激光原理緒論

激光原理與技術(shù)PrinciplesandTechnologyofLasers物理與電子科學(xué)學(xué)院李健2/5/20231參考書目：1、激光原理，周炳琨等編著；國防工業(yè)出版社，20042、激光原理與技術(shù),閻吉祥等編著；高等教育出版社，20043、激光原理技術(shù)及應(yīng)用，閻吉祥等編著；北京理工大學(xué)出版社，20064、激光原理技術(shù)及應(yīng)用，李相銀等編著；哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20045、激光器件，馬養(yǎng)武等；浙江大學(xué)出版社，20016、激光技術(shù)，藍(lán)信鉅；科學(xué)出版社，20012/5/20232LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)——輻射的受激發(fā)射的光放大激光是20世紀(jì)的四項重大的發(fā)明之一一、緒論2/5/20233激光的發(fā)展歷史

從歷史來看，任何科學(xué)發(fā)明或科學(xué)發(fā)現(xiàn)，都不外是兩條道路：一是自然界業(yè)已存在，當(dāng)人們自覺或不自覺地發(fā)現(xiàn)以后再產(chǎn)生理論，并加以證明和利用，如萬有引力、氧氣、電磁等，這種情況稱為“科學(xué)發(fā)現(xiàn)”；二是自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但人們先從理論上推導(dǎo)、預(yù)測，然后再通過努力加以證明和實(shí)現(xiàn)，如相對論、核衰變、核聚變等，這種情況稱為“科學(xué)發(fā)明”。而后者則更有科學(xué)理論性和挑戰(zhàn)性，激光的誕生過程就是屬于后者。

激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。2/5/20234激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)可以追溯到1917年，著名的物理學(xué)家愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用的時候發(fā)現(xiàn)，除了受激吸收和自發(fā)輻射躍遷過程外，還存在受激輻射躍遷過程。

20世紀(jì)50年代初，電子學(xué)和微波技術(shù)的應(yīng)用提出了將無線電技術(shù)從微波推向光波的要求。如何實(shí)現(xiàn)從微波振蕩器到光波振蕩器？微波振蕩器的實(shí)現(xiàn)原理：一個尺度和波長可比擬的封閉的諧振腔；

利用自由電子與電磁場的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩。2/5/202351952年，美國馬里蘭大學(xué)的韋伯開始應(yīng)用以上理論去放大電磁波。1954年，美國的湯斯(CharlesH.Towns)、蘇聯(lián)的巴索夫(NikolaiG.Basov)和普洛霍洛夫(Aleksander

M.Prokhorov)第一次實(shí)現(xiàn)了氨分子微波量子振蕩器(Maser),拋棄了

利用自由電子與電磁場的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩，利用原子或分子中的束縛電子與電磁場的相互作用來放大電磁波。

2/5/202361958年，湯斯和肖洛(ArthurL.Schawlow)拋棄了一個尺度和波長可比擬的封閉的諧振腔，提出了利用尺度遠(yuǎn)大于波長的開放式光諧振腔，實(shí)現(xiàn)了激光器的新思想。布隆伯根(NicolaasBloembergen)提出了利用光泵浦三能級原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的新構(gòu)想。

湯斯和肖洛在Physis

Revies

上發(fā)表論文，指出了實(shí)現(xiàn)受激輻射為主的可能性，并給出了實(shí)現(xiàn)這個愿望需要滿足的條件。2/5/20237C.H.TownesA.M.ProkhorovN.G.Basov

湯斯1954年在量子電子學(xué)研究中實(shí)現(xiàn)了氨分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，研制了微波激射器和激光器；普羅霍洛夫和巴索夫1958年幾乎同時在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究中，根據(jù)微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。以上工作導(dǎo)致了激光器的發(fā)明。TheNobelPrizeinPhysics19642/5/202381960年7月，世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器問世，標(biāo)志了激光技術(shù)的誕生。美國加利福尼亞州休斯航空公司實(shí)驗(yàn)室的研究員梅曼演示的。波長為694.3nm的激光2/5/20239

至此，一門新的科學(xué)技術(shù)——量子電子學(xué)中的激光技術(shù)以科學(xué)史上罕見的高速度向前發(fā)展！

2/5/202310

1961年⑴2月（A.Javan）研制成了He—Ne混合氣體激光器。⑵有人提出了Q調(diào)制技術(shù)，并制成第一臺調(diào)Q激光器。為什么要調(diào)Q？⑶制成了釹玻璃脈沖激光器。1962年，美國三個研究小組幾乎同時分別發(fā)布砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的報道。僅1961—1962年間世界各國發(fā)表的激光方面的論文達(dá)200篇以上。2/5/2023111963年建立了激光的半經(jīng)典理論。

