激光技术应用(1).ppt

内容主要选自 邓锡铭 雷仕湛 激光技术 激光技术讲座 湛江师范学院物理与科学技术学院 激光技术的应用 一 主讲 陈冠英 2010 3 激光技术的应用 一 激光精密计量 二 激光信息处理 三 激光加工 四 激光能源 五 激光医学 六 激光农业 七 激光武器 八 激光与基础科学 激光的特性 方向性极好的强光束 准直 测距 切削 医学 武器 核聚变研究等 相干性极好的光束 精密测厚 测角 全息摄影等 单色性极好且频率可调的光束 高分辨激光光谱 研究原子 分子结构 超强 超快的激光脉冲 时间分辨 超快过程激光光谱学 激光原理 1 粒子数反转 四能级系统 2 光学谐振腔 激光原理 受激辐射 三能级系统 一般情况 数量级估计 T 103K kT 1 38 10 20J 0 086eV E2 E1 1eV k 1 38 10 23J K 1eV 1 6 10 19J l c v hc E2 E1 1 24mm 如 氢原子 基态能量 13 6eV 第一激发态能量 3 4eV 一 激光精密计量 1 激光长度基准 激光有很好的单色性和相干性 用它作计量检测 能获得很高的计量精度 且测量方便快捷 1983年第17届国际计量大会通过长度单位米的新定义 lm是光在1 299792458秒内在真空中行程的长度 在重新定义米之后 只要精确测量激光的频率v0 再通过定义的光速值就可导出波长 即 由此复现长度单位米 2 激光长度测量 随着机床 自动制图机 掩模制作机 集成电路制作机等工作机械大型化 精密化 数值控制化的发展 需要长尺子并以很高精度确定其位置 利用光的干涉方法能进行精密长度定位 但是 有效量程受单色性限制 最大量程Lmax为 激光有极好的单色性 用它计量的有效量程就大得多 比如 用特制氦一氖激光器输出的红光 632 8nm 最大量程可达20km 把激光器输出的激光在干涉仪中分成两束 一束在干涉仪中走过固定路程 另一束射到靶棱镜后反射回干涉仪 光靶棱镜相对于干涉仪移动时 这束光的光程发生变化 两束光会合之后发生干涉 生成干涉条纹 当靶棱镜移动半个波长时 干涉图上发生一条条纹的移动 干涉仪和生产设备一起使用 已见于许多数字控制机械和其他精密测长工作 测量精度很高 测l米长度误差为百分之几微米 数出通过参考点的干涉条纹移动数目N 由此可得到移动的长度L 3 激光测距和测速 用光学方法可以方便而又迅速地侧出远方目标距离 测量精度也非常高 因为光子运动速度是一个常量 所以 只要测出光波从光源发出至目标的来回传播时间 就可以定出目标的距离 激光的亮度很高 可以测量很远的目标距离 激光脉冲宽度很窄 测量距离的精度很高 军用远程激光测距仪AL PRO6000 现在利用激光器做光源 重量0 5kg左右的脉冲激光测距仪 可测20km的目标距离 误差0 5m 完成测量时间不到1秒 利用激光相干性高的特点发展的相位测距法 测距精度更高 测量与8000km外的卫星之间的距离 误差仅2cm 利用激光照射在运动物体上产生的反射光产生的多普勒频移 或利用从运动物体表面散射回来的激光衍射花样发生的移动 可以确定物体的运动速度 这种方法能够测量的速度范围宽 低的可以侧出每秒移动0 07mm的速度 高的可以测到每秒几百米的速度 卫星导航 测速示意图 4 激光准直导向 光沿直线传播 激光的亮度高 方向性又好 是良好的天然准直线和导向指示线 因为光束无重量 不发生重力弯曲 还可以通过光电子系统作自动准直校正 所以用激光束作准直的准直精度高 完成准直花费的时间少 手续简便 造船工业采用激光准直确定中心线 使精度比先前提高1个数量级 工效提高10倍 美国斯坦福大学加速器中心3km长的波导 用激光准直 准确到0 5mm 波音747巨型飞机用激光指示精确对准38m长的机翼机架 用激光引导280t 吨 的隧道掘进机在2 5km长的隧道内工作 偏差不超过16mm 激光指向仪 