激光技術(shù)及應(yīng)用課件

光電信息技術(shù)通信工程學(xué)院王天樞光電信息技術(shù)通信工程學(xué)院1

激光技術(shù)及應(yīng)用

1激光技術(shù)及應(yīng)用

LASER

（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）

----受激輻射的光放大激光是20世紀(jì)的四項重大的發(fā)明之一。

1960年，美國物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石（Al2O3:Cr）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。40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個學(xué)科相結(jié)合形成多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測與計量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2.1激光技術(shù)概述LASER（LightAmplificationby激光器的發(fā)明1954年，美國物理學(xué)家湯斯研制成功波長為1.25厘米的氨分子振蕩器——受激輻射微波放大器（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）肖洛提出創(chuàng)造性設(shè)想——光腔代替微波共振腔1960年，梅曼發(fā)明激光器激光器的發(fā)明1954年，美國物理學(xué)家湯斯研制成功波長為1.2物質(zhì)由原子組成。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。2.1.1激光的產(chǎn)生物質(zhì)由原子組成。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶激光技術(shù)及應(yīng)用課件吸收：電子透過吸收光子從低能級躍遷到高能級自發(fā)輻射：電子自發(fā)地透過釋放光子從高能級躍遷到較低能級受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能級躍遷到低能級，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相位，此波長對應(yīng)于兩個能級的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子吸收：電子透過吸收光子從低能級躍遷到高能級入射光受激輻射光原子受激輻射示意圖入射光受激輻射光原子受激輻射示意圖產(chǎn)生激光的必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

２.使原子被激發(fā)

３.要實現(xiàn)光放大

——工作物質(zhì)

——光學(xué)諧振腔——激勵能源

部分反射鏡

激勵能源

全反射鏡

激光輸出

工作物質(zhì)

光學(xué)諧振腔L產(chǎn)生激光的必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)２.使原子被激發(fā)３.向各個方向自發(fā)輻射的光子沿中心軸方向的輻射被受激放大光在工作物質(zhì)中反復(fù)傳播被放大激光器的組成：工作物質(zhì)、泵浦源、諧振腔工作物質(zhì)聚光腔+M光諧振腔MM向各個方向自發(fā)輻射的光子沿中心軸方向的輻射被受激放大光在工作高方向性高強度，高亮度相干性強，顏色極純-單色性強2.1.2激光的特性高方向性2.1.2激光的特性光束發(fā)散角=2α探照燈：35毫弧度≈1度激光：10-2毫弧度αsr激光的高方向性光束發(fā)散角=2α探照燈：35毫弧度≈1度αsr激光的高方向激光的高強度和高亮度一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個數(shù)量級（幾千萬倍）。強激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。地球上任何一種已知材料，無論其熔點多高，在強激光照射下1秒鐘之內(nèi)即可開始氣化；任何一種金屬或鉆石，不管其硬度多大，激光均可輕而易舉地對它打孔。

