激光原理绪论(课堂PPT).ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,*,*,1,激光喷泉,2,3,4,激光雷达,5,水幕激光,6,绪论,一,.,什么是激光,二,.,激光产生的原理,三,.,激光器的,基本结构,和种类,四,.,激光的发展历史,五,.,激光的应用,7,普通光源,-,自发辐射,激光光源,-,受激辐射,一,.,什么是激光,激 光,(Laser),(,L,ight,A,mplication by,S,timulated,E,mission of,R,adiation),“辐射的受激发射光放大”,“激光”,钱学森在,196,年提出,8,激光和普通光有什么不同？,1.,激光的单色性好,2.,激光的方向性好,3.,激光的亮度极高,4.,激光的相干性好,9,1.,单色性好,单色性最好的氪灯,Kr,86,=4.7,10,-3,nm,稳频,HeNe,激光器,激光的单色性比普通光高 倍,.,10,2.,方向性好,（发散角,10,-4,弧度）,一束激光射到,38,万,km,的月球上，光斑的直径只有,2km,手电筒的光射到,m,处，扩展成很大的光斑。,11,激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高,3.,亮度极高,脉冲瞬时功率大,（可达,10,14,瓦）,激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度,太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大,10,亿倍。,12,4,相干性好,空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。,时间相干性好（,10,-8,埃），相干长度可达几十公里。,13,二,.,激光产生的原理,自发辐射,-,在没有外来光子的情况下，原,子自发跃迁发出的光子。,N,2,N,1,E,2,E,1,自发地、各自独立地、彼此无关地、无规律地,特点：,是个随机过程，各波列间没有固定位相关系，可以有不同的偏振方向、传播方向、相互间不相干。所以：自发辐射的光源，方向性、相干性、,单色性差。,14,受激辐射,N,2,N,1,E,2,E,1,=h=E,2,-E,1,外来光子,必须有外来光子，其能量,=h=E,2,-E,1,才能发生。,受激辐射的光子与外来光子同属一个光,子态（特性完全相同）。,可使外来光得到放大。,受激辐射的特点,:,15,受激辐射,是在外界辐射场的控制下的发光过程，,受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢,(,传播方向,),和偏振，,因而是,相干的。,受激辐射的相干性,受激辐射与自发辐射的重要区别,-,相干性。,自发辐射,是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是,不相干的,。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的。,16,（,3,）受激吸收,N,2,N,1,E,2,E,1,两能级满足跃迁选择定则,=h=E,2,-E,1,光的受激吸收是同受激辐射相反的过程。,原子受外来光作用，完全吸收外来光子，并跃迁到,E,2,能级。,17,普通光源的发光机理,:,受激吸收和自发辐射,普通光源的发光（如电灯、火焰、太阳等）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个,“受激吸收”,过程。,处在高能级（,E,2,),的电子寿命很短（一般为,10,8,10,9,秒），,在没有外界作用下会自发地向低能级（,E,1,）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为,这种辐射是一种,自发辐射,过程。,18,三,.,激光器的基本结构和种类,1.,激光器基本结构,19,按工作物质分类,固体激光器,气体激光器,液体激光器,半导体激光器,按运转方式分类,连续激光器,脉冲激光器,超短脉冲激光器,按工作波段分类,远红外、红外激光器,可见光激光器,紫外、真空紫外激光器,X,光激光器,2.,激光器的种类,20,四,.,激光的发展历史,1917,年,爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了,受激吸收和自发辐射跃迁,过程外，还存在,受激辐射跃迁,过程,提出了受激辐射可实现光放大的概念,为激光发明奠定了理论基础,。,21,1958,年,，美国两位微波领域的科学家,汤斯,（,C.H.Townes,）和,肖洛,（,A.I.Schawlaw),发表了著名论文,红外与光学激射器,，指出了受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件是实现“,粒子数反转,”。