第二章 激光的特性及其應(yīng)用

1、第二章 激光的特性及其應(yīng)用一、激光的特性一、激光的特性 方向性好：普通光向四面八方輻射，而激光基本沿 某一直線傳播，激光束的發(fā)散角很小 單色性好：指光強(qiáng)按頻率的分布狀況，激光的 頻譜寬度非常窄 高亮度：在單位面積、單位立體角內(nèi)的輸出功率特別大 相干性好：時(shí)間相干性和空間相干性都很好激光也是光，它與普通光沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但激光又是一種特殊的光，它與普通光源相比有四個(gè)特點(diǎn)1.1.方向性好方向性好一束激光射到38萬(wàn)km的月球上，光斑的直徑只有2km手電筒的光射到幾米處，擴(kuò)展成很大的光斑。 利用激光準(zhǔn)直儀可使長(zhǎng)為利用激光準(zhǔn)直儀可使長(zhǎng)為2.5km的的隧道掘進(jìn)偏差不超過隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm.激光束

2、是高度平行的光束。 激光束發(fā)散角小，約為10-4rad量級(jí)，對(duì)應(yīng)的立體角在10-6sr量級(jí)。普通光源發(fā)出的光向各個(gè)方向傳播。d2 發(fā)散角光波的單色性可表示為2.2.單色性好單色性好 or中心波長(zhǎng)譜線寬度 2 2 20I0I單色性最好的氪燈Kr86 =4.710-3 nm 穩(wěn)頻HeNe激光器 910 nm3.3.亮度高亮度高激光器能產(chǎn)生寬度極窄的光脈沖，使用鎖模技術(shù)，可產(chǎn)生10-14s的光脈沖。由于能量被集中在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)，因此光功率極高。PBA 干的干的特制的氦氖激光器輸出的光束，相干長(zhǎng)度達(dá)2107km。氪燈只有38.5cm。4. .相干性好相干性好ccL相干長(zhǎng)度：1ccLc相干時(shí)間：

3、二、激光的應(yīng)用二、激光的應(yīng)用1.1.工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域 激光打孔激光打孔激光打孔的特點(diǎn)：速度快、效率高，可在硬、脆、軟等各類材料上進(jìn)行，可獲得大的深徑比等 激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。 激光切割激光切割激光切割的特點(diǎn)：速度快、無(wú)接觸、精度高、切縫光滑 激光焊接激光焊接激光焊接的特點(diǎn)：焊接點(diǎn)均勻、美觀、精度高 激光熱處理激光熱處理激光熱處理的特點(diǎn)：處理速度快、變形小、效率高激光技術(shù)問世時(shí)間雖短，但發(fā)展速度驚人，尤其是在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。79年中越自衛(wèi)反擊戰(zhàn)使用了激光武器，82年英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)使用了激光

4、武器，后來(lái)的一些局部戰(zhàn)爭(zhēng)大多都使用了激光武器，尤其是美國(guó)參戰(zhàn)的，基本上都使用了激光武器及其設(shè)備，如：海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)，據(jù)報(bào)道，直接參戰(zhàn)的多國(guó)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗機(jī)，都配備了機(jī)載激光投彈制導(dǎo)儀，大大提高了命中率?，F(xiàn)在世界上有許多國(guó)家都有激光制導(dǎo)儀，但目前最好的是美國(guó)的“低空飛行和夜間紅外線追蹤系統(tǒng)”，它不需地面人員指揮，便可自動(dòng)瞄準(zhǔn)敵方目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)彈襲擊。隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，激光武器將會(huì)越來(lái)越先進(jìn)，它必將在未來(lái)太空作戰(zhàn)中發(fā)揮巨大的作用。2.2.軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域 激光在軍事上應(yīng)用范圍很廣。主要是利用它的方向性、單色性、相干性和高亮度的優(yōu)點(diǎn)，用它進(jìn)行激光制導(dǎo)、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通訊、激光偵察和制成