激光的高強度和高亮度一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太相干性強，顏色極純-單色性強

因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來激光的顏色極純——單色性強相干性強，顏色極純-單色性強因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)具有單一頻率的光波稱為單色光。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。譜線寬度：通常用強度下降到的兩點之間的波長范圍：譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性好壞的物理量單色光具有單一頻率的光波稱為單色光。譜線寬度：通常用強度下降到的兩激光器的分類：工作物質(zhì)---氣體、固體、半導(dǎo)體、液體、化學(xué)、自由電子激光器工作方式---連續(xù)（CW,continuouswavelasers）和脈沖（Pulsedlasers）激光技術(shù)---調(diào)Q激光器（Q-switchedlasers）、鎖模激光器（Modelockedlasers）、倍頻激光器（Frequencydoublinglasers）、可調(diào)諧激光器（Tunablelasers）、單模和多模激光器（Single-modeandMulti-modelasers）等2.2激光的分類激光器的分類：2.2激光的分類（1）固體激光器工作物質(zhì)-各種激光晶體和玻璃一般小而堅固，脈沖輻射功率較高，應(yīng)用范圍較廣泛。Nd:YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁石榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG，發(fā)射波長1064nm，工作物質(zhì)是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化釹。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業(yè)上。釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對治療白內(nèi)障和青光眼十分有效。（1）固體激光器1047nm~1064nm：激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm：醫(yī)學(xué)和通信摻鈦（Ti）藍寶石激光器670nm~1100nm固體激光器常用于產(chǎn)生強激光，連續(xù)輸出~幾千瓦，脈沖輸出~幾萬焦耳摻鉺光纖激光器：在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其它固體激光器作泵浦源。用摻鉺光纖作成的光纖放大器和光纖激光器，是光纖通信中不可缺少的部分。激光技術(shù)及應(yīng)用課件（2）半導(dǎo)體激光器體積小（只有火柴盒大?。?、重量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單，是一種微型激光器，輸出波長為人眼看不見的紅外線，在0.8～0.9微米之間。只要通以適當(dāng)強度的電流就有激光射出，紅外光保密性特別強，很適合用在飛機、軍艦、坦克、車輛和宇宙飛船上使用。半導(dǎo)體激光器發(fā)展很快，在微型化方面進展迅速。整個器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒還小。常用于光通信、光盤、激光打印、光計算機、微量氣體探測等方面。（2）半導(dǎo)體激光器（3）氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)，單色性和相干性較好，波長可達數(shù)千種，應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作方便。在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、精密測量、全息技術(shù)等方面應(yīng)用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學(xué)能、光能、核能等多種激勵（泵浦）方式。分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，在醫(yī)療、機械加工方面得到廣泛應(yīng)用，還用于測距和通信。準(zhǔn)分子激光器：發(fā)光都在紫外波段。多用于微細加工，光刻及醫(yī)學(xué)。不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當(dāng)兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵時，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。（3）氣體激光器（4）液體激光器主要是染料激光器。多為粉末狀染料溶于有機溶劑中，方可產(chǎn)生激光，它可以用閃光燈泵浦，或激光泵浦。從紅外到紫外范圍調(diào)諧任意波長（幾十到幾百納米）的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的應(yīng)用。（4）液體激光器紅外激光器紅外激光器已有多種類型，應(yīng)用范圍廣泛，它是一種新型的紅外輻射源，特點是輻射強度高、單色性好、相干性好、方向性強。二氧化碳激光器，發(fā)出的激光波長為10.6微米，處紅外區(qū)，肉眼不能覺察。工作方式：連續(xù)、脈沖。連續(xù)激光功率可達20千瓦以上。是最強大的一種激光，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。做實驗時，一不小心就會把衣服燒壞，裸露的皮膚碰到要燒傷，所以這種激光器上都貼著“危險”的標(biāo)記，操作時要特別留神。

紅外激光器X射線激光器X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，其光子能量非常高。目前，最短的X射線波長已達到4.483nm水窗范圍（因為水是吸收X射線的，只有在4.483nm附近，水分子有個不吸收區(qū)，X射線可順利通過，損耗很小，故稱水窗），由于生物細胞活性組織內(nèi)均含有很多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)的研究。已經(jīng)用波長4.483nmX射線激光制成了X射線顯微鏡，并成功地得到了老鼠精子內(nèi)核的圖象，用于DNA在精子細胞內(nèi)排列的研究。X射線激光器生物微腔激光器砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細胞介質(zhì)膜反射鏡玻璃基底

一種研究活體生物細胞的手段和方法，將含有被測細胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光表面，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃片。細胞置于激光共振腔中，當(dāng)激光在腔內(nèi)往返數(shù)百次后，細胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過這些信息的識別，由發(fā)射激光的脈沖形狀、模式、空間分布以及收集到的熒光圖象，就可知道細胞屬于那一類。是正常細胞還是癌細胞等。這種生物微腔激光器一般用波長850納米的半導(dǎo)體激光器來制作。生物微腔激光器砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細納米激光器據(jù)2001年美國《科學(xué)》雜志報道，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在僅有頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器——納米激光器。研究人員希望用電流來激活納米激光器，這樣就可用于電路。最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計算機磁盤和光子計算機的信息儲存量。納米激光器集成電路制造中利用光學(xué)-化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)傳遞圖形的尺寸限度縮小了2～3個數(shù)量級（從毫米級到亞微米級），已從常規(guī)光學(xué)技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用電子束、X射線、微離子束、激光等新技術(shù)；使用波長已從4000埃擴展到0.1埃數(shù)量級范圍。光刻技術(shù)成為一種精密的微細加工技術(shù)。

