激光原理绪论

激光原理与技术PrinciplesandTechnologyofLasers物理与电子科学学院李健2/5/20231参考书目：1、激光原理，周炳琨等编著；国防工业出版社，20042、激光原理与技术,阎吉祥等编著；高等教育出版社，20043、激光原理技术及应用，阎吉祥等编著；北京理工大学出版社，20064、激光原理技术及应用，李相银等编著；哈尔滨工业大学出版社，20045、激光器件，马养武等；浙江大学出版社，20016、激光技术，蓝信钜；科学出版社，20012/5/20232LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)——辐射的受激发射的光放大激光是20世纪的四项重大的发明之一一、绪论2/5/20233激光的发展历史

从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。2/5/20234激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。

20世纪50年代初，电子学和微波技术的应用提出了将无线电技术从微波推向光波的要求。如何实现从微波振荡器到光波振荡器？微波振荡器的实现原理：一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；

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。2/5/202351952年，美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论去放大电磁波。1954年，美国的汤斯(CharlesH.Towns)、苏联的巴索夫(NikolaiG.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。

2/5/202361958年，汤斯和肖洛(ArthurL.Schawlow)抛弃了一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。布隆伯根(NicolaasBloembergen)提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想。

汤斯和肖洛在Physis

Revies

上发表论文，指出了实现受激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需要满足的条件。2/5/20237C.H.TownesA.M.ProkhorovN.G.Basov

汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。TheNobelPrizeinPhysics19642/5/202381960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼演示的。波长为694.3nm的激光2/5/20239

至此，一门新的科学技术——量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！

2/5/202310

1961年⑴2月（A.Javan）研制成了He—Ne混合气体激光器。⑵有人提出了Q调制技术，并制成第一台调Q激光器。为什么要调Q？⑶制成了钕玻璃脉冲激光器。1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。仅1961—1962年间世界各国发表的激光方面的论文达200篇以上。2/5/2023111963年建立了激光的半经典理论。

对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。1964年研制成了氩离子（Ar+）离子气体激光器二氧化碳气体激光器化学激光器（HF氟化氢）掺钕的钇铝石榴石固体激光器1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助半经典理论预言了锁模效应的存在。2/5/2023121966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。为什么要锁模？1970年研制成了准分子激光器。1977年研制成了红外波段的自由电子激光器（FEL）1984年研制出光孤子激光器（SL）因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家有十几位.1967年研制成了Ｘ射线激光器。2/5/202313拉姆齐（Ramsey,NormanF,1915~）美国物理学家。因发展了原子精确光谱学和发明了分离振荡场方法以及将其用于氢微波激射器和原子钟而获得1989年诺贝尔物理学奖。2/5/202314朱棣文（1948~），美籍华裔物理学家。1997年，朱棣文因发明用激光冷却和俘获原子的方法获得诺贝尔物理学奖。

科昂-塔努吉（CloderCohenTanuky，1933~）法国物理学家，1997年诺贝尔物理奖得主。他利用“磁阱”技术，成功地将原子温度降低到了与绝对零度只相差百万分之一度的程度。菲利普斯（Felipus，William,1948~）美国物理学家，1987年他运用“磁阱”技术，改进了原子在激光照射下温度骤降的方法，使冷却温度进一步降低。因此获得1997年诺贝尔物理奖。2/5/2023152/5/2023162/5/2023172/5/2023181961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。神光I、神光II、神光III2/5/202319（builtin19862beam/f200mm,1.6KJ/1w/1ns）神光I装置的两路激光系统2/5/202320激光器的图片绿光激光器2/5/202321大功率绿光激光器2/5/202322红光激光器2/5/202323蓝光激光器2/5/202324白光激光器2/5/202325黄光激光器2/5/202326半导体激光器2/5/202327小型激光器2/5/202328钛宝石激光器和10太瓦/拍瓦高峰值功率

