公共课-激光及防护材料

激光及防护材料,刘继广北京服装学院,星球大战视频,激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）,受激吸收,处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级；这种跃迁称为受激吸收。,粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。,自发辐射,以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是非相干光。,什么是激光,受激辐射,频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，处于高能级E2上的粒子会以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。,1917年爱因斯坦,激光：这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光,如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。,什么是激光,波长大约是几千纳米以下，可以到几百纳米甚至更小。,激光指示器激光用热源:能够做到在一个针头上钻200个孔,激光祛痣、激光切割机、激光剑激光测距激光通信受控核聚变,激光用途,激光笔、激光切割机、激光武器、激光治疗,激光打印技术是利用激光束将数字化图形或文档快速“投影”到一个感光表面（感光鼓），被激光束命中的位置会发生电子放电现象，然后由于静电作用，像磁铁般地吸引一些纤细的“墨粉”。核心为激光成像技术,激光打印,在20世纪60年代,第一台激光打印机诞生于1971年,激光治疗,激光祛斑,激光祛痣,激光洗眉,激光脱毛,激光笔,激光切割,激光灯,等离子束（又称为电浆）组成,激光手电筒+激光剑身（用激光二极管作为光源）,激光剑,夜晚城市上空闪烁的激光灯,2014年12月荷兰列车正试验装备激光器清理铁轨落叶-,清理铁轨落叶,激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器；武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成；目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。,激光武器,激光瞄准镜,英国,德国业余,警用激光枪,陆用激光炮,可击落小型无人机,防空激光枪,激光武器视频,舰载激光武器,美国海军测试舰载激光武器,一束直径为棒球大小的激光行经“数英里，准确命中目标船的引擎，致使目标起火,美军舰载激光武器实验,2012年8月4日在太平洋上进行舰载激光武器试验,美军舰载激光武器,激光器中组成部分主要有激发（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分；另外，还有谐振腔，使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大；是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。,激光器,激发：工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激发方式有光学激发、电激发、化学激发和核能激发。原则：粒子数反转和增益大于损耗。,光学激发(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转激光器。整个激发装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成，这种激励方式也称作灯泵浦。气体放电激发。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。化学激发。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。核能激发。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。,激发方式,通常由组成腔的两个反射镜以一定的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式组成。提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。