激光技術(shù)應(yīng)用(1)

1、內(nèi)容主要選自：鄧錫銘，雷仕湛內(nèi)容主要選自：鄧錫銘，雷仕湛 激光技術(shù)激光技術(shù)激光技術(shù)講座湛江師范學(xué)院 物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院激光技術(shù)的應(yīng)用（一）激光技術(shù)的應(yīng)用（一）主講：陳冠英主講：陳冠英 （2010.3）激光技術(shù)的應(yīng)用激光技術(shù)的應(yīng)用一激光精密計(jì)量一激光精密計(jì)量二激光信息處理二激光信息處理 三激光加工三激光加工四激光能源四激光能源五激光醫(yī)學(xué)五激光醫(yī)學(xué)六激光農(nóng)業(yè)六激光農(nóng)業(yè)七激光武器七激光武器八激光與基礎(chǔ)科學(xué)八激光與基礎(chǔ)科學(xué)激光的特性激光的特性方向性極好的強(qiáng)光束方向性極好的強(qiáng)光束-準(zhǔn)直、測距、切削、醫(yī)學(xué)、準(zhǔn)直、測距、切削、醫(yī)學(xué)、武器、核聚變研究等。武器、核聚變研究等。 相干性極好的光束相干性極好的光束-

2、精密測厚、測角，全息攝精密測厚、測角，全息攝影等。影等。 單色性極好且頻率可單色性極好且頻率可調(diào)的光束調(diào)的光束-高分辨高分辨激光光譜，研究原激光光譜，研究原子、分子結(jié)構(gòu)子、分子結(jié)構(gòu). 超強(qiáng)、超快的激光超強(qiáng)、超快的激光脈沖脈沖-時(shí)間分辨、時(shí)間分辨、超快過程激光光譜超快過程激光光譜學(xué)學(xué).激光原理激光原理1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)E2E0E1激勵(lì)激勵(lì)抽運(yùn)抽運(yùn)E3能量能量粒子數(shù)粒子數(shù)E2E1E0N2N1N0N3E3四四能能級(jí)級(jí)系系統(tǒng)統(tǒng)2. 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔激勵(lì)能源激勵(lì)能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光激光原理激光原理受激輻射受激輻射三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)一般情況一般情況 : 數(shù)量級(jí)估

3、計(jì)：數(shù)量級(jí)估計(jì)：T 103 K； kT1.3810-20 J 0.086 eV; E 2-E 11eV10860112 neenn.kTEE51012( k = 1.3810-23 J/K ; 1eV= 1.610-19 J ) l l c/v= hc / (E2-E1) 1.24 m mm ;如如 : 氫原子氫原子基態(tài)能量基態(tài)能量 : 13.6 eV，第一激發(fā)態(tài)能量第一激發(fā)態(tài)能量 : 3.4 eV，526 .118.101 . 312 eeennkTEE086013.6-3.412表表1 幾種光源的平均光子流密度幾種光源的平均光子流密度光源光源平均光子流密度平均光子流密度/光子光子/（scm

4、2） 星 光 106 月 光 108 一般室內(nèi)燈光 1012 太 陽 光 1014激光（10mW的He-Ne激光） （波長：632.8nm） 1022表表2 幾種光源的頻寬、相干時(shí)間及長度幾種光源的頻寬、相干時(shí)間及長度光源光源v /Hz t tL=ct太陽光(=0.40.8m)410142.5fs750nm發(fā)光二級(jí)管(=1m, =50nm)1.5101367fs20m低壓鈉燈510112ps600m多模激光(=633nm)1.51090.67ns20cm單模激光(=633nm)11061s300m一一 激光精密計(jì)量激光精密計(jì)量1 激光長度基準(zhǔn)激光長度基準(zhǔn) 激光有很好的激光有很好的單色性單色性和

5、和相干性相干性，用它作計(jì)量檢測，用它作計(jì)量檢測，能獲得很高的計(jì)量精度，且測量方便快捷。能獲得很高的計(jì)量精度，且測量方便快捷。 1983 年第年第 17 屆國際計(jì)量大會(huì)通過長度單位屆國際計(jì)量大會(huì)通過長度單位 米的新定義：米的新定義： lm 是光在是光在1/299 792 458秒內(nèi)在真空秒內(nèi)在真空中行程的長度中行程的長度。在重新定義米之后，只要精確測量。在重新定義米之后，只要精確測量激光的激光的頻率頻率v0，再通過定義的光速值就可導(dǎo)出波長，再通過定義的光速值就可導(dǎo)出波長，即：即：，由此復(fù)現(xiàn)長度單位米。，由此復(fù)現(xiàn)長度單位米。0vc l l 2 激光長度測量激光長度測量 隨著機(jī)床、自動(dòng)制圖機(jī)、掩模制

6、作機(jī)、集成電路隨著機(jī)床、自動(dòng)制圖機(jī)、掩模制作機(jī)、集成電路制作機(jī)等工作機(jī)械大型化、精密化、數(shù)值控制化的制作機(jī)等工作機(jī)械大型化、精密化、數(shù)值控制化的發(fā)展，需要長尺子并以很高精度確定其位置。發(fā)展，需要長尺子并以很高精度確定其位置。利用利用光的干涉方法能進(jìn)行精密長度定位光的干涉方法能進(jìn)行精密長度定位，但是，有效量，但是，有效量程受單色性限制最大量程程受單色性限制最大量程 Lmax為：為：l ll l 2maxL激光有極好的單色性，用它計(jì)量的有效量程就大得多。激光有極好的單色性，用它計(jì)量的有效量程就大得多。比如，用特制氦一氖激光器輸出的紅光（比如，用特制氦一氖激光器輸出的紅光（ 632.8 nm ， )

7、 ，最大量程可達(dá)，最大量程可達(dá) 20 km 。 nm9102 l l把激光器輸出的激光在干涉儀中分成兩束，一束在干把激光器輸出的激光在干涉儀中分成兩束，一束在干涉儀中走過固定路程；另一束射到靶棱鏡后反射回干涉儀中走過固定路程；另一束射到靶棱鏡后反射回干涉儀，光靶棱鏡相對(duì)于干涉儀移動(dòng)時(shí)，這束光的光程涉儀，光靶棱鏡相對(duì)于干涉儀移動(dòng)時(shí)，這束光的光程發(fā)生變化兩束光會(huì)合之后發(fā)生干涉，生成干涉條發(fā)生變化兩束光會(huì)合之后發(fā)生干涉，生成干涉條紋當(dāng)紋當(dāng)靶棱鏡移動(dòng)半個(gè)波長時(shí)，干涉圖上發(fā)生一條條靶棱鏡移動(dòng)半個(gè)波長時(shí)，干涉圖上發(fā)生一條條紋的移動(dòng)紋的移動(dòng)2l l NL干涉儀和生產(chǎn)設(shè)備一起使用，已見于許多數(shù)字控制機(jī)干涉儀和

8、生產(chǎn)設(shè)備一起使用，已見于許多數(shù)字控制機(jī)械和其他精密測長工作，測量精度很高，械和其他精密測長工作，測量精度很高，測測 l米長度誤米長度誤差為百分之幾微米差為百分之幾微米。 數(shù)出通過參考點(diǎn)的干涉數(shù)出通過參考點(diǎn)的干涉條紋移動(dòng)數(shù)目條紋移動(dòng)數(shù)目 N ，由此可得，由此可得到到移動(dòng)的長度移動(dòng)的長度L： 3 激光測距和測速激光測距和測速 用光學(xué)方法可以方便而又迅速地側(cè)出遠(yuǎn)方目標(biāo)距用光學(xué)方法可以方便而又迅速地側(cè)出遠(yuǎn)方目標(biāo)距離，測量精度也非常高。因?yàn)楣庾舆\(yùn)動(dòng)速度是一個(gè)常離，測量精度也非常高。因?yàn)楣庾舆\(yùn)動(dòng)速度是一個(gè)常量，所以，只要測出光波從光源發(fā)出至目標(biāo)的來回傳量，所以，只要測出光波從光源發(fā)出至目標(biāo)的來回傳播時(shí)間，

