激光及其应用

激光，物理教育组，激光及其应用，激光(激光)是激光放射光放大(lightimancificationbystimulatedemissimonofradiation )的简称。 爱因斯坦在1917年研究黑体辐射时预言了激发辐射的存在，但到1960年为止，梅曼制作了世界上第一个激光红宝石激光器。 证明了爱因斯坦预言的正确性。 lightamplicationficationbystimulatedemissinofradiation是Laser，在这个意义上应该是“激发光放大”。 形象的音译是“激光”，1964年，根据钱学森的建议改称为“激光”。 这是我们现在最常见的称呼。激光发展过程1893年，波尔多中学教的物理教师布鲁奇已经指出，双面接近和平行镜之间反射的黄钠光线随双面镜之间距离的变化而变化。 他虽然不能说明这一点，但在未来发现了激光发明的极其重要的现象。 1917年，爱因斯坦：以激光方式发光，激光在1960年正式登场。 但是，激光的历史已经有一百多年了。 1958年，美国贝尔研究所的科学家肖洛和托马斯发现了一种奇怪的现象：当他们用闪光灯发出的光照射稀土晶体时，晶体分子很鲜艳，总是会发出强光。 因此，他们提出了“激光原理”，用激光照射可以得到单色性、亮度高的新光源。 汤姆和肖洛发表了关于激光的经典论文，为激光的发展奠定了基础。 1960、1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman )发明了世界上第一台红宝石激光器。 缅甸以红宝石晶体为发光材料，以发光强度高的脉冲氙灯为激发光源，获得了人类历史上首次激光。 自那时以来，在激光品种方面，几乎每年都有新的、重要的突破，1961年，在美国贝尔研究所，伊朗物理学家贾万开发出了世界第一台氦氖激光器。 61年8月，中国科学院长春光学精密机械研究所的王之江教授成功开发出了中国首台红宝石激光，仅比世界首台激光晚了18个月。 “中国激光之父”。 1962年：成功开发出第一批半导体激光器。 1963年：第一台液体激光1964年：锁模激光1965年：激光参数振荡器研制成功1966年：染料激光1967年：超短脉冲激光，迄今激光品种已达数千种。 公元前215年的第二次布匿战争中，西西里岛名城希拉克被罗马舰队包围。 城市伟大的科学家阿基米德用自己设计的石器把可燃性油陶罐扔到罗马战舰上，用巨大的凸透镜收集太阳光点燃敌船，被称为“死亡之光”。 美国教授说，激光武器之父。 阿基米德的这种想法，或许和当时在埃及的首都亚历山大留学的时候，看到七大不可思议的佛罗斯灯塔的经验有关。 不管这个传说是真的还是假的，这个地中海仓库三年后陷落在罗马共和国的鹰旗下。 罗马将军尊重阿基米德，命令军队不要伤害他，但他被粗暴的罗马士兵杀害了。 这个事件也成为政治破坏科学的典型。 公元6世纪，东罗马首都君士坦丁堡遭遇包围，用巨大的镜子烧毁敌舰脱险，战果与摧毁阿拉伯海军的拜占庭秘密武器“希腊火”几乎不相容。激光作为武器，有很多独特的优点。 首先，能以光速飞行，每秒30万公里，任何武器都不是这么快。 一旦确定了目标，几乎没有时间立刻达到目标，所以没有必要考虑提前的量。另外，面积极小，在极短的时间内可以集中核武器100万倍以上的能量，灵活地改变方向，没有放射性污染，具有正常的抑制力。激光武器分为三类：一类是失明型。 二是近距离战术型，可以用来击落导弹和飞机。 1978年在美国进行的激光反坦克导弹实验，使用了这种武器。 三是远距离战略类型。 这种研发困难最大，但成功后，作用最大，它是反卫星、对大陆弹道导弹，是最先进的防御武器。 激光武器的费用比较高。 在防空武器方面，现在的主体是导弹，激光武器的成本远低于导弹。 例如，“爱国者”导弹60-70万美元，短程“毒刺”导弹2万美元，激光发射数千美元，随着今后技术的发展，激光发射的费用将下降到数百美元。机载激光武器(ABL )、ABL的目标是在改造后的波音747飞机上设置激光武器，从上空攻击敌人的战区弹道导弹。 发布了几种激光、CO2激光、夏普等用于笔记本电脑蓝光和HDDVD驱动器的蓝紫色半导体激光GH04020A4G。 