對激光的頻率特性和功率特性進(jìn)行了比較完善的探討。1964年研制成了氬離子（Ar+）離子氣體激光器二氧化碳?xì)怏w激光器化學(xué)激光器（HF氟化氫）摻釹的釔鋁石榴石固體激光器1965年實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰光學(xué)參量振蕩器，借助半經(jīng)典理論預(yù)言了鎖模效應(yīng)的存在。2/5/2023121966年研制成了固體鎖模激光器獲得了超短脈沖。為什么要鎖模？1970年研制成了準(zhǔn)分子激光器。1977年研制成了紅外波段的自由電子激光器（FEL）1984年研制出光孤子激光器（SL）因?qū)す饧捌鋺?yīng)用的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)而先后獲諾貝爾物理學(xué)獎的科學(xué)家有十幾位.1967年研制成了Ｘ射線激光器。2/5/202313拉姆齊（Ramsey,NormanF,1915~）美國物理學(xué)家。因發(fā)展了原子精確光譜學(xué)和發(fā)明了分離振蕩場方法以及將其用于氫微波激射器和原子鐘而獲得1989年諾貝爾物理學(xué)獎。2/5/202314朱棣文（1948~），美籍華裔物理學(xué)家。1997年，朱棣文因發(fā)明用激光冷卻和俘獲原子的方法獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

科昂-塔努吉（CloderCohenTanuky，1933~）法國物理學(xué)家，1997年諾貝爾物理獎得主。他利用“磁阱”技術(shù)，成功地將原子溫度降低到了與絕對零度只相差百萬分之一度的程度。菲利普斯（Felipus，William,1948~）美國物理學(xué)家，1987年他運(yùn)用“磁阱”技術(shù)，改進(jìn)了原子在激光照射下溫度驟降的方法，使冷卻溫度進(jìn)一步降低。因此獲得1997年諾貝爾物理獎。2/5/2023152/5/2023162/5/2023172/5/2023181961年8月，中國第一臺紅寶石激光器問世。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脈沖激光系統(tǒng)——神光裝置，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。神光I、神光II、神光III2/5/202319（builtin19862beam/f200mm,1.6KJ/1w/1ns）神光I裝置的兩路激光系統(tǒng)2/5/202320激光器的圖片綠光激光器2/5/202321大功率綠光激光器2/5/202322紅光激光器2/5/202323藍(lán)光激光器2/5/202324白光激光器2/5/202325黃光激光器2/5/202326半導(dǎo)體激光器2/5/202327小型激光器2/5/202328鈦寶石激光器和10太瓦/拍瓦高峰值功率

超快激光器系統(tǒng)2/5/202329二氧化碳激光器2/5/202330氣體激光器2/5/202331固體激光器2/5/202332紅綠藍(lán)多色激光器2/5/202333紫外激光器2/5/202334泵浦燈管和氣體激光管2/5/202335二、激光的特性單色性好方向性好亮度高相干性好高的光子簡并度包括了上述四特性

2/5/202336單色性好2/5/202337

第一，激光的單色性好。激光是一種顏色最單純的光。太陽光和電燈光看起來似乎是白色的，但當(dāng)讓它通過一塊三棱鏡的時候，就可以看到紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫七種顏色的光，其實(shí)，還含有我們看不見的紅外光和紫外光。激光的顏色非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極高。2/5/202338方向性好

2/5/202339第二，激光的方向性好。在發(fā)射方向的空間內(nèi)光能量高度集中，方向性就好。普通光源，比如平時見到的燈光，都是向四面八方發(fā)光，打開室內(nèi)的電燈，整個房間都照亮了。打開手電筒，在發(fā)出的部位，直徑不過3～5厘米，待射到幾米之外后，就擴(kuò)展成一個很大的光圈。光在傳播中發(fā)散了。然而，激光卻不同，它是大量原子由于受激輻射所產(chǎn)生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細(xì)線，發(fā)散的角度極小，一束激光射到38萬千米外的月球上，光圈的直徑充其量只有2千米左右。2/5/202340

第三，激光亮度最高。太陽是人類共有的自然光源，整個世界沐浴在明亮的陽光之下。太陽表面的亮度比蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。激光的出現(xiàn)，更是光源亮度上的一次驚人的飛躍。在發(fā)射方向的空間內(nèi)光能量高度集中，方向性就好所以激光的亮度比普通光的亮度高千萬倍，甚至億萬倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱，成為無堅不摧的強(qiáng)大光束。2/5/202341高亮度2/5/202342一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。從地球照到月亮上在反射回來也不成問題?？梢娂す馐钱?dāng)今世界上高亮度的光源。激光可以具有很大的能量，用它可以容易地在鋼板上打洞或切割。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用激光高亮度特點(diǎn)已成功地進(jìn)行了激光打孔、切割和焊接。在醫(yī)學(xué)上、利用激光的高能量可使剝離視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進(jìn)行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，激光能量提高，可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的光武器。2/5/202343

第四，激光的相干性好。在普通光源中，原子發(fā)光過程都是自發(fā)輻射過程，各個原子的輻射都是自發(fā)地、獨(dú)立進(jìn)行的，因而各個原子發(fā)出的光子在頻率、發(fā)射方向和初位相上都是不相同的，所以，在光源的不同位置發(fā)出來的光各不相同，不具備空間相干性；而它的頻率間隔Dn很大，所以Dt

就很短，因而也不具備時間相干性。所以普通光源發(fā)出的光不是相干光。而對激光器來說，它所發(fā)射的激光單色性很好，即激光的Dn非常小。因而激光的相干時間Dt