他们的论文使在光学领域工作的科学家马上兴奋起来，纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域。,同年,苏联科学家,巴索夫和普罗霍,洛,夫,发表了,实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议,论文,.,1959,年,汤斯,又提出了制造红宝石激光器的建议,.,22,C.H.Townes,A.M.Prokhorov,N.G.Basov,The Nobel Prize in Physics 1964,(1964,年，汤斯、,普罗霍洛夫和,巴索夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖,),23,1960,年,7,月,，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生,。,美国休斯公司实验室,梅曼,（,T.H.Maiman,）,演示的。,波长为,694.3nm,的激光,24,激光与原子能、半导体、电子计算机一起，被誉为当代科学技术的,四大发明,。,至此，一门新的科学技术,激光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！,25,有人提出了,Q,调制技术，,并制成第一台调,Q,激光器。,制成了钕玻璃脉冲激光器。,1961,年,2,月（,A.Javan,）研制成了,HeNe,混合气体激光器。,1962,年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓（,GaAs,）半导体激光器的报道。,仅,19611962,年间世界各国发表的激光方面的论文达,200,篇以上。,26,1963,年建立了激光的半经典理论。,对激光的频率特性和功率特性进行了比较完,善的探讨。,1964,年研制成了,氩离子（,A,+,r,）离子气体激光器,二氧化碳气体激光器,化学激光器（,HF,氟化氢）,掺钕的钇铝石榴石固体激光器,1965,年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助,半经典理论预言了,锁模,效应的存在。,27,1966,年研制成了固体锁模激光器,获得了超短脉冲,1970,年研制成了准分子激光器,1977,年研制成了红外波段的自由电子激光器,1984,年研制出光孤子激光器,28,2001,年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在相当人的头发丝千分之一的氧化锌纳米导线上制造出世界最小的激光器,纳米导线激光器,。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量,如今形形色色的激光器据统计，已有数百种之多,29,该领域的有关诺贝尔奖,1964:Townes,Basov,Prokhorov,微波激射器和激光器的发明,1981:,哈佛大学的布隆姆贝根和斯坦福大学的肖洛,激光光谱学,1997:,朱隶文,等三人,激光冷却和陷俘原子,说明,:,朱隶文系美籍华人,1948,年生于密苏里州,其父台湾中央研究,院院士,2005,：,罗伊,格劳伯，对光学相干的量子理论的贡献,约翰,霍尔、奥多尔,汉斯：基于激光的精密光谱学研究,30,1961,年夏，在王之江主持下，在中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所研制成功,我国第一台红宝石激光器,中国的激光发展情况,:,我国各类激光器的“第一台”,:,He-Ne,激光器,(1963,年,7,月 邓锡铭等,)(,上海光机所,),掺钕玻璃激光器,(1963,年,6,月 干福熹等,)(,上海光机所,),GaAs,同质结半导体激光器,(1963,年,12,月 王守武等,),脉冲,Ar+,激光器,(1964,年,10,月万重怡等,)(,中科院电子所,),CO,2,分子激光器,(1965,年,9,月 王润文等,)(,上海光机所,),CH3I,化学激光器,(1966,年,3,月 邓锡铭等,),YAG(,钇铝石榴石,),激光器,(1966,年,7,月 屈乾华等,),(,西南技术物理研究所,),31,1964,年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所,中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）成立,在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的,Q,突变及转镜调,Q,、行波放大、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。,32,在王淦昌、王大珩的指导下，中国科学院和中国工程物理研究院从,80,年代开始联合攻关，承担了“神光”系列激光系统的研制,.,其中，“神光,-”,激光装置于,1986,年建成，输出功率,2,万亿瓦，达到国际同类装置的先进水平。