9、就可以定出目標(biāo)的距離：播時(shí)間，就可以定出目標(biāo)的距離： tcL 21激光的激光的亮度很高亮度很高可以測量很遠(yuǎn)可以測量很遠(yuǎn)的目標(biāo)距離的目標(biāo)距離;激光激光脈沖寬度很脈沖寬度很窄窄測量距離的測量距離的精度很高精度很高.軍用遠(yuǎn)程激光軍用遠(yuǎn)程激光測距儀測距儀AL-AL-PRO6000 PRO6000 現(xiàn)在利用激光器做光源，重量現(xiàn)在利用激光器做光源，重量 0.5kg 左右的脈沖左右的脈沖激光測距儀，可激光測距儀，可測測 20 km 的目標(biāo)距離，誤差的目標(biāo)距離，誤差 0.5m，完成測量時(shí)間不到完成測量時(shí)間不到 1秒秒 ，利用激光相干性高的特點(diǎn)發(fā)，利用激光相干性高的特點(diǎn)發(fā)展的展的相位測距法相位測距法，測距精度更

10、高，測距精度更高，測量與測量與 8000 km 外外的衛(wèi)星之間的距離，誤差僅的衛(wèi)星之間的距離，誤差僅 2 cm 。 利用激光照射在運(yùn)動(dòng)物體上產(chǎn)生的反射光產(chǎn)生的利用激光照射在運(yùn)動(dòng)物體上產(chǎn)生的反射光產(chǎn)生的多普勒頻移多普勒頻移，或利用從運(yùn)動(dòng)物體表面散射回來的激光，或利用從運(yùn)動(dòng)物體表面散射回來的激光衍射花樣發(fā)生的移動(dòng)衍射花樣發(fā)生的移動(dòng)，可以確定物體的運(yùn)動(dòng)速度。這，可以確定物體的運(yùn)動(dòng)速度。這種方法能夠測量的速度范圍寬，低的種方法能夠測量的速度范圍寬，低的可以側(cè)出每秒移可以側(cè)出每秒移動(dòng)動(dòng)0.07mm的速度的速度，高的可以測到每秒幾百米的速度。，高的可以測到每秒幾百米的速度。衛(wèi)星導(dǎo)航、測速示意圖衛(wèi)星導(dǎo)航、測

11、速示意圖4 激光準(zhǔn)直導(dǎo)向激光準(zhǔn)直導(dǎo)向光沿直線傳播。激光的亮度高，方向性又好，是光沿直線傳播。激光的亮度高，方向性又好，是良好的天然準(zhǔn)直線和導(dǎo)向指示線。因?yàn)楣馐鵁o重量，良好的天然準(zhǔn)直線和導(dǎo)向指示線。因?yàn)楣馐鵁o重量，不發(fā)生重力彎曲不發(fā)生重力彎曲，還，還可以通過光電子系統(tǒng)作自動(dòng)準(zhǔn)直可以通過光電子系統(tǒng)作自動(dòng)準(zhǔn)直校正校正，所以用激光束作準(zhǔn)直的準(zhǔn)直精度高，完成準(zhǔn)直，所以用激光束作準(zhǔn)直的準(zhǔn)直精度高，完成準(zhǔn)直花費(fèi)的時(shí)間少，手續(xù)簡便花費(fèi)的時(shí)間少，手續(xù)簡便。 造船工業(yè)采用激光準(zhǔn)直確定中心線，使精度比先造船工業(yè)采用激光準(zhǔn)直確定中心線，使精度比先前前提高提高 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，工效提高個(gè)數(shù)量級(jí)，工效提高 10 倍倍美國斯

12、坦福大美國斯坦福大學(xué)加速器中心學(xué)加速器中心 3 km 長的波導(dǎo)長的波導(dǎo)，用激光準(zhǔn)直，準(zhǔn)確到，用激光準(zhǔn)直，準(zhǔn)確到 0.5 mm； 波音波音 747 巨型飛機(jī)用激光指示精確對(duì)準(zhǔn)巨型飛機(jī)用激光指示精確對(duì)準(zhǔn) 38m 長的機(jī)翼機(jī)架；用激光引導(dǎo)長的機(jī)翼機(jī)架；用激光引導(dǎo) 280t（噸）的隧道掘（噸）的隧道掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)機(jī)在 2.5 km 長的隧道內(nèi)工作長的隧道內(nèi)工作，偏差不超過偏差不超過 16 mm 。 激光指向儀激光指向儀5 激光表面質(zhì)量檢測激光表面質(zhì)量檢測 質(zhì)量檢測是保證產(chǎn)品質(zhì)量合格率的重要手段。以質(zhì)量檢測是保證產(chǎn)品質(zhì)量合格率的重要手段。以往磁帶、玻璃、紡織品、電子線路元件等表面的疵點(diǎn)、往磁帶、玻璃、紡織品

13、、電子線路元件等表面的疵點(diǎn)、壓痕、裂紋、氣泡、針孔等缺陷壓痕、裂紋、氣泡、針孔等缺陷,主要靠眼力檢測。主要靠眼力檢測。以激光的相干性和單色性以激光的相干性和單色性為基礎(chǔ)的檢查技術(shù)，檢查為基礎(chǔ)的檢查技術(shù)，檢查速度速度快快，漏檢率低漏檢率低，還可以，還可以在生產(chǎn)在生產(chǎn)線上進(jìn)行檢查和分類線上進(jìn)行檢查和分類。利用激。利用激光全息技術(shù)可以不用解剖樣品光全息技術(shù)可以不用解剖樣品而而直接探出零件內(nèi)部是否存在直接探出零件內(nèi)部是否存在缺陷缺陷，以及缺陷的，以及缺陷的位置、大小位置、大小，這就是所謂這就是所謂激光無損檢測激光無損檢測。芯片芯片焊接焊接無損檢測系統(tǒng)無損檢測系統(tǒng) 飛機(jī)用的輪胎飛機(jī)用的輪胎由這種方法檢測

14、由這種方法檢測,能夠可靠地保證輪能夠可靠地保證輪胎質(zhì)量胎質(zhì)量.做法是做法是,先拍輪胎未打足氣時(shí)的先拍輪胎未打足氣時(shí)的激光全息片激光全息片,然后然后再拍打足氣時(shí)的全息照片再拍打足氣時(shí)的全息照片.如果輪胎內(nèi)部沒有缺陷如果輪胎內(nèi)部沒有缺陷,兩張兩張全息照片再現(xiàn)光波形成的干涉條紋分布均勻全息照片再現(xiàn)光波形成的干涉條紋分布均勻;如果存在如果存在缺陷缺陷,在相應(yīng)部位的干涉條紋發(fā)生畸變在相應(yīng)部位的干涉條紋發(fā)生畸變.利用利用激光全息技術(shù)激光全息技術(shù)也能方便地也能方便地檢測機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)形度檢測機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)形度，幫助設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員了解產(chǎn)品中的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)人員了解產(chǎn)品中的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量

15、。計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 6 激光準(zhǔn)確定位激光準(zhǔn)確定位某些現(xiàn)代工業(yè)需要以納米精度移動(dòng)宏觀物體。數(shù)某些現(xiàn)代工業(yè)需要以納米精度移動(dòng)宏觀物體。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便是一個(gè)例子。據(jù)存儲(chǔ)便是一個(gè)例子。高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求其各個(gè)其各個(gè)元件的制造和測元件的制造和測試達(dá)到試達(dá)到納米定位納米定位。利用激光做光源利用激光做光源制成的制成的激光干涉激光干涉儀儀可以達(dá)到這個(gè)可以達(dá)到這個(gè)精度。精度。 二二 激光信息處理激光信息處理 1 信息存儲(chǔ)信息存儲(chǔ) ( 1 ) 激光全息信息存儲(chǔ)技術(shù)激光全息信息存儲(chǔ)技術(shù) 這是把這是把激光傅里葉全息激光傅里葉全息圖圖制成直徑大約為制成直徑大約為 1 mm 的全息圖的全息圖，排成