超快激光器系统2/5/202329二氧化碳激光器2/5/202330气体激光器2/5/202331固体激光器2/5/202332红绿蓝多色激光器2/5/202333紫外激光器2/5/202334泵浦灯管和气体激光管2/5/202335二、激光的特性单色性好方向性好亮度高相干性好高的光子简并度包括了上述四特性

2/5/202336单色性好2/5/202337

第一，激光的单色性好。激光是一种颜色最单纯的光。太阳光和电灯光看起来似乎是白色的，但当让它通过一块三棱镜的时候，就可以看到红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的光，其实，还含有我们看不见的红外光和紫外光。激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高。2/5/202338方向性好

2/5/202339第二，激光的方向性好。在发射方向的空间内光能量高度集中，方向性就好。普通光源，比如平时见到的灯光，都是向四面八方发光，打开室内的电灯，整个房间都照亮了。打开手电筒，在发出的部位，直径不过3～5厘米，待射到几米之外后，就扩展成一个很大的光圈。光在传播中发散了。然而，激光却不同，它是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为。激光在传播中始终像一条笔直的细线，发散的角度极小，一束激光射到38万千米外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右。2/5/202340

第三，激光亮度最高。太阳是人类共有的自然光源，整个世界沐浴在明亮的阳光之下。太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。激光的出现，更是光源亮度上的一次惊人的飞跃。在发射方向的空间内光能量高度集中，方向性就好所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿万倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，成为无坚不摧的强大光束。2/5/202341高亮度2/5/202342一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。从地球照到月亮上在反射回来也不成问题。可见激光是当今世界上高亮度的光源。激光可以具有很大的能量，用它可以容易地在钢板上打洞或切割。在工业生产中，利用激光高亮度特点已成功地进行了激光打孔、切割和焊接。在医学上、利用激光的高能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，激光能量提高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。2/5/202343

第四，激光的相干性好。在普通光源中，原子发光过程都是自发辐射过程，各个原子的辐射都是自发地、独立进行的，因而各个原子发出的光子在频率、发射方向和初位相上都是不相同的，所以，在光源的不同位置发出来的光各不相同，不具备空间相干性；而它的频率间隔Dn很大，所以Dt

就很短，因而也不具备时间相干性。所以普通光源发出的光不是相干光。而对激光器来说，它所发射的激光单色性很好，即激光的Dn非常小。因而激光的相干时间Dt

很大，即激光的时间相干性很好。激光的发散角很小，因而其空间相干性也很好。2/5/202344激光的时间相干性2/5/202345激光的空间相干性2/5/202346（一）由激光发展的新学科激光的出现带动了多学科的发展，如量子光学、量子电子学、激光光谱学、非线性光学、集成光学、海洋光学等等。这里我们只列举一些与日常生活相关的激光应用科学的发展。

三、激光的应用2/5/202347

1877年世界上第一台留声机在爱迪生的手上诞生了！它是声像技术发展的开端。人们并不满足于唱机，20世纪40年代初，德国研制出具有高频偏磁和良好机械传输性能的磁带录音机，开拓出记录声音的新渠道。到1955年，美国无线电公司宣布实验成功磁带彩色录像机，能把自己和大自然的形像记录下来，它揭开了声像技术史的新页，打开了现代声像技术发展的大门和通路。3年后，美国安皮克公司生产出商用彩色录像机。1970年，英国德卡公司研制出第一台黑白电视录像盘。两年后，荷兰菲利浦公司研制出用激光器拾音的彩色电视录像盘。这就是现代激光光盘的诞生！1、激光光盘制作技术2/5/202348

激光光盘的诞生，激光在音响设备上的应用，是音响上的一次革命。人们利用激光，以“光针”代替钢针、宝石针，制成激光唱片。激光唱片不仅能够录音，而且能够录像。激光唱片用来记录、存储声音和图像，可以说，这是声像技术上的一次革命，一个伟大的创举。

