神奇的激光教材

神奇的激光

—激光应用简介郭笑天xiaoaosky@

电话riday,June28,20241激光（LASER）

Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。一、激光发展简史二、激光的特点三、激光基本原理四、激光器分类五、激光的应用1960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。同年He－NeLaser出光（贝尔实验室Javer）一、激光发展简史美国休斯公司实验室梅曼演示的波长为694.3nm的激光1963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+）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经典理论预言了锁模效应的存在1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。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共有10位.C.H.TownesA.M.ProkhorovTheNobelPrizeinPhysics1964N.G.Basov1961年8月中国第一台红宝石激光器问世长春光学精密机械研究所1987年6月1012W大功率脉冲激光系统神光装置在上海光学精密机械研究所研制成功神光I2008年神光II经过全面验收神光III我国激光发展简史神光II高功率激光实验装置研制成功中国科学院院刊/html/Dir/2005/04/05/6955.htm神光II多功能高能激光系统研制项目通过验收

/html/Dir/2008/12/26/16/32/45.htm目前神光III研制成功，确实值得庆祝，它至少表明我国在高能激光的研究上又取得了重大进步。但希望朋友们不要盲目乐观，能够保持清醒的头脑。神光III不是武器系统，仅神光III占的面积就有几个标准足球场那么大。二、激光的特点1.单色性好2.方向性好3.相干度高4.能量集中1.单色性好单色性最好的氪灯Kr86Δ

=4.7×10-3nm

稳频He—Ne激光器

激光的单色性比普通光高倍.一束激光射到~38万km的月球上，光斑的直径只有~2km手电筒的光射到~m处，扩展成很大的光斑。利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.1.方向性好（发散角～10-4弧度）3.相干性好空间相干性好，有的激光波面上各点几乎都是相干光源时间相干性好（

～10-8埃），相干长度可达几十公里4.能量集中-----脉冲瞬时功率大（可达～瓦）激光的颜色非常单纯，且只向一个方向发光，亮度极高太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光和热。在工业上，激光打孔、切割和焊接。医学上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，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器

三、激光原理1.产生激光的基本条件2.激光器的组成

1.产生激光的基本条件:

2

要使受激发射光强超过受激吸收,必须实现粒子数反转。方法:利用外界激励能源,把大量粒子激励到高能级。

破坏热平衡,实现粒子数反转。

3.要使受激发射光强超过自发发射),必须提高光子简并度。方法:利用光学谐振腔造成强辐射场,以提高腔内光场的相干性。1.能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质2.激光器的主要组成部分及其作用

(1)工作物质(又称激活媒质或增益介质):粒子有适当能级结构,可实现粒子数反转(2)激励能源:抽运(又叫泵浦),即把大量粒子激励到激光上能级(高能级)

(3)光学谐振腔:选模(提高即相干性),实现光学正反馈要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：全反射镜半反射镜实物图激光工作物质激光工作物质全反射镜半反射镜工作原理：out光放大原理四、激光器的分类按工作波段分类远红外、红外激光器可见光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按运转方式分类连续激光器脉冲激光器超短脉冲激光器按工作物质分类固体激光器气体激光器液体激光器（染料）半导体激光器1.固体激光器固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。固体激光器激光脉冲特性一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1

1)

m，各短脉冲之间的间隔约为(5

10)

s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。固体激光器的主要工作介质红宝石晶体掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)钕玻璃图5-1固体激光器的基本结构示意图2.气体激光器氦-氖(He-Ne)激光器二氧化碳激光器Ar+离子激光器He-Ne激光器实物图封离式激光器结构示意图分段石墨结构激光器示意图

激光器的结构一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。右图为石墨放电管的分段结构。3.液体激光器

最常见的液体激光器是以有机溶液为工作物质的染料激光器。与大多数固体和气体激光器经长期努力而后发明形成对照的是，这种激光器的发明颇具偶然性。1962年，休斯公司实验室研究人员伍德布利（woodbury）等用液态硝基苯染料盒对红宝石激光器进行调q实验时，首次观察到染料盒引起激光波长漂移的现象。4年以后，美国国际通用机器公司（IBM）的科学家皮特·索罗金（peter

solokin）和约翰·兰卡德（john

lankard）发现了有机染料溶液产生激光的关键机制，染料激光器作为最主要的液体激光器，从此得到迅速发展。染料激光器特点工作波长可以调谐既可脉冲方式工作，亦可连续和锁模方式工作锁模工作时，在腔内有色散光栅的情况下，已经得到脉宽只有6飞秒的输出，这是目前最窄的脉冲主要应用于要求窄带可调谐或超快光脉冲的场合4.半导体激光器GaAs激光器的结构二战后，半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们设想发明半导体激光器。