,光学共振腔,激光器种类,固体激光器（晶体和玻璃），这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；红宝石激光器（6943）、掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇（1064nm）、掺镱钇铝石榴石、钛蓝宝石激光器（670nm1200nm）b）气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；氦氖激光器（红光）、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器（红外线）、氮气激光器(紫外线)、氩离子激光器（蓝光到绿光）、氦镉激光器（蓝光、近紫外）、氪离子激光器（蓝光到深红光）、氧离子、氙离子、混合气体（氩丶氪）、金属蒸汽、金属卤化物、化学激光器（盐酸、碘）。,c）液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl2）则起基质的作用；有机染料（吐吨类染料、香豆素类激光染料、花菁类染料溶解在乙醇、甲醇或水），无机化合物液体,电注入式以砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)二极管,d)半导体激光器，以半导体材料作工作物质，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；,电注入式、光泵式和高能电子束激发式,光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等,高能电子束激发式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,e)自由电子激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。,常用激光器波长表激光器名称介质光频数波长(埃)He-Cd气体紫外光3250N2气体紫外光3371Kr气体紫外光3507,3564Ar气体紫外光3511,3638He-Cd气体可见光4416,5378Ar气体可见光4579,5145Kr气体可见光4619,6764Xe气体可见光4603,6271Ar-Kr气体可见光4675,6764He-Ne气体可见光6328红宝石Cr3+固体可见光6943Kr气体红外光7530,7990,激光器名称介质光频数波长(埃)Ca、Al、As固体(半导体)红外光8500Ca、As固体(半导体)红外光9040Nd固体红外光10600Nd/YAG固体红外光10600(掺钕的钇铝石榴石)He-Ne气体红外光11500,33900CO2气体红外光10600H2O气体红外光11800HCN气体红外光33700,激光辐射造成的皮肤伤害主要有色素沉着、红斑和水泡等，伤害程度取决于辐射剂量的大小。,激光能够伤害眼睛、皮肤、呼吸道、中枢神经以及整个机体。,激光伤害,人眼对不同波长激光的透射和吸收不同，不同波长激光对人眼伤害的部位也不同，激光辐射能对人眼伤害最重。激光辐射造成的眼伤主要有光致角膜炎、角膜凝固、碳化和穿孔、晶状体混浊、视觉功能性障碍“闪光盲”，以及视网膜凝固、出血和爆裂等。,5mW的激光就可以对人类视网膜造成不可逆转的损伤；,儿童激光发射功率应不超过0.4毫W，实际最高1440兆瓦,激光治疗设备多为3B类和4类,激光伤害,距离3米左右闪了一下,2015年10月,安全管理：制定激光安全操作规程，对激光产品严格分级定标，为用户提供安全使用指南等。安全教育：对接触激光的人员进行安全教育和训练。个人防护：为接触激光的人员配备激光防护镜等防护用具。工程防护：除去激光光路上的易燃物质和镜面反射物，设置危险标志，在工作场所设置必要的警报装置等。医学监督：必要时对激光操作人员进行定期体检。,激光防护,激光源、操作人员和工作环境,激光束除接近目标处外不应外漏。激光束不应和眼在同一水平。激光束应止于无反射及防火物质；脉冲激光应有安全闸以防止激光爆炸。,室内应光亮以缩小瞳孔；严禁直视激光束；尽可能远离激光束；所有接近强激光人员应戴相应的防护眼镜；工作人员应穿工作服和戴手套；大功率激光器工作时应有红灯标示，激光器应远距离操纵，特大功率者工作人员应在隔壁房间操纵；应设置障碍，无关人员不准人内，人不能走近二手激光切割机激光器；激光室的墙壁不可涂黑，应用浅色而漫射的涂料，以减少镜式反射和提高光亮。照射表面应粗糙。定期检查眼。对初参加工作者应加强激光防护教育。,防护基本原则,激光防护材料的技术指标,材料的光密度(D)材料的光密度是标志激光防护材料对激光辐射能量的衰减程度，其定义为：式中：激光防护材料在激光波长处的透过率；入射到激光防护材料上的激光强度；透过激光防护材料的激光强度D值越大就表示对激光的衰减程度越大，防护性能愈好。