5、激光武器等。 激光制導(dǎo)激光制導(dǎo) 激光制導(dǎo)是繼雷達(dá)、紅外、電視制導(dǎo)之后發(fā)展起來(lái)的一種精確制導(dǎo)技術(shù)。目前已投入使用和正在研制的激光制導(dǎo)武器有激光制導(dǎo)炸彈、空地導(dǎo)彈、空地反坦克導(dǎo)彈、炮彈、火箭彈、防空導(dǎo)彈等。目前激光制導(dǎo)武器主要采用半主動(dòng)式回波制導(dǎo)和半主動(dòng)式波束制導(dǎo)兩種。激光制導(dǎo)炸彈空地導(dǎo)彈火箭彈防空導(dǎo)彈激光制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)：1. 命中率高命中率高。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明命中率可在97%。2. 抗電磁干擾能力強(qiáng)?？闺姶鸥蓴_能力強(qiáng)。激光屬于可見光，故不受電磁波干擾。3. 制導(dǎo)系統(tǒng)體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。制導(dǎo)系統(tǒng)體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。 但是，激光制導(dǎo)也存在其缺點(diǎn)：主要是受天氣影響較大。大雨濃

6、霧、揚(yáng)塵(煙幕)使激光傳輸受限制難以正常工作。激光測(cè)距激光測(cè)距 激光測(cè)距機(jī)的類型很多，結(jié)構(gòu)也不盡相同。在軍事領(lǐng)域中，激光測(cè)距機(jī)主要用于地形測(cè)量、戰(zhàn)場(chǎng)前沿測(cè)距、火炮測(cè)距、飛機(jī)、導(dǎo)彈測(cè)距和云層測(cè)量等。目前世界各國(guó)的激光測(cè)距機(jī)大部分裝配于坦克、地炮、艦炮和機(jī)載武器等，少數(shù)型號(hào)裝備于迫擊炮、槍榴彈發(fā)射器等步兵武器。激光測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)：1. 1. 操作操作簡(jiǎn)便簡(jiǎn)便、速度快、速度快2. 2. 測(cè)距精度高。測(cè)距精度高。3. 3. 體積小、重量輕。體積小、重量輕。4. 4. 抗電磁干擾?？闺姶鸥蓴_。 激光測(cè)距的主要缺點(diǎn)：不能全天候使用，其作用距離受天氣和戰(zhàn)場(chǎng)條件(硝煙、塵埃等)影響較大，為適應(yīng)全天候作戰(zhàn)的需要，常

7、常配合雷達(dá)使用。激光雷達(dá)激光雷達(dá) 在激光測(cè)距機(jī)的基礎(chǔ)上加裝測(cè)角、測(cè)速和自動(dòng)跟蹤裝置就構(gòu)成激光雷達(dá)。它同工作在微波段的雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是角分辨力高、成像清晰、測(cè)量精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)和體積小、設(shè)備簡(jiǎn)單。激光雷達(dá)設(shè)備的主要用途就是用于測(cè)量飛機(jī)、導(dǎo)彈、地面主戰(zhàn)兵器、艦艇,甚至炮彈的運(yùn)動(dòng)軌跡。目前，比較成熟的激光雷達(dá)有美軍研制的激光障礙物和地形回避警戒系統(tǒng)，在直升機(jī)前方掃描半徑為1.6km能發(fā)現(xiàn)450m處直徑為3.2m的金屬線。激光武器激光武器 利用激光的能量摧毀目標(biāo)或使其喪失戰(zhàn)斗能力的武器稱為激光武器。根據(jù)激光武器發(fā)射的能量不同，可分為低能激光武器和高能激光武器兩類。1.1.低能激