,90,年代又研制了规模扩大,4,倍、性能更为先进的“神光,-”,装置。,1995,年，“,863,计划”立项，开始研制跨世纪的巨型激光驱动器,“,神光,-”,装置,.,33,神光,-I,装置,34,神光,高功率激光系列装置是我国独立研制成功的,大型高功率激光聚变实验装置,，配备有,物理实验靶场系统,及,全套激光参数诊断设备,，是世界上为数不多的激光器系统。,35,神光,激光装置大厅,36,37,神光,-,激光装置靶室光路,38,1996,年，中国新一代飞秒超强激光装置研制成功,（中国工程物理研究院）。这标志着中国的强激光技术又踏上一个新台阶。这个设备是中国第一台用于超短超强激光研究的精密装置，专家认为它的研制成功为中国强场中的物质及行为研究开拓了道路，是国际上重大研究项目之一。,2004,年,中科院上海光机所昨天在其建所,40,周年之际宣布：,小型化超短超强激光功率成功突破,100,太瓦,（,1,太瓦,1012,瓦）大关，输出峰值功率达到,120,太瓦,/36,飞秒，这标志着上海在这一领域已进入了国际同类研究的前沿,.,39,2005,年,由中国科学院半导体研究所承担的国家“,973”,项目、“,863”,项目和中科院重大项目“新一代镓铟氮砷,(GaInNAs),长波长光电子材料与器件”近日取得重要突破。在国内首次制备出第一只镓铟氮砷,/,镓砷,(GaInNAs/GaAs),量子阱边发射激光器,，实现室温连续激射，激射波长,1.30,微米，输出功率大于,30,毫瓦。标志着我国砷化镓基近红外波段光电子材料与器件的研究水平已进入世界先进行列。,40,五,.,激光的应用,由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域中得到广泛应用,1.,激光应用于军事领域,2.,激光在工业加工领域中的应用,3.,激光在医学领域的应用,4.,激光在生活中的应用,5.,激光在新能源中的应用,6.,激光在科学研究领域中的应用,41,很久以前，有人幻想一种“死光武器”的出现。,在古希腊，阿基米德利用巨大的反光聚焦镜摧毁了入侵者的兵舰，但那时的船还是由木头做的。,现代的激光让人们有可能实现古代的梦想，制造出可以摧毁一切的激光武器。,美国现在全力研制的“星球大战”防卫体系，所依赖的重要一环就是用激光束来击毁入侵的导弹。,可以设想，一枚载着核弹头的导弹在强激光的照射下会迅速化为一阵烟雾消散在空中，这该是多么神奇的事！,1.,激光应用于军事领域,42,.,反应迅速,:,光束以每秒万公里传输，打击目标时,无需计算射击提前量,，,瞬发即中,。,现代高能激光武器的特点,激光武器是利用激光束直接毁伤目标或使之失效，与火炮、导弹等武器相比，具有许多优异的技术特性：,43,.,可在电子战环境中工作激光传输,不受外界电磁波的干扰,，目标难以利用电磁干扰手段避开激光武器的射击。,.,转移火力快,激光束发射时无后座力，可连续射击，,能在很短时间内转移射击方向,，是拦截多目标的理想武器。,.,作战使用,效费比高,，化学激光武器仅消耗燃料，每发费用为数千美元，远低于防空导弹的单发费用（爱国者为万美元,/,枚，尾刺为万美元,/,枚）。,44,目前的激光武器可分为两类,:,一类是,战术武器,，也就是像常规武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等。这种武器的主要代表有激光枪和激光炮，它们能够发出很强的激光束来打击敌人。,另一类是,战略武器,，用于对付敌方的远程导弹、军事卫星等空间武器。研究战略武器的关键是制造大功率高能量的激光器，其能量和功率足以摧毁导弹和卫星。,45,激光战斗卫星假象图,战略激光武器作战示意图,美军配备的打迫击炮的激光武器,机载激光武器假象图,46,激光眩目枪,47,以色列边境部署的激光炮,48,美国战术激光炮,49,卫星上安装的激光武器,战略激光武器组图,50,激光雷达,51,美国,YAL-1A,型激光攻击机,52,53,激光在传统加工领域中具有十分广泛的应用，可以对材料,(,包括金属与非金属,),进行,切割,、,焊接,、,表面处理,、,打孔,、,微加工,等。,2.,激光在工业加工领域中的应用,54,激光切割,激光切割技术可以应用于,:,汽车行业、计算机、电气机壳、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、弹簧垫片、,2mm,以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、,1mm,以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。,使用的激光器主要有,YAG,激光器,和,CO,2,激光器,。,55,激光切割,56,激光雕刻,57,激光焊接,激光焊接技术主要应用于汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形器件的焊接中。