1962年7月固体器件研究国际会议上，麻省理工学院林肯实验室的两名学者Keyes和Quist报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师Hall的极大兴趣。回家后即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗获得成功。半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与二极管类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。

半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。

除以上外，还有准分子激光器、自由电子激光器、化学激光器。五、激光的应用

40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。1.激光军事应用2.激光加工技术3.激光在医学上的应用4.激光在科技前沿问题中的应用1.激光军事应用

激光在军事上的应用涉及到了雷达、测距、定向能武器、导弹、航空航天、电子对抗等方面。除军事应用外，这些技术也能同样应用于民用。

1.1、激光武器

由于强激光束具有很强的烧蚀作用，因而可以破坏制导系统、引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导弹和破坏雷达、通信系统等。激光武器的威力强大，命中率极高，是真正意义上的“杀手锏”。目前美国已研制出机载（ABL）和车载激光武器。当激光能量不高时，主要使敌方人员致盲和使某些光电测量仪器的光敏元件受到破坏甚至失效，或可用来在城市、森林大面积点火。美国雷神公司制造“百夫长”激光炮波音公司另外研发的一款可以安装在悍马车上的激光防空武器1.2、激光制导

激光制导具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单等优点。其主要制导方式有半主动制导、主动制导、波束制导。激光制导可同时攻击多个来袭目标，即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标。著名的英－阿马岛战争中，英国就曾经使用了激光武器对付阿方飞机，导致飞行员失明而机毁人亡。在反坦克、反潜艇中，激光致盲武器也有很大发展潜力，对准潜望镜入口发射激光，就会把在用潜望镜观看外部情况的敌方人员的眼睛损伤，坦克和潜艇也就失去作战能力。侦察卫星靠装在其中的各种光电传感器侦察地面目标，如果用激光束照射其中的光电传感器也会使侦察卫星变为"瞎子"。1.3、激光测距与激光雷达(Lidar)

激光测距与普通测距相比，具有远、准、快、抗干扰、无盲区等优点。激光测距在常规兵器中已广泛应用，正在逐步取代普通光学测距手段。

雷达分辨率与波长有关，波长越小，分辨率和精度越高。激光雷达在高精度和成像方面占有优势，其分辨率可达厘米甚至毫米级，比微波雷达高近100倍；测角速精度，理论上比微波雷达高一亿倍以上，现在已做到高1000~10000倍。军用激光雷达最成功的应用是辅助导航，特别是速度计。激光速度计可给机载导航计算机提供超精度测量，其测速误差可达0.5mm/s。激光雷达最适于远距离高分辨率成像。

90年代初林肯实验室改造“火池”激光雷达，成功的跟踪800km外的再入飞行器诱饵的多普勒图像。随后又研制了一台Nd:YAG激光雷达，也精确跟踪了火箭和卫星。激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在"盲区"，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补足。1.4、激光陀螺

激光陀螺利用光的多普勒效应来精确测量飞行器、舰船的转速，从而实现导航。相比普通机械陀螺，激光陀螺精度提高了上百倍，而且体积更小。激光陀螺广泛应用于导航、定位及航空航天中。1.5、激光侦察对抗

激光侦察在军事上占有十分重要的地位。利用激光技术进行多光谱摄影(全息摄影)，可以识别伪装目标。由于各种物体对各种光的吸收和反射能力不同，可以在底片上引起不同感光反应而实现对目标的侦察。海湾战争中，美国曾利用这一技术，发现了伊拉克严密伪装在树林里的坦克和导弹发射架。

激光对抗可对激光测距进行欺骗，使其无法测定其真实距离或使导弹改变弹道。激光对抗还可对激光进行干扰。美国陆基战略级激光反导反卫武器机载激光雷达系统的原理图(来源：武汉市科学技术局)

唐家山排险三维图立功头号悬湖绝版“险景”武汉绘中国武警士兵试用激光枪中国特种部队培训如何使用小型激光设备激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。目前使用的激光器有YAG激光器，激光器。