5 激光表面质量检测 质量检测是保证产品质量合格率的重要手段 以往磁带 玻璃 纺织品 电子线路元件等表面的疵点 压痕 裂纹 气泡 针孔等缺陷 主要靠眼力检测 以激光的相干性和单色性为基础的检查技术 检查速度快 漏检率低 还可以在生产线上进行检查和分类 利用激光全息技术可以不用解剖样品而直接探出零件内部是否存在缺陷 以及缺陷的位置 大小 这就是所谓激光无损检测 芯片焊接无损检测系统 飞机用的轮胎由这种方法检测 能够可靠地保证轮胎质量 做法是 先拍轮胎未打足气时的激光全息片 然后再拍打足气时的全息照片 如果轮胎内部没有缺陷 两张全息照片再现光波形成的干涉条纹分布均匀 如果存在缺陷 在相应部位的干涉条纹发生畸变 利用激光全息技术也能方便地检测机械设备的动态形度 帮助设计人员了解产品中的薄弱环节 改进设计 提高产品质量 6 激光准确定位 某些现代工业需要以纳米精度移动宏观物体 数据存储便是一个例子 高密度数据存储系统要求其各个元件的制造和测试达到纳米定位 利用激光做光源制成的激光干涉仪可以达到这个精度 二 激光信息处理 1 信息存储 1 激光全息信息存储技术这是把激光傅里叶全息图制成直径大约为1mm的全息图 排成列阵或者像唱片那样排列在圆盘上 一个圆点激光全息图记录一页纸的内容 在现代社会生活中 需要存储 传递 处理的信息量巨大 而且数量还与日俱增 激光技术能够大幅度提高信息处理能力 利用激光技术开发的光学信息存储技术是当今存储信息密度最高的技术 现在开发成功的光学信息存储技术有三类 一张如扑克牌大小的激光全息信息存储器 可以记录10000多页文件资料 到20世纪90年代 这门信息存储技术又有新发展 开发出可重写激光全息信息存储技术 它是用光折变晶体和光致聚合物等做信息记录介质 这种新技术是三维记录 在一个位置上可以叠加1000多个小全息图 每一个全息图能够存储1Mb数据 大约1cm3体积的记录介质内 可以存储1Gb左右的信息 同时 因为这是整页并行检索信息 因此 读取信息的速率很快 可以达到每秒1Gb以上 2 光盘是目前广泛使用的高密度记录数字信号的介质之一 目前比较普及的直径为12cm的混合数据CDR盘片 已可记录700MB以上的用户数据 激光束烧结的最小凹坑长度小于lmm 采用波长为780 790nm的红外激光读取数据 光盘系统技术的研发始于20世纪50年代末期 70年代末期逐渐实现商品化 在光盘记录 读取设备中 光学系统可将激光会聚成比针尖还小的光束 用这样的光束在介质上记录的信息点的空间尺寸非常小 对直径为12cm单面单层的DVD盘片 记录数据量达到4 7GB 激光束烧结的最小凹坑长度小于0 5mm 采用波长为635 650nm的红色激光读取数据 光盘存储数据不仅数据记录密度特别大 而且从光盘检索和读取数据的速度非常快 如读取音乐或影像数据 每秒需读取的信息点为100万个到1000万个 此外 光盘的实际使用寿命可以10年为单位计算 DVD之后 光盘的主流向缩短激光器波长和增大光学系统数值孔径的方向发展 如激光波长短至400nm左右 蓝光段 数值孔径增至0 8 0 9 使用12cm光盘 单面单层容量可达到20G左右 这种光盘通常被统称为高密度DVD HD DVD 当然 用更短波长的激光和更大的数值孔径来增加光盘的数据存储密度是有限度的 目前普遍使用的聚碳酸酯盘基会对紫外光的传输产生损耗 在远场记录的情况下 数值孔径的理论极限值最大为1 光盘型号与发展 HVD的光盘结构 蓝色或绿色激光用来记录 读取全息数据 而红色激光用来读取地址信息 地址与数据记录在不同的层面 HVD与现有的DVD R光盘盘面比较 光盘三代光存储技术比较I 光盘三代光存储技术比较II 3 近场光存储技术 当前光盘存储技术中 提高信息存储密度的最主要困难是传统光学系统的最小光斑受衍射极限的制约 但当记录光的探头与记录介质间的距离小于记录光波长时 即近场 