《現(xiàn)代科技概論》7激光科學(xué)技術(shù)

1、 自發(fā)輻射的特點(diǎn)自發(fā)輻射的特點(diǎn) 這種過程這種過程與外界作用無關(guān)與外界作用無關(guān)。各原子的輻射。各原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同偏振態(tài)、傳播方向等都不同。不同光波也是不。不同光波也是不相干的。例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，相干的。例如霓虹燈管內(nèi)充有低壓惰性氣體，在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們在管兩端加上高電壓來激發(fā)氣體原子，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時，便放出五顏六色的從激發(fā)態(tài)躍遷返回基態(tài)時，便放出五顏六色的光彩。其頻率成分極為復(fù)雜，發(fā)光方向各向都光彩。其頻率成分極為復(fù)雜，發(fā)光方向各向都有，初位相也

2、各不相同。這正是有，初位相也各不相同。這正是普通光源的自普通光源的自發(fā)輻射。發(fā)輻射。 處于激發(fā)態(tài)的原子，在其發(fā)生自發(fā)輻射前，若受到某一外來光子的作用，而且外來光子的能量恰好滿足 ， 原子就有可能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)E1，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子。如圖1-3所示。這一過程被稱為受激輻射。12EEhvE1E2hvE1E2hvhv 受激輻射示意圖受激輻射受激輻射受外來光子影響發(fā)生輻射 這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率，相同的初相，相同的傳播方向，相同的偏振態(tài)等。即與外來光子具有完全相同的狀態(tài)。在受激輻射過程中，輸入一個光子

3、，可以得到兩個狀態(tài)完全相同光子的輸出。并且這兩個光子可再作用于其他原子上，產(chǎn)生受激輻射，而獲得大量特征完全相同的光子。這便是受激輻射的光放大。這是激光器發(fā)明的理論基礎(chǔ)，由愛因斯坦奠定。受激輻射的特點(diǎn)受激輻射的特點(diǎn)hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出 光放大示意圖第第2 2節(jié)節(jié) 激光及特性激光及特性n“激光” 是利用光能、熱能、電能、化學(xué)能或核能等外部能量來激勵物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生的一種特殊的光。n （LASER）受激輻射的光放大，“鐳射、萊塞”n（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生激光產(chǎn)

4、生的物理過程：激光產(chǎn)生的物理過程：受激輻射而得到的加強(qiáng)光受激輻射而得到的加強(qiáng)光產(chǎn)生激光的困難：產(chǎn)生激光的困難：吸收大于輻射吸收大于輻射產(chǎn)生激光的辦法產(chǎn)生激光的辦法 ：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)Light or laser無輻射躍遷亞穩(wěn)態(tài)激光的特性激光的特性 n1 1高亮度高亮度n2 2高方向性高方向性n3 3高單色性高單色性n4 4好的相干性好的相干性 光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時間內(nèi)沿單位立體角所發(fā)射的能量，普通光源的亮度相當(dāng)?shù)?，例如，太陽表面的亮度比蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光器的輸出功率并不一定很高，但由于光束很細(xì)，光

5、脈沖窄，光功率密度卻非常大。由于激光光源使光能量在時間和空間上高度集中，因此，能在直徑極小的區(qū)域內(nèi)(10-3毫米)產(chǎn)生幾百萬度的高溫。 高亮度激光束經(jīng)聚焦后，可產(chǎn)生幾百萬個單位的高溫高壓。千分之一秒內(nèi)使任何金屬汽化。高亮度高亮度 普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布在全空間4立體角內(nèi)。而激光則是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-510-8球面度。若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展為幾個厘米，而普通探照燈光束直徑則 已經(jīng)擴(kuò)展為幾十米。激光的單向性 是由受激輻射原理和諧振腔的方向 選擇作用所決定的。激光這種良好 的單向性可用于定位、測距、導(dǎo)航 等。 高方向性

6、高方向性定向發(fā)光定向發(fā)光發(fā)散角小n 具有單一頻率的光波稱為單色光。n 任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率（或波長范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率（或波長）所對應(yīng)的強(qiáng)度是不同的。波長所對應(yīng)的波長范圍越窄，光的單色性越好。n 譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性好壞的物理量。從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2納米，單色性最好的氪燈（86Kr）的譜線寬度為4.710-3納米。而氦氖激光器發(fā)射的632.8納米激光的譜線寬度只有10-9納米。600800400nm熒光光譜熒光光譜 普通光源熒光光譜普通光源熒光光譜 譜線寬度約為：150 nm高單色性高單色性 普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相

