激光科学技术讲解.ppt

第七章激光科学技术 主要内容 第1节概述第2节激光及其特性第3节激光器第4节激光的应用及其发展 第1节概述 激光技术 计算机技术 原子能技术 生物技术 并列为二十世纪最重要的四大发现 是人类探索自然和改造自然的强有力工具 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 激光雷达 激光制导 激光可控核聚变 激光武器等等 1917年 爱因斯坦提出了受激辐射理论 强调光的物质性 用量子观点预言受激辐射的存在和光放大的可能性 激光的基本原理 按量子力学原理 原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中 原子能量的任何变化 吸收或辐射 都只能在某两个定态之间进行 我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁 光子与物质原子相互作用过程中 存在三种类型的跃迁 即 受激吸收 自发辐射和受激辐射 基态 激发态 能级 如图1 1所示 有一个原子开始时处于基态E1 若不存在任何外来影响 它将保持状态不变 如果有一个外来光子 能量为hv 与该原子发生相互作用 且 其中 E2为原子的某一较高的能量状态 激发态 则原子就有可能吸收这一光子 而被激发到高能态去 这一过程被称之为受激吸收 值得注意的是 只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时 光子才能被吸收 受激吸收 低能级到高能级吸收能量 与经典力学中的观点类似 处于高能态的原子是不稳定的 它们在激发态停留的时间非常短 数量级约为10 8s 之后 会自发地返回基态去 同时放出一个光子 这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程 叫做自发辐射 原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命 自发辐射 高能级到低能级放出能量 自发辐射的特点这种过程与外界作用无关 各原子的辐射都是独立地进行 因而所发光子的频率 初相 偏振态 传播方向等都不同 不同光波也是不相干的 例如霓虹灯管内充有低压惰性气体 在管两端加上高电压来激发气体原子 当它们从激发态跃迁返回基态时 便放出五颜六色的光彩 其频率成分极为复杂 发光方向各向都有 初位相也各不相同 这正是普通光源的自发辐射 处于激发态的原子 在其发生自发辐射前 若受到某一外来光子的作用 而且外来光子的能量恰好满足 原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1 同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子 如图1 3所示 这一过程被称为受激辐射 受激辐射 受外来光子影响发生辐射 这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的 而且受激辐射出的光子 与入射光子具有相同的频率 相同的初相 相同的传播方向 相同的偏振态等 即与外来光子具有完全相同的状态 在受激辐射过程中 输入一个光子 可以得到两个状态完全相同光子的输出 并且这两个光子可再作用于其他原子上 产生受激辐射 而获得大量特征完全相同的光子 这便是受激辐射的光放大 这是激光器发明的理论基础 由爱因斯坦奠定 受激辐射的特点 第2节激光及特性 激光 是利用光能 热能 电能 化学能或核能等外部能量来激励物质 使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光 LASER 受激辐射的光放大 镭射 莱塞 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 激光的产生 激光产生的物理过程 受激辐射而得到的加强光 产生激光的困难 吸收大于辐射 产生激光的办法 粒子数反转 亚稳态 激光的特性 1 高亮度 2 高方向性 3 高单色性 4 好的相干性 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量 普通光源的亮度相当低 例如 太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍 比白炽灯大几百倍 而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 激光器的输出功率并不一定很高 但由于光束很细 光脉冲窄 光功率密度却非常大 由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中 因此 能在直径极小的区域内 10 3毫米 产生几百万度的高温 高亮度激光束经聚焦后 可产生几百万个单位的高温高压 千分之一秒内使任何金属汽化 高亮度 普通光源向四面八方发射能量 其能量分布在全空间4 立体角内 而激光则是沿一条直线传播 能量集中在其传播方向上 其发散角很小 一般为10 5 10 8球面度 若将激光束射向几千米以外 光束直径仅扩展为几个厘米 而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米 激光的单向性是由受激辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的 激光这种良好的单向性可用于定位 测距 导航等 高方向性 定向发光 发散角小 具有单一频率的光波称为单色光 任何光源所发出的光波都有一定的频率 或波长范围 在此范围内 各种频率 或波长 所对应的强度是不同的 波长所对应的波长范围越窄 光的单色性越好 谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量 