空间分辨能力可以突破远场光存储时的衍射极限 使存储密度提高几个数量级 扫描近场显微成像 近场探针存储 固体浸没透镜存储 近场超分辨率结构存储 主要方法有 扫描近场显微成像 用小于衍射极限的小孔代替显微物镜 限制扫描显微成像探测光束 让孔径在离物体表面很近 小于波长 处做二维扫描成像 其空间分辨能力可以突破衍射极限 采用Co Pt多层磁光膜为记录材料的近场探针存储 记录线宽可以达到10 50nm 相应的理论存储密度可以达到15 5GB cm2以上 近场探针存储 为解决探针移动速度问题 又发展了近场探针存储 SIL存储 虽然只能够得到100nm左右的存储光斑 但存储密度提高了好几倍 达到6 2GB cm2以上 采用浸没透镜系统的数据存储密度达到550MB cm2 采用覆金属光纤系统的数据存储密度约可达到7GB cm2 但近场探针和固体浸没透镜存储方案存在近场间距控制的技术难题 近场光学探针 孔径型 散射型 演示 探针尖端在工作时处于受迫振动状态 其频率接近于探针的共振频率 探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时 其共振频率发生变化 因而振幅也随之改变 为了跟踪尖端的振动情况 将一束激光分成两束 其中一束通过棱镜反射 另一束则穿过布喇格室 然后从探针背面反射回来 这两束光重新会合后发生干涉 根据干涉的情况可知探针振动的变化情况 据此可探知试样表面的原子起伏情况 可检测出尺度小至5毫微米的表面起伏变化 近场光存储原理I 孔径型 近场光存储原理II 散射型 近场超分辨率结构存储 Super RENS 方案 将非线性光存储和近场光存储结合起来 较好地解决了远场光衍射分辨率和近场光间距控制的矛盾 它通过光盘内具有非线性选通效应的近场间隔层使记录光斑小于读写光斑 利用远场光实现了近场记录 实验上已经得到了300nm 30dB 左右的光斑 并解决了近场存储与光盘系统兼容性的问题 是一种很有前景的海量存储技术 随着相关物理科技 微电子技术 材料科学 化学及制造技术的不断进步 新的光存储技术将不断发展 数据存储密度和数据传输率等性能还将不断提高 用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动 来探测固体表面的情况 试样通常是微电子器件 原子力显微镜下的大肠杆菌 扫描近场光学显微镜 NSOM 光学听诊器 利用隐失波可检测物体表面100nm范围内的原子 分子变化 用于检查微电路成品 检查制作微电路用的硅表面的质量 随着微电子电路技术的进展 硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的 什么是隐失波 隐失波EvanescentWave P 165例3 2 古斯 汉森位移 隐失波原理 在入射平面 xoy 内 透射的折射波 由折射定律 全反射时 如果 所以 令 得 隐失波深度和波长 入射能量的关系 实验装置1 实验装置1b 实验进展 Confocaldetection 若丹名单分子光谱 Dibenzanthanthrene DBATT 分子的荧光光谱三维图 2 光通信 提高传递信息容量比较简单而有效的办法是提高使用的载波频率 比如 用波长10cm的电波代替波长100m的电波 通信容量就可以提高1000倍 所以 从19世纪开始无线电通信之后 不断在发展短波长的通信 起先是使用波长几千米的通信 长波通信 后来发展波长为几百米的通信 中波通信 20世纪50年代通信用的电磁波波长又进一步缩短 发展了波长厘米量级的通信 微波通信 波长再缩短 就进人光波波段 光波频率在1014 1015Hz之间 厘米波的频率是1010Hz左右 所以 光波通信的容量又比微波通信提高1万倍到10万倍 只有激光发明后 提供了单色性很好的光波 光通信才进入实用化阶段 利用光波的载波通信 做法和微波通信相类似 