7、干長度只有幾個厘米，而激光的相干長度則可以達(dá)到幾十公里，比普通光源大幾個數(shù)量級。因此也可以說激光具有非常好的相干性。用激光做光源進(jìn)行光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)，可以得到非常好的效果。另外，激光問世以來，推動了全息光學(xué)技術(shù)、激光光譜技術(shù)的發(fā)展。 由于激光具有上述這些良好的特性，從而突破了傳統(tǒng)光源的種種局限性，引起了現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命性發(fā)展。同時促進(jìn)了包括化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工與檢測技術(shù)、軍事等科學(xué)的迅速發(fā)展。 相干性好相干性好 激光器是產(chǎn)生激光的裝置。它主要由工作物激光器是產(chǎn)生激光的裝置。它主要由工作物質(zhì)、激勵能源和諧振腔三部分組成。質(zhì)、激勵能源和諧振腔三部分組成。n工作物質(zhì)工作物質(zhì)：激光產(chǎn)生

8、的內(nèi)因：激光產(chǎn)生的內(nèi)因 選擇具有適當(dāng)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)。n激勵能源激勵能源：粒子搬遷的動力：粒子搬遷的動力 可以是光源、電磁波發(fā)生器，作用在于向工作物質(zhì)輸入能源，使工作物質(zhì)的粒子處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)。n諧振腔諧振腔：激光的振蕩放大器：激光的振蕩放大器 選擇一個適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強(qiáng)度等極高的激光束。第第3 3節(jié)節(jié) 激光器激光器紅寶石激光器紅寶石激光器 n1960年，美國物理學(xué)家梅曼在實(shí)驗(yàn)室中做成了第一臺紅寶石激光器。我國于1961年研制出第一臺激光器，從此以后，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展， 引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的 巨大變化。 激光器的種類

9、激光器的種類n按運(yùn)轉(zhuǎn)（工作）方式分，有連續(xù)波、單脈沖、重復(fù)脈沖和波長可調(diào)激光器等；n按激勵方式分，有光激勵、電激勵、熱激勵、化學(xué)激勵和核激勵激光器等；n按工作物質(zhì)的不同，分為固體、氣體、半導(dǎo)體、染料、化學(xué)和自由電子激光器等。n固體激光器。用固體材料作為激光器的工作物質(zhì)。這類激光器的特點(diǎn)是小而堅(jiān)固，功率較高。n氣體激光器。用氣體作為激光器的工作物質(zhì)。其特點(diǎn)是能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作。n半導(dǎo)體激光器。用半導(dǎo)體作為激光器的工作物質(zhì)。其最大的特點(diǎn)是體積小、種類多、效率高、使用方便。n染料激光器。工作物質(zhì)是有機(jī)染料。其特點(diǎn)是工作波長連續(xù)可調(diào)(波長分布在0.321.3微米)，主要用于科研領(lǐng)域。1 1工業(yè)

10、加工工業(yè)加工第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展激光在通信中的應(yīng)用激光在通信中的應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維光信息處理機(jī)光信息處理機(jī)激光光纖通訊激光光纖通訊由于光波的頻率由于光波的頻率比電波的頻率高比電波的頻率高好幾個數(shù)量級，好幾個數(shù)量級， 一根極細(xì)的光纖一根極細(xì)的光纖 能承載的信息量，能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這相當(dāng)于圖片中這麼粗的電纜所能麼粗的電纜所能承載的承載的信息量。信息量。11第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用n 激光在醫(yī)

11、學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療。前者是以激光作為信息載體，后者則以激光作為能量載體。多年來，激光技術(shù)已成為臨床治療的有效手段，也成為發(fā)展醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵技術(shù)。n 光動力療法治癌；激光治療心血管疾??；激光美容術(shù)；激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)；激光腹腔鏡手術(shù)；激光碎石術(shù)；激光外科手術(shù)；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應(yīng)用；弱激光療法等。第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展激光眼部檢查激光眼部檢查12激光治療激光治療切除染色體致病基因切除染色體致病基因照射病灶照射病灶治療近視眼治療近視眼13激光手術(shù)激光手術(shù)145. 5. 軍事上的應(yīng)用軍事上的應(yīng)用n激光測距n激光雷達(dá)n激光制導(dǎo)n激光通信n激光

