激光科學(xué)技術(shù)講解課件

第七章

激光科學(xué)技術(shù)第七章激光科學(xué)技術(shù)主要內(nèi)容第1節(jié)概述第2節(jié)激光及其特性第3節(jié)激光器第4節(jié)激光的應(yīng)用及其發(fā)展主要內(nèi)容第1節(jié)概述第1節(jié)概述

激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù)，并列為二十世紀(jì)最重要的四大發(fā)現(xiàn)。是人類探索自然和改造自然的強(qiáng)有力工具。40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(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(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光可控核聚變，激光武器等等。1917年，愛因斯坦提出了受激輻射理論。強(qiáng)調(diào)光的物質(zhì)性；用量子觀點(diǎn)預(yù)言受激輻射

的存在和光放大的可能性。

第1節(jié)概述激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物激光的基本原理

E1E3E2按量子力學(xué)原理，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，原子能量的任何變化（吸收或輻射）都只能在某兩個(gè)定態(tài)之間進(jìn)行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷。光子與物質(zhì)原子相互作用過程中，存在三種類型的躍遷。即：受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射?；鶓B(tài)激發(fā)態(tài)能級(jí)激光的基本原理E1E3E2按量子力學(xué)原 如圖1-1所示，有一個(gè)原子開始時(shí)處于基態(tài)E1，若不存在任何外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如果有一個(gè)外來光子，能量為hv，與該原子發(fā)生相互作用。且，其中：E2為原子的某一較高的能量狀態(tài)——激發(fā)態(tài)。則原子就有可能吸收這一光子，而被激發(fā)到高能態(tài)去。這一過程被稱之為受激吸收。值得注意的是，只有外來光子的能量hv恰好等于原子的某兩能級(jí)之差時(shí)，光子才能被吸收。

受激吸收

E1E3E2原子吸收示意圖hvE1E3E2——低能級(jí)到高能級(jí)吸收能量 如圖1-1所示，有一個(gè)原子開始時(shí)處于基態(tài)E1與經(jīng)典力學(xué)中的觀點(diǎn)類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間非常短（數(shù)量級(jí)約為10-8s），之后，會(huì)自發(fā)地返回基態(tài)去，同時(shí)放出一個(gè)光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。原子在激發(fā)態(tài)的平均停留時(shí)間稱之為激發(fā)態(tài)的壽命。hv

自發(fā)輻射示意圖E1E3E2自發(fā)輻射——高能級(jí)到低能級(jí)放出能量與經(jīng)典力學(xué)中的觀點(diǎn)類似，處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)自發(fā)輻射的特點(diǎn)

這種過程與外界作用無關(guān)。各原子的輻射都是獨(dú)立地進(jìn)行。因而所發(fā)光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同。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，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(shí)，便放出五顏六色的光彩。其頻率成分極為復(fù)雜，發(fā)光方向各向都有，初位相也各不相同。這正是普通光源的自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的特點(diǎn)

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(shí)放出一個(gè)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。

E1E2hvE1E2hvhv

受激輻射示意圖受激輻射——受外來光子影響發(fā)生輻射E1E2hvE1E2hvhv受激輻射示意圖

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(gè)光子，可以得到兩個(gè)狀態(tài)完全相同光子的輸出。并且這兩個(gè)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)hvhvhvhvhvhvhv輸入輸出光放大示意圖這種過程是在外界光子的刺激作用下發(fā)生的，而且受激輻射第2節(jié)激光及特性“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(lì)物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生的一種特殊的光。（LASER）——受激輻射的光放大，“鐳射、萊塞”（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。第2節(jié)激光及特性“激光”是利用光能、熱能、電能、化學(xué)能或激光的產(chǎn)生１．激光產(chǎn)生的物理過程：受激輻射而得到的加強(qiáng)光２．產(chǎn)生激光的困難：吸收大于輻射３．產(chǎn)生激光的辦法：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)Lightorlaser無輻射躍遷亞穩(wěn)態(tài)激光的產(chǎn)生１．激光產(chǎn)生的物理過程：受激輻射而得到的加強(qiáng)光Li激光的特性