激光器输出的光束经过光电调制器调制后送到发射天线 一只光学反射镜 发射出去 但普通光源发出的光波不能作通信载波 因为普通光源发出的光单色性不好 若用这种光波作载波 相当于同时有多套频率的节目到达接收器 接收效果很差 在用户接收端 接收天线 也是反射镜 把传送过来的光辐射汇集在光电接收器上 把光信号转换成电信号 再经电放大和解调之后就可以得到从对方传送来的信息 在实际应用中 为避免光波在大气传播过程中受到大气吸收 散射造成的损失 将光信号通过专门的光纤传送 光信号在光纤中的损耗很小 损耗因子目前已低至0 2dB km 这就是光纤通信 未来的通信网络将是全光网 它将大大缓解带宽激增造成的瓶颈 在光网中 电子集成器件将由光子集成器件替代 电子开关 电子放大器 电子隔离器等将被光子开关 光纤放大器和光子隔离器等替代 激光光纤通讯 由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级 一根极细的光纤能承载的信息量 相当于图片中这么粗的电缆所能承载的信息量 3 光计算 光波有并行性 又可以交叉 亦即几束光在一起不发生相互影响 电流则没有这个性质 所以 利用光波束代替电流构造计算机 会获得更高的计算速率和容量 现在已设计出两种光计算机 模拟光学计算机 它接近人大脑对外部世界认识的自然本质 往下发展有可能制造出智能计算机 它有人工视觉 有学习 联想 推理能力 数字光学计算机 它能克服电子计算机串行处理中的 瓶颈效应 使计算速度和容量大幅度提高 全息技术是1948年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理 全息 一词引处希腊语 是 完全 的意思 但由于当时没有好的相干光源 因而无法获得好的相干像片 激光的出现 使全息术飞速发展成为一个新领域 盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖 4 激光全息术 普通照像只记录了物体表面的光强分布 没有记录到物体各部分到观察者的远近和角度 即没记录下物体发出光线的相位分布 这样的像没有立体感 全息照像是用相干光照射物体 用干涉方法把物体的光强分布和相位记录下来 全息底片上没有被拍物体的形象 在显微镜下可看到长短不一 间距不等 走向不同的复杂干涉条纹 称为全息图 要想看到物体的图样 需用相干光按一定方式照射全息图 在一定方向就可看到物体的像 称为再现 再现的是从物体反射或漫射的光束本身 所以像是立体的 此外 激光图像处理技术 由于光束的并行及可交叉互联性 是一种高速信息处理技术 它可与计算机图像处理互为补充 在显示技术方面 激光液晶大屏幕显示将代替阴极射线管 成为下一代电视的主角 激光全息图 聚焦起来的激光束内光功率密度可以极高 如一台普通激光器 它在1ms内发射100J光能量 光束发散角 用焦距1cm的透镜聚焦 在焦点上的光功率密度约为材料对激光的反射率视波长的不同而不同 数值在0 50 0 98 三 激光加工 1 激光机械加工 用透镜聚集太阳光可以点燃火柴和纸片 激光的亮度比照射到地球表面的太阳光高千万亿倍 经光学系统聚集 能使材料瞬间熔化 可用做多种机械加工 激光的相干性极好 用光学系统可以聚焦成很小的光点 能做精密光刻 制造纳米材料等 即使材料表面对光的吸收率为l 它吸收的激光功率密度也有 这个数值足可以把大多数金属瞬间加热融化 气化 因此 用激光束可以在材料上打孔 可以对材料切割 焊接 划片 雕刻 去重和表面淬火处理 用激光作这样的机械加工 比用普通工具加工优越 与材料无实体机械接触 避免出现工具磨损 断裂等损耗以及造成的损耗和误工 简化了装夹和固定零件的问题 还能在特殊条件下进行加工以及自动化操作加工 引起零件发生的畸变量小 加工精度高 比如打孔 采用机械钻孔技术 能够加工的孔径有限 不能打出很小的孔 