12、武器第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展5. 5. 軍事上的應(yīng)用軍事上的應(yīng)用-激光測距激光測距n激光測距的原理是： 通過向目標(biāo)發(fā)射激光信號，根據(jù)激光信號往返于測點(diǎn)與目標(biāo)之間所用的時間而求出距離的。n激光測距在軍事上可用于地形測量，戰(zhàn)場前沿測距，坦克及火炮的測距，測量云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈及衛(wèi)星的高度等。第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展5. 5. 軍事上的應(yīng)用軍事上的應(yīng)用-激光雷達(dá)激光雷達(dá)n利用激光束搜索、跟蹤和測量活動目標(biāo)的裝置叫激光雷達(dá)。n激光雷達(dá)的工作原理和微波雷達(dá)相似，都是利用電磁波照射目標(biāo)并接收回波的方法，發(fā)現(xiàn)、識別和指示目標(biāo)的，只是工作波段不同。n在軍事上可用于武器

13、鑒定試驗(yàn)、武器火控、跟蹤識別、指揮導(dǎo)引、大氣測量等。第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展5. 5. 軍事上的應(yīng)用軍事上的應(yīng)用-激光制導(dǎo)激光制導(dǎo)n 應(yīng)用激光作為跟蹤目標(biāo)和傳輸信息的手段，將導(dǎo) 彈、炮彈、航空炸彈等導(dǎo)向目標(biāo)的技術(shù)。n激光制導(dǎo)具有命中精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用，是精確制導(dǎo)武器的一種重要制導(dǎo)方式。n激光制導(dǎo)的種類主要有：半主動回波式制導(dǎo)、全主動回波式制導(dǎo)和波束式制導(dǎo)。目前應(yīng)用較為普遍的是半主動回波式制導(dǎo)。第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展5. 5. 軍事上的應(yīng)用軍事上的應(yīng)用-激光通信激光通信n激光通信是把光作為傳遞信息的載體，通過把信息（音頻

14、信號）調(diào)制到光波上，經(jīng)介質(zhì)（大氣、光纜等）的傳輸，將信息傳至對方，再經(jīng)接收終端解調(diào)，還原成聲音而實(shí)現(xiàn)通信。n按照激光傳播途徑的不同，激光通信可分為大氣激光通信，空間激光通信，水下激光通信和光導(dǎo)纖維通信等方式。n光纖通信是以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的激光通信。主要用于遠(yuǎn)距離的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，中短距離的局部通信系統(tǒng)，以及在飛機(jī)、艦艇、雷達(dá)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍事裝備和軍事設(shè)施內(nèi)部的信息傳遞和通信聯(lián)絡(luò)等。第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展5. 5. 軍事上的應(yīng)用軍事上的應(yīng)用-激光通信激光通信n利用激光的能量直接摧毀目標(biāo)或殺傷破壞其組成部分使之喪失戰(zhàn)斗力的武器稱為激光武器n 根據(jù)激光器輸出功率的大小，激光武器可區(qū)分為低能激光武器和高能激光武器兩大類。n低能武器主要指激光干擾與致盲武器，它是重要的光電對抗裝備，主要用于干擾和致盲敵方的光電傳感器和敵方官兵的眼睛n 高能激光武器也稱死光武器，它是借助于激光束的熱能直接摧毀目標(biāo)，可用于打擊導(dǎo)彈、衛(wèi)星、坦克、飛機(jī)等。第四節(jié)第四節(jié) 激光的應(yīng)用及發(fā)展激光的應(yīng)用及發(fā)展激光對抗與防護(hù)激光對抗與防護(hù)激光對抗措施激光對抗措施n所謂激光對抗，就是交戰(zhàn)雙方采取專門措施，干擾、破壞對方的激光裝備，使其喪失功能和戰(zhàn)斗力，同時保護(hù)己方的軍事裝備和人員免遭激光武器的攻擊和傷害。n 對抗