激光的技術(shù)應(yīng)用課件

1、第一講激光的技術(shù)應(yīng)用。、蒸汽動(dòng)力時(shí)代電氣時(shí)代光子時(shí)代20世紀(jì)19世紀(jì)21世紀(jì)1769年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)18671873年格拉姆先后發(fā)明發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)1960年梅曼發(fā)明紅寶石激光器MF:中波HF:短波VHF:超短波UHF:極超短波SHF:厘米波EHF:毫米波THZ:亞毫米波國(guó)際光學(xué)與光子學(xué)學(xué)會(huì)（SPIE）最新調(diào)查顯示：光子學(xué)行業(yè)的薪酬遠(yuǎn)高于平均水平 尤其是在發(fā)達(dá)國(guó)家。全球范圍內(nèi)，光學(xué)和光子學(xué)產(chǎn)業(yè)工人的平均工資為73000美元。在美國(guó)，這一數(shù)字為106000美元；收入最高的光子學(xué)產(chǎn)業(yè)工人生活在瑞士，平均工資超過(guò)120000美元（瑞士的平均工資水平為50000美元）。光電產(chǎn)品與資訊，2012.9，p7

2、2007年歐洲光子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)分布What is light?10nm-1000mX-ray: 10nm, 同步輻射：0.4nm380nm780nmThe development of lasersA chronology of selected events普朗克提出物體輻射能量量子化假設(shè)，開(kāi)創(chuàng)量子物理學(xué)新領(lǐng)域。愛(ài)因斯坦在普朗克理論基礎(chǔ)上，指出光也是一份一份的(后來(lái)稱(chēng)為光子)，解釋光電效應(yīng)。玻爾建立原子模型，指出電子依據(jù)其能量，占據(jù)不同的分立軌道。愛(ài)因斯坦提出受激輻射概念湯斯發(fā)現(xiàn)怎樣駕馭受激輻射產(chǎn)生聚焦微波束，稱(chēng)為Maser輻射受激發(fā)射的微波放大。1964年同另外兩位前蘇聯(lián)物理學(xué)家分享Nobel

3、物理學(xué)獎(jiǎng)。湯斯和肖洛發(fā)表了如何獲得更短波長(zhǎng)（包括可見(jiàn)光）的受激輻射的理論文章，提出了激光的概念。梅曼發(fā)明紅寶石激光器。不同研究小組研制成功GaAs半導(dǎo)體激光器。兩周后, USSR 重復(fù)實(shí)現(xiàn) Ruby Laser 1961, He-Ne Laser 1962, GaAs Semiconductor Laser自此以后的許多年，激光及其應(yīng)用飛速發(fā)展。它的歷史是一部典型的交叉學(xué)科的發(fā)展史：1. 發(fā)明了近百種不同類(lèi)型的激光器件，其發(fā)明者都有完全不同的專(zhuān)業(yè)背景2. 形成了許多重要的交叉學(xué)科：如信息光電子學(xué)、激光計(jì)量、激光生物醫(yī)學(xué)、激光化學(xué)、激光全息術(shù)、激光光譜學(xué)、非 線(xiàn)性光學(xué)、超快光電子學(xué)、激光加工與制

4、造 .3. 形成了一系列重要技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,光子產(chǎn)業(yè)方興未艾The nature of laser radiation激光-大量原子(或分子)受激發(fā)射形成的可以控制的振蕩光波。受激輻射光波與激勵(lì)光波同相位、同方向、同頻率、同偏振。激光的特性空間相干性和方向性， 10-4 弧度發(fā)散角(TEM00)時(shí)間相干性和單色性， 10-11波長(zhǎng)不純度高強(qiáng)度（相干光強(qiáng)）， xxxKW-CW, 107-8 W/cm2 1012-15 W, 101-6 J Pulse, 1023W/cm2.* 可產(chǎn)生極短脈沖:飛秒 10-15sec. 阿秒 10-1sec.？* 極寬的波長(zhǎng)范圍：從紅外到X射線(xiàn)激光高亮度連續(xù)激光：

5、108 W/cm2脈沖激光： 1023W/cm2表面：6103W/cm2激光的應(yīng)用信息的載體：通訊、存貯、測(cè)量、控制、導(dǎo)航能量的載體：材料加工、激光手術(shù)、激光武器、核聚變激光獨(dú)有的特性導(dǎo)致激光干涉測(cè)長(zhǎng)光電計(jì)數(shù)器顯示記錄裝置單模穩(wěn)頻He-Ne激光器光電顯微鏡待測(cè)物體可移動(dòng)平臺(tái)激光束邁克耳遜干涉儀光束1光束2M1M2平臺(tái)每移動(dòng)半波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，光束2的光程就改變一個(gè)波長(zhǎng)，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個(gè)同期的明、暗變化。通過(guò)對(duì)干涉條紋變化的測(cè)量就可以測(cè)量被測(cè)長(zhǎng)度。激光干涉測(cè)長(zhǎng)利用激光干涉法可否測(cè)量氣體折射率、氣體壓力、氣體溫度？激光衍射測(cè)量b激光參考物被測(cè)物xk觀測(cè)屏L對(duì)第k個(gè)衍射暗條紋有當(dāng)不大時(shí)，激光衍射測(cè)量