很大，即激光的時間相干性很好。激光的發(fā)散角很小，因而其空間相干性也很好。2/5/202344激光的時間相干性2/5/202345激光的空間相干性2/5/202346（一）由激光發(fā)展的新學(xué)科激光的出現(xiàn)帶動了多學(xué)科的發(fā)展，如量子光學(xué)、量子電子學(xué)、激光光譜學(xué)、非線性光學(xué)、集成光學(xué)、海洋光學(xué)等等。這里我們只列舉一些與日常生活相關(guān)的激光應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展。

三、激光的應(yīng)用2/5/202347

1877年世界上第一臺留聲機(jī)在愛迪生的手上誕生了！它是聲像技術(shù)發(fā)展的開端。人們并不滿足于唱機(jī)，20世紀(jì)40年代初，德國研制出具有高頻偏磁和良好機(jī)械傳輸性能的磁帶錄音機(jī)，開拓出記錄聲音的新渠道。到1955年，美國無線電公司宣布實(shí)驗(yàn)成功磁帶彩色錄像機(jī)，能把自己和大自然的形像記錄下來，它揭開了聲像技術(shù)史的新頁，打開了現(xiàn)代聲像技術(shù)發(fā)展的大門和通路。3年后，美國安皮克公司生產(chǎn)出商用彩色錄像機(jī)。1970年，英國德卡公司研制出第一臺黑白電視錄像盤。兩年后，荷蘭菲利浦公司研制出用激光器拾音的彩色電視錄像盤。這就是現(xiàn)代激光光盤的誕生！1、激光光盤制作技術(shù)2/5/202348

激光光盤的誕生，激光在音響設(shè)備上的應(yīng)用，是音響上的一次革命。人們利用激光，以“光針”代替鋼針、寶石針，制成激光唱片。激光唱片不僅能夠錄音，而且能夠錄像。激光唱片用來記錄、存儲聲音和圖像，可以說，這是聲像技術(shù)上的一次革命，一個偉大的創(chuàng)舉。

自從激光光盤出現(xiàn)以來，人們充分挖掘它的潛力，創(chuàng)造多種功能的激光唱機(jī)和唱片，1983年，美國和日本分別研制成嶄新的數(shù)字錄音唱片。這種唱片完全擺脫了傳統(tǒng)唱片的制作和重播方式，為唱片開辟了一個全新的境界。這種數(shù)字唱片，在存儲技術(shù)等方面都有重要的用途。2/5/202349激光光盤技術(shù)發(fā)展很快，各種功能、各種用途的新型唱機(jī)、唱片層出不窮。于是，激光光盤和電子計算機(jī)技術(shù)、聲像技術(shù)聯(lián)手，踏入文獻(xiàn)存儲和檢索的領(lǐng)域。信息存儲在光盤上，快速檢索、查閱和打印出所需要的資料?，F(xiàn)在光盤書籍已進(jìn)入家庭生活。2/5/2023502、激光在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用（1）全息照相（2）光存儲（3）大屏幕顯示2/5/202351現(xiàn)代的全息照相，可以得到極其逼真的立體顯示的全息照片。使人產(chǎn)生身臨其境之感。全息照片是真正的立體照片。用全息照相方法所得到的照片，經(jīng)得起“破壞性的打擊”。全息照片的每一部分，不論有多大，都能再現(xiàn)出原來的整個景象，這就是說，可以將全息照片分成若干小塊，每一小塊都可以完整地再現(xiàn)出原來的景象。因此，如果全息照片被打破了，撕碎了，或者在某個案件中捕獲到的是毀壞了的全息照片的殘渣，總可以從一小塊碎片重新復(fù)制出原樣的照片來。（1）全息照相2/5/202352激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息干板上，稱為參考光束。當(dāng)光束被物體反射后，其反射光束也照射在膠片上，就完成了全息照相的攝制過程2/5/202353全息照片和普通照片截然不同用肉眼去看，全息照片上只有些亂七八糟的條紋用一束激光去照射該照片，眼前就會出現(xiàn)逼真的立體景物。從不同的角度去觀察，可以看到原來物體的不同側(cè)面每一片碎片都包括被攝物體的完整信息2/5/202354英女王的全息照片2/5/202355全息再現(xiàn)用于藝術(shù)創(chuàng)作2/5/202356多路合成角度全息用于藝術(shù)品展示2/5/2023572/5/202358全息激光防偽標(biāo)簽，已經(jīng)是一個很大的產(chǎn)業(yè)

2/5/2023592/5/202360（2）激光全息存儲利用激光干涉原理將圖文等信息記錄在感光介質(zhì)上的大容量信息存儲技術(shù)，通過將縮微膠片上的影像轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?，然后制出存儲密度更大的全息圖，全息圖是由干涉條紋組成的影像，該條紋記錄了入射光線的全部信息—振幅和相位閱讀還原時，需在激光照射下利用條紋影像的衍射原理使其再現(xiàn)。2/5/202361激光全息存儲的優(yōu)點(diǎn)信息存儲容量大---可達(dá)1Tb/cm3