自从激光光盘出现以来，人们充分挖掘它的潜力，创造多种功能的激光唱机和唱片，1983年，美国和日本分别研制成崭新的数字录音唱片。这种唱片完全摆脱了传统唱片的制作和重播方式，为唱片开辟了一个全新的境界。这种数字唱片，在存储技术等方面都有重要的用途。2/5/202349激光光盘技术发展很快，各种功能、各种用途的新型唱机、唱片层出不穷。于是，激光光盘和电子计算机技术、声像技术联手，踏入文献存储和检索的领域。信息存储在光盘上，快速检索、查阅和打印出所需要的资料。现在光盘书籍已进入家庭生活。2/5/2023502、激光在信息技术领域的应用（1）全息照相（2）光存储（3）大屏幕显示2/5/202351现代的全息照相，可以得到极其逼真的立体显示的全息照片。使人产生身临其境之感。全息照片是真正的立体照片。用全息照相方法所得到的照片，经得起“破坏性的打击”。全息照片的每一部分，不论有多大，都能再现出原来的整个景象，这就是说，可以将全息照片分成若干小块，每一小块都可以完整地再现出原来的景象。因此，如果全息照片被打破了，撕碎了，或者在某个案件中捕获到的是毁坏了的全息照片的残渣，总可以从一小块碎片重新复制出原样的照片来。（1）全息照相2/5/202352激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程2/5/202353全息照片和普通照片截然不同用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹用一束激光去照射该照片，眼前就会出现逼真的立体景物。从不同的角度去观察，可以看到原来物体的不同侧面每一片碎片都包括被摄物体的完整信息2/5/202354英女王的全息照片2/5/202355全息再现用于艺术创作2/5/202356多路合成角度全息用于艺术品展示2/5/2023572/5/202358全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业

2/5/2023592/5/202360（2）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。2/5/202361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2/5/202362全息信息存储2/5/202363体全息信息存储原理2/5/202364（3）DPL大屏幕显示采用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彩十分丰富多彩，亮度高、清晰度高等优点预计未来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。2/5/202365RGBTVSET

2/5/202366DiodePumpedLaser转换产生RGB

2/5/202367DiodePumpedMicroLaser2/5/202368DPLProjectionTV2/5/202369激光医学是激光技术的新领域，激光是利用受激发射放大原理产生的高相干性、高强度的单色光。产生激光束的光源称激光器，在医学领域里有广泛的用途。激光医学是一门新兴的边缘学科，其内容包括用激光新技术去研究、诊断、预防和治疗疾病。激光已应用于内、外、妇、儿、眼、耳鼻喉、口腔、皮肤、肿瘤、针灸、理疗等临床各科。它不仅为研究生命科学和研究疾病的发生发展开辟了新的研究途径，而且为临床诊治疾病提供了崭新的手段。3、激光医学2/5/202370

1960年世界上第一台红宝石激光器问世后，1961年即用于治疗视网膜脱落，1963年激光光刀用于肿瘤切割。70年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用。1981年联合国卫生组织正式宣布激光医学为医学的一个新分支。激光治疗最早用于眼科，对视网膜剥离眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的“光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力”，能够治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的100多种疾病。2/5/2023712/5/2023722/5/2023732/5/2023742/5/202375光导纤维传光是利用在光导纤维中传输光线在界面上发生全反射来实现的。这种透明细长纤维传光现象很早就为希腊玻璃工人所发现。1870年英国人廷德尔首先通过实验观察到光沿弯曲水柱传播的现象。1929年美国人哈塞尔制成石英纤维，但由于质量差，没能实际应用。50年代美国人卡帕尼和荷兰人冯西尔首先制成玻璃芯，解决了光学绝缘的难题。激光器的问世，纤维光学才真正得到飞速发展。1973年第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成。光纤通信进入了实际应用。现在以光导纤维为传导介质的传感技术已在医学、物理学、化学、通信、纺织、航空航天、电气、汽车、自动化等几乎所有工程领域和基础实验科学领域得到广泛使用。