对于钢材 钻孔不能小于0 1mm 对陶瓷材料 钻孔不能小于0 5mm 采用激光束打孔可以突破这些限制 在孔径比为10左右时 可以加工直径大约为30mm的孔 节能 尤其是表面淬火处理 效果更为显著 早期主要用激光做精细加工 后来出现工业型高功率CO2激光器和Nd YAG激光器 开展了大型机械加工 比如汽车工业中的底盘切割和焊接 齿轮焊接 发动机汽缸热处理 石油工业中的钻头和抽油管的热处理等 生产实践表明收到了相当好的经济效益 2 微光刻 20世纪70年代 电子元件和连线的线度尺寸可以做到10mm 相当于在一根头发丝大小的截面上能够做5个晶体管 到80年代中期 制造元件的线度能够缩小到1mm 相当于在一根头发丝大小的截面上能够做500个晶体管 20世纪末制造元件的线度进一步缩小到0 1mm 此时的集成电路就相当于在一根头发丝大小的截面上能够做5000个晶体管 制造尺寸如此小的电子元件需要采用光刻技术 而且光刻机使用的光源用普通光源远胜任不了 而需要发射紫外线的激光器 光刻集成电路 光盘 光盘的外形有点像唱片 写入读出的原理也和机械唱片差不多 只是用激光束来代替唱针 因为激光的相干性很好 用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束 所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小 小于1nm CD唱片是用声音调制了的激光束刻制光盘 由于在读写光盘时光点与光盘无机械接触 就不存在由摩擦引起的杂音 同时也无磨损 因而光盘音质佳 寿命长 现在比较流行的是Immersionlithography 浸入式光刻 浸入式光刻是指在曝光镜头和硅片之间充满水 或液体 对于193nm光刻来说 水是最佳液体 光刻的原理 3 激光制造材料 科学研究用的材料 生产用的材料 大多数是人工制造的 材料制造是发展科学技术和生产技术的基础 激光开发了制造材料新技术 利用激光能够制造出质量好 性能超群的材料 比如 用激光能够制造优质高温超导薄膜和纳米材料 氧化物超导薄膜的超导性能对组分非常敏感 不同的化学配比 有不同的超导转变温度 现在利用激光技术制薄膜 已经制造出高质量Y 钇 系 Bi 铋 系和Te 碲 系高温超导薄膜 纳米材料在光学 热学 电学 磁学 声学 化学等各方面特性与块状材料明显不同 利用这种材料制造出的元件性能比用块状材料制造的更优异 比如 用纳米材料制造的磁记录器 记录信息的密度可以提高10倍 用纳米材料制造的催化剂 催化效率可以提高100倍 制造纳米材料的方法现在有好几种 比如液相沉淀法 加热蒸发法等 但是 用激光技术开发的制造技术制造的纳米材料质量最好 是最有发展前景的制造技术 利用激光技术开发出来的制造技术主要有激光加热蒸发沉淀法 激光气相法和光子解离法 现在利用激光技术已经能够制造出性能优良 高熔点的纳米材料SiO2 MgO Al2O3等 PLD的独特之处是激光位于真空室的外面 这样 在材料合成时 工作压力的动态范围很宽 通过控制镀膜压力和温度 可以合成一系列具有独特功能的纳米结构和纳米颗粒 另外 PLD是一种 数字 技术 在纳米尺度上进行工艺控制 PLD激光脉冲镀膜 PulsedLaserDeposition 四 激光能源 1 激光分离铀同位素 目前 我国在原子能设备 材料加工 表面改性 修补及相关的很多测量分析方面都采用了激光技术 特别是在核燃料的浓缩 核燃料的后处理及核废料处理等方面 采用激光技术已获得了明显的经济效益 激光在能源工业中有如下两个最重大的应用项目 核电站使用的核燃料是含同位素235U 铀 235 的浓度大于3 的铀 而天然铀中235U的含量只有约0 72 现在提高235U浓度的办法有气体扩散法 热扩散法 电磁法 气体离心法 分馏法 交换反应法等 它们都是基于同位素原子质量的微小差别进行的 