記錄速度快記錄信息不易丟失---壽命可達(dá)數(shù)百年便于長期保存---每一碎片都包含完整信息便于拷貝、復(fù)制2/5/202362全息信息存儲2/5/202363體全息信息存儲原理2/5/202364（3）DPL大屏幕顯示采用二極管泵浦的固體激光器，倍頻輸出紅綠藍(lán)三基色的激光全色顯示具有色彩十分豐富多彩，亮度高、清晰度高等優(yōu)點(diǎn)預(yù)計未來10年內(nèi)在計算機(jī)投影儀、大屏幕高清晰顯示和數(shù)字電視方面得到廣泛應(yīng)用。2/5/202365RGBTVSET

2/5/202366DiodePumpedLaser轉(zhuǎn)換產(chǎn)生RGB

2/5/202367DiodePumpedMicroLaser2/5/202368DPLProjectionTV2/5/202369激光醫(yī)學(xué)是激光技術(shù)的新領(lǐng)域，激光是利用受激發(fā)射放大原理產(chǎn)生的高相干性、高強(qiáng)度的單色光。產(chǎn)生激光束的光源稱激光器，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里有廣泛的用途。激光醫(yī)學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科，其內(nèi)容包括用激光新技術(shù)去研究、診斷、預(yù)防和治療疾病。激光已應(yīng)用于內(nèi)、外、婦、兒、眼、耳鼻喉、口腔、皮膚、腫瘤、針灸、理療等臨床各科。它不僅為研究生命科學(xué)和研究疾病的發(fā)生發(fā)展開辟了新的研究途徑，而且為臨床診治疾病提供了嶄新的手段。3、激光醫(yī)學(xué)2/5/202370

1960年世界上第一臺紅寶石激光器問世后，1961年即用于治療視網(wǎng)膜脫落，1963年激光光刀用于腫瘤切割。70年代醫(yī)用激光治療機(jī)在臨床各科得到廣泛應(yīng)用。1981年聯(lián)合國衛(wèi)生組織正式宣布激光醫(yī)學(xué)為醫(yī)學(xué)的一個新分支。激光治療最早用于眼科，對視網(wǎng)膜剝離眼底血管病變、虹膜切開、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治療。激光手術(shù)刀具有術(shù)中出血少，可減少細(xì)菌感染等優(yōu)點(diǎn)。激光與中醫(yī)針灸術(shù)結(jié)合而形成的“光針”，對鎮(zhèn)痛、哮喘、遺尿、高血壓等有一定療效。激光技術(shù)為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)提供了一種“神力”，能夠治療內(nèi)科、外科、眼科、皮膚、腫瘤和耳鼻喉科的100多種疾病。2/5/2023712/5/2023722/5/2023732/5/2023742/5/202375光導(dǎo)纖維傳光是利用在光導(dǎo)纖維中傳輸光線在界面上發(fā)生全反射來實(shí)現(xiàn)的。這種透明細(xì)長纖維傳光現(xiàn)象很早就為希臘玻璃工人所發(fā)現(xiàn)。1870年英國人廷德爾首先通過實(shí)驗(yàn)觀察到光沿彎曲水柱傳播的現(xiàn)象。1929年美國人哈塞爾制成石英纖維，但由于質(zhì)量差，沒能實(shí)際應(yīng)用。50年代美國人卡帕尼和荷蘭人馮西爾首先制成玻璃芯，解決了光學(xué)絕緣的難題。激光器的問世，纖維光學(xué)才真正得到飛速發(fā)展。1973年第一個光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室建成。光纖通信進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)在以光導(dǎo)纖維為傳導(dǎo)介質(zhì)的傳感技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、通信、紡織、航空航天、電氣、汽車、自動化等幾乎所有工程領(lǐng)域和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛使用。

4、光纖通信2/5/202376光纖通信在有線廣播電視方面也大有可為。利用光纜構(gòu)成電視網(wǎng)，能夠傳送幾百幾千套電視，使人們可以隨意選擇收看各種各樣的電視節(jié)目，而且這種電視不受地形地物障礙的影響。此外，還可以迅速及時地傳送電視報紙，可以進(jìn)行電視教學(xué)?？梢曤娫捯彩强看笕萘康墓饫w通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在通話時，不但彼此能看到對方的音容笑貌，還能相互展示手中的照片及其他東西。親人遙隔千萬里，就像相聚在一起一樣?？梢曤娫掃€可以用于電話會議、醫(yī)療會診、指揮生產(chǎn)等。2/5/202377光通信原理示意圖2/5/202378光通信用的激光器差不多全部是半導(dǎo)體激光器，只有少量的CATV系統(tǒng)采用1310納米或1550納米LD泵浦固體激光器。通信用的激光器主要有兩類：光纖放大器用的泵浦光源和發(fā)射機(jī)用的信號光源。應(yīng)用于自由空間光通信（FSO）的激光器有850nm和1550nm兩種.2/5/202379自由空間光通信（FSO）用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號的通信系統(tǒng)，即以大氣為媒介的激光通信系統(tǒng)兩種工作波長：850納米1550納米850納米設(shè)備便宜，應(yīng)用于傳輸距離短的場合1550納米紅外光波可被視角膜吸收，照不到視網(wǎng)膜，可增大傳輸功率，適用于傳輸距離遠(yuǎn)的場合2/5/202380自由空間光通信（FSO）的優(yōu)點(diǎn)快速鏈路部署—無需埋設(shè)光纖等待手續(xù)無需頻譜許可證帶寬高—支持150mb/s到10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離2-4公里安全保密性強(qiáng)協(xié)議透明成本低—是光纖到樓的1/10到1/37便攜性2/5/2023812/5/2023822/5/202383