目前使用的激光器有,YAG,激光器,，,CO,2,激光器,和,半导体泵浦激光器,。,58,激光打孔,激光打孔主要应用在,:,航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的发展主要体现在打孔用,YAG,激光器,的平均输出功率已由,5,年前的,400w,提高到,800w,至,1000w,。,目前使用的激光器多以,YAG,激光器,和,CO,2,激光器,为主，也有一些,准分子激光器,、,同位素激光器,和,半导体泵浦激光器,。,激光打孔仪,59,激光加工不仅极大地提高了工效和质量，而且有些加工工艺非激光莫属。,例如吉列牌剃须刀片，每个刀片厚度仅,0.1,毫米，要用,13,个焊点焊在,0.2,毫米的托架上，就是用一台激光焊接饥在半秒钟内完成的。,如今，激光加工已成为激光传统应用的最大领域！,60,3.,激光在医学领域的应用,利用激光束的高亮度产生热效应、激光束好的单色性产生的生物效应可以治疗疾病。,激光技术已成为医学中的新技术，已形成一个新医学分支,激光医学,。,可以医治：眼科、妇科、皮肤科、内科、肿瘤科,内的,200,多种疾病。,61,治疗的方法主要有：,（,1,）激光刀,优点,（,1,）手术时出血量少，激光刀可以对肝、脾,等血管丰富的部位动手术；,（,2,）激光刀与手术部位是非接触的，是自身,消毒的手术，适宜处理感染性病变。,被聚焦的、运动的激光束,生物体组织,机理：激光束能量使组织在短时间内烧灼和气化。,激光刀在切开组织的同时，其能量把组织中的血管烧结封闭。,62,（,2,）光凝治疗,机理：激光把生物组织细胞的水分蒸发，,把组织蛋白凝固。,可治疗：眼科中的视网膜脱落、皮肤粘膜,血管病变和消化道出血病变。,63,（,3,）光照射治疗,低功率激光束照射生物体，通过生物效应，能对人体起消炎、消肿、镇痛和促进伤口愈合的作用，直径细小的激光束照射体穴、耳穴、能获得银针针灸的效果，激光针灸，安全方便，不出现晕针、断针、刺伤血管、神经及内脏的情况。,64,4.,激光在生活中的应用,激光电视,激光照排技术,激光唱机、激光视盘,全息照片,舞台表演等,激光可以应用于：,65,激光在舞台表演中的应用,水幕电影,氩离子激光表演等,水幕激光,在舞台表演中，激光的应用主要有以下几种形式,66,水幕电影,67,形形色色的激光艺术,用氩离子激光表演器作空间光束扫描，能产生各种美妙的灯光效果，营造一种流光溢彩的气氛。,68,激光核聚变,5.,激光在新能源中的应用,-,69,1.,激光核聚变,利用高功率激光束作用于由氘、氚或氘,-,氚制成的靶丸，使氘、氚核发生聚合，同时释放出巨额核能量的技术。,因为整个聚变过程是在极短时间内完成，氘氚燃料丸来不及膨胀，因此又称,惯性约束聚变。,70,在宇宙中，核聚变是产生能量的主要机制。两个氘核聚合成氦原子，释放,3.2MeV,的能量，一个氘核和一个氚核聚合成氦原子核，释放出,17.6MeV,的能量。用核能量做燃料燃烧值非常高，,1kg,核燃料产生的热量相当于,2*10,7,kg,煤产生的热量。,海水中蕴藏着大量的氘、氚，数量约为,20,万吨，所以核聚变技术能为人类提供几乎是用之不尽的能源。,71,惯性约束聚变的四个过程,(1),加热,:,激光（或离子束，,X,光辐射）,照射靶丸快速加热表面,.,(2),压缩,:,靶丸表面物质向外喷射，形成,的反冲压力将靶丸向心压缩，,压力达到,10,8,大气压，推力约为,航天飞机的,100,倍,.,(3),点火,:,靶心燃料被压缩到,20,倍铅密,度，并在,10,8,度高温下点火,.,(4),燃烧,:,发生热核爆炸并迅速扩展到整,个燃料，从而释放核能，并大,于输入能量若干倍,.,72,目前，在激光理论，激光技术，激光应用等各个方面，都取得了巨大进展，而且带动了全息光学，非线性光学，傅里叶光学，激光光谱光，光化学，光通讯，光存贮，光信息等新兴学科的发展。,现代光学基础,随着科学技术日益加深和拓广，激光技术的应用将不断地给人类带来新的惊奇！,6.,激光在科学研究领域中的应用,-,73,今天，激光技术已经融入我们的日常生活之中了。在未来的岁月中，激光会带给我们更多的奇迹。,激光未来的发展，充满着：,巨大的机遇、挑战和创新空间！,74,1.,生物技术,2.,信息技术,3.,新材料技术,4.,先进制造技术,5.,先进能源技术,6.,海洋技术,7.,激光技术,8.,空天技术,国家中长期科学和技术发展规划纲要,(,全文,),（,2006,2020,年）,(,五、前沿技术,),75,华中科技大学,激光技术与工程研究院,中科院上海光机所,(,高功率激光,强场激光,),中科院安徽光机所,(,激光通讯,激光雷达,),中科院西安光机所,(,飞秒激光技术,),国内主要激光研究单位,中科院长春光机所,中科院物理所,中科院半导体所,清华大学,北京大学,天津大学,国防科技大学光电科学与工程学院,华北光电技术研究所固体激光技术国家重点实验室,中国工程物理研究院激光聚变研究中心,哈尔滨工业大学可调谐激光国家级重点实验室,西南技术物理研究所,(,中国兵器工业第,209,研究所,),76,