6、方法舉例b激光參考邊被測(cè)物（a）比較測(cè)量b激光參考物被測(cè)物（b）輪廓測(cè)量b激光參考邊試件（c）應(yīng)變測(cè)量P激光準(zhǔn)直He-Ne激光器發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)光電目標(biāo)靶控制機(jī)械運(yùn)算器指示器激光準(zhǔn)直儀基本組成框圖運(yùn)算電路運(yùn)算電路激光束上下指示表左右指示表四象限光電探測(cè)原理圖激光準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)衛(wèi)星距離 3 萬(wàn)公里測(cè)距精度 8 mm激光多普勒測(cè)速 1842年Doppler發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使頻率發(fā)生變化。 入射激光束 照明光束 參考光束 光電倍增管 M1 M2 L1 L2衰減片 參考光束型多普勒測(cè)速光學(xué)系統(tǒng)示意圖環(huán)境計(jì)量激光雷達(dá)原理光散射彈性散射非彈性散射瑞利散射米氏

7、散射布里淵散射拉曼散射拉曼散射是指光遇到原子或分子發(fā)生散射時(shí)，由于散射體的固有振動(dòng)以及回轉(zhuǎn)和能量交換，致使散射光的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。瑞利散射：入射光在線(xiàn)度小于光波長(zhǎng)的微粒上的散射現(xiàn)象。瑞利散射強(qiáng)度與入射光的波長(zhǎng)四次方成反比。 米氏散射：粒子的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射稱(chēng)為米氏散射。米氏散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比。 布里淵散射：光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，因其無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的彈性波引起的散射。布里淵散射也屬于拉曼效應(yīng)，即光在介質(zhì)中受到各種元激發(fā)的非彈性散射，其頻率變化表征了元激發(fā)的能量。與拉曼散射不同的是，在布里淵散射中是研究能量較小的元激發(fā)，如聲學(xué)聲子和磁振子等。 激光雷達(dá)在工作激光在信息技術(shù)中的應(yīng)

8、用 光纖通信 光信息存儲(chǔ) 光顯示 激光視頻投影顯示 激光光束圖文掃描顯示 激光全息三維顯示 光纖通信用光纖（線(xiàn)）中的光子流代替電線(xiàn)中的電子流來(lái)傳輸信息 。 優(yōu)點(diǎn)： 頻帶寬例如一對(duì)商用光纖可傳 大約30萬(wàn)路電話(huà)（2.5G 比特/秒）一條20芯（10對(duì)光纖）光纜可傳300 萬(wàn)路電話(huà)，相當(dāng)于兩個(gè)300 萬(wàn)人口的城市間每人有一專(zhuān)用電話(huà)線(xiàn)。 傳輸衰減小-中繼站距離可長(zhǎng)達(dá)幾百公里 抗電磁干擾和輻射光纖之父2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者高錕1966年提出設(shè)想色 散 概 念用激光束（針）代替唱針在光盤(pán)上存儲(chǔ)和讀出信息 優(yōu)點(diǎn)：易于大量復(fù)制-最大優(yōu)點(diǎn)！ 存儲(chǔ)密度高-在一張直徑12厘米的光盤(pán)上可以存儲(chǔ) 數(shù)千兆比特的

9、數(shù)字信息( DVD-ROM)或四小 時(shí)左右的高質(zhì)量電影(DVD) 光信息存儲(chǔ)Mutilayer Disk IdeaLASER TV SET激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 利用光熱效應(yīng)激光外科手術(shù)、理療等 利用激光光子能量的光化學(xué)效應(yīng) 激光診斷、癌癥治療等激光手術(shù)激光消除血栓示意圖激光治療光動(dòng)力學(xué)療法治療癌癥過(guò)程示意圖激光分離同位素原子序號(hào)相同而質(zhì)量數(shù)不同的元素稱(chēng)為同位素。氫的同位素是氘。氘在自然界的比例是0.0149%，稱(chēng)之為自然存在比。天然鈾中的大部分是鈾238，鈾235只占0.7%。若鈾作為反應(yīng)堆核燃料，必須將鈾235濃縮至3%，制造核彈必須將鈾235濃縮至80%以上 。氣體擴(kuò)散法、離心分離法激光分離

10、同位素的理論基礎(chǔ)是同位素偏移原子、分子同位素的譜線(xiàn)頻率差異。m電子質(zhì)量：M1，M2同位素原子質(zhì)量M兩同位素質(zhì)量差激光二級(jí)光電離法分離同位素原理激光鈾濃縮示意圖 激光的若干軍事應(yīng)用精確制導(dǎo)半主動(dòng)激光制導(dǎo)的DPSSL YAG激光跟蹤/目標(biāo)指示器已大量裝備并應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)。激光雷達(dá)主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)彈具有“發(fā)射后不管”和攻擊遠(yuǎn)距離目標(biāo)的能力,是激光制導(dǎo)武器的發(fā)展方向。美國(guó)空軍懷特實(shí)驗(yàn)室正在研制這種激光雷達(dá)尋的器。 預(yù)警探測(cè)和反導(dǎo)精密跟瞄美國(guó)的“眼鏡蛇球”(CobraBall)預(yù)警機(jī)(RC-135S)已加裝了測(cè)距能力達(dá)400km以上的YAG測(cè)距機(jī),并于1998年服役,同時(shí)還將在2006年布置的YAC-1機(jī)載激光武器系統(tǒng)上使用?；鹂馗鞣N火炮和導(dǎo)彈系統(tǒng)都可配備激光測(cè)距機(jī)/目標(biāo)指示器,提高首發(fā)命中率,其型號(hào)繁多,已大量裝備部隊(duì)。美國(guó)八十年代研制的LANTIRN機(jī)載目標(biāo)瞄準(zhǔn)吊艙已大量裝備F-15、F-16等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)并在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等作戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用。局部風(fēng)場(chǎng)測(cè)量采用脈沖相干多普勒激光雷達(dá)測(cè)量小范圍風(fēng)速分布,特別是水平風(fēng)速切