1、光刻技術(shù)2.3激光的應(yīng)用集成電路制造中利用光學(xué)-化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進行。極紫外光刻（EUVL）技術(shù)是大批量生產(chǎn)特征尺寸為30-45納米線寬集成電路的主流技術(shù)。EUVL是未來延續(xù)摩爾定律的一種關(guān)鍵技術(shù)?？涛g工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科，主要分為以下幾類：激光加工系統(tǒng)包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等。

焊接：汽車車身厚薄板及零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。2、焊接、切割、打標(biāo)、雕刻激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科，主要分切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零

打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國的激光熱處理應(yīng)用遠比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。激光快速成型：將激光加工技術(shù)和計算機數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。激光涂敷：在航空航天、模具及機電行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。

激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向激光在醫(yī)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。激光技術(shù)解決了醫(yī)學(xué)中的許多難題，為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了貢獻?，F(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究、新技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)備研制和生產(chǎn)等諸多方面都保持持續(xù)的、強勁的發(fā)展勢頭。60年代，激光開始被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)。70年代，Strong和Jaka應(yīng)用CO2激光治療重的喉部疾患。1973年，Strong等經(jīng)支氣管鏡應(yīng)用CO2激光治療支氣管內(nèi)病變。1975年，LaForet等應(yīng)用CO2激光治療氣管內(nèi)惡性腫瘤。1982年，Toty等應(yīng)用Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光治療氣道內(nèi)病變。3、激光醫(yī)療激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激激光醫(yī)療研究重點：

（1）激光參數(shù)（波長、功率密度、能量密度與運轉(zhuǎn)方式等）對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關(guān)系；（2）弱激光與細胞生物學(xué)現(xiàn)象（基因調(diào)控和細胞凋亡）的關(guān)系、弱激光鎮(zhèn)痛的分子生物學(xué)機制以及弱激光與細胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關(guān)系及其機制；（3）光動力療法機制、激光介入治療、激光心血管成形術(shù)與心肌血管重建機制；（4）對醫(yī)學(xué)光子技術(shù)中重要的、新穎的光子器件和儀器開發(fā)，如：醫(yī)用半導(dǎo)體激光系統(tǒng)、角膜成形與血管成形用準(zhǔn)分子激光設(shè)備、激光美容（換皮去皺、植發(fā)）設(shè)備，新工作波段的醫(yī)用激光系統(tǒng)，Ho：YAG及Er：YAG激光手術(shù)刀。激光醫(yī)療研究重點：

