激光原理及应用.ppt

激光原理及应用 组长 陈佳成员 周正琴 周聪 周成旭 王帅 周秀晴 教材选用 激光原理及应用 电子工业出版社 激光原理与技术 高等教育出版社 激光原理 浙江大学出版社 激光原理与激光技术 北京工业大学出版社 课程内容 激光介绍激光的历史激光的基本原理激光的特性激光的发展与未来激光的简单应用 激光的简介 激光 激光的最初的中文名叫做 镭射 莱塞 是由受激发射的光放大产生的辐射的光 英文名 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation简称 Laser 表示 辐射的受激发射的光放大 激光的历史 1958年 贝尔实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 1960年 美国加利福尼亚州修斯航空公司实验室的研究员梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器 1965年 第一台可生产大功率激光的器件 二氧化碳激光器诞生 1967年 第一台X射线激光器研制成功 1997年 美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器 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 激光的产生 产生激光需要三个条件 一要具有适当能级结构 能产生受激辐射光放大的工作物质 激光物质 二要使激活物质发出激光的能源 激励能源 三要有一个维持光振荡的谐振腔 光学谐振荡 1 粒子数反转受激辐射是产生激光的基础 但是当能量为hv En Em的光子在物质中传播时 通常有两种过程 一方面可能引起受激辐射 形成光放大过程 另一方面 由于存在光吸收 处于低能级Em上的原子可能吸收光子跃迁到高能级En上去 从而使物质中传播的光子因吸收而减少 光放大和光吸收这两个过程在物质中是同时发生的 光放大会使光子数增加 光吸收会使光子数减少 这两个过程究竟哪个占优势 取决于处于高能级En的原子数和处于低能级Em的原子数 若处于En的原子数多 则受激辐射的光放大占优势 反之 则光吸收占优势 因此 要形成激光 必须使受激辐射占优势 通常 在具有一定温度的物质中 处于高能级En的原子数目恒少于处在低能级Em的原子数目 此时光吸收将占优势 为了实现光放大 只有通过外界能源 如采用气体放电或光辐射 的诱发 将低能级上的原子激发到高能级上去 使某个高能级上的原子数多于低能级上的原子数 这种状态叫粒子数反转 因此粒子数反转是实现光放大的必要条件 为了使工作物质实现粒子数反转 除了要通过外界激励 还必须选取能够实现粒子数反转的激光物质 它们可以是气体 液体或固体 但并不是所有物质都可以实现粒子数反转的 我们知道 原子可以长时间处于基态 而处于激发态的时间一般是很短的 约为10 8 s 所以激发态是不稳定的 除基态和激发态以外 某些物质还具有亚稳态 具有亚稳态的工作物质就能实现粒子数反转 2 光学谐振腔使激光物质处于粒子数反转分布 只能产生光放大 还不能获得激光 因为光放大后的受激辐射从整体上看也是随机的 并不能获得频率 位相 传播方向和振动方向都完全相同的激光束 要获得激光 还必须有一个光学谐振腔 在激光物质的两端安置上两个相互平行的反射镜 就组成了光学谐振腔 它能从各种各样可能的光信号中选取一种特定的信号消除 所以光学谐振腔对激光的形成和激光束的特性有着重要的影响 谐振腔的形状和构造有很多类型 如图所示 两反射镜除要求严格平行外 其中一个是全反射镜R1 另一个是部分透光反射镜R2 谐振腔的主要作用是使那些沿管轴方向传播的光子能够在反射镜之间实现多次来回反射 且不断激发处于粒子数反转状态上的工作物质 而得到光放大增强 其中一部分从R2输出 凡是偏离管轴方向的光子 经过若干次反射 就会溢出管外而被淘汰掉 所以谐振腔对光束具有选向作用 它使受激辐射集中于特定的方向输出 使激光光束具有方向性好的特点 此外谐振腔还具有稳定输出强度的作用 且有选频作用 故能提高输出光束单色性等优点 激光的特性 1 方向性好激光几乎是一束平行光 如把激光束射到距地球38万千米的月球上 光束扩散的直径还不到二千米 而对于普通光源 即使是具有抛物形聚焦反射面的探照灯 它的光束在几千米之外也要扩散为几千米的直径 2 单色性好就是颜色极纯 如He Ne激光器输出激光的波长为632 8nm 其频率宽度为0 1Hz 而普通光源的频率宽度10 7 10 9 Hz 由此可知 激光的单色性比普通光高10 8 10 9 倍 3 相干性好由于激光是受激辐射产生的 它是相干光束 激发的空间相干性和时间相干性都很好 4 能量高度集中由于激光束方向性好 可使激光的能量高度集中而获得极强的输出功率 激光器连续输出功率可达10 4 10 5 W量级 脉冲输出功率可达10 13 10 14 W量级 由于激光束发散角很小 它照到物体上只形成很小的光斑 所以单位面积上的辐射能很高 即激光束的能量在空间高度集中 在千分之几秒内可以熔化或汽化各种材料 如图所示 激光的发展与未来 激光是20世纪60年代的新光源 具有方向性好 亮度高 单色性好和高能量密度等特点 以激光器为基础的激光工业在全球发展执着迅猛 现在已广泛应用于工业生产 通讯 信息处理 医疗卫生 军事 文化教育以及科研等方面 