卡拉OK音樂廳、鐳射舞廳有一位極其重要的“配角”——激光，運(yùn)用激光手段，增添信息，拓展時空，使豐富多采的節(jié)目更加令人回味無窮，可以說，藝術(shù)的成功，也與激光作為“配角”是分不開的，最常用的是能夠產(chǎn)生紅綠藍(lán)3色的離子激光器。

目前，已出現(xiàn)獨(dú)具特色的光子樂器，它和電子樂器相比也毫不遜色。激光光纖吉他，光導(dǎo)纖維作為吉他的琴弦，通過光信號的變化，可以演奏出極其美妙的樂曲。激光豎琴，更是別具一格，琴弦是由一臺氪激光器和兩臺氬激光器產(chǎn)生的一排絢麗多采的豎直光束。琴師“撥奏”激光豎琴的“琴弦”——有節(jié)律地遮斷光束，啟動琴中的光電傳感器，于是便奏出令人叫絕的樂曲。光子在音樂領(lǐng)域里的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止這些，從發(fā)展來看，光子樂器雖然是后起之秀，卻大有后來居上之勢。5、激光藝術(shù)2/5/2023842/5/202385激光不但是醫(yī)生手中的手術(shù)刀，還是畫家和雕刻家手中的光筆和雕刻刀。藝術(shù)家們利用激光束這得心應(yīng)手的畫筆和刻刀，在各種紙板、木板、石板、玻璃板和金屬板上進(jìn)行繪畫和雕刻創(chuàng)作，可以借助于激光束的強(qiáng)度、聚焦和散焦的變化，創(chuàng)作出完美的獨(dú)具風(fēng)格和特色的作品來；還可以借助于計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，對所創(chuàng)作的作品進(jìn)行修改。此外，激光還可以用來修復(fù)名畫，使已經(jīng)黯然的畫面恢復(fù)其青春的光彩。2/5/202386人類要生存，第一需要是糧食。播下什么種子，就會有什么收獲?，F(xiàn)在，在農(nóng)作物品種改良和新品種培育方面，人們利用激光處理種子，收到了明顯的增產(chǎn)效果。通過對激光育種的生物學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)在特定激光輻照作用下，產(chǎn)生光物理、光化學(xué)和光生物學(xué)效應(yīng)，就會出現(xiàn)“染色體”變異，于是導(dǎo)致遺傳性狀的改變，而產(chǎn)生出新的品種。人們還用激光適當(dāng)?shù)卣丈湫Q豆、玉米、蘿卜、黃瓜和西紅柿的種子，加速種子發(fā)芽，提高種子出芽率，促進(jìn)農(nóng)作物生長，使農(nóng)作物早熟、抗病、增產(chǎn)。

6、五谷豐登——激光農(nóng)業(yè)2/5/202387人們利用不同波長、不同劑量的激光進(jìn)行試驗(yàn)，深入研究綠色植物光合作用的基本機(jī)理，深入研究從發(fā)芽直到成熟結(jié)籽的基本過程。人們采取適當(dāng)波長和適當(dāng)劑量的激光照射正在生長的農(nóng)作物，促進(jìn)農(nóng)作物的光合作用，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。例如，用激光照射黃瓜秧和西紅柿秧，秧子上的花數(shù)和果數(shù)都有增加，產(chǎn)量得到提高，果實(shí)里的糖分和維生素含量增加，品質(zhì)顯著改善。2/5/202388人們還利用激光研究農(nóng)作物病蟲害的防治。激光成為人們捕殺害蟲和消滅病蟲害的得力助手。人們利用激光向雜草開刀，除掉雜草，為禾苗出氣，為禾苗助長。采用激光滅蟲除草方法，比采取化學(xué)滅蟲除草優(yōu)越，避免了化學(xué)藥物對大氣、水源和土地的污染，而且不污染糧食、蔬菜和水果。激光是一種高效而清潔的滅蟲除草方法。

激光在農(nóng)副產(chǎn)品的儲藏和保鮮方面，在對農(nóng)作物收獲進(jìn)行預(yù)報和估產(chǎn)及其他方面，都有用武之地。激光在實(shí)現(xiàn)科學(xué)種田和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化方面，將發(fā)揮越來越大的作用。2/5/202389利用激光繪制災(zāi)害圖。激光測距儀向目標(biāo)發(fā)射一束對人眼安全的激光束，以測量目標(biāo)的距離和方位角。照到目標(biāo)后再返回激光器，附在激光器上的計算機(jī)隨即進(jìn)行必要的運(yùn)算。若將該激光測距儀跟一臺全球定位系統(tǒng)相聯(lián)，衛(wèi)星接收器就會隨時告訴操作人員所在的位置。系統(tǒng)操作人員可將激光器瞄準(zhǔn)風(fēng)暴災(zāi)害處，激光器將距離和范圍內(nèi)的信息送到全球定位系統(tǒng)，繪出災(zāi)害圖，然后可迅速派遣有關(guān)人員前往救災(zāi)。另一套運(yùn)行系統(tǒng)同記錄計算機(jī)相連，操作人員能飛到鄰域上空，將激光器對淮受災(zāi)地面建筑物，迅速繪出地圖，可估計受損財產(chǎn)的價值。7、激光在環(huán)境方面的應(yīng)用2/5/202390