从普通光源 如钠灯 汞灯 氪灯等 得到的单色光的谱线宽度约为10 2纳米 单色性最好的氪灯 86Kr 的谱线宽度为4 7 10 3纳米 而氦氖激光器发射的632 8纳米激光的谱线宽度只有10 9纳米 高单色性 普通光源 如钠灯 汞灯等 其相干长度只有几个厘米 而激光的相干长度则可以达到几十公里 比普通光源大几个数量级 因此也可以说激光具有非常好的相干性 用激光做光源进行光的干涉 衍射实验 可以得到非常好的效果 另外 激光问世以来 推动了全息光学技术 激光光谱技术的发展 由于激光具有上述这些良好的特性 从而突破了传统光源的种种局限性 引起了现代光学应用技术的革命性发展 同时促进了包括化学 生物学 医学 工业加工与检测技术 军事等科学的迅速发展 相干性好 激光器是产生激光的装置 它主要由工作物质 激励能源和谐振腔三部分组成 工作物质 激光产生的内因选择具有适当能级结构的工作物质 激励能源 粒子搬迁的动力可以是光源 电磁波发生器 作用在于向工作物质输入能源 使工作物质的粒子处于反转状态 谐振腔 激光的振荡放大器选择一个适当结构的光学谐振腔 对所产生受激辐射光束的方向 频率等加以选择 从而产生单向性 单色性 强度等极高的激光束 第3节激光器 红宝石激光器 1960年 美国物理学家梅曼在实验室中做成了第一台红宝石激光器 我国于1961年研制出第一台激光器 从此以后 激光技术得到了迅速发展 引起了科学技术领域的巨大变化 激光器的种类 按运转 工作 方式分 有连续波 单脉冲 重复脉冲和波长可调激光器等 按激励方式分 有光激励 电激励 热激励 化学激励和核激励激光器等 按工作物质的不同 分为固体 气体 半导体 染料 化学和自由电子激光器等 固体激光器 用固体材料作为激光器的工作物质 这类激光器的特点是小而坚固 功率较高 气体激光器 用气体作为激光器的工作物质 其特点是能以脉冲和连续两种方式工作 半导体激光器 用半导体作为激光器的工作物质 其最大的特点是体积小 种类多 效率高 使用方便 染料激光器 工作物质是有机染料 其特点是工作波长连续可调 波长分布在0 32 1 3微米 主要用于科研领域 1 工业加工 第四节激光的应用及发展 1 工业加工 第四节激光的应用及发展 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 目前使用的激光器有YAG 钇铝石榴石 激光器 CO2激光器和半导体泵浦激光器 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 使用激光器有YAG激光器和CO2激光器 1 工业加工 第四节激光的应用及发展 3 激光打孔 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5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 目前使用的激光器多以YAG激光器 CO2激光器为主 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 激光在通信中的应用激光是一种频率更高的电磁波 它具有很好相干性 因而象以往电磁波 收音机 电视等 一样可以用来作为传递信息的载波 由激光 携带 的信息 包括语言 文字 图像 符号等 通过一定的传输通道 大气 光纤等 送到接收器 再由光接收器鉴别并还原成原来的信息 第四节激光的应用及发展 在农业上的应用 第四节激光的应用及发展 在医学上的应用 激光在医学上的应用分为两大类 激光诊断与激光治疗 前者是以激光作为信息载体 后者则以激光作为能量载体 多年来 激光技术已成为临床治疗的有效手段 也成为发展医学诊断的关键技术 光动力疗法治癌 激光治疗心血管疾病 激光美容术 激光纤维内窥镜手术 激光腹腔镜手术 激光碎石术 激光外科手术 激光在口腔 颌面外科及牙科方面的应用 弱激光疗法等 第四节激光的应用及发展 5 军事上的应用激光测距激光雷达激光制导激光通信激光武器 第四节激光的应用及发展 5 军事上的应用 激光测距激光测距的原理是 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 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 第四节激光的应用及发展 5 军事上的应用 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 在军事上可用于武器鉴定试验 武器火控 跟踪识别 指挥导引 大气测量等 第四节激光的应用及发展 5 军事上的应用 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 激光制导的种类主要有 半主动回波式制导 全主动回波式制导和波束式制导 目前应用较为普遍的是半主动回波式制导 第四节激光的应用及发展 5 军事上的应用 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 按照激光传播途径的不同 激光通信可分为大气激光通信 空间激光通信 水下激光通信和光导纤维通信等方式 光纤通信是以光导纤维为传输介质的激光通信 主要用于远距离的战略 战术通信系统 中短距离的局部通信系统 以及在飞机 舰艇 雷达 导弹 卫星等军事装备和军事设施内部的信息传递和通信联络等 第四节激光的应用及发展 5 军事上的应用 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 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 第四节激光的应用及发展 激光对抗与防护 激光对抗措施所谓激光对抗 就是交战双方采取专门措施 干扰