16、列陣，排成列陣或者像唱片那樣排列在圓盤上，或者像唱片那樣排列在圓盤上，一個(gè)圓點(diǎn)激光全一個(gè)圓點(diǎn)激光全息圖記錄一頁紙的內(nèi)容息圖記錄一頁紙的內(nèi)容。 在現(xiàn)代社會(huì)生活中，需要存儲(chǔ)、傳遞、處理的信息在現(xiàn)代社會(huì)生活中，需要存儲(chǔ)、傳遞、處理的信息量巨大，而且數(shù)量還與日俱增。激光技術(shù)能夠大幅度提量巨大，而且數(shù)量還與日俱增。激光技術(shù)能夠大幅度提高信息處理能力。高信息處理能力。 利用激光技術(shù)開發(fā)的光學(xué)信息存儲(chǔ)技術(shù)是當(dāng)今存利用激光技術(shù)開發(fā)的光學(xué)信息存儲(chǔ)技術(shù)是當(dāng)今存儲(chǔ)信息密度最高的技術(shù)現(xiàn)在開發(fā)成功的光學(xué)信息存儲(chǔ)信息密度最高的技術(shù)現(xiàn)在開發(fā)成功的光學(xué)信息存儲(chǔ)技術(shù)有三類儲(chǔ)技術(shù)有三類一張如撲克牌大小的激光全息信息存儲(chǔ)器一張如撲

17、克牌大小的激光全息信息存儲(chǔ)器，可以，可以記錄記錄 10 000 多頁多頁文件資料到文件資料到 20 世紀(jì)世紀(jì) 90 年代，這年代，這門信息存儲(chǔ)技術(shù)又有新發(fā)展，開發(fā)出門信息存儲(chǔ)技術(shù)又有新發(fā)展，開發(fā)出可重寫激光全息可重寫激光全息信息存儲(chǔ)技術(shù)信息存儲(chǔ)技術(shù)，它是，它是用光折變晶體用光折變晶體和和光致聚合物光致聚合物等做等做信息記錄介質(zhì)。信息記錄介質(zhì)。 這種新技術(shù)是這種新技術(shù)是三維記錄三維記錄，在，在一個(gè)位置上可以疊加一個(gè)位置上可以疊加 1000 多個(gè)小全息圖多個(gè)小全息圖，每一個(gè)全息圖能夠存儲(chǔ)，每一個(gè)全息圖能夠存儲(chǔ) 1 Mb 數(shù)數(shù)據(jù)，大約據(jù)，大約 1 cm3體積的記錄介質(zhì)內(nèi)，可以存儲(chǔ)體積的記錄介質(zhì)內(nèi)，可

18、以存儲(chǔ) 1Gb左左右的信息右的信息。同時(shí)，因?yàn)檫@是。同時(shí)，因?yàn)檫@是整頁并行檢索信息整頁并行檢索信息，因此，因此，讀取信息的速率很快，可以達(dá)到讀取信息的速率很快，可以達(dá)到每秒每秒1Gb以上。以上。 ( 2 ) 光盤光盤 是目前廣泛使用的高密度記錄數(shù)字信號(hào)的是目前廣泛使用的高密度記錄數(shù)字信號(hào)的介質(zhì)之一。介質(zhì)之一。目前比較普及的直徑為目前比較普及的直徑為12cm 的混合數(shù)據(jù)的混合數(shù)據(jù) CDR 盤盤片，已可記錄片，已可記錄700MB以上的用戶數(shù)據(jù)，激光束燒結(jié)的以上的用戶數(shù)據(jù)，激光束燒結(jié)的最小最小凹坑長度小于凹坑長度小于l m mm，采用波長為，采用波長為 780790 nm 的的紅外激光讀取數(shù)據(jù)。紅外

19、激光讀取數(shù)據(jù)。 光盤系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)始于光盤系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)世紀(jì)50年代末期年代末期, 70 年代末期逐漸實(shí)現(xiàn)商品化年代末期逐漸實(shí)現(xiàn)商品化. 在光盤記錄讀取設(shè)備中，在光盤記錄讀取設(shè)備中，光學(xué)系統(tǒng)可光學(xué)系統(tǒng)可將激光會(huì)聚成比針尖還小的光束將激光會(huì)聚成比針尖還小的光束, 用這樣用這樣的光束在介質(zhì)上記錄的信息點(diǎn)的空間尺寸非常小的光束在介質(zhì)上記錄的信息點(diǎn)的空間尺寸非常小.對(duì)直徑對(duì)直徑為為12 cm 單面單層的單面單層的 DVD盤片盤片, 記錄數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)量達(dá)到量達(dá)到4.7 GB，激光束燒結(jié)的最小凹坑長度小于，激光束燒結(jié)的最小凹坑長度小于0.5m mm，采用波長為，采用波長為635650 nm 的

20、紅色激光讀取數(shù)的紅色激光讀取數(shù)據(jù)。據(jù)。光盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)記錄密度特別大，而且從光盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)記錄密度特別大，而且從光盤檢索和光盤檢索和讀取數(shù)據(jù)的速度非?？熳x取數(shù)據(jù)的速度非?？臁?如讀取音樂或影像數(shù)據(jù)，如讀取音樂或影像數(shù)據(jù)，每秒需讀取的信息點(diǎn)為每秒需讀取的信息點(diǎn)為 100萬個(gè)到萬個(gè)到1 000萬個(gè)萬個(gè)。 此外此外, 光盤的光盤的實(shí)際使用壽命實(shí)際使用壽命可以可以10年為單位年為單位計(jì)算。計(jì)算。DVD之后，光盤的主流向之后，光盤的主流向縮短激光器波長縮短激光器波長和和增大增大光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑的方向發(fā)展。如激光波長短至的方向發(fā)展。如激光波長短至400 nm左右（藍(lán)光段），數(shù)值孔

21、徑增至左右（藍(lán)光段），數(shù)值孔徑增至0 .8 0. 9，使用，使用12 cm 光盤，光盤，單面單層容量可達(dá)到單面單層容量可達(dá)到20G左右左右，這種光，這種光盤通常被統(tǒng)稱為盤通常被統(tǒng)稱為高密度高密度DVD ( HDDVD)。 當(dāng)然，用更短波長的激光和更大的數(shù)值孔徑來增當(dāng)然，用更短波長的激光和更大的數(shù)值孔徑來增加光盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度是有限度的。目前普遍使用的加光盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度是有限度的。目前普遍使用的聚碳酸酯盤基會(huì)對(duì)紫外光的傳輸產(chǎn)生損耗聚碳酸酯盤基會(huì)對(duì)紫外光的傳輸產(chǎn)生損耗；在遠(yuǎn)場記；在遠(yuǎn)場記錄的情況下，數(shù)值孔徑的理論極限值最大為錄的情況下，數(shù)值孔徑的理論極限值最大為1。 光盤型號(hào)光盤型號(hào)與發(fā)展與發(fā)展