4、光纤通信2/5/202376光纤通信在有线广播电视方面也大有可为。利用光缆构成电视网，能够传送几百几千套电视，使人们可以随意选择收看各种各样的电视节目，而且这种电视不受地形地物障碍的影响。此外，还可以迅速及时地传送电视报纸，可以进行电视教学。可视电话也是靠大容量的光纤通信系统实现的。在通话时，不但彼此能看到对方的音容笑貌，还能相互展示手中的照片及其他东西。亲人遥隔千万里，就像相聚在一起一样。可视电话还可以用于电话会议、医疗会诊、指挥生产等。2/5/202377光通信原理示意图2/5/202378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系统采用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发射机用的信号光源。应用于自由空间光通信（FSO）的激光器有850nm和1550nm两种.2/5/202379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收，照不到视网膜，可增大传输功率，适用于传输距离远的场合2/5/202380自由空间光通信（FSO）的优点快速链路部署—无需埋设光纤等待手续无需频谱许可证带宽高—支持150mb/s到10Gb/s的传输速率，传输距离2-4公里安全保密性强协议透明成本低—是光纤到楼的1/10到1/37便携性2/5/2023812/5/2023822/5/202383

卡拉OK音乐厅、镭射舞厅有一位极其重要的“配角”——激光，运用激光手段，增添信息，拓展时空，使丰富多采的节目更加令人回味无穷，可以说，艺术的成功，也与激光作为“配角”是分不开的，最常用的是能够产生红绿蓝3色的离子激光器。

目前，已出现独具特色的光子乐器，它和电子乐器相比也毫不逊色。激光光纤吉他，光导纤维作为吉他的琴弦，通过光信号的变化，可以演奏出极其美妙的乐曲。激光竖琴，更是别具一格，琴弦是由一台氪激光器和两台氩激光器产生的一排绚丽多采的竖直光束。琴师“拨奏”激光竖琴的“琴弦”——有节律地遮断光束，启动琴中的光电传感器，于是便奏出令人叫绝的乐曲。光子在音乐领域里的贡献远不止这些，从发展来看，光子乐器虽然是后起之秀，却大有后来居上之势。5、激光艺术2/5/2023842/5/202385激光不但是医生手中的手术刀，还是画家和雕刻家手中的光笔和雕刻刀。艺术家们利用激光束这得心应手的画笔和刻刀，在各种纸板、木板、石板、玻璃板和金属板上进行绘画和雕刻创作，可以借助于激光束的强度、聚焦和散焦的变化，创作出完美的独具风格和特色的作品来；还可以借助于计算机辅助设计技术，对所创作的作品进行修改。此外，激光还可以用来修复名画，使已经黯然的画面恢复其青春的光彩。2/5/202386人类要生存，第一需要是粮食。播下什么种子，就会有什么收获。现在，在农作物品种改良和新品种培育方面，人们利用激光处理种子，收到了明显的增产效果。通过对激光育种的生物学研究，发现在特定激光辐照作用下，产生光物理、光化学和光生物学效应，就会出现“染色体”变异，于是导致遗传性状的改变，而产生出新的品种。人们还用激光适当地照射蚕豆、玉米、萝卜、黄瓜和西红柿的种子，加速种子发芽，提高种子出芽率，促进农作物生长，使农作物早熟、抗病、增产。

6、五谷丰登——激光农业2/5/202387人们利用不同波长、不同剂量的激光进行试验，深入研究绿色植物光合作用的基本机理，深入研究从发芽直到成熟结籽的基本过程。人们采取适当波长和适当剂量的激光照射正在生长的农作物，促进农作物的光合作用，从而提高农作物的产量和品质。例如，用激光照射黄瓜秧和西红柿秧，秧子上的花数和果数都有增加，产量得到提高，果实里的糖分和维生素含量增加，品质显著改善。2/5/202388人们还利用激光研究农作物病虫害的防治。激光成为人们捕杀害虫和消灭病虫害的得力助手。人们利用激光向杂草开刀，除掉杂草，为禾苗出气，为禾苗助长。采用激光灭虫除草方法，比采取化学灭虫除草优越，避免了化学药物对大气、水源和土地的污染，而且不污染粮食、蔬菜和水果。激光是一种高效而清洁的灭虫除草方法。