激光檢測大氣含量，采用柏林自由大學(xué)的激光雷達(dá)對城市煙霧或酸雨進(jìn)行了三維監(jiān)視，已經(jīng)測量出氧化亞氮、二氧化氮、二氧化硫，以及臭氧含量的兩維和三維圖。已經(jīng)成功地繪出行星邊界層海拔4km上下的水蒸氣輪廓圖，滿足了氣象應(yīng)用的需要。2/5/202391激光加工原理與圖片8、激光加工2/5/202392激光打孔2/5/202393激光-氧氣切割金屬2/5/2023942/5/202395激光加工2/5/202396激光焊接2/5/202397激光焊接2/5/202398激光焊接2/5/202399激光雕刻2/5/2023100激光雕刻2/5/2023101激光雕刻2/5/2023102激光雕刻2/5/2023103激光雕刻2/5/20231042/5/2023105激光雕刻2/5/2023106激光切割2/5/2023107激光切割2/5/2023108激光切割2/5/2023109激光切割2/5/20231109、激光在軍事方面的應(yīng)用激光測距激光雷達(dá)激光制導(dǎo)激光通信激光武器2/5/2023111①激光測距激光測距的原理：

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。2/5/20231122/5/20231132/5/2023114激光測距在軍事上的應(yīng)用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。2/5/20231152/5/2023116中國研制的激光測距儀2/5/2023117②激光雷達(dá)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)。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。2/5/20231182/5/2023119激光雷達(dá)在軍事上的應(yīng)用武器鑒定試驗(yàn)、武器火控、跟蹤識別、指揮導(dǎo)引、大氣測量等。2/5/2023120③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)。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。2/5/2023121

2/5/2023122

2/5/2023123戰(zhàn)略反導(dǎo)激光武器2/5/2023124

④激光通信激光通信是把光作為傳遞信息的載體，通過把信息（音頻信號）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)通信的。2/5/2023125⑤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。2/5/20231262/5/2023127激光武器的殺傷機(jī)理1、是燒蝕效應(yīng)2、是激波效應(yīng)3、是輻射效應(yīng)2/5/2023128激光武器的優(yōu)點(diǎn)1、無需進(jìn)行彈道計算2、無后座3、操作簡便，機(jī)動靈活，使用范圍廣4、無放射性污染，效費(fèi)比高

2/5/2023129激光武器的分類根據(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。2/5/2023130低能激光武器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。2/5/2023131激光致盲武器“軍刀”(Saber)203的激光照明系統(tǒng)，主要用于照明、致盲和瞄準(zhǔn)目標(biāo)。該裝置采用鎳鎘電池供電，工作波長為670納米，功率400毫瓦，有效照明距離300米，重1.5磅，每枚電池可連續(xù)運(yùn)行30分鐘，100米處的光斑尺寸可在1～10米之間變化。2/5/2023132形形色色的激光武器激光槍2/5/2023133激光槍2/5/2023134

美研制步兵用激光武器2/5/2023135高能激光武器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。2/5/2023136

2/5/2023137

2/5/20231382/5/20231392/5/2023140高能激光武器2/5/2023141

“響尾蛇”AIM-9系列空空導(dǎo)彈2/5/2023142

2015年美國空軍將裝備激光炮2/5/2023143形形色色的激光武器艦載激光武器2/5/2023144形形色色的激光武器機(jī)載激光武器2/5/20231452/5/2023146激光武器2/5/2023147激光制導(dǎo)2/5/2023148激光攔截2/5/2023149在軍事上其他方面的應(yīng)用激光技術(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(jī)、激光陀螺等。2/5/20231502/5/20231512/5/202315210、激光在科技領(lǐng)域的應(yīng)用（1）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。（光在一皮秒內(nèi)僅移動0.3毫米）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。2/5/2023153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(jī)，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。2/5/2023154多普勒效應(yīng)：如果波源與觀察者之間有相對運(yùn)動，則觀察者接受到的波頻率不同于波源的頻率。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(yùn)動。如，觀測珊瑚的生長，細(xì)胞的分裂等。超慢現(xiàn)象：頻率的偏移量正比于物體的運(yùn)動速度。2/5/2023155（2）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Γ蠹s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(xì)胞和生物大分子。激光光鉗示意圖激光器聚焦鏡樣品池顯微鏡2/5/2023156光鉗技術(shù)：