22、HVDHVD的光盤結(jié)構(gòu)，藍(lán)色或綠色激光用來記錄的光盤結(jié)構(gòu)，藍(lán)色或綠色激光用來記錄/ /讀取全息數(shù)據(jù)，而紅色激光用來讀取地址信讀取全息數(shù)據(jù)，而紅色激光用來讀取地址信息，地址與數(shù)據(jù)記錄在不同的層面息，地址與數(shù)據(jù)記錄在不同的層面HVD與現(xiàn)有的與現(xiàn)有的DVD-R光盤盤面比較光盤盤面比較 光盤三代光存儲(chǔ)技術(shù)比較光盤三代光存儲(chǔ)技術(shù)比較 I I 光盤三代光存儲(chǔ)技術(shù)比較光盤三代光存儲(chǔ)技術(shù)比較 II II ( 3 ) 近場光存儲(chǔ)技術(shù)。近場光存儲(chǔ)技術(shù)。 當(dāng)前光盤存儲(chǔ)技術(shù)中，提高信當(dāng)前光盤存儲(chǔ)技術(shù)中，提高信息存儲(chǔ)密度的息存儲(chǔ)密度的最主要困難最主要困難是傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的最小是傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的最小光斑受光斑受衍射極限的制約

23、衍射極限的制約。但當(dāng)記錄光的探頭與記。但當(dāng)記錄光的探頭與記錄介質(zhì)間的距離小于記錄光波長時(shí)（即錄介質(zhì)間的距離小于記錄光波長時(shí)（即近場近場），），空間分辨能力可以突破遠(yuǎn)場光存儲(chǔ)時(shí)的衍射極限，空間分辨能力可以突破遠(yuǎn)場光存儲(chǔ)時(shí)的衍射極限，使使存儲(chǔ)密度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)存儲(chǔ)密度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 掃描近場顯微成像、近場探針存儲(chǔ)、固體浸沒透鏡掃描近場顯微成像、近場探針存儲(chǔ)、固體浸沒透鏡存儲(chǔ)、近場超分辨率結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)、近場超分辨率結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。主要方法有：主要方法有：掃描近場顯微成像掃描近場顯微成像: 用小于衍射極限的小孔代替顯微物用小于衍射極限的小孔代替顯微物鏡，限制掃描顯微成像探測光束，讓孔徑在離物鏡，限制掃描

24、顯微成像探測光束，讓孔徑在離物體表面很近（小于波長）處做二維掃描成像，其體表面很近（小于波長）處做二維掃描成像，其空間分辨能力可以突破衍射極限?？臻g分辨能力可以突破衍射極限。 采用采用 Co / Pt 多層磁光膜多層磁光膜為記錄材料的近場探針存儲(chǔ)為記錄材料的近場探針存儲(chǔ), 記錄線寬可以達(dá)到記錄線寬可以達(dá)到1050nm，相應(yīng)的理論，相應(yīng)的理論存儲(chǔ)密度可以存儲(chǔ)密度可以達(dá)到達(dá)到 15.5GB/cm2以上以上.近場探針存儲(chǔ)近場探針存儲(chǔ): 為解決為解決探針移動(dòng)速度探針移動(dòng)速度問題，又發(fā)展了問題，又發(fā)展了近場探針存儲(chǔ)（近場探針存儲(chǔ)（SIL存儲(chǔ)）存儲(chǔ)）, 雖然只能夠得到雖然只能夠得到 100 nm 左右的存

25、儲(chǔ)光斑左右的存儲(chǔ)光斑，但存儲(chǔ)密度提高了好幾倍，但存儲(chǔ)密度提高了好幾倍,達(dá)達(dá)到到6.2 GB/cm2以上以上.采用采用浸沒透鏡系統(tǒng)浸沒透鏡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度達(dá)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度達(dá)到 550 MB / cm2.采用采用覆金屬光纖系統(tǒng)覆金屬光纖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度約可達(dá)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度約可達(dá)到7GB/cm2.但近場探針和固體浸沒透鏡存儲(chǔ)方案存在近場但近場探針和固體浸沒透鏡存儲(chǔ)方案存在近場間距間距控制控制的技術(shù)難題的技術(shù)難題!近場光學(xué)探針近場光學(xué)探針 孔徑型孔徑型散射型散射型演演示示 探針尖端在工作時(shí)處于探針尖端在工作時(shí)處于受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)狀態(tài)，其頻狀態(tài)，其頻率接近于探針的共振頻率。率接近于探針的共振頻率

26、。 探針尖端在探針尖端在受樣品原子的范得瓦爾斯吸引力受樣品原子的范得瓦爾斯吸引力的作用時(shí)，其共振頻率發(fā)生變化，因而振幅也的作用時(shí)，其共振頻率發(fā)生變化，因而振幅也隨之改變。隨之改變。為了跟蹤尖端的振動(dòng)情況，將一束為了跟蹤尖端的振動(dòng)情況，將一束激光分成兩束，其中一束通過棱鏡反射，另一激光分成兩束，其中一束通過棱鏡反射，另一束則穿過布喇格室，然后從探針背面反射回來束則穿過布喇格室，然后從探針背面反射回來.這兩束光重新會(huì)合后發(fā)生干涉，根據(jù)干涉的情這兩束光重新會(huì)合后發(fā)生干涉，根據(jù)干涉的情況可知探針振動(dòng)的變化情況。況可知探針振動(dòng)的變化情況。據(jù)此可探知試樣表面的原子起伏情況。可檢據(jù)此可探知試樣表面的原子起伏

27、情況?？蓹z測出尺度小至測出尺度小至 5毫微米的表面起伏變化毫微米的表面起伏變化近場光存儲(chǔ)原理近場光存儲(chǔ)原理 I I孔徑型孔徑型近場光存儲(chǔ)原理近場光存儲(chǔ)原理 IIII散射型散射型近場超分辨率結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)（近場超分辨率結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)（Super-RENS）方案）方案: 將非線性光存儲(chǔ)和近場光存儲(chǔ)結(jié)合起來，較好地將非線性光存儲(chǔ)和近場光存儲(chǔ)結(jié)合起來，較好地解決了遠(yuǎn)場光衍射分辨率和近場光間距控制的矛盾。解決了遠(yuǎn)場光衍射分辨率和近場光間距控制的矛盾。它通過它通過光盤內(nèi)光盤內(nèi)具有具有非線性選通效應(yīng)的近場間隔層非線性選通效應(yīng)的近場間隔層使記使記錄光斑小于讀寫光斑，利用遠(yuǎn)場光實(shí)現(xiàn)了近場記錄錄光斑小于讀寫光斑，利用遠(yuǎn)場光實(shí)

28、現(xiàn)了近場記錄（實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)得到了（實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)得到了300 nm (30 dB）左右的光斑）左右的光斑），），并解決了近場存儲(chǔ)與光盤系統(tǒng)兼容性的問題，是一種并解決了近場存儲(chǔ)與光盤系統(tǒng)兼容性的問題，是一種很有前景的海量存儲(chǔ)技術(shù)。很有前景的海量存儲(chǔ)技術(shù)。 隨著相關(guān)物理科技、微電子技術(shù)、材料科學(xué)、化隨著相關(guān)物理科技、微電子技術(shù)、材料科學(xué)、化學(xué)及制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的光存儲(chǔ)技術(shù)將不斷發(fā)學(xué)及制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的光存儲(chǔ)技術(shù)將不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸率等性能還將不斷提高展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸率等性能還將不斷提高.用一根鎢探用一根鎢探針或硅探針針或硅探針在距試樣表在距試樣表面幾毫微米面幾毫微米的

29、高度上反的高度上反復(fù)移動(dòng)復(fù)移動(dòng),來探來探測固體表面測固體表面的情況。的情況。試樣通常是試樣通常是微電子器件。微電子器件。原子力原子力顯微鏡下的大腸桿菌掃描近場光學(xué)顯微鏡掃描近場光學(xué)顯微鏡( (NSOM)NSOM) 光學(xué)聽診器光學(xué)聽診器利用利用隱失隱失波可波可檢測檢測物體物體表面表面 100 nm 范圍范圍內(nèi)的內(nèi)的原子原子,分子分子變化變化.用于檢查微電路成品，檢查制作微電路用的硅表面的質(zhì)量。用于檢查微電路成品，檢查制作微電路用的硅表面的質(zhì)量。隨著微電子電路技術(shù)的進(jìn)展，硅基片表面的不平坦度如果超過隨著微電子電路技術(shù)的進(jìn)展，硅基片表面的不平坦度如果超過幾個(gè)原子厚度就將被認(rèn)為是不合格的。幾個(gè)原子厚度