（1）激光參數(shù)（波長、功率密度、能量密度激光技術(shù)及應(yīng)用課件激光技術(shù)及應(yīng)用課件激光技術(shù)及應(yīng)用課件超快和超慢現(xiàn)象的研究超快現(xiàn)象：在微觀世界很多現(xiàn)象是在極短的時間內(nèi)發(fā)生的。如，熱原子與分子的碰撞時間僅為皮秒，甚至更短。固體，液體中的能量轉(zhuǎn)移；液體中的分子的快速化學(xué)反應(yīng)；生物的光合作用；DNA能量轉(zhuǎn)移;超高速光通信的光電轉(zhuǎn)移等。為了研究微觀世界所發(fā)生的現(xiàn)象，就需要本身具有同樣時間尺度的工具。激光器發(fā)出的激光脈沖：皮秒；飛秒；阿秒。用超短激光脈沖啟動和終止電信號制造比晶體管快的開關(guān)，可以極大地提高計算機、通信設(shè)備等半導(dǎo)體設(shè)備的工作速度，并減小它們的體積。4、激光在科學(xué)研究中的應(yīng)用超快和超慢現(xiàn)象的研究4、激光在科學(xué)研究中的應(yīng)用超慢現(xiàn)象研究多普勒效應(yīng)：如果波源與觀察者之間有相對運動，則觀察者接收到的波頻率不同于波源的頻率。頻率的偏移量正比于物體的運動速度。速度越小頻率的偏移量也越小，就要求用于測量的光具有極高的頻率穩(wěn)定性。激光可以觀測每小時只有3毫米的超慢運動。如，觀測珊瑚的生長，細胞的分裂等。超慢現(xiàn)象研究光鉗技術(shù)光的輻射壓力：（彗星的尾巴總是背向太陽，被認(rèn)為是太陽光的壓力造成的。功率為毫瓦數(shù)量級的光，大約能產(chǎn)生皮牛量級的輻射壓力。拾起一顆小小的圖釘?shù)牧?，大約是幾百億皮牛）激光輻射產(chǎn)生的皮牛量級的力恰好適于移動細胞和生物大分子。激光器聚焦鏡樣品池顯微鏡當(dāng)用激光鉗住一個細胞時，再用另一束較強的激光作為激光刀，對細胞進行手術(shù)。如，切下DNA或細胞膜，研究細胞功能的變化；鉗住某種基因?qū)⑵渥⑷氲街参锛毎麅?nèi)，起到基因傳遞的作用等。激光鉗與激光刀聯(lián)合使用還可以實現(xiàn)基因的重組和重排，可以幫助完成“人類基因測序計劃”。光鉗技術(shù)激光器聚焦鏡樣品池顯微鏡當(dāng)用激激光冷卻和捕獲原子技術(shù)獲得低溫是科學(xué)家長期以來不斷追求的一種技術(shù)，它不但給人類帶來實惠，如超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，而且為研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)創(chuàng)造了獨特的條件。在低溫條件下，分子、原子熱運動的影響可以大大的減弱，原子更容易暴露出它們的性質(zhì)。20世紀(jì)80年代，借助激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫狀態(tài)。這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。激光冷卻和捕獲原子技術(shù)1985年貝爾實驗室的朱隸文小組用三對方向相反的激光束照射鈉原子，6束激光交匯處的鈉原子團被冷卻，溫度達到240K。xyz1997年朱隸文，達諾基，和菲利普斯因此而獲諾貝爾物理獎光學(xué)粘團1985年貝爾實驗室的朱隸文小組用三對方向相反的激光束照射鈉以激光照射，引起變異，培育良種。用激光來培育良種能取得好的效果，在農(nóng)業(yè)上早就有了許多成功的范例。激光引起變異的原理：物種中的DNA能在共振、高溫或高壓等情況下產(chǎn)生錯位，引起變異；而激光正是一種波長極短，具有極大能量的光波，正適用于誘變。誘變絕對沒有想的那么簡單，說變什么樣就什么樣。并不是每一種變異都是好的，多半時候是越變越壞。不過，育種科學(xué)家們通過反復(fù)試驗，選育了無數(shù)優(yōu)異品種。目前已在果樹等植物育種上應(yīng)用獲得初步成功。也可照射卵、蛹，用于家蠶育種上。

5、激光育種以激光照射，引起變異，培育良種。用激光來培育良種能取得好的效20世紀(jì)90年代，俄羅斯科學(xué)家用波長441.6nm的藍色氦——鎘激光束照射種子兩個小時，3個小時后再用波長632.8nm、同樣強度的紅色氦——氖激光束照射兩小時，使用這種小麥種子的小麥分蘗抽穗多，穗頭飽滿結(jié)實，平均每畝小麥可以提高產(chǎn)量60kg，蛋白質(zhì)含量增加5％。激光培育的油菜種子，經(jīng)過大面積試種，能夠提高60％的產(chǎn)量。我國也掌握了這一技術(shù)，而且水平居于世界前列。我國試驗激光育種的植物品種包括水稻、小麥、大豆、玉米、谷子、蠶豆、油菜等200多種植物種子。

20世紀(jì)90年代，俄羅斯科學(xué)家用波長441.6nm的藍色氦—激光測距：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與目標(biāo)之間所用的時間而求出距離的。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、導(dǎo)彈及衛(wèi)星的高度等。激光雷達：利用激光束搜索、跟蹤和測量活動目標(biāo)的裝置。利用激光照射目標(biāo)并接收回波的方法，發(fā)現(xiàn)、識別和指示目標(biāo)。武器鑒定試驗、武器火控、跟蹤識別、指揮導(dǎo)引、大氣測量等。激光制導(dǎo)：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)。具有命中精度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，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。主要種類有：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)。6、激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用激光測距：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與目激光武器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。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。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。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、飛機等。激光技術(shù)在軍事的應(yīng)用除上述幾個方面外，還包括：激光偵察、激光核聚變、激光計算機、激光陀螺等。激光武器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激光技術(shù)及應(yīng)用課件激光技術(shù)及應(yīng)用課件光電信息技術(shù)通信工程學(xué)院王天樞光電信息技術(shù)通信工程學(xué)院1