激光在农副产品的储藏和保鲜方面，在对农作物收获进行预报和估产及其他方面，都有用武之地。激光在实现科学种田和农业现代化方面，将发挥越来越大的作用。2/5/202389利用激光绘制灾害图。激光测距仪向目标发射一束对人眼安全的激光束，以测量目标的距离和方位角。照到目标后再返回激光器，附在激光器上的计算机随即进行必要的运算。若将该激光测距仪跟一台全球定位系统相联，卫星接收器就会随时告诉操作人员所在的位置。系统操作人员可将激光器瞄准风暴灾害处，激光器将距离和范围内的信息送到全球定位系统，绘出灾害图，然后可迅速派遣有关人员前往救灾。另一套运行系统同记录计算机相连，操作人员能飞到邻域上空，将激光器对淮受灾地面建筑物，迅速绘出地图，可估计受损财产的价值。7、激光在环境方面的应用2/5/202390

激光检测大气含量，采用柏林自由大学的激光雷达对城市烟雾或酸雨进行了三维监视，已经测量出氧化亚氮、二氧化氮、二氧化硫，以及臭氧含量的两维和三维图。已经成功地绘出行星边界层海拔4km上下的水蒸气轮廓图，满足了气象应用的需要。2/5/202391激光加工原理与图片8、激光加工2/5/202392激光打孔2/5/202393激光-氧气切割金属2/5/2023942/5/202395激光加工2/5/202396激光焊接2/5/202397激光焊接2/5/202398激光焊接2/5/202399激光雕刻2/5/2023100激光雕刻2/5/2023101激光雕刻2/5/2023102激光雕刻2/5/2023103激光雕刻2/5/20231042/5/2023105激光雕刻2/5/2023106激光切割2/5/2023107激光切割2/5/2023108激光切割2/5/2023109激光切割2/5/20231109、激光在军事方面的应用激光测距激光雷达激光制导激光通信激光武器2/5/2023111①激光测距激光测距的原理：

通过向目标发射激光信号，根据激光信号往返于测点与目标之间所用的时间而求出距离的。2/5/20231122/5/20231132/5/2023114激光测距在军事上的应用激光测距在军事上可用于地形测量，战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹及卫星的高度等。2/5/20231152/5/2023116中国研制的激光测距仪2/5/2023117②激光雷达利用激光束搜索、跟踪和测量活动目标的装置叫激光雷达。激光雷达的工作原理和微波雷达相似，都是利用电磁波照射目标并接收回波的方法，发现、识别和指示目标的，只是工作波段不同。2/5/20231182/5/2023119激光雷达在军事上的应用武器鉴定试验、武器火控、跟踪识别、指挥导引、大气测量等。2/5/2023120③激光制导应用激光作为跟踪目标和传输信息的手段，将导弹、炮弹、航空炸弹等导向目标的技术。激光制导具有命中精度高、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到广泛应用，是精确制导武器的一种重要制导方式。2/5/2023121

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2/5/2023123战略反导激光武器2/5/2023124

④激光通信激光通信是把光作为传递信息的载体，通过把信息（音频信号）调制到光波上，经介质（大气、光缆等）的传输，将信息传至对方，再经接收终端解调，还原成声音而实现通信的。2/5/2023125⑤激光武器利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部分使之丧失战斗力的武器称为激光武器。2/5/20231262/5/2023127激光武器的杀伤机理1、是烧蚀效应2、是激波效应3、是辐射效应2/5/2023128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，机动灵活，使用范围广4、无放射性污染，效费比高