30、就將被認(rèn)為是不合格的。什么是隱失波？什么是隱失波？隱失波隱失波 Evanescent Wave, P.165 例例 3.2oxz古斯古斯- -漢森位移漢森位移隱失波原理隱失波原理)()(tisinzkicosxkitrkieAeAE 2222220202在入射平面（在入射平面（xoy）內(nèi)，透射的折射波：）內(nèi)，透射的折射波：由折射定律：由折射定律：211222122211/isinnnisinicos 全反射時(shí)：全反射時(shí)： 21122212/cisinisinnnicos 如果：如果：cii 1 21212212/cisinisinnniicos )()(tisinnnzkiisinisinnn

31、xkexpAEc 121221212212202所以：所以：隱失波光強(qiáng)與界面入射深度隱失波光強(qiáng)與界面入射深度 dp 的關(guān)系的關(guān)系2令：令：121212212)( cpisinisinnnkd得：得：)(2021212tisinnnzkidxeeAEp 2212212nisinn l lxpd隱失波深度和波長、入射能量的關(guān)系隱失波深度和波長、入射能量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置1 1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置1 b實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 進(jìn)進(jìn) 展展Confocal detection若丹名單分子光譜若丹名單分子光譜Dibenzanthanthrene (DBATT)分子的熒光光譜三維圖分子的熒光光譜三維圖2 光通信光通信提

32、高傳遞信息容量比較簡單而有效的辦法是提高提高傳遞信息容量比較簡單而有效的辦法是提高使用的使用的載波頻率載波頻率. 比如比如, 用波長用波長10cm的電波代替波長的電波代替波長100m的電波的電波, 通信容量就可以提高通信容量就可以提高1 000 倍。倍。 所以，從所以，從 19 世紀(jì)開始無線電通信之后，不斷在發(fā)世紀(jì)開始無線電通信之后，不斷在發(fā)展短波長的通信。起先是使用波長展短波長的通信。起先是使用波長幾千米的通信（長波幾千米的通信（長波通信通信），后來發(fā)展波長為），后來發(fā)展波長為幾百米的通信（中波通信幾百米的通信（中波通信）, 20 世紀(jì)世紀(jì) 50 年代通信用的電磁波波長又進(jìn)一步縮短，發(fā)年代通

33、信用的電磁波波長又進(jìn)一步縮短，發(fā)展了波長展了波長厘米量級(jí)的通信（微波通信厘米量級(jí)的通信（微波通信），波長再縮短，），波長再縮短，就進(jìn)人光波波段。就進(jìn)人光波波段。 光波頻率在光波頻率在 1014 1015 Hz之間，厘米波的頻率是之間，厘米波的頻率是 1010Hz 左右，所以，光波通信的容量又比微波通信左右，所以，光波通信的容量又比微波通信提提高高1萬倍到萬倍到10萬倍萬倍。 只有激光發(fā)明后，提供了只有激光發(fā)明后，提供了單色性很好單色性很好的光波，光的光波，光通信才進(jìn)入實(shí)用化階段通信才進(jìn)入實(shí)用化階段! 利用光波的載波通信，做法和微波通信相類似。激利用光波的載波通信，做法和微波通信相類似。激光器輸

34、出的光束經(jīng)過光器輸出的光束經(jīng)過光電調(diào)制器光電調(diào)制器調(diào)制后送到調(diào)制后送到發(fā)射天線發(fā)射天線（一只光學(xué)反射鏡（一只光學(xué)反射鏡）發(fā)射出去。）發(fā)射出去。但普通光源發(fā)出的光波不能作通信載波但普通光源發(fā)出的光波不能作通信載波, 因?yàn)橐驗(yàn)槠胀ㄆ胀ü庠垂庠窗l(fā)出的光發(fā)出的光單色性不好單色性不好, 若用這種光波作載波若用這種光波作載波, 相當(dāng)相當(dāng)于同時(shí)有多套頻率的節(jié)目到達(dá)接收器于同時(shí)有多套頻率的節(jié)目到達(dá)接收器, 接收效果很差接收效果很差.在用戶接收端，在用戶接收端，接收天線（也是反射鏡接收天線（也是反射鏡）把傳送過來）把傳送過來的光輻射匯集在的光輻射匯集在光電接收器光電接收器上，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信上，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成

35、電信號(hào)，再經(jīng)號(hào)，再經(jīng)電放大和解調(diào)電放大和解調(diào)之后就可以得到從對(duì)方傳送來之后就可以得到從對(duì)方傳送來的信息。的信息。 在實(shí)際應(yīng)用中，為避免光波在大氣傳播過程中受在實(shí)際應(yīng)用中，為避免光波在大氣傳播過程中受到大氣吸收、散射造成的損失，將光信號(hào)通過專門的到大氣吸收、散射造成的損失，將光信號(hào)通過專門的光纖傳送光纖傳送。光信號(hào)在光纖中的。光信號(hào)在光纖中的損耗很小損耗很小，損耗因子目，損耗因子目前已低至前已低至 0.2 dB / km。這就是光纖通信。這就是光纖通信。 未來未來的通信網(wǎng)絡(luò)將是全的通信網(wǎng)絡(luò)將是全光網(wǎng)光網(wǎng)，它將大大緩解帶寬，它將大大緩解帶寬激增造成的瓶頸在光網(wǎng)中，電子集成器件將由激增造成的瓶頸在光

36、網(wǎng)中，電子集成器件將由光子光子集成器件集成器件替代，電子開關(guān)、電子放大器、電子隔離器替代，電子開關(guān)、電子放大器、電子隔離器等將被等將被光子開關(guān)光子開關(guān)、光纖放大器光纖放大器和和光子隔離器光子隔離器等替代。等替代。 激光光纖通訊激光光纖通訊由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí), 一根極細(xì)的光纖一根極細(xì)的光纖能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這么粗的電纜所能承載的能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這么粗的電纜所能承載的信息量信息量. 3 光計(jì)算光計(jì)算光波有并行性，又可以交叉，亦即幾束光在一起光波有并行性，又可以交叉，亦即幾束光在一起不發(fā)生相互影響（電流則沒有這個(gè)性質(zhì)

37、），所以，利不發(fā)生相互影響（電流則沒有這個(gè)性質(zhì)），所以，利用光波束代替電流構(gòu)造計(jì)算機(jī)，會(huì)獲得更高的計(jì)算速用光波束代替電流構(gòu)造計(jì)算機(jī)，會(huì)獲得更高的計(jì)算速率和容量現(xiàn)在已設(shè)計(jì)出兩種光計(jì)算機(jī)：率和容量現(xiàn)在已設(shè)計(jì)出兩種光計(jì)算機(jī)： 模擬光學(xué)計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)計(jì)算機(jī)。它接近人大腦對(duì)外部世界認(rèn)識(shí)的。它接近人大腦對(duì)外部世界認(rèn)識(shí)的自然本質(zhì)，往下發(fā)展有可能制造出自然本質(zhì)，往下發(fā)展有可能制造出智能計(jì)算機(jī)智能計(jì)算機(jī)，它有，它有人工視覺，有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、推理能力。人工視覺，有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、推理能力。 數(shù)字光學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)字光學(xué)計(jì)算機(jī)。它能克服電子計(jì)算機(jī)串行處理中。它能克服電子計(jì)算機(jī)串行處理中的的“瓶頸效應(yīng)瓶頸效應(yīng)”，使計(jì)算速度和容量