2.1激光焊接汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。2.激光加工技术2.2激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。也用半导体泵浦激光器。2.3激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用。2.4激光打孔：主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由几年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。2.5激光热处理：广泛应用在汽车工业中，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。2.6激光快速成型：

将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。2.7激光涂敷：

在航空航天、模具及机电行业应用广泛。2.8激光清洗：在很多领域发挥着重要作用，并且在汽车制造、半导体晶圆片清洗、精密零件加工制造、军事装备清洗、建筑物外墙清洗、文物保护、电路板清洗、精密零件加工制造、液晶显示器清洗、口香糖残迹去除等领域均可发挥重要作用。随着激光器制作工艺的不断改进，特别是激光的传导输出方式和它有效的输出功率，使医生的梦想变为现实。低功率激光治疗不再局限于体表的照射，光针穴位照射和血管内照射在临床已很多。高功率的激光手术刀，由表面的切割气化进入内窥镜手术，使病员免受常规手术的痛苦；激光光敏诊断及光动力学治疗为肿瘤的诊治开辟了新的途径；激光角膜成形术、激光血管成形术、激光心肌打孔术成为当前重要的应用课题；中红外激光的医学应用，以及用X波段光的来揭示人类生命奥秘，高速定序DNA分子结构,将掀起一场体视和显微成像的革命。另外,激光美容也给爱美之士提供了新的选择!光子嫩肤,激光祛斑………3.激光在医学上的应用3.1.激光在外科中的应用利用高功率激光开展激光手术,包括切割、汽化、贯通组织、烧灼止血、凝固封闭血管和吻合焊接神经、血管等.利用低功率激光照射产生的生物刺激作用治疗各种炎症和促进创口的愈合;通过光导纤维将激光送入消化道、胆道、尿道和腹腔内进行各种治疗.3.2.激光在皮肤科中的应用我国应用激光治疗皮肤病已有30余年,由于体表组织浅显,易于观察、操作和便于对照、研究,而且疗效很好,激光在皮肤病的治疗中占有突出的地位.皮肤科常用的激光有Nd:YAG激光、

激光、He-Ne激光和氩激光.目前,激光可用于治疗数十类百余种皮肤病,如:疣与疣状痣及其它皮肤赘生物、血管瘤及黑色素性皮肤病、皮脂腺囊肿、汗管瘤和皮肤溃疡等.3.3激光在妇产科的临床应用20多年来,国内已将

激光用来治疗多种宫颈疾病,如宫颈炎、宫颈息肉和宫颈瘤等,还将低功率氦氖激光用于穴位照射治疗痛经、输卵管炎性不孕症和矫正胎位.3.4激光在眼科中的应用已知激光视网膜剥离凝固术(1961年)是开激光医学的先河.目前,在眼科领域中,国内各级医院也广泛利用高能激光手术治疗视网膜剥离、切割虹膜和治疗青光眼等,利用低能激光照射穴位治疗假性近视等各种眼病.打激光，红光所在点为对焦（准分子激光是红外光）3.5激光在耳鼻喉科中的应用目前,国内已将激光用于治疗多种耳鼻喉科疾病.如采用高功率激光施行耳鼻喉科手术,或用低功率激光局部或穴位照射治疗急、慢性炎症.咽鼓管功能障碍,导致中耳积液,对其治疗有多种方法,但传统的方法有时往往难以立即奏效,疗程又长,而激光方法的应用开辟了一条新的治疗途径,并取得良好的效果.采用激光治疗喉部良性病变具有汽化和凝固效果好、易被组织吸收、穿透深度浅、对周围组织损伤小、手术时间短、具有多种治疗模式选择等优点,具有独特的临床治疗特点,已在喉部乳头状瘤、声带小结、声带息肉、声带白斑等喉部良性病变治疗中广泛采用.