2/5/2023129激光武器的分类根据激光器输出功率的大小，激光武器可区分为低能激光武器和高能激光武器两大类。2/5/2023130低能激光武器低能武器主要指激光干扰与致盲武器，它是重要的光电对抗装备，主要用于干扰和致盲敌方的光电传感器和敌方官兵的眼睛。2/5/2023131激光致盲武器“军刀”(Saber)203的激光照明系统，主要用于照明、致盲和瞄准目标。该装置采用镍镉电池供电，工作波长为670纳米，功率400毫瓦，有效照明距离300米，重1.5磅，每枚电池可连续运行30分钟，100米处的光斑尺寸可在1～10米之间变化。2/5/2023132形形色色的激光武器激光枪2/5/2023133激光枪2/5/2023134

美研制步兵用激光武器2/5/2023135高能激光武器高能激光武器也称死光武器，它是借助于激光束的热能直接摧毁目标，可用于打击导弹、卫星、坦克、飞机等。2/5/2023136

2/5/2023137

2/5/20231382/5/20231392/5/2023140高能激光武器2/5/2023141

“响尾蛇”AIM-9系列空空导弹2/5/2023142

2015年美国空军将装备激光炮2/5/2023143形形色色的激光武器舰载激光武器2/5/2023144形形色色的激光武器机载激光武器2/5/20231452/5/2023146激光武器2/5/2023147激光制导2/5/2023148激光拦截2/5/2023149在军事上其他方面的应用激光技术在军事的应用除上述几个方面外，还包括：激光侦察、激光核聚变、激光计算机、激光陀螺等。2/5/20231502/5/20231512/5/202315210、激光在科技领域的应用（1）超快和超慢现象的研究超快现象：在微观世界很多现象是在极短的时间内发生的。如，热原子与分子的碰撞时间仅为皮秒，甚至更短。（光在一皮秒内仅移动0.3毫米）固体，液体中的能量转移；液体中的分子的快速化学反应；生物的光合作用；DNA能量转移;超高速光通信的光电转移等等。为了研究微观世界所发生的现象，就需要本身具有同样时间尺度的工具。2/5/2023153激光器发出的激光脉冲：皮秒；飞秒；阿秒。用超短激光脉冲启动和终止电信号制造比晶体管快的开关，可以极大地提高计算机，通信设备等半导体设备的工作速度，并减小它们的体积。2/5/2023154多普勒效应：如果波源与观察者之间有相对运动，则观察者接受到的波频率不同于波源的频率。速度越小频率的偏移量也越小，就要求用于测量的光具有极高的频率稳定性。激光可以观测每小时只有3毫米的超慢运动。如，观测珊瑚的生长，细胞的分裂等。超慢现象：频率的偏移量正比于物体的运动速度。2/5/2023155（2）光钳技术光的辐射压力：(彗星的尾巴总是背向太阳，被认为是太阳光的压力造成的。功率为毫瓦数量级的光，大约能产生皮牛量级的辐射压力。拾起一颗小小的图钉的力，大约是几百亿皮牛)激光辐射产生的皮牛量级的力恰好适于移动细胞和生物大分子。激光光钳示意图激光器聚焦镜样品池显微镜2/5/2023156光钳技术：

当用激光钳住一个细胞时，再用另一束较强的激光作为激光刀，对细胞进行手术。如，切下DNA或细胞膜，研究细胞功能的变化；钳住某种基因将其注入到植物细胞内，起到基因传递的作用等。激光钳与激光刀联合使用还可以实现基因的重组和重排，可以帮助完成“人类基因测序计划”。2/5/2023157（3）激光冷却和捕获原子技术获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温的方法就叫激光冷却。2/5/2023158多普勒冷却原理光波原子原子吸收光子动量减小原子共振吸收与其运动方向相对的光子，从基态过渡到激发态，其动量减小，速度也减小了。处于激发态的原子会自发辐射出光子而回到初态，得到与其运动相反的动量，但自发辐射的光子的方向是随机的，并不增加原子的速度，原子因而被减速，同时温度也降低了。对冷却钠原子的波长为589纳米的共振光而言，这种减速效果相当于10万倍的重力加速度！由于这种减速实现时，必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效应，故称为多普勒冷却。2/5/2023159