38、大幅度提高。，使計(jì)算速度和容量大幅度提高。全息技術(shù)是全息技術(shù)是1948年英國科學(xué)家年英國科學(xué)家蓋伯蓋伯提出的提出的一種新一種新的成像的成像原理，原理，“全息全息”一詞引處希臘語，是一詞引處希臘語，是“完全完全”的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒有好的相干光源，因而無法獲的意思。但由于當(dāng)時(shí)沒有好的相干光源，因而無法獲得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使得好的相干像片。激光的出現(xiàn)，使全息術(shù)全息術(shù)飛速發(fā)展成飛速發(fā)展成為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲為一個(gè)新領(lǐng)域，蓋伯因此獲1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 4 激光全息術(shù)激光全息術(shù)普通照像普通照像只記錄了物體表面的光強(qiáng)分布，沒有記錄只記錄了物體表面的光強(qiáng)分布，沒有記錄到

39、物體各部分到觀察者的遠(yuǎn)近和角度，即沒記錄下物體到物體各部分到觀察者的遠(yuǎn)近和角度，即沒記錄下物體發(fā)出光線的發(fā)出光線的相位相位分布，這樣的像沒有分布，這樣的像沒有立體感立體感。 全息照像全息照像是用是用相干光相干光照射物體，用照射物體，用干涉方法干涉方法把物體把物體的光強(qiáng)分布和相位記錄下來。全息底片上沒有被拍物的光強(qiáng)分布和相位記錄下來。全息底片上沒有被拍物體的形象，在顯微鏡下可看到長短不一、間距不等、體的形象，在顯微鏡下可看到長短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱為走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱為全息圖全息圖。要想看到物體的圖樣要想看到物體的圖樣, 需用需用相干光相干光按按一定方式一定方式照射

40、照射全息圖全息圖, 在在一定方向一定方向就可看到物體的像就可看到物體的像, 稱為稱為再現(xiàn)再現(xiàn). 再現(xiàn)再現(xiàn)的是從的是從物體反射或漫射物體反射或漫射的的光束本身光束本身, 所以所以像是立體的像是立體的.此外，此外，激光圖像處理激光圖像處理技術(shù)技術(shù)（由于光束的并行及（由于光束的并行及可交叉互聯(lián)性）是一種高可交叉互聯(lián)性）是一種高速信息處理技術(shù)，它可與速信息處理技術(shù)，它可與計(jì)算機(jī)圖像處理互為補(bǔ)充。計(jì)算機(jī)圖像處理互為補(bǔ)充。在顯示技術(shù)方面，在顯示技術(shù)方面，激光液激光液晶大屏幕顯示晶大屏幕顯示將代替陰極將代替陰極射線管，成為下一代電視射線管，成為下一代電視的主角的主角.反射鏡反射鏡參考光參考光R感光膠片感光膠

41、片物光物光O物物反射鏡反射鏡激光器激光器擴(kuò)束器擴(kuò)束器分光板分光板重現(xiàn)的物光重現(xiàn)的物光全息圖全息圖照明光照明光C像像激光全息圖激光全息圖聚焦起來的激光束內(nèi)光功率密度可以極高。如一臺(tái)聚焦起來的激光束內(nèi)光功率密度可以極高。如一臺(tái)普通激光器，它在普通激光器，它在1ms 內(nèi)發(fā)射內(nèi)發(fā)射100 J光能量，光束發(fā)散光能量，光束發(fā)散角角 。用焦距。用焦距1cm的透鏡聚焦，在焦點(diǎn)上的的透鏡聚焦，在焦點(diǎn)上的光光功率密度功率密度約為約為材料對(duì)激光的反射材料對(duì)激光的反射率視波長的不同而不同，數(shù)值在率視波長的不同而不同，數(shù)值在 0.50 0. 98。三三 激光加工激光加工1 激光機(jī)械加工激光機(jī)械加工用透鏡聚集太陽光可以點(diǎn)

42、燃火柴和紙片。激光的用透鏡聚集太陽光可以點(diǎn)燃火柴和紙片。激光的亮度亮度比照射到地球表面的太陽光高千萬億倍，經(jīng)光學(xué)比照射到地球表面的太陽光高千萬億倍，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚集，能使材料瞬間熔化，可用做多種機(jī)械加工。系統(tǒng)聚集，能使材料瞬間熔化，可用做多種機(jī)械加工。激光的激光的相干性相干性極好，用光學(xué)系統(tǒng)可以聚焦成很小的光極好，用光學(xué)系統(tǒng)可以聚焦成很小的光點(diǎn)，能做精密光刻，制造納米材料等。點(diǎn)，能做精密光刻，制造納米材料等。 .103 . 1211 cmWrad3101 即使材料表面對(duì)光的吸收率為即使材料表面對(duì)光的吸收率為l %，它吸收的激光，它吸收的激光功率密度也有功率密度也有 ，這個(gè)數(shù)值足可以把，這個(gè)數(shù)值足

43、可以把大多數(shù)金屬瞬間加熱融化、氣化。大多數(shù)金屬瞬間加熱融化、氣化。 29103 . 1 cmW因此，用激光束可以在材料上因此，用激光束可以在材料上打孔打孔，可以對(duì)材料，可以對(duì)材料切割切割、焊接焊接、劃片劃片、雕刻雕刻、去重去重和和表面淬火表面淬火處理。用處理。用激光作這樣的機(jī)械加工，比用普通工具加工優(yōu)越：激光作這樣的機(jī)械加工，比用普通工具加工優(yōu)越： 與材料無實(shí)體機(jī)械接觸與材料無實(shí)體機(jī)械接觸。避免出現(xiàn)工具磨損、斷裂。避免出現(xiàn)工具磨損、斷裂等損耗以及造成的損耗和誤工，簡化了裝夾和固定零等損耗以及造成的損耗和誤工，簡化了裝夾和固定零件的問題，還能在特殊條件下進(jìn)行加工以及自動(dòng)化操件的問題，還能在特殊條

44、件下進(jìn)行加工以及自動(dòng)化操作加工。作加工。 引起零件發(fā)生的畸變量小引起零件發(fā)生的畸變量小。 加工精度高加工精度高。比如打孔，采用機(jī)械鉆孔技術(shù)，能夠。比如打孔，采用機(jī)械鉆孔技術(shù)，能夠加工的孔徑有限，不能打出很小的孔。對(duì)于鋼材，鉆加工的孔徑有限，不能打出很小的孔。對(duì)于鋼材，鉆孔不能小于孔不能小于 0 . 1 mm；對(duì)陶瓷材料，鉆孔不能小于；對(duì)陶瓷材料，鉆孔不能小于 0 . 5 mm。采用激光束打孔可以突破這些限制，在孔徑比。采用激光束打孔可以突破這些限制，在孔徑比為為10左右時(shí)，可以加工左右時(shí)，可以加工直徑大約為直徑大約為 30m mm 的孔的孔。 節(jié)能節(jié)能。尤其是表面淬火處理，效果更為顯著。尤其是

45、表面淬火處理，效果更為顯著。早期主要用激光做精細(xì)加工，后來出現(xiàn)工業(yè)型高早期主要用激光做精細(xì)加工，后來出現(xiàn)工業(yè)型高功率功率CO2 激光器激光器和和 Nd : YAG 激光器激光器，開展了大型機(jī)，開展了大型機(jī)械加工，比如汽車工業(yè)中的械加工，比如汽車工業(yè)中的底盤切割底盤切割和和焊接焊接、齒輪焊齒輪焊接接、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸熱處理發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸熱處理；石油工業(yè)中的；石油工業(yè)中的鉆頭和抽油管鉆頭和抽油管的熱處理的熱處理等，生產(chǎn)實(shí)踐表明收到了相當(dāng)好的經(jīng)濟(jì)效益等，生產(chǎn)實(shí)踐表明收到了相當(dāng)好的經(jīng)濟(jì)效益.2 微光刻微光刻20 世紀(jì)世紀(jì) 70 年代，年代，電子元件和連線的線度尺寸電子元件和連線的線度尺寸可可以做到以做到 10m