直径只有3.3毫米，是世界最小的蓝色光头。 2008Baidu，激光器的分类是根据产生激光的工作物质的物性特性，将固体激光玻璃激光器和钕铝石榴石激光器分类。 对青光眼的治疗特别有效。 气体激光氦氖激光，现在世界上使用最多。 氩离子激光器：是能够进行眼科手术并焊接视网膜的理想光源。 半导体激光镓砷激光器：体积小，功率波长在红外区，因此机密性好，适用于军舰、飞机和坦克。 液体激光以液体染料为工作物质的染料激光于1966年出现，广泛应用于各种科学研究领域。 目前发现的产生激光的染料约有500种左右。 这些染料可溶于酒精、苯、丙酮、水、其他溶液中。 也可以包含在有机塑料中以固体出现或升华为蒸汽，以气体的形式出现。 染料激光器又称“液体激光器”。 染料激光器的特点是波长可以连续调节。 燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，功率可与气体和固体激光器匹敌，可用于光谱、光化学、医疗和农业。 化学激光：氟原子和氢原子“死光武器”，原子激光是1997年美国麻省理工大学钠原子x射线激光在科学研究和军事上有重要价值，有利于激光对导弹武器应用的生物学家研究了x射线激光活组织的分子结构，详细了解细胞功能、自由电子激光器等激光器比其他类型更适合产生大功率辐射。 其结构与其他人不同，从加速器获得数千万伏高能调节电子束，经周期性磁场形成不同能态的能级，产生激发辐射。 世界上第一个自由电子激光产生于1977年，中国第一个自由电子激光产生于1985年。 自由电子激光的能量由外场加速后的自由电子的动能转化而来。 其输出功率达到了很高的水平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面有很大的用途，因此一出现便受到各国科技界的重视。第一节激光的基本原理，一、粒子的能级和辐射跃迁，一、粒子的能级、构成物质的原子、分子等粒子始终处于一定的能级，能量最低的能级称为基态，其他能量高的状态称为激发态。 基态是最稳定的状态，多数粒子处于基态，当某粒子转变为获得一定能量的激发态时，激发态的停留时间一般较短，其平均寿命约为10-910-7秒。一些粒子的激发态寿命长，平均寿命可达到约10-310-2秒，这种激发态称为准稳态。2.辐射跃迁三个基本过程，光与物质的相互作用有三个基本过程。 这就是光的吸收、自发辐射和激发辐射。 1 )吸收：假设E1、E2为某粒子的两个能级，则成为图像。 处于低能级E1的粒子吸收能量hn=E2-E1的光子，转变为高能级E2的过程称为光的吸收。激发吸收、hv=E2-E1、2 )自发发射：处于高能级的粒子自发发射光子，转变为低能级的过程称为自发发射。 如图所示，自发放射光子的能量hn=E2-E1。3)激发辐射：处于高能级E2的粒子在外来能量由hn=E2-E1的光子诱发，转变为能量低的能级E1的同时，发射与诱发光子完全相同的光子的过程称为激发辐射。受激发射、hv=E2-E1、受激发射的光子为同向、同频、同相及同偏振。 也就是说，激励的结果是入射1个光子，出射的光子是完全相同的2个光子，即光被放大。 这两个光子又使其他原子产生激发辐射。 在非常短的时间内激发无数相同的光子。 这就是激光。2.粒子数以能级分布，1 .玻尔兹曼分布，根据玻尔兹曼分布，在热平衡条件下，处于高能级的粒子数总是少于处于低能级的粒子数。 例如，玻尔兹曼分布计算显示，氖原子3s激发态和基态在常温(T=300K )，两能级的粒子数之比N2/N1=e-6531，表示在热平衡条件下，大部分粒子处于基态，能级越高粒子数越少。2.粒子数逆转，1 )被激发的放射线和吸收过程的矛盾，设想着要诱发被激发的放射线。 在热平衡时，由于高能级粒子的数量总是远少于低能级粒子的数量，在低能级粒子中诱发光子的概率远高于高能级粒子。 因此，吸收过程远远优于激射过程。 2 )粒子数反转分布必须破坏粒子数的热平衡分布，使受激的放射过程胜过吸收过程，使处于高能量水平的粒子数多于处于低能量水平的粒子数。 这种分布已不是热平衡分布，称为粒子数反演。实现粒子数反转的条件需要激发源，但粒子在激发状态下的寿命短，一般为10-1110-8S，因此被引入激发状态的粒子立即转变为基态。