1高亮度2高方向性3高單色性4好的相干性

激光的特性1高亮度光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時(shí)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(tái)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)，光脈沖窄，光功率密度卻非常大。由于激光光源使光能量在時(shí)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(gè)單位的高溫高壓。千分之一秒內(nèi)使任何金屬汽化。高亮度光源亮度是指光源單位發(fā)光表面在單位時(shí)間內(nèi)沿單位立體角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10-5～10-8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(gè)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——定向發(fā)光發(fā)散角小普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布在全空間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(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。

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4.7×10-3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。600800400λnm熒光光譜普通光源熒光光譜譜線寬度約為：150nm高單色性具有單一頻率的光波稱為單色光。600800400λnm熒普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(dòng)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(shí)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。

相干性好普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個(gè)厘米，而

激光器是產(chǎn)生激光的裝置。它主要由工作物質(zhì)、激勵(lì)能源和諧振腔三部分組成。工作物質(zhì)：激光產(chǎn)生的內(nèi)因選擇具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)。激勵(lì)能源：粒子搬遷的動(dòng)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)。諧振腔：激光的振蕩放大器選擇一個(gè)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3節(jié)激光器激光器是產(chǎn)生激光的裝置。它主要由工作物質(zhì)、激勵(lì)能紅寶石激光器1960年，美國物理學(xué)家梅曼在實(shí)驗(yàn)室中做成了第一臺(tái)紅寶石激光器。我國于1961年研制出第一臺(tái)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。紅寶石激光器1960年，美國物理學(xué)家梅曼在實(shí)驗(yàn)室中做成了第激光科學(xué)技術(shù)講解課件激光器的種類按運(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；按激勵(lì)方式分，有光激勵(lì)、電激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核激勵(lì)激光器等；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。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。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。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。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0.32～1.3微米)，主要用于科研領(lǐng)域。激光器的種類按運(yùn)轉(zhuǎn)（工作）方式分，有連續(xù)波、單脈沖、重復(fù)脈沖1．工業(yè)加工

第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展1．工業(yè)加工第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展1．工業(yè)加工

第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展（1）激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、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(釔鋁石榴石)激光器，CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

（2）激光切割：汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)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(jī)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。1．工業(yè)加工第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展（1）激光焊接：汽車車1．工業(yè)加工

第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展（3）激光打孔：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(jī)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。1．工業(yè)加工第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展（3）激光打孔：激光打２．激光在通信中的應(yīng)用激光是一種頻率更高的電磁波，它具有很好相干性，因而象以往電磁波（收音機(jī)、電視等）一樣可以用來作為傳遞信息的載波。由激光“攜帶”的信息(包括語言、文字、圖像、符號(hào)等)通過一定的傳輸通道(大氣、光纖等)送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展２．激光在通信中的應(yīng)用第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展３．在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展３．在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展４．在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光在醫(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。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)。光動(dòng)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)激光的應(yīng)用及發(fā)展４．在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診5.軍事上的應(yīng)用激光測距激光雷達(dá)激光制導(dǎo)激光通信激光武器第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用----激光測距激光測距的原理是：通過向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，根據(jù)激光信號(hào)往返于測點(diǎn)與目標(biāo)之間所用的時(shí)間而求出距離的。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)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用----激光測距第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用----激光雷達(dá)利用激光束搜索、跟蹤和測量活動(dòng)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(shí)別和指示目標(biāo)的，只是工作波段不同。在軍事上可用于武器鑒定試驗(yàn)、武器火控、跟蹤識(shí)別、指揮導(dǎo)引、大氣測量等。第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用----激光雷達(dá)第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用----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。激光制導(dǎo)的種類主要有：半主動(dòng)回波式制導(dǎo)、全主動(dòng)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(dòng)回波式制導(dǎo)。第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用----激光制導(dǎo)第四節(jié)激光的應(yīng)用及發(fā)展5.軍事上的應(yīng)用----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(hào)）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。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。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)