8、光武器：低能激光武器：指發(fā)射功率較小的激光輕武器。它的外形和普通步槍差不多，故亦稱激光槍。它體積小，重量輕，擊發(fā)時(shí)無(wú)聲響。用激光槍照射各種精密儀器，可燒壞其脆弱部件而使儀器失靈；在近距離用它照射人員，可以燒焦皮膚，或使衣服燃燒而失去戰(zhàn)斗力；在一定距離上用它照射人眼，可以使人致盲。那么，無(wú)論戰(zhàn)時(shí)，還是平時(shí)都應(yīng)重視對(duì)激光的防護(hù)。基本方法是配帶反射型或吸收型的防護(hù)眼鏡。激光致盲器裝有激光瞄具裝有激光瞄具的的MP5K沖鋒槍沖鋒槍特種作戰(zhàn)激光槍2. 2. 高能激光武器：高能激光武器： 又稱強(qiáng)激光武器或激光熱武器。它是一種大型的激光裝置，外型和普通火炮差不多，所以也叫激光炮。它主要用于對(duì)各種高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)

9、實(shí)施攻擊。用它照射導(dǎo)彈，可把極高的能量傳送到導(dǎo)彈表面，使其跟蹤器被燒壞而失靈，從而失去正確飛行方向。用它照射衛(wèi)星，可以對(duì)衛(wèi)星造成嚴(yán)重破壞，甚至將其星體擊穿。地基激光炮地基激光炮 (USA)機(jī)載激光武器機(jī)載激光武器(ABL,USA)(ABL,USA)ABLABL設(shè)想圖設(shè)想圖艦載激光武器艦載激光武器遼寧艦遼寧艦3.3.信息領(lǐng)域信息領(lǐng)域激光信息處理：光存儲(chǔ)(光盤),激光通信(或光纖通信) 電纜電纜光纖光纖衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信4.4.醫(yī)療應(yīng)用醫(yī)療應(yīng)用最早的激光醫(yī)療應(yīng)用：1961年12月在美國(guó)哥倫比亞長(zhǎng)老會(huì)醫(yī)院用紅寶石激光器進(jìn)行了視網(wǎng)膜腫瘤治療 腫瘤治療腫瘤治療 眼科手術(shù)眼科手術(shù) 外科手術(shù)外科手術(shù)用激光使脫

10、落的視網(wǎng)膜再?gòu)?fù)位用激光使脫落的視網(wǎng)膜再?gòu)?fù)位 心血管疾病治療心血管疾病治療 激光美容術(shù)激光美容術(shù) 激光碎石術(shù)激光碎石術(shù)心肌壁心肌壁( (心臟搭橋手術(shù)心臟搭橋手術(shù)) )激光治療儀激光治療儀激光手術(shù)激光手術(shù)5.5.農(nóng)業(yè)應(yīng)用農(nóng)業(yè)應(yīng)用激光育種：用激光束照射植物種子，使產(chǎn)量提高，蛋白質(zhì)含量增加。 6.6.科研應(yīng)用科研應(yīng)用英國(guó)女王英國(guó)女王全息照片全息照片現(xiàn)任美國(guó)能源部部長(zhǎng)現(xiàn)任美國(guó)能源部部長(zhǎng)三維激光冷卻三維激光冷卻Magneto-Optical Trap (磁光阱)他提出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)玻色玻色-愛因斯坦凝聚愛因斯坦凝聚的方法：用磁場(chǎng)約束原子，同時(shí)利用激光冷卻和蒸發(fā)冷卻，使系統(tǒng)溫度降到足夠低 對(duì)光學(xué)相干性的量子理論的貢獻(xiàn) 銣原子速度的分布 n 激光核聚變美國(guó)美國(guó)Nova激激光聚變裝置光聚變裝置n 激光在強(qiáng)場(chǎng)物理研究中的應(yīng)用強(qiáng)場(chǎng)過程示意圖Time-dependent electron density Above-threshold ionization (ATI, 閾上電離)M. Protapapas, C. H. Keitel, and P. L. Knight, Rep. Prog. Phys. 60, 389 (1997)Z. Chen et al., Phys. Rev. A 79, 033409 (2009)HATI by rescatteringHigh-order-harm