激光的单色性非常好 利用不同的同位素原子 分子 的光谱同位素位移 选择性地使235U激发电离 原子法 或离解 分子法 然后再利用物理或化学的方法把235U从混合物中分离出来 然后用波长591 5nm的激光选择激发同位素235U原子 235U和238U的同位素位移量为8GHz 再用汞弧灯的紫外辐射使在激发态的235U原子电离 当含235U离子的铀原子束通过偏转电极时 235U离子将从射束中偏离开来 最后由收集器收集 用这种办法一次加工就可以获得235U的含量达到5 的浓缩铀 且运转能耗低 办厂投资低 它们分别只有气体扩散法 现时的主要分离技术 的1 20和1 10 根据同位素样品的状态 激光分离铀同位素的方法又分两种 l 原子法 将金属铀加热到约2100 的高温 产生适当密度的铀原子束 2 分子法 用作分离的物质是铀的分子化合物UF6 利用UF6中235UF6和238UF6红外吸收波长的微小差异进行 用波长在16mm附近的激光照射UF6分子射束 选择激发或离解含有235U的分子235UF6 再利用在激发态的235UF6分子的化学反应活性比在基态的分子强 通过某种化学反应把235UF6分子从混合物中萃取出来 与原子法相比 分子法的主要优点是样品制备方便 因为铀分子化合物的熔点比较低 制备UF6分子蒸气只需1000 左右的温度 而制铀蒸气则要超过2000 的高温 况且高温铀蒸气的腐蚀性很强 给生产带来一定技术难度 2 激光核聚变 这是利用高功率激光束作用于由氘 氚或氘 氚制成的靶丸 使氘 氚核发生聚合 同时释放出巨额核能量的技术 因为整个聚变过程是在极短时间内 如 10 10s 完成 氘 氚燃料丸来不及膨胀 因此它又称惯性约束聚变 在宇宙中 核聚变是星体发光的主要机制 两个氘核聚合成氦原子核 释放3 25MeV的能量 一个氘核和一个氚核聚合成氦原子核 释放出17 6MeV的能量 所以 用它们做燃料产生的燃烧值非常高 1kg这种核燃料产生的热量相当于kg煤燃烧产生的热量 核聚变反应 6个D放出能量43 2MeV 海水中的D含量万分之1 5 折合聚变能1025h kW 地球上氘和氚的储量很大 在海水中蕴藏量约为 t 20万亿吨 所以 核聚变技术将能为人类提供几乎是用之不尽的能源 核聚变的第一步是要使燃料处于等离子体态 也即进入物质第四态 等离子体是一种充分电离的 整体呈电中性的气体 在等离子体中 由于高温 电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚 原子核完全裸露 为核子的碰撞准备了条件 当等离子体的温度达到上亿摄氏度时 原子核可以克服静电斥力聚合在一起 使短距吸引力发生作用 核子之间距离达到10 13cm时就发生强的吸引 如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间 这种聚变反应就可以稳定地持续进行 等离子体的温度 密度和热能约束时间三者乘积称为 聚变三重积 当它达到1022时 聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率 即 得失相当条件 必须超过这一基本值 聚变反应才能自持进行 实现聚变的三种途径 磁约束核聚变 MCF 惯性约束核聚变 ICF 非常规核聚变 这条件是英国科学家劳逊 T D Lawson 首先得到的 所以通常又称劳逊判据 T 等离了体温度 QDP 激光功率密度 h 聚变反应释放的热能转变成电能的热功率效率 反应截面对速度的平均值 为了满足或超过得失相当条件 还要求加热的核燃料等离子体密度n和对它的约束时间t满足一定关系 通常以nt形式出现 假定h l 3 那么 对氘 氚核反应要求的nt最小值为1022s m 3 在激光核聚变中 劳孙判据的nt值通常又采用rR值代替 这里的r是核燃料质量密度 R是核燃料丸的半径 用激光把通常状态下的氘