现代光学系统

第一节激光技术 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 与电子电力技术 自动化测控技术的完美结合 使激光技术能够更好的为人类创造美好生活 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 的缩写 1960年 美国物理学家梅曼 Maiman 在实验室中做成了第一台红宝石 Al2O3 Cr 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 光是 波长较短的 电磁波 激光 LASER 一词是受激辐射光放大 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 吸收 自发辐射和受激辐射 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 这一过程被称之为原子吸收 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 原子吸收 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 自发辐射的特点是 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 不同光波列是不相干的 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 受激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 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 图1 4就是受激辐射光放大的示意图 受激辐射的特点是 产生激光的必要条件 1 选择具有适当能级结构的工作物质 在工作物质中能形成粒子数反转 为受激辐射的发生创造条件 2 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 3 外部的工作环境必须满足一定的阈值条件 以促成激光的产生 这些阈值条件大体包括 减少损耗 加快抽运速度 促进 粒子数 反转等 像工作物质的混合比 气压 激发条件 激发电压等等 光学谐振腔激光的形成 光在粒子数反转的工作物质中往返传播 使谐振腔内的光子数不断增加 从而获得很强的光 这种现象叫做光振荡 加强光须满足驻波条件 激光器简介目前激光器的种类很多 按工作物质的性质分类 大体可以分为气体激光器 固体激光器 液体激光器 按工作方式区分 又可分为连续型和脉冲型等 其中每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器 按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器 大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级 而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦 如前所述的He Ne激光器属于小功率 连续型 原子气体激光器 红宝石激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器 1氦氖气体激光器 输出的激光单色性好 结构简单 使用方便 成本低等优点 2红宝石激光器 红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体 它发出的激光是脉冲激光 波长为694 3nm 激光器发展的主要方面 激光的特性1 单向性极好 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 2 单色性极强 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 若从多模激光束中提取单模激光 再采取稳频技术措施 还可以进一步提高激光的单色性 利用激光良好的单色特性 可以作为计量工作的基准光源 例如 用单色 稳频激光器作为光频计时基准 它在一年内的计时误差不超过1微秒 大大超过原子钟的计时精度 3 高亮度 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 图1 6理想锁模可获得窄脉冲激光 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 从一个功率为1kw的CO2激光器发出的激光束经过聚焦以后 在几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧穿 工业上利用激光高亮度的特性 在金属钻孔 焊接 切割 表面热处理 表面氧化等方面的应用近年来有很大的发展 4 相干性好 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 激光技术的应用涉及到光 机 电 材料及检测等多门学科 主要分为以下几类 1 激光加工系统 包括激光器 导光系统 加工机床 控制系统及检测系统 2 激光加工工艺 包括切割 焊接 表面处理 打孔 打标 划线 微调等各种加工工艺 2 激光技术应用简介 3 激光热处理 在汽车工业中应用广泛 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 目前使用的激光器多以YAG激光器 CO2激光器为主 4 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 目前使用的激光器多以YAG激光器 CO2激光器为主 5 激光涂敷 在航空航天 模具及机电行业应用广泛 目前使用的激光器多以大功率YAG激光器 CO2激光器为主 6 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 有时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 7 激光医疗 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 它解决了医学中的许多难题 为医学的发展做出了贡献 现在 在基础研究 新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的 强劲的发展势头 当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面 光动力疗法治癌 激光治疗心血管疾病 准分子激光角膜成形术 激光治疗前列腺良性增生 激光美容术 激光纤维内窥镜手术 激光腹腔镜手术 激光胸腔镜手术 激光关节镜手术 激光碎石术 激光外科手术 激光在吻合术上的应用 激光在口腔 颌面外科及牙科方面的应用 弱激光疗法等 8 超快超强激光 超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主 作为一种独特的科学研究的工具和手段 飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面 即飞秒激光在超快领域内的应用 在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用 飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用 飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的 相机 可以将自然界中特别是原子 分子水平上的一些快速过程分析 记录下来 瞬态光学 瞬态光学研究瞬态现象的光学诊断手段及瞬态过程伴有的光学现象 高速摄影 快速记录瞬态过程 时间放大镜现代精密高速摄影仪器已可分辨10 13s 从而使人眼的时间分辨本领提高了12个数量级 高速摄影技术已在各种科技领域中得到广泛的应用 Transientoptics 9 激光武器 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充 还有精确的激光制导导弹 以及模拟战场上使用的激光武器技术运用 机载激光武器 ABL ABL的目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器 用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹 美军移动型战术高能激光系统 THEL 的激光发射部分 激光武器的优点 无需进行弹道计算 无后坐力 操作简便 机动灵活 使用范围广 无放射性污染 激光武器的分类 不同功率密度 不同输出波形 不同波长的激光 在与不同目标材料相互作用时 会产生不同的杀伤破坏效应 激光器的种类繁多 名称各异 按工作介质区分 目前有固体激光器 液体激光器和分子型 离子型 准分子型的气体激光器等 按其发射位置可分为天基 陆基 舰载 车载和机载等类型 按其用途还可分为战术型和战略型两类 即战术激光武器和战略激光武器 10 激光全息技术 全息术的发明与发展 全息术即全息照相术 是记录波动 包括机械波 电磁波和光波 干扰的振幅和位相分布 以及使之再现的专门技术 它广泛地用作三维光学的成像 也可用于声波 声全息 和射频波 全息 意思是全部的信息 即不仅是振幅信息 还包含位相信息在内 拍摄全息照片的基本光路大致如图 一激光光源 波长为 的光分成两部分 直接照射到底片上的叫参考光 另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片 称为物光 参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉 底片记录的即是各干涉条纹叠加后的图像 全息照相的拍摄原理 第二节傅里叶光学 一 傅里叶变换光学系统 1 4f光学变换系统 P 输入面 物面 F 频谱面 P 输出面 像面 则是E x1 y1 的菲涅耳衍射 在光学信息处理中 此系统称为4f系统 傅里叶变换与光学信息处理 结论 当物体在透镜的前焦面上时 在透镜的后焦面上得到准确的傅里叶变换 傅里叶变换与光学信息处理 一 傅里叶变换光学系统 1 4f光学变换系统 当d0 f时 有 位相弯曲消失 E x h 是E x1 y1 准确的傅里叶变换 其中 C0是光束走过2f距离产生的位相延迟 注意 准确与非准确傅里叶变换之间的差别只是C与C0 同样 从F面P 到也是准确的傅里叶变换 但坐标方向相反 定理 傅里叶变换与光学信息处理 一 傅里叶变换光学系统 1 4f光学变换系统 傅里叶变换与光学信息处理 二 光学信息处理 图象滤波 1 傅里叶变换与光学信息处理 二 光学信息处理 图象滤波 2 水平狭缝光