据统计 从高端的光纤到常见的条形码扫描仪 每年和激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元 根据早先报道 世界激光器市场可划分为三大区域 美国 包括北美 占55 欧洲占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 当前 国内激光市场主要分为激光加工设备 光通信器件与设备 激光测量设备 激光器 激光医疗设备 激光元部件等 其产品主要应用于工业加工和光通信市场 两者占据了近7成的市场空间 据统计 我国已经有200余家激光相关企业 主要位于湖北 北京 江苏 上海和广东等经济发达省市 这些地区年销售额约占全国激光产品市场总额的90 我国激光行业已形成以上述省市为主体的华中地区 环渤海 长江三角洲和珠江三角洲四大激光产业群 未来 国内激光产业发展也将更为集中 随着激光技术的进步 中国激光行业必将获得快速的发展 未来五年 我国激光市场在相关产业的带动下 将会以20 左右的速度发展 至2015年 我国激光应用领域将形成以激光加工 激光通信 激光医疗 激光显示 激光全息等为产业的激光产业群 行业发展前景十分看好 激光未来现代社会中 信息的作用越来越重要 谁掌握的信息越迅速 越准确 越丰富 谁也就更加掌握了主动权 也就有更多成功的机会 激光的出现引发了一场信息革命 从VCD DVD光盘到激光照排 激光的使用大大提高了效率 以及方便人们保存和提取信息 激光革命意义非凡 已成为全球最具竞争力和吸引力的经济体之一 中国拥有巨大的内需潜力 只要发展国内需求 经济可望持续高速 目前 中国提升装备制造业水平 推进产业结构优化升级的需求依旧十分紧迫 作为关键支撑技术的激光技术与产业仍有较大发展空间 激光制造设备技术将在信息 能源 交通运输 电子 冶金 机械等支柱产业中会得到更深入的应用 进而提高这些行业的自主创新能力 形成新的经济增长点 在提高市场竞争力中发挥重大作用 激光的应用 激光在各技术领域都广泛应用 1 激光加工利用激光的能量高度集中的特性 可以用激光进行精密加工 功率较大的脉冲激光器发出的激光 能在透镜的焦距附近产生几千度甚至几万度的高温 足以熔化以至汽化各种金属及非金属材料 可用于钻孔 焊接 切割等 在医学上 可用激光作为手术刀 在军事上 激光可用来拦截导弹 2 激光计量由于激光的单色性好 利用激光作为光源的干涉仪 其测量精度和测量长度都大大提高 激光波长被用作为长度的标准 其周期被用来作为时间的标准 以进行精确测量 利用激光方向性好 亮度高的特性 可以制成激光测距仪 据了解 用此法测得的地球表面至月球表面的距离 精度可达5cm 3 激光通信由于光波频率远比无线电波的频率高 所以 以光波为载波的激光通信 可以容纳更多的信息量 特别是1970年以后 研制低损耗光纤技术有很大突破 加之新型的适用于光学纤维低损耗区的长波半导体激光器已问世 所以激光光纤通信即将开出绚丽的花朵 它具有传输量大 清晰 功率损耗小 抗干扰能力强 保密性等一系列特点 4 激光武器用大功率激光聚焦以后的强大破坏力 可以作为武器摧毁对方飞机 导弹 卫星等 激光制导炸弹是用激光寻找 追击目标的炸弹 5 激光核聚变利用激光能量在空间 时间上可以高度集中的特点 将大功率激光照射在聚变物质上 可使它短时间内受到巨大的压缩并产生高温实现核聚变反应 此外 激光在作物发育 生物遗传工程 分离同位素 激光全息 激光照排印刷以及激光光阀大屏幕显示等方面的应用也都显示出诱人的前景 激光在医学上的应用 激光诊断 手术和治疗 激光层析造影激光荧光诊断光动力学治疗 PDT 技术激光心脏打孔激光光纤内窥镜手术 激光武器的应用 激光武器用于杀伤敌重武器装备时 需要较高的能量 通常称为高能激光武器称激光炮 目前美国已研制出机载和车载激光炮 激光炮的威力强大 命中率极高 由于强激光束具有很强的烧蚀作用 幅射作用和激光效应 因而对武器装备具有很大的破坏力 激光武器可以破坏制导系统 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 激光摧毁卫星可由地面 空中和空间进行 目前一个激光器的能量还无法将高轨卫星摧毁 但能用几个激光器同时对准1颗卫星进行攻击将其摧毁 空间激光反卫星是将激光器装在卫星或航天飞机上 攻击对方的卫星 空中激光反卫星是将激光器装在飞机上攻击卫星 它可克服地面发射激光攻击卫星的许多缺点 但不如航天器攻击卫星那么理想 因航天器比飞机平稳 没气流和飞行振动的干扰 激光的能量可充分发挥 激光测距与激光雷达激光测距的原理如同微波雷达测距一样 但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 有取代普通光学测距的趋势 第一代红宝石激光测距 隐蔽性差 发红光 对人眼有损伤 且效率低 已淘汰 第二代YAG激光测距已广泛使用 但对人眼也有一定损伤 目前正在研发第三代CO2气体或固体激光测距 对人眼无伤害 将逐步取代第二代激光测距 激光雷达与微波雷达相似 用窄激光束对某一地区进行扫描 并得出雷达图 随着有关器件和技术的发展 激光雷达在高精度和成像方面占有优势 其测距精度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 火他 CO2激光雷达 成功的跟踪800km