1985年贝尔实验室的朱棣文小组用三对方向相反的激光束照射钠原子，6束激光交汇处的钠原子团被冷却，温度达到240k。1997年朱棣文、达诺基和菲利普斯因此而获诺贝尔物理奖xyz光学粘团2/5/20231602/5/2023161激光核聚变装置2/5/20231622/5/20231632/5/20231642/5/2023165

做饭、取暖要烧煤，汽车、飞机要用油，照明、家电设备和开动机器都需要电、煤、石油、天然气等矿物燃料及各种发电手段，热电、水电、核电是人类生存和社会进步不可缺少的能源。

原子能是最富魅力的新能源。原子能的利用，可以分为两类：一类是利用中子轰击铀原子核，使铀核分裂成为两块，释放出裂变能；另一类是使氢的两种同位素氘和氚核聚合在一起，释放出聚变能。核聚变反应释放出的能量要比核裂变反应释放出的能量大得多。核裂变反应可以用于制造原子弹，也可以用于建造核电站。五、激光技术诱人的前景(1)创造一个新太阳2/5/2023166

核聚变并不陌生：氢弹爆炸就是一种核聚变反应。但是，氢弹爆炸的巨大能量是在一瞬间释放出来的。氢弹爆炸式的核聚变反应，简直就是无羁的“核野马”，一发而不可收拾。这种核聚变产生的能量是人力无法控制、无法应用的。那么，怎样才能使“核野马”驯服，使它在人的控制下老老实实地工作呢？科学家们的目标是：实现受控核聚变。

用什么来“点火”——怎样才能满足受控热核聚变的条件呢？人们想到了强磁场、电子束、离子束等种种办法，但最有希望的要数高功率激光了。高功率激光技术是实现激光受控核聚变的关键，各国科学家都在这方面倾注全力攻坚。

受控核聚变一旦实现将首先用于建造新型的聚变类型的核电站。激光受控核聚变将是人类的既安全又清洁、取不尽用不完的新能源。它的实现，等于人类创造出一个新太阳！2/5/2023167

自从世界上第一台激光器问世至今，激光已涉足于许多科学学科和技术领域，并分化出不少重要的分支学科和交叉学科，激光技术、纤维光学和集成光学，也打开了光计算机的信息传输、存储和处理的时代的大门。

光计算机给人们带来了美好的希望。电子计算机发展到今日，却始终没有脱离电子学的范畴，运算速度和存储容量均已不能满足突飞猛进发展的科学技术的需要。集成光学和激光技术为研制运算速度极快、存储容量极大、使用稳定可靠的光计算机提供了基础条件。光模拟计算机在几分钟里就可以完成电子计算机几天才能完成的工作量。现在，科学家们正在向特高运算速度和特大信息存储量的光数字计算机进攻。(2)迎接光子时代的到来2/5/2023168

纤维光学是研究光学纤维传光理论及制造的一门新学科。光学纤维已发展成为一种新型的光学元件，应用于光纤通信、光学窥视、某些特殊激光器和新型光学系统之中。光纤通信具有容量巨大、抗干扰能力强、保密性好、节省有色金属和适用范围广泛等特点，逐步发展成为大容量、远距离通信的重要手段，必定成为未来通信事业的主角。

光子学作为一门新学科必将迅速发展起来，同时，还将促进其他学科的发展。一些新学科将不断涌现出来，如光子物理学、光子化学、光子生物学、光子医学等等。

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光子科学技术不断出现的新成就，对现代化社会的影响是无法估量的。到那时，天上飞的是用光子充填燃料的宇航飞机，地下跑的是光子发动机驱动的各种车辆，家庭里用的是多种多样的光子器具，军队装备的是各式各样的光子武器……如同今天的煤、油、电一样，光子科学技术将渗透到整个社会肌体的各个部位，成为人类生产和生活中不可缺少的东西。2/5/2023170