激光技術(shù)及應(yīng)用

1激光技術(shù)及應(yīng)用

LASER

（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）

----受激輻射的光放大激光是20世紀(jì)的四項重大的發(fā)明之一。

1960年，美國物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石（Al2O3:Cr）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。40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個學(xué)科相結(jié)合形成多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測與計量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2.1激光技術(shù)概述LASER（LightAmplificationby激光器的發(fā)明1954年，美國物理學(xué)家湯斯研制成功波長為1.25厘米的氨分子振蕩器——受激輻射微波放大器（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）肖洛提出創(chuàng)造性設(shè)想——光腔代替微波共振腔1960年，梅曼發(fā)明激光器激光器的發(fā)明1954年，美國物理學(xué)家湯斯研制成功波長為1.2物質(zhì)由原子組成。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。2.1.1激光的產(chǎn)生物質(zhì)由原子組成。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶激光技術(shù)及應(yīng)用課件吸收：電子透過吸收光子從低能級躍遷到高能級自發(fā)輻射：電子自發(fā)地透過釋放光子從高能級躍遷到較低能級受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能級躍遷到低能級，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相位，此波長對應(yīng)于兩個能級的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子吸收：電子透過吸收光子從低能級躍遷到高能級入射光受激輻射光原子受激輻射示意圖入射光受激輻射光原子受激輻射示意圖產(chǎn)生激光的必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

２.使原子被激發(fā)

３.要實現(xiàn)光放大

——工作物質(zhì)

——光學(xué)諧振腔——激勵能源

部分反射鏡

激勵能源

全反射鏡

激光輸出

工作物質(zhì)

光學(xué)諧振腔L產(chǎn)生激光的必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)２.使原子被激發(fā)３.向各個方向自發(fā)輻射的光子沿中心軸方向的輻射被受激放大光在工作物質(zhì)中反復(fù)傳播被放大激光器的組成：工作物質(zhì)、泵浦源、諧振腔工作物質(zhì)聚光腔+M光諧振腔MM向各個方向自發(fā)輻射的光子沿中心軸方向的輻射被受激放大光在工作高方向性高強度，高亮度相干性強，顏色極純-單色性強2.1.2激光的特性高方向性2.1.2激光的特性光束發(fā)散角=2α探照燈：35毫弧度≈1度激光：10-2毫弧度αsr激光的高方向性光束發(fā)散角=2α探照燈：35毫弧度≈1度αsr激光的高方向激光的高強度和高亮度一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個數(shù)量級（幾千萬倍）。強激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。地球上任何一種已知材料，無論其熔點多高，在強激光照射下1秒鐘之內(nèi)即可開始氣化；任何一種金屬或鉆石，不管其硬度多大，激光均可輕而易舉地對它打孔。