當(dāng)用激光鉗住一個細(xì)胞時，再用另一束較強(qiáng)的激光作為激光刀，對細(xì)胞進(jìn)行手術(shù)。如，切下DNA或細(xì)胞膜，研究細(xì)胞功能的變化；鉗住某種基因?qū)⑵渥⑷氲街参锛?xì)胞內(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(shí)現(xiàn)基因的重組和重排，可以幫助完成“人類基因測序計劃”。2/5/2023157（3）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(shí)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(dú)特的條件。在低溫條件下，分子，原子熱運(yùn)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。2/5/2023158多普勒冷卻原理光波原子原子吸收光子動量減小原子共振吸收與其運(yùn)動方向相對的光子，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動量減小，速度也減小了。處于激發(fā)態(tài)的原子會自發(fā)輻射出光子而回到初態(tài)，得到與其運(yùn)動相反的動量，但自發(fā)輻射的光子的方向是隨機(jī)的，并不增加原子的速度，原子因而被減速，同時溫度也降低了。對冷卻鈉原子的波長為589納米的共振光而言，這種減速效果相當(dāng)于10萬倍的重力加速度！由于這種減速實(shí)現(xiàn)時，必須考慮入射光子對運(yùn)動原子的多普勒效應(yīng)，故稱為多普勒冷卻。2/5/2023159

1985年貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣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(tuán)被冷卻，溫度達(dá)到240k。1997年朱棣文、達(dá)諾基和菲利普斯因此而獲諾貝爾物理獎xyz光學(xué)粘團(tuán)2/5/20231602/5/2023161激光核聚變裝置2/5/20231622/5/20231632/5/20231642/5/2023165

做飯、取暖要燒煤，汽車、飛機(jī)要用油，照明、家電設(shè)備和開動機(jī)器都需要電、煤、石油、天然氣等礦物燃料及各種發(fā)電手段，熱電、水電、核電是人類生存和社會進(jìn)步不可缺少的能源。

原子能是最富魅力的新能源。原子能的利用，可以分為兩類：一類是利用中子轟擊鈾原子核，使鈾核分裂成為兩塊，釋放出裂變能；另一類是使氫的兩種同位素氘和氚核聚合在一起，釋放出聚變能。核聚變反應(yīng)釋放出的能量要比核裂變反應(yīng)釋放出的能量大得多。核裂變反應(yīng)可以用于制造原子彈，也可以用于建造核電站。五、激光技術(shù)誘人的前景(1)創(chuàng)造一個新太陽2/5/2023166

核聚變并不陌生：氫彈爆炸就是一種核聚變反應(yīng)。但是，氫彈爆炸的巨大能量是在一瞬間釋放出來的。氫彈爆炸式的核聚變反應(yīng)，簡直就是無羈的“核野馬”，一發(fā)而不可收拾。這種核聚變產(chǎn)生的能量是人力無法控制、無法應(yīng)用的。那么，怎樣才能使“核野馬”馴服，使它在人的控制下老老實(shí)實(shí)地工作呢？科學(xué)家們的目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)受控核聚變。

用什么來“點(diǎn)火”——怎樣才能滿足受控?zé)岷司圩兊臈l件呢？人們想到了強(qiáng)磁場、電子束、離子束等種種辦法，但最有希望的要數(shù)高功率激光了。高功率激光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的關(guān)鍵，各國科學(xué)家都在這方面傾注全力攻堅。

受控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)將首先用于建造新型的聚變類型的核電站。激光受控核聚變將是人類的既安全又清潔、取不盡用不完的新能源。它的實(shí)現(xiàn)，等于人類創(chuàng)造出一個新太陽！2/5/2023167

自從世界上第一臺激光器問世至今，激光已涉足于許多科學(xué)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，并分化出不少重要的分支學(xué)科和交叉學(xué)科，激光技術(shù)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)，也打開了光計算機(jī)的信息傳輸、存儲和處理的時代的大門。

光計算機(jī)給人們帶來了美好的希望。電子計算機(jī)發(fā)展到今日，卻始終沒有脫離電子學(xué)的范疇，運(yùn)算速度和存儲容量均已不能滿足突飛猛進(jìn)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)的需要。集成光學(xué)和激光技術(shù)為研制運(yùn)算速度極快、存儲容量極大、使用穩(wěn)定可靠的光計算機(jī)提供了基礎(chǔ)條件。光模擬計算機(jī)在幾分鐘里就可以完成電子計算機(jī)幾天才能完成的工作量。現(xiàn)在，科學(xué)家們正在向特高運(yùn)算速度和特大信息存儲量的光數(shù)字計算機(jī)進(jìn)攻。(2)迎接光子時代的到來2/5/2023168

纖維光學(xué)是研究光學(xué)纖維傳光理論及制造的一門新學(xué)科。光學(xué)纖維已發(fā)展成為一種新型的光學(xué)元件，應(yīng)用于光纖通信、光學(xué)窺視、某些特殊激光器和新型光學(xué)系統(tǒng)之中。光纖通信具有容量巨大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、節(jié)省有色金屬和適用范圍廣泛等特點(diǎn)，逐步發(fā)展成為大容量、遠(yuǎn)距離通信的重要手段，必定成為未來通信事業(yè)的主角。

光子學(xué)作為一門新學(xué)科必將迅速發(fā)展起來，同時，還將促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展。一些新學(xué)科將不斷涌現(xiàn)出來，如光子物理學(xué)、光子化學(xué)、光子生物學(xué)、光子醫(yī)學(xué)等等。