未来的家庭，将是光子化的家庭。在你的家庭里，你只要按动那台用集成光学元件制造的终端设备，激光信号就会通过光学纤维构成的光缆网络联系于办公室、商场、电台……你可以通过面前的荧光屏，同千里之外的亲人会晤，和办公室里的同事交谈，跟商场里的售货员定货，向图书馆索取有用的资料，以及阅读新闻、科技情报。在你的家庭里，你的光智能计算机是你的忠实仆人，控制着空调设备调节室温，控制家用电器来烹调食物、开窗关门、清扫房间。茶余饭后，你坐在舒适的沙发上，可以用手中的微型光控器，打开面前的光视机，观看光纤传来的丰富多采的全息彩色光机节目，那是立体的景象，真实的景象！到那时，电子将让位给光子，光子将成为人类的第一助手，处处为人类服务。人类将生活在一个崭新的光子时代里！2/5/2023171

“嫦娥奔月”、“牛郎织女”、“孙悟空大闹天宫”……在我国，流传着多少关于“天宫”的神话故事；现代的中外科幻小说或电视剧目，更是不乏有关太空城市与生活的描写。当然，人类是不会停留在神话故事、科学幻想里面的。人类正在创造条件，现代科学技术的各个领域，正在突飞猛进地发展，人类终有一天会建立起“太空城”、“太空村”，到那里去进行科学实验，制造新材料和新产品。

太空里有地球上所不具备的或很难获得的实验条件，如低温、真空、失重和无菌等。在那样的特殊条件下，一些物质将具有优异的特性，一些实验会呈现出异乎寻常的现象，因而给科学技术带来新的突破，使人类获得新的生产力。(3)太空城里创大业2/5/2023172

人们在“太空城”里工作和生活，第一需要是氧气，怎么样把氧气输送到遥远的“太空城”里去呢？我们看到，自来水管把水送到千家万户，煤气管道将煤气送进每家每户。那么，采用什么管能把氧气或其他气体从地球输送到月球的或其他的“太空城”、“太空村”里去呢？科学家认为，将来，激光有可能成为行星距离间输送氧气及其他气体的有效管道。这可真是科学发达，无奇不有，光还能成为“管道”！到太空去工作和生活，这一天已经为期不远了。到那时，人们在“太空城”里办工厂，在“太空村”里种果菜，好一派生机盎然的喜人景象。2/5/2023173

对未来的宇宙飞船，科学家们作出种种设想，如量子飞船、光子飞船、原子能飞船、太阳帆飞船、等离子体飞船等。太阳帆飞船是麦克斯韦提出的预言，它是以太阳

的压力为动力，太阳光线就好像“宇宙风”一样，推动着宇宙飞船的“船帆”而使飞船前进。

自从方向性极强的激光问世以后，科学家们又预言：激光可以作为未来宇宙飞船动力。如果太阳光线能够给宇宙空间里自由飘荡的物体加速的话，那么，激光这样强大的辐射光束也完全可能给宇宙飞船加速。科学家们认为，实现激光动力飞船的可能性，不会比实现前面设想的种种飞船的可能性小。从物理学的观点来看，各种发动机无非是利用反作用力，激光发动机的反作用力能由具有质量的光子产生。(4)未来的宇宙飞船2/5/2023174

美国着手研究以激光为动力，推进航天飞行器的飞行，已经取得卓有成效的结果。激光航天飞行器实际上就是激光飞船，它以激光为动力往返于地面与空间轨道站飞行，来回运送人员和器材，实现空间研究和制造。它起飞像火箭，垂直而起；返回大气层时又像飞机一样，滑翔到地面作水平着陆。它不需要火箭发射，也不使用火箭燃料，费用低廉，其发射费用仅为航天飞机的0.1％，每公斤有效载荷6-9美元。

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