的超快速激光刀，已成为高分子化学探讨者所宠爱的用来剪裁分子的特殊剪刀。农业现代化的宝刀选种、育种是农夫特殊重视和关注的事情。激光问世以后，科学家们发觉用激光照射种子，能够诱发突变和遗传变异，对于培育良种具有重要的意义。生物细胞内的染色体是确定各种生物遗传特性的主要因素。可以利用激光刀对农作物细胞内的染色体进行剪切，从而变更农作物的遗传特性，促进它的变异，进而创建出新的农作物品种。一般只要接受功率为几毫瓦的氦氖激光束，对种子的胚部进行3至5分钟短时间的照射处理就可以了。在我国已有27个省、市、自治区普遍开展了激光育种的试验，培育了一大批良种，为夺取农业连年丰收做出了新的贡献。工业加工的万能刀随着激光技术的蓬勃发展，快速形成了一门崭新的激光加工技术。而奇异的激光刀就是万能的加工刀。雕刻艺术是一门古老的艺术。传统的雕刻方式，大都是接受手工雕刻，对于困难而细腻的艺术图案中微小部分的雕刻，感到特殊困难，且刀刃用不了多久就会钝化。激光刀的出现，给雕刻艺术带来了新的希望。用激光刀不但能进行雕刻，而且能进行传统雕刻方式所不能达到的特殊精细的雕刻。新型的激光雕刻刀是一种微细的热刀，用它刻出来的最细线条宽度可以小到0.05毫米，这是一般雕刻刀所望尘莫及的。所以，接受激光雕刻刀，可以雕刻困难而细腻的艺术图案。在雕刻过程中，也不存在刀口磨损和钝化的问题，因而雕刻的线条匀整、精细。杀气腾腾的死光利用激光高亮度所产生的易于集中和放射的高能量，使激光可以像一位医德高尚、医术超群的神医，成为治病救人的慈善家；也可以凶相毕露、杀气腾腾，成为杀人武器，不仅令人毛骨悚然，就连飞机、导弹，也无不望“光”丧胆。中国99坦克激光致盲武器宝石路”GBU-12激光制导炸弹

中国海洋大学研制的车载激光测风雷达正为国际帆船赛测量赛区风场，这是我国第一台车载激光测风雷达美国“空基反导激光拦截试验机”YAL-1空载激光武器，这种高能量激光武器可以配置在大型飞机的前部，能够击落弹道导弹和其它能感觉到的来自空中的威胁激光武器的优点

1．无需进行弹道计算2．无后座3．操作简便，机动灵敏，运用范围广4．无放射性污染，效费比高舰载激光武器▲利用激光极好的相干性：★测量：精密测长、测厚、测角，测流速（10-5─104m/s），定向（激光陀螺），测电流、电压（磁光效应），激光抗干扰性强。★全息技术：全息存储，全息测量，全息电影，全息摄影等。激光在信息技术领域的应用全息照相光存储大屏幕显示英女王的全息照片

多路合成角度全息用于艺术品展示全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业

激光全息存储

利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图全息图是由干涉条纹组成的影像，该条纹记录了入射光线的全部信息—振幅和相位阅读还原时，需在激光照射下利用条纹影像的衍射原理使其再现激光全息存储的优点

信息存储容量大---可达1Tb/cm3记录速度快记录信息不易丢失---寿命可达数百年便于长期保存---每一碎片都包含完整信息便于拷贝、复制体全息信息存储

体全息信息存储原理DPL大屏幕显示

接受二极管泵浦的固体激光器，倍频输出红绿蓝三基色的激光全色显示具有色调特殊丰富多彩，亮度高、清晰度高等优点预料将来10年内在计算机投影仪、大屏幕高清晰显示和数字电视方面得到广泛应用RGBTVSET

DiodePumpedLaser转换产生RGB

DiodePumpedMicroLaserDPLProjectionTV

★激光光纤通讯：载波频率高（1011─1015Hz），信息容量大，清晰，功耗小，激光用于通讯光通信原理示意图

光纤通讯光通信用的激光器差不多全部是半导体激光器，只有少量的CATV系统接受1310纳米或1550纳米LD泵浦固体激光器。通信用的激光器主要有两类：光纤放大器用的泵浦光源和放射机用的信号光源。应用于自由空间光通信（FSO）的激光器有850nm和1550nm两种自由空间光通信（FSO）

用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统，即以大气为媒介的激光通信系统两种工作波长：850纳米1550纳米850纳米设备便宜，应用于传输距离短的场合1550纳米红外光波可被视角膜吸取，照不到视网膜，可增大传输功率，适用于传输距离远的场合自由空间光通信（FSO）的优点

1）快速链路部署—无需埋设光纤等待手续2）无需频谱许可证3）带宽高—支持150mb/s到10Gb/s的传输速率，传输距离2-4公里4）平安保密性强5）协议透亮6）成本低—是光纤到楼的1/10到1/37）便携性飞秒激光简介飞秒激光应用概述飞秒激光典型应用飞秒强激光的获得

飞秒激光产生高次谐波——软x激光的产生飞秒激光Thomson散射——硬x激光的产生飞秒激光电子加速器飞秒激光用于受控核聚变飞秒激光用于大气物理飞秒激光用于微纳米加工飞秒激光用于高密度存储飞秒激光用于分子生物学飞秒激光及其应用1.脉冲宽度极短

1fs=10-15秒(电子绕原子核半周的时间)微观世界超快过程的研究物理化学生物学飞秒激光简介--飞秒激光的特点

2.峰值功率极高

1012~1015W1018~1021W/cm2

(E=1011V/cm氢原子库仑场5×109V/cm）极端物理条件光压109~1012bars

磁场109高斯

加速度1021g(1022m/s2)

温度108聚焦飞秒激光简介--飞秒激光的特点飞秒激光飞秒激光的产生超快科学（探测相识某些超快物理过程）物理化学生物学超快技