46、 mm , 相當(dāng)于在相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲大小的截面上一根頭發(fā)絲大小的截面上能能夠做夠做 5個(gè)個(gè)晶體管晶體管. 到到80年代中期年代中期, 制造制造元件的線度元件的線度能夠縮小到能夠縮小到 1m mm, 相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲大小的截面上能夠做相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲大小的截面上能夠做 500個(gè)個(gè)晶體晶體管管.20世紀(jì)末制造元件的線度進(jìn)一步縮小到世紀(jì)末制造元件的線度進(jìn)一步縮小到 0.1m mm，此，此時(shí)的時(shí)的集成電路集成電路就相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲大小的截面上能夠就相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲大小的截面上能夠做做 5 000 個(gè)個(gè)晶體管晶體管.制造尺寸如此小的電子元件需要采用制造尺寸如此小的電子元件需要采用光刻技術(shù)光刻技

47、術(shù)，而，而且光刻機(jī)使用的光源用普通光源遠(yuǎn)勝任不了，而需要且光刻機(jī)使用的光源用普通光源遠(yuǎn)勝任不了，而需要發(fā)射紫外線的激光器發(fā)射紫外線的激光器.光刻集成電路、光盤光刻集成電路、光盤。光盤的外形有點(diǎn)像唱片，。光盤的外形有點(diǎn)像唱片，寫入讀出的原理也和機(jī)械唱片差不多，只是用寫入讀出的原理也和機(jī)械唱片差不多，只是用激光束激光束來代替唱針來代替唱針，因?yàn)榧す獾南喔尚院芎?，用聚光系統(tǒng)可，因?yàn)榧す獾南喔尚院芎茫镁酃庀到y(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細(xì)小的光束，所以它在介質(zhì)以把激光聚焦成比針頭還細(xì)小的光束，所以它在介質(zhì)上寫入信息所占空間尺寸可以非常?。ㄐ∮谏蠈懭胄畔⑺伎臻g尺寸可以非常小（小于1nm）.CD唱片唱片是

48、用聲音調(diào)制了的是用聲音調(diào)制了的激光束刻制光盤激光束刻制光盤, 由于由于在讀寫光盤時(shí)光點(diǎn)與光盤在讀寫光盤時(shí)光點(diǎn)與光盤無機(jī)械接觸無機(jī)械接觸, 就不存在由摩擦就不存在由摩擦引起的雜音引起的雜音, 同時(shí)也同時(shí)也無磨損無磨損, 因而光盤因而光盤音質(zhì)佳音質(zhì)佳、壽命長壽命長.現(xiàn)在比較流行的現(xiàn)在比較流行的是是Immersion lithography（浸入式光刻）（浸入式光刻）浸入式光刻是浸入式光刻是指在曝光鏡頭指在曝光鏡頭和硅片之間充和硅片之間充滿水滿水( (或液體或液體). ). 對(duì)于對(duì)于193nm193nm光光刻來說刻來說, , 水是水是最佳液體最佳液體. .光光刻刻的的原原理理 3 激光制造材料激光制

49、造材料科學(xué)研究用的材料，生產(chǎn)用的材料，大多數(shù)是人科學(xué)研究用的材料，生產(chǎn)用的材料，大多數(shù)是人工制造的。材料制造是發(fā)展科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的基工制造的。材料制造是發(fā)展科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)。激光開發(fā)了制造材料新技術(shù)，利用激光能夠制造礎(chǔ)。激光開發(fā)了制造材料新技術(shù)，利用激光能夠制造出質(zhì)量好，性能超群的材料出質(zhì)量好，性能超群的材料. 比如，用激光能夠制造比如，用激光能夠制造優(yōu)質(zhì)優(yōu)質(zhì)高溫超導(dǎo)薄膜高溫超導(dǎo)薄膜和和納米材料納米材料.氧化物超導(dǎo)薄膜氧化物超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)性能對(duì)組分非常敏感，不的超導(dǎo)性能對(duì)組分非常敏感，不同的化學(xué)配比，有不同的同的化學(xué)配比，有不同的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。 現(xiàn)在利用現(xiàn)在利用激光技術(shù)

50、制薄膜激光技術(shù)制薄膜，已經(jīng)制造出高質(zhì)量，已經(jīng)制造出高質(zhì)量 Y（釔）系（釔）系，Bi（鉍）系（鉍）系和和Te（碲）（碲）系系高溫超導(dǎo)薄膜。高溫超導(dǎo)薄膜。納米材料納米材料在光學(xué)，熱學(xué)，電學(xué)，磁學(xué)，聲學(xué)，化在光學(xué)，熱學(xué)，電學(xué)，磁學(xué)，聲學(xué)，化學(xué)等各方面特性與塊狀材料明顯不同，利用這種材料學(xué)等各方面特性與塊狀材料明顯不同，利用這種材料制造出的制造出的元件性能元件性能比用塊狀材料制造的比用塊狀材料制造的更優(yōu)異更優(yōu)異。 比如，用納米材料制造的比如，用納米材料制造的磁記錄器磁記錄器，記錄，記錄信息的密信息的密度度可以可以提高提高10倍倍，用納米材料制造的催化劑，用納米材料制造的催化劑，催化效催化效率率可以可以

51、提高提高 100倍。倍。 制造納米材料的方法現(xiàn)在有好幾種，比如制造納米材料的方法現(xiàn)在有好幾種，比如液相沉淀液相沉淀法法，加熱蒸發(fā)法加熱蒸發(fā)法等。但是，用等。但是，用激光技術(shù)開發(fā)的制造技激光技術(shù)開發(fā)的制造技術(shù)制造的納米材料質(zhì)量最好術(shù)制造的納米材料質(zhì)量最好，是最有發(fā)展前景的制造，是最有發(fā)展前景的制造技術(shù)。技術(shù)。 利用激光技術(shù)開發(fā)出來的制造技術(shù)主要有利用激光技術(shù)開發(fā)出來的制造技術(shù)主要有激光加熱激光加熱蒸發(fā)沉淀法蒸發(fā)沉淀法，激光氣相法激光氣相法和和光子解離法光子解離法。 現(xiàn)在利用激光技術(shù)已經(jīng)能夠制造出現(xiàn)在利用激光技術(shù)已經(jīng)能夠制造出性能優(yōu)良性能優(yōu)良、高高熔點(diǎn)熔點(diǎn)的納米材料的納米材料SiO2 , MgO

52、, Al2O3等等 .PLD的獨(dú)特之處的獨(dú)特之處是是激光位于真空激光位于真空室的外面室的外面。這樣。這樣,在材料合成時(shí)在材料合成時(shí),工工作作壓力的動(dòng)態(tài)范壓力的動(dòng)態(tài)范圍圍很寬很寬,通過控制通過控制鍍膜壓力和溫度鍍膜壓力和溫度,可以合成一系列可以合成一系列具有獨(dú)特功能的具有獨(dú)特功能的納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)和納米和納米顆粒顆粒. 另外另外, PLD是一種是一種“數(shù)字?jǐn)?shù)字”技術(shù)技術(shù), 在在納米尺度納米尺度上進(jìn)行工藝控制上進(jìn)行工藝控制.PLD激光脈沖鍍膜激光脈沖鍍膜( (Pulsed Laser Deposition)四激光能源四激光能源1 激光分離鈾同位素激光分離鈾同位素 目前目前, 我國在原子能設(shè)備、材料