激光的高強度和高亮度一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太相干性強，顏色極純-單色性強

因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來激光的顏色極純——單色性強相干性強，顏色極純-單色性強因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)具有單一頻率的光波稱為單色光。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。譜線寬度：通常用強度下降到的兩點之間的波長范圍：譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性好壞的物理量單色光具有單一頻率的光波稱為單色光。譜線寬度：通常用強度下降到的兩激光器的分類：工作物質(zhì)---氣體、固體、半導(dǎo)體、液體、化學(xué)、自由電子激光器工作方式---連續(xù)（CW,continuouswavelasers）和脈沖（Pulsedlasers）激光技術(shù)---調(diào)Q激光器（Q-switchedlasers）、鎖模激光器（Modelockedlasers）、倍頻激光器（Frequencydoublinglasers）、可調(diào)諧激光器（Tunablelasers）、單模和多模激光器（Single-modeandMulti-modelasers）等2.2激光的分類激光器的分類：2.2激光的分類（1）固體激光器工作物質(zhì)-各種激光晶體和玻璃一般小而堅固，脈沖輻射功率較高，應(yīng)用范圍較廣泛。Nd:YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁石榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG，發(fā)射波長1064nm，工作物質(zhì)是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化釹。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業(yè)上。釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對治療白內(nèi)障和青光眼十分有效。（1）固體激光器1047nm~1064nm：激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm：醫(yī)學(xué)和通信摻鈦（Ti）藍寶石激光器670nm~1100nm固體激光器常用于產(chǎn)生強激光，連續(xù)輸出~幾千瓦，脈沖輸出~幾萬焦耳摻鉺光纖激光器：在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其它固體激光器作泵浦源。用摻鉺光纖作成的光纖放大器和光纖激光器，是光纖通信中不可缺少的部分。激光技術(shù)及應(yīng)用課件（2）半導(dǎo)體激光器體積?。ㄖ挥谢鸩窈写笮。?、重量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單，是一種微型激光器，輸出波長為人眼看不見的紅外線，在0.8～0.9微米之間。只要通以適當(dāng)強度的電流就有激光射出，紅外光保密性特別強，很適合用在飛機、軍艦、坦克、車輛和宇宙飛船上使用。半導(dǎo)體激光器發(fā)展很快，在微型化方面進展迅速。整個器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒還小。常用于光通信、光盤、激光打印、光計算機、微量氣體探測等方面。（2）半導(dǎo)體激光器（3）氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)，單色性和相干性較好，波長可達數(shù)千種，應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作方便。在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、精密測量、全息技術(shù)等方面應(yīng)用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學(xué)能、光能、核能等多種激勵（泵浦）方式。分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，在醫(yī)療、機械加工方面得到廣泛應(yīng)用，還用于測距和通信。準(zhǔn)分子激光器：發(fā)光都在紫外波段。多用于微細加工，光刻及醫(yī)學(xué)。不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當(dāng)兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵時，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。（3）氣體激光器（4）液體激光器主要是染料激光器。多為粉末狀染料溶于有機溶劑中，方可產(chǎn)生激光，它可以用閃光燈泵浦，或激光泵浦。從紅外到紫外范圍調(diào)諧任意波長（幾十到幾百納米）的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的應(yīng)用。（4）液體激光器紅外激光器紅外激光器已有多種類型，應(yīng)用范圍廣泛，它是一種新型的紅外輻射源，特點是輻射強度高、單色性好、相干性好、方向性強。二氧化碳激光器，發(fā)出的激光波長為10.6微米，處紅外區(qū)，肉眼不能覺察。工作方式：連續(xù)、脈沖。連續(xù)激光功率可達20千瓦以上。是最強大的一種激光，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。做實驗時，一不小心就會把衣服燒壞，裸露的皮膚碰到要燒傷，所以這種激光器上都貼著“危險”的標(biāo)記，操作時要特別留神。

紅外激光器X射線激光器X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，其光子能量非常高。目前，最短的X射線波長已達到4.483nm水窗范圍（因為水是吸收X射線的，只有在4.483nm附近，水分子有個不吸收區(qū)，X射線可順利通過，損耗很小，故稱水窗），由于生物細胞活性組織內(nèi)均含有很多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)的研究。已經(jīng)用波長4.483nmX射線激光制成了X射線顯微鏡，并成功地得到了老鼠精子內(nèi)核的圖象，用于DNA在精子細胞內(nèi)排列的研究。X射線激光器生物微腔激光器砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細胞介質(zhì)膜反射鏡玻璃基底

一種研究活體生物細胞的手段和方法，將含有被測細胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光表面，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃片。細胞置于激光共振腔中，當(dāng)激光在腔內(nèi)往返數(shù)百次后，細胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過這些信息的識別，由發(fā)射激光的脈沖形狀、模式、空間分布以及收集到的熒光圖象，就可知道細胞屬于那一類。是正常細胞還是癌細胞等。這種生物微腔激光器一般用波長850納米的半導(dǎo)體激光器來制作。生物微腔激光器砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細納米激光器據(jù)2001年美國《科學(xué)》雜志報道，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在僅有頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器——納米激光器。研究人員希望用電流來激活納米激光器，這樣就可用于電路。最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計算機磁盤和光子計算機的信息儲存量。納米激光器集成電路制造中利用光學(xué)-化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)傳遞圖形的尺寸限度縮小了2～3個數(shù)量級（從毫米級到亞微米級），已從常規(guī)光學(xué)技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用電子束、X射線、微離子束、激光等新技術(shù)；使用波長已從4000埃擴展到0.1埃數(shù)量級范圍。光刻技術(shù)成為一種精密的微細加工技術(shù)。

1、光刻技術(shù)2.3激光的應(yīng)用集成電路制造中利用光學(xué)-化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進行。極紫外光刻（EUVL）技術(shù)是大批量生產(chǎn)特征尺寸為30-45納米線寬集成電路的主流技術(shù)。EUVL是未來延續(xù)摩爾定律的一種關(guān)鍵技術(shù)。刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科，主要分為以下幾類：激光加工系統(tǒng)包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等。