要实现粒子数的反转分布，需要具有长寿命激发态的物质。 该寿命较长的激发状态被称为准稳定状态，准稳定状态的时间达到10-310-2S，甚至1秒。 需要具有准稳定性的功能物质，需要能够实现、3 )粒子数反转的物质功能物质，具有适当的能级结构，具有准稳定性从外部供给能量，进行泵(吸引运转)。粒子数反演、3.光学谐振腔实现了粒子数反演，解决了激发辐射与吸收过程的矛盾，但未发生激光. 生成激光还需要光学谐振器。4.光谐振器在工作物质的两端安装严格平行的反射镜后可以“光放大”。 4 .激光器，1 .激光器的结构，2 .发射激光的必要条件：实现粒子数反转的物质激发原子的激发装置实现光放大器光学谐振器，第2节.激光器的特性，特性：1.方向性好，2 .亮度高，强度大，3 .单色性好，4 普通光源的发光机制是自发性的放射线，从拥挤的人们刚散场的电影院出发，男女不同，个子高大，服装千变万化似乎人们东西杂乱。 激光发射机制被激射，如解放军仪仗队，身体整齐，服装统一，步伐一致，向一个方向前进。、1 .指向性好，激光器受激发发光，具有光谐振器，激光大致沿谐振器轴线方向传播，发散角小(可为10-7弧度，接近平行光)。 激光： 1公里，最佳普通光源： 1000公里以上，光点直径，发散面积之差： 100万倍，激光微束刀可以轻松切断细胞、染色体、基因等，进行穿孔、移植、焊接等手术。 自1960年世界首台红宝石激光器出现以来，1961年用于视网膜脱离的治疗，1963年用激光刀切除肿瘤。 70年代医用激光治疗机在临床各科广泛应用。 激光以其特有的优异性能解决了许多传统医学难题。 视网膜脱离眼底血管病变、虹膜切开、青光眼等多种眼科疾病可以用激光治疗。 激光手术刀具有术中出血少，减少细菌感染等优点。 激光与中医针灸相结合的“光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定的疗效。 应用1 :激光微束技术，应用2 :激光针的优点：“扎针”时无疼痛。 滞后针、断针、避免交叉感染的应用3 :激光测距月、误差：1m应用4 :激光雷达可自动精密跟踪飞机、导弹、卫星等高速飞行器的应用5 :激光制导武器的命中率大幅提高。2 .亮度高，1:激光武器应用于军事领域，激光能量提高，可以制造破坏敌机和导弹的光武器。 使用2:激光盲武器时，由于激光能量集中在较小的角度，因此作为光源的亮度较高。 例如，数毫瓦的氦氖激光器的亮度比太阳光的亮度高数百倍的激光器的亮度比太阳表面的亮度高100亿倍。 可以应用1:激光光频技术来测量非常慢的速度(每秒微米移动)。 拍摄花开的过程。 可以以2:激光波长为单位进行测量。 该尺度测量准确，光的单色性越好，测量的最大长度越大，3 .单色性越好，单色性最好的氪灯： 510-4nm，红氦氖激光： 110-8nm， 波长是光谱宽度： 630760，nm，白光：4 .相干性好，物理学中常用的“相干长度”表示光的相干性，光源的相干长度越长，光的相干性越好，钠光：约0.058cm； 单色性最好的普通光源氪灯：38.5cm，激光：数十数百km，普通光源发出的自然光，其相干长度与光波的波长具有相同的数级.应用1 :诱发核聚变，利用激光相干性，将其能量聚集到空间极小的区域例如：把核燃料做成比芝麻小的固体微球，用激光作为点火器照射，微球被加热到摄氏1亿度的高温，能量密度高达1015J/cm3。 这种高能量密度相当于几十吨炸药在1m3体积内爆炸的能量，达到了原子爆炸时的超高能量密度的数级。 应用2 :激光全息技术，全息术不仅在底片上记录物光强弱，而且记录物光相位，即记录物光的所有信息，以一定的程序“再现”物体的立体图像。 由于全息照片中记录了场景光波的全部信息，所以再现的场景与原来的相同。 全息照片再现的景象非常逼真，有临场感。 此外，通常的照片技术是将从物体的表面反射出的光或物体本身发出的光(总称物光)的强弱的变化记录在负片中，并在照片负片上显示物体的平面图像。第三节.激光的医学应用，第一、激光的生物作用1，热作用激光使组织温度上升，从热热(3842)相继出现红斑、水泡、凝固、沸腾、碳化、热汽化(573