,透明度是指激光防护材料对可见光的透过率；激光防护材料对可见光应有足够高的透过率，以保证工作人员或激光技术人员在工作时能清楚地进行观察；尽可能够保留透过率。,透明度,不同波长的激光对眼睛的损伤部位和损伤程度不同，对不同的防护要求应选用不同的材料,防护波长,防护角是指激光防护材料对入射激光束所能达到的安全防护范围,激光损伤阈值,激光损伤阈值是标志激光防护材料可承受的最大激光强度。激光对激光防护材料的破坏要经过连续激光和脉冲激光两种方式来进行测试。,防护角,常用的二氧化碳激光(10.6m)全部为角膜吸收，进不了眼内；由于这种激光不可见一般功率较大，一不小心就会烧伤角膜、结膜和眼睑。对于角膜烧伤，最轻是小白色浊点，照射后10min出现，只涉及角膜上皮，不浮肿，后消退，无可见瘢痕，较重的是从外到里形成圆柱形白色伤斑，再重就是形成溃汤伤斑或穿孔。,远红外激光的危害及其防护,二氧化碳激光的阈限值是0.1W/cm2。二氧化碳激光将为厚0.2mm的皮肤吸收，很容易引起水疱或烧焦。功率较大时，一下子就会烧伤，生理反应(如痛觉)起不了保护作用。用30mJ二氧化碳照前臂表面皮肤0.50.25s，光斑直径10m，照射时刺痛和灼痛。几小时后出现红斑，24h后扩展，水肿，最后结瘢。防护措施穿工作服、戴手套。,戴一副平光玻璃眼镜即可。,吸收型激光防护技术应用最为广泛，可制成激光防护镜或激光防护面罩，亦可做成镜片加入光学系统，实现激光的防护。吸收型激光防护材料可以分为塑料吸收滤光片和玻璃吸收滤光片。塑料型是在光学塑料中加入吸收激光的有机染料，优点是使光密度高、质轻、价格低、制备方便；缺点是易老化、表面硬度低、耐化学试剂性差、易发生光漂白；玻璃型是在玻璃熔炼过程中加入无机染料制成，它克服了塑料防护材料的缺点，但能吸收的波长很少；目前也有采用低温熔炼的方法能够使玻璃型同样实现多波段防护。,吸收型激光防护材料,缺点：由于吸收激光能量容易导致本身破坏；导致可见光透过率不高，影响观察。,多层涂膜对激光反射的效果随激光入射角变化而变化；当入射角达到45o时，多层涂膜玻璃将丧失防护作用；反射的激光还会对其他人员或光学仪器产生损伤；此外，军事上对激光防护要求很高，玻璃涂层较厚，影响玻璃透光性。,反射型激光防护材料,反射型激光防护材料是在玻璃基体上进行多层涂膜，利用光的干涉原理，有选择地反射特定波长的激光，而使得其他波长的光绝大部分透过。,由于这种激光防护材料是反射激光而不是吸收激光，它可比吸收型滤光片承受更强的激光。,缺点：,优点：,在吸收式防护材料表面再镀上反射膜，兼有吸收式和反射式两种防护材料的优点。,复合式防护材料,集综合性吸收材料和反射性材料的优点于一体，不仅可达到较高的光学密度，而且还能保证一定的可见光透过率，防护效果较好。,成本高；可见光透过率相对于反射式材料有很大程度下降；,这种材料这种材料由基片和多层介质膜组成。具有低通滤波特性的特种玻璃为基片，在基片上蒸镀多层反射介质膜，组成吸收反射混合性结构。,防护镜的透明度为3040，镜片的光焦度为46m-1，能防护多种波长的光。,它由多层介电材料沉积在基片上制作而成。由于激光的高相干性，激光在通过防护镜后相干相消，起到滤光的作用。这种防护镜具有比普通吸收型滤光镜更大的光学密度，它的滤光性能也与入射激光角度有关。,相干式防护材料,采用在光敏材料上用两种相干光记录相干信息的方法产生的，分为全息槽口滤光型材料和超窄槽口滤光型材料。,全息式防护材料,此外，还有爆炸型、光化学反应型、光电型和微晶玻璃型。,普通相干滤光材料是靠沉积不同折射率材料制成的，全息滤光材料则可设计成高光学密度和窄滤光宽带，而且比普通电介质材料滤光材料有更好的光截止性，可以减少插入损耗。,全息式防护材料在特定波长处的光学密度也与入射激光的角度有关。,基于非线性光学原理的激光防护材料,激光防护材料的发展趋势,利用三阶非线性光学效应，括非线性吸收、非线性折射、非线性散射和非线性反射。非线性反饱和吸收（接近实用化方案）：指激光防护材料的吸收系数随入射光强的增加而增加；在低能量光的照射下，材料基态吸收起主要作用，呈弱吸收，高透过；在高能量激光的照射下，材料的激发态吸收截面大于基态吸收截面，可见光透过率较高，出现反饱和吸收，呈强吸收，低透射，对激光起阻挡作用。,具有中心对称二维电子共轭体系的有机大分子可实现反饱和吸收,基于相变原理的激光防护材料,热致相变材料在室温下为一种结构，呈透明状态；激光照射后，材料产生温升，当温度上升到一定高度时产生相变，转变为另一种结构，变成不透明状态。,二氧化钒晶体可从高温四方晶系到低温的单斜晶系相转；当激光束照射到VO2薄膜上时