2/5/2023169

光子科學(xué)技術(shù)不斷出現(xiàn)的新成就，對現(xiàn)代化社會的影響是無法估量的。到那時，天上飛的是用光子充填燃料的宇航飛機(jī)，地下跑的是光子發(fā)動機(jī)驅(qū)動的各種車輛，家庭里用的是多種多樣的光子器具，軍隊裝備的是各式各樣的光子武器……如同今天的煤、油、電一樣，光子科學(xué)技術(shù)將滲透到整個社會肌體的各個部位，成為人類生產(chǎn)和生活中不可缺少的東西。2/5/2023170

未來的家庭，將是光子化的家庭。在你的家庭里，你只要按動那臺用集成光學(xué)元件制造的終端設(shè)備，激光信號就會通過光學(xué)纖維構(gòu)成的光纜網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系于辦公室、商場、電臺……你可以通過面前的熒光屏，同千里之外的親人會晤，和辦公室里的同事交談，跟商場里的售貨員定貨，向圖書館索取有用的資料，以及閱讀新聞、科技情報。在你的家庭里，你的光智能計算機(jī)是你的忠實(shí)仆人，控制著空調(diào)設(shè)備調(diào)節(jié)室溫，控制家用電器來烹調(diào)食物、開窗關(guān)門、清掃房間。茶余飯后，你坐在舒適的沙發(fā)上，可以用手中的微型光控器，打開面前的光視機(jī)，觀看光纖傳來的豐富多采的全息彩色光機(jī)節(jié)目，那是立體的景象，真實(shí)的景象！到那時，電子將讓位給光子，光子將成為人類的第一助手，處處為人類服務(wù)。人類將生活在一個嶄新的光子時代里！2/5/2023171

“嫦娥奔月”、“牛郎織女”、“孫悟空大鬧天宮”……在我國，流傳著多少關(guān)于“天宮”的神話故事；現(xiàn)代的中外科幻小說或電視劇目，更是不乏有關(guān)太空城市與生活的描寫。當(dāng)然，人類是不會停留在神話故事、科學(xué)幻想里面的。人類正在創(chuàng)造條件，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域，正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，人類終有一天會建立起“太空城”、“太空村”，到那里去進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，制造新材料和新產(chǎn)品。

太空里有地球上所不具備的或很難獲得的實(shí)驗(yàn)條件，如低溫、真空、失重和無菌等。在那樣的特殊條件下，一些物質(zhì)將具有優(yōu)異的特性，一些實(shí)驗(yàn)會呈現(xiàn)出異乎尋常的現(xiàn)象，因而給科學(xué)技術(shù)帶來新的突破，使人類獲得新的生產(chǎn)力。(3)太空城里創(chuàng)大業(yè)2/5/2023172

人們在“太空城”里工作和生活，第一需要是氧氣，怎么樣把氧氣輸送到遙遠(yuǎn)的“太空城”里去呢？我們看到，自來水管把水送到千家萬戶，煤氣管道將煤氣送進(jìn)每家每戶。那么，采用什么管能把氧氣或其他氣體從地球輸送到月球的或其他的“太空城”、“太空村”里去呢？科學(xué)家認(rèn)為，將來，激光有可能成為行星距離間輸送氧氣及其他氣體的有效管道。這可真是科學(xué)發(fā)達(dá)，無奇不有，光還能成為“管道”！到太空去工作和生活，這一天已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。到那時，人們在“太空城”里辦工廠，在“太空村”里種果菜，好一派生機(jī)盎然的喜人景象。2/5/2023173

對未來的宇宙飛船，科學(xué)家們作出種種設(shè)想，如量子飛船、光子飛船、原子能飛船、太陽帆飛船、等離子體飛船等。太陽帆飛船是麥克斯韋提出的預(yù)言，它是以太陽

的壓力為動力，太陽光線就好像“宇宙風(fēng)”一樣，推動著宇宙飛船的“船帆”而使飛船前進(jìn)。

自從方向性極強(qiáng)的激光問世以后，科學(xué)家們又預(yù)言：激光可以作為未來宇宙飛船動力。如果太陽光線能夠給宇宙空間里自由飄蕩的物體加速的話，那么，激光這樣強(qiáng)大的輻射光束也完全可能給宇宙飛船加速。科學(xué)家們認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)激光動力飛船的可能性，不會比實(shí)現(xiàn)前面設(shè)想的種種飛船的可能性小。從物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，各種發(fā)動機(jī)無非是利用反作用力，激光發(fā)動機(jī)的反作用力能由具有質(zhì)量的光子產(chǎn)生。(4)未來的宇宙飛船2/5/2023174

美國著手研究以激光為動力，推進(jìn)航天飛行器的飛行，已經(jīng)取得卓有成效的結(jié)果。激光航天飛行器實(shí)際上就是激光飛船，它以激光為動力往返于地面與空間軌道站飛行，來回運(yùn)送人員和器材，實(shí)現(xiàn)空間研究和制造。它起飛像火箭，垂直而起；返回大氣層時又像飛機(jī)一樣，滑翔到地面作水平著陸。它不需要火箭發(fā)射，也不使用火箭燃料，費(fèi)用低廉，其發(fā)射費(fèi)用僅為航天飛機(jī)的0.1％，每公斤有效載荷6-9美元。

2/5/202