53、加工、表面改性、修我國在原子能設(shè)備、材料加工、表面改性、修補(bǔ)及相關(guān)的很多測量分析方面都采用了激光技術(shù)補(bǔ)及相關(guān)的很多測量分析方面都采用了激光技術(shù), 特別特別是在核燃料的濃縮、核燃料的后處理及核廢料處理等是在核燃料的濃縮、核燃料的后處理及核廢料處理等方面方面, 采用激光技術(shù)已獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益采用激光技術(shù)已獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益. 激光在激光在能源工業(yè)中有如下兩個(gè)最重大的應(yīng)用項(xiàng)目能源工業(yè)中有如下兩個(gè)最重大的應(yīng)用項(xiàng)目.核電站使用的核電站使用的核燃料核燃料是含同位素是含同位素235U（鈾（鈾-235）的）的濃度大于濃度大于3的鈾的鈾,而天然鈾中而天然鈾中235U的含量只有約的含量只有約0.72 %.現(xiàn)

54、在提高現(xiàn)在提高235U濃度的辦法有濃度的辦法有氣體擴(kuò)散法氣體擴(kuò)散法、熱擴(kuò)散法熱擴(kuò)散法、電電磁法磁法、氣體離心法氣體離心法、分餾法分餾法、交換反應(yīng)法交換反應(yīng)法等，它們都等，它們都是是基于同位素原子質(zhì)量的微小差別基于同位素原子質(zhì)量的微小差別進(jìn)行的。進(jìn)行的。激光的激光的單色性單色性非常好非常好, ,利用不同的同位素原子利用不同的同位素原子( (分分子子) )的的光譜同位素位移光譜同位素位移, ,選擇性選擇性地地使使235U激發(fā)電離激發(fā)電離( (原子原子法法) )或或離解離解( (分子法分子法), ), 然后再利用物理或化學(xué)的方法然后再利用物理或化學(xué)的方法把把235U從混合物中分離出來從混合物中分離出

55、來. .然后用波長然后用波長591.5nm的激光選擇激發(fā)的激光選擇激發(fā)同位素同位素235U原原子（子（235U和和238U的同位素的同位素位移量為位移量為8GHz )，再用汞弧燈，再用汞弧燈的的紫外輻射紫外輻射使在激發(fā)態(tài)的使在激發(fā)態(tài)的235U原子原子電離電離。 當(dāng)含當(dāng)含235U離子的鈾原子束通過離子的鈾原子束通過偏轉(zhuǎn)電極偏轉(zhuǎn)電極時(shí)，時(shí)，235U離離子將從射束中偏離開來，最后由子將從射束中偏離開來，最后由收集器收集器收集。收集。 用這種辦法用這種辦法一次加工一次加工就可以獲得就可以獲得235U的含量達(dá)到的含量達(dá)到5%的的濃縮鈾濃縮鈾, 且運(yùn)轉(zhuǎn)且運(yùn)轉(zhuǎn)能耗低能耗低, 辦廠辦廠投資低投資低，它們分別只

56、有氣體，它們分別只有氣體擴(kuò)散法（現(xiàn)時(shí)的主要分離技術(shù)）的擴(kuò)散法（現(xiàn)時(shí)的主要分離技術(shù)）的1/20和和1/10.根據(jù)同位素樣品的狀態(tài)，激光分離鈾同位素的方法根據(jù)同位素樣品的狀態(tài)，激光分離鈾同位素的方法又分兩種：又分兩種： ( l ) 原子法原子法: 將金屬鈾加熱到約將金屬鈾加熱到約2100 的高溫，產(chǎn)生適當(dāng)密的高溫，產(chǎn)生適當(dāng)密度的鈾原子束度的鈾原子束; ( 2 ) 分子法分子法 用作分離的物質(zhì)是鈾的用作分離的物質(zhì)是鈾的分子化合物分子化合物UF6，利用，利用UF6中中235UF6和和238UF6紅外紅外吸收波長的微小差異吸收波長的微小差異進(jìn)行。用波長在進(jìn)行。用波長在16m mm附近的激光照射附近的激光

57、照射UF6分子射束，分子射束，選擇激發(fā)選擇激發(fā)或或離解離解含含有有235U 的分子的分子235UF6，再利用在激發(fā)態(tài)的，再利用在激發(fā)態(tài)的235UF6分子的化分子的化學(xué)反應(yīng)活性比在基態(tài)的分子強(qiáng)學(xué)反應(yīng)活性比在基態(tài)的分子強(qiáng)，通過某種化學(xué)反應(yīng)把，通過某種化學(xué)反應(yīng)把235UF6分子從混合物中萃取出來。分子從混合物中萃取出來。 與原子法相比與原子法相比, 分子法的分子法的主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)是是樣品制備方便樣品制備方便。因?yàn)殁櫡肿踊衔锏娜埸c(diǎn)比較低因?yàn)殁櫡肿踊衔锏娜埸c(diǎn)比較低, 制備制備UF6分子蒸氣分子蒸氣只需只需1000左右的溫度左右的溫度,而制鈾蒸氣則要超過而制鈾蒸氣則要超過2000的高溫的高溫.況且高

58、溫鈾蒸氣的腐蝕性很強(qiáng)況且高溫鈾蒸氣的腐蝕性很強(qiáng),給生產(chǎn)帶來一定技術(shù)難度給生產(chǎn)帶來一定技術(shù)難度.2 激光核聚變激光核聚變 這是利用高功率激光束作用于由這是利用高功率激光束作用于由氘、氚氘、氚或或氘氘-氚氚制成制成的靶丸的靶丸, 使氘、氚核發(fā)生聚合使氘、氚核發(fā)生聚合, 同時(shí)釋放出巨額核能量的同時(shí)釋放出巨額核能量的技術(shù)技術(shù). 因?yàn)檎麄€(gè)聚變過程是在因?yàn)檎麄€(gè)聚變過程是在極短時(shí)間極短時(shí)間內(nèi)內(nèi)(如如: 10-10s)完成完成, 氘、氚燃料丸來不及膨脹氘、氚燃料丸來不及膨脹, 因此它又稱因此它又稱慣性約束聚變慣性約束聚變.在宇宙中，核聚變是星體發(fā)光的在宇宙中，核聚變是星體發(fā)光的主要機(jī)制主要機(jī)制: 兩個(gè)氘核兩個(gè)

59、氘核聚合成氦原子核，釋放聚合成氦原子核，釋放3.25 MeV 的能量的能量; 一個(gè)氘核和一個(gè)氚核聚合成氦原子核，釋放出一個(gè)氘核和一個(gè)氚核聚合成氦原子核，釋放出17. 6 MeV的能量。的能量。 所以所以, 用它們做燃料產(chǎn)生的用它們做燃料產(chǎn)生的燃燒值非常高燃燒值非常高,1kg這種核這種核燃料產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于燃料產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于 kg煤燃燒產(chǎn)生的熱量煤燃燒產(chǎn)生的熱量.7102 核聚變反應(yīng)核聚變反應(yīng) MeVHHDHMeVnHTDMeVHTDDMeVnHDDeeee3 .186 .1700. 425. 314314113 6個(gè)個(gè)D放出能量放出能量43.2MeV 海水中的海水中的D含量萬分之含量萬分之1

60、.5，折合聚變能折合聚變能1025h/kW地球上地球上氘和氚的儲(chǔ)量很大氘和氚的儲(chǔ)量很大，在海水中蘊(yùn)藏量約為，在海水中蘊(yùn)藏量約為13102 t ( 20萬億噸）萬億噸）. 所以所以, 核聚變技術(shù)將能為人類提供幾乎核聚變技術(shù)將能為人類提供幾乎是是用之不盡的能源用之不盡的能源. 核聚變核聚變的的第一步第一步是要使燃料處于是要使燃料處于等離子體態(tài)等離子體態(tài)，也即進(jìn)入，也即進(jìn)入物質(zhì)物質(zhì)第四態(tài)第四態(tài)。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。在。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。在等離子體中，由于高溫，電子已獲得足夠的能量擺脫原子核的束等離子體中，由于高溫，電子已獲得足夠的能量擺脫原子核的