3.6激光在内、儿科中的应用国内学者主要采用低功率激光局部或穴位照射产生的生物刺激效应治疗高血压、支气管哮喘、神经痛和婴幼儿腹泻等疾病,有些大医院还用经光纤传输的高能激光打通动脉粥样硬化所致的闭塞血管.激光照射穴位是以低强度激光束直接或聚焦照射穴位代替传统的针刺,使局部组织的分子、原子吸收能量后,刺激穴位处的神经,使之产生神经冲动,经过神经、神经——体液、经络等途径调节机体功能.现代实验研究,证实低功能He-Ne激光穴位照射可增强细胞免疫功能,当低功率He-Ne

激光作用于经络穴位系统后,中枢及外周的阿片肽系统均参与了免疫调节过程.3.7激光在口腔科的应用目前,国内已广泛采用激光防龋,激光光动力学治疗口腔颌面肿瘤,采用激光治疗牙本质敏感症及口腔各种炎症.3.8激光在肿瘤科的应用国内已广泛将高功率激光用于施行肿瘤切割、汽化和凝固等激光手术,如皮肤恶性肿瘤、肺癌、晚期食道癌等激光手术.利用激光荧光诊断肿瘤或光动力学方法治疗恶性肿瘤;采用低功率激光照射治疗肿瘤术后感染.在肿瘤学上常使用光敏剂和单色光辐射来治疗癌症———即光动力疗法(PDT).

基于光致敏物质的光动力疗法的应用可追溯到上个世纪的七十年代.1976年Kelly和Snell报道了在人类膀胱癌病中第一次对用光致敏物质做的内窥镜的应用.1994年我国曾超英等人用PDT在B超引导下对肿癌进行治疗,开始了PDT介入性治疗的新时代.目,PDT可用于肺癌、食道癌、宫颈癌及膀胱癌、皮肤癌等的治疗.PDT进入脑瘤的治疗也已进入了临床试验阶段.PDT：机体接受光敏剂后一定时间，肿瘤组织摄取和存留的光敏剂较多，经特定波长的光照射，在生物组织中氧的参与下发生光化学反应，产生单态氧和/或自由基，破坏组织和细胞中的多种生物大分子，最终引起肿瘤细胞死亡，达到治疗目的。3.9激光在中医科的应用低功率激光穴位照射即所谓的激光针灸,由于安全、有效,无创痛,已在临床上广泛应用.江西中医学院教授魏稼提出了“无创痛针灸学”,将激光与中国传统医学有机结合起来,且与西医关于低功率激光的生物刺激作用相吻合.目前,国内已将激光针灸用于治疗内、外、妇、儿五官、口腔、皮肤、神经及精神各种疾病200多种,具有肯定的疗效且优于传统针灸.4.1激光核聚变4.激光在科学技术前沿问题中的应用

“国家点火装置”位于加州，投资约合24亿英镑，占地约一个足球场大小。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力。“国家点火装置”由192个激光束组成，产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的60倍。2010年，192束激光将被汇聚于一个氢燃料小球上，创造核聚变反应，打造出微型“人造太阳”。1999年6月，吊装直径10米的靶室

(NationalIgnitionFacility）劳伦斯利弗莫尔国家实验室鸟瞰图当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。激光束进入国家点火装置的一个小目标球的艺术概念图，它会引起核反应4.2激光冷却(lasercooling)和微粒操纵

激光冷却利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。人们发现，当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来，两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。1985年美国国家标准与技术研究院的WilliamD.Phillips和斯坦福大学的朱棣文首先实现了激光冷却原子的实验，并得到了极低温度(24μK)的钠原子气体。他们进一步用三维激光束形成磁光阱将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却，获得了更低温度的"光学粘胶"。之后，许多激光冷却的新方法不断涌现，其中较著名的有"速度选择相干布居囚禁"和"拉曼冷却"，前者由法国巴黎高等师范学院的ClaudCohen-Tannodji提出，后者由朱棣文提出，他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。朱棣文、柯亨-达诺基和菲利浦斯三人也因此而获得了1997年诺贝尔物理学奖。激光冷却有许多应用，如:原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。朱棣文得知获奖后与妻子拥抱时任美国能源部部长的朱棣文4.3激光化学传统的化学过程，一般是把反应物混合在一起，然后往往需要加热(或者还要加压)。加热的缺点，在于分子因增加能量而产生不规则运动，这种运动破坏原有的化学键，结合成新的键，而这些不规则运动破坏或产生的键，会阻碍预期的化学反应的进行。

但是如果用激光来指挥化学反应，不仅能克服上述不规则运动，而且还能获得更大的好处。这是因为激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，

十分精确和有效地把能量打在分子身上，触发某种预期的反应。