焊接：汽車車身厚薄板及零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。2、焊接、切割、打標(biāo)、雕刻激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科，主要分切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零

打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應(yīng)用廣泛。我國的激光熱處理應(yīng)用遠比國外廣泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器為主。激光快速成型：將激光加工技術(shù)和計算機數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合而形成。多用于模具和模型行業(yè)。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主。激光涂敷：在航空航天、模具及機電行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器為主。

激光熱處理：在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向激光在醫(yī)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。激光技術(shù)解決了醫(yī)學(xué)中的許多難題，為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了貢獻?，F(xiàn)在，在基礎(chǔ)研究、新技術(shù)開發(fā)以及新設(shè)備研制和生產(chǎn)等諸多方面都保持持續(xù)的、強勁的發(fā)展勢頭。60年代，激光開始被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)。70年代，Strong和Jaka應(yīng)用CO2激光治療重的喉部疾患。1973年，Strong等經(jīng)支氣管鏡應(yīng)用CO2激光治療支氣管內(nèi)病變。1975年，LaForet等應(yīng)用CO2激光治療氣管內(nèi)惡性腫瘤。1982年，Toty等應(yīng)用Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光治療氣道內(nèi)病變。3、激光醫(yī)療激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療，前者是以激激光醫(yī)療研究重點：

（1）激光參數(shù)（波長、功率密度、能量密度與運轉(zhuǎn)方式等）對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關(guān)系；（2）弱激光與細胞生物學(xué)現(xiàn)象（基因調(diào)控和細胞凋亡）的關(guān)系、弱激光鎮(zhèn)痛的分子生物學(xué)機制以及弱激光與細胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關(guān)系及其機制；（3）光動力療法機制、激光介入治療、激光心血管成形術(shù)與心肌血管重建機制；（4）對醫(yī)學(xué)光子技術(shù)中重要的、新穎的光子器件和儀器開發(fā)，如：醫(yī)用半導(dǎo)體激光系統(tǒng)、角膜成形與血管成形用準(zhǔn)分子激光設(shè)備、激光美容（換皮去皺、植發(fā)）設(shè)備，新工作波段的醫(yī)用激光系統(tǒng)，Ho：YAG及Er：YAG激光手術(shù)刀。激光醫(yī)療研究重點：

（1）激光參數(shù)（波長、功率密度、能量密度激光技術(shù)及應(yīng)用課件激光技術(shù)及應(yīng)用課件激光技術(shù)及應(yīng)用課件超快和超慢現(xiàn)象的研究超快現(xiàn)象：在微觀世界很多現(xiàn)象是在極短的時間內(nèi)發(fā)生的。如，熱原子與分子的碰撞時間僅為皮秒，甚至更短。固體，液體中的能量轉(zhuǎn)移；液體中的分子的快速化學(xué)反應(yīng)；生物的光合作用；DNA能量轉(zhuǎn)移;超高速光通信的光電轉(zhuǎn)移等。為了研究微觀世界所發(fā)生的現(xiàn)象，就需要本身具有同樣時間尺度的工具。激光器發(fā)出的激光脈沖：皮秒；飛秒；阿秒。用超短激光脈沖啟動和終止電信號制造比晶體管快的開關(guān)，可以極大地提高計算機、通信設(shè)備等半導(dǎo)體設(shè)備的工作速度，并減小它們的體積。4、激光在科學(xué)研究中的應(yīng)用超快和超慢現(xiàn)象的研究4、激光在科學(xué)研究中的應(yīng)用超慢現(xiàn)象研究多普勒效應(yīng)：如果波源與觀察者之間有相對運動，則觀察者接收到的波頻率不同于波源的頻率。頻率的偏移量正比于物體的運動速度。速度越小頻率的偏移量也越小，就要求用于測量的光具有極高的頻率穩(wěn)定性。激光可以觀測每小時只有3毫米的超慢運動。如，觀測珊瑚的生長，細胞的分裂等。超慢現(xiàn)象研究光鉗技術(shù)光的輻射壓力：（彗星的尾巴總是背向太陽，被認(rèn)為是太陽光的壓力造成的。功率為毫瓦數(shù)