激光技术应用1详解.pptx

内容主要选自：邓锡铭，雷仕湛内容主要选自：邓锡铭，雷仕湛 激光技术激光技术激光技术讲座湛江师范学院 物理与科学技术学院激光技术的应用（一）激光技术的应用（一）主讲：陈冠英主讲：陈冠英 （2010.3）激光技术的应用激光技术的应用一激光精密计量一激光精密计量二激光信息处理二激光信息处理 三激光加工三激光加工四激光能源四激光能源五激光医学五激光医学六激光农业六激光农业七激光武器七激光武器八激光与基础科学八激光与基础科学激光的特性激光的特性方向性极好的强光束方向性极好的强光束-准直、测距、切削、医学、准直、测距、切削、医学、武器、核聚变研究等。武器、核聚变研究等。相干性极好的光束相干性极好的光束-精密测厚、测角，全息摄精密测厚、测角，全息摄影等。影等。单色性极好且频率可单色性极好且频率可调的光束调的光束-高分辨高分辨激光光谱，研究原激光光谱，研究原子、分子结构子、分子结构.超强、超快的激光超强、超快的激光脉冲脉冲-时间分辨、时间分辨、超快过程激光光谱超快过程激光光谱学学.激光原理激光原理1.粒子数反转粒子数反转E2E0E1激励激励抽运抽运E3能量能量粒子数粒子数E2E1E0N2N1N0N3E3四四能能级级系系统统2.光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光激光原理激光原理受激辐射受激辐射三能级系统三能级系统一般情况一般情况:数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV(k=1.3810-23 J/K;1eV=1.610-19 J)l=l=c/v=hc/(E2-E1)=1.24 m mm;如如:氢原子氢原子基态能量基态能量:13.6 eV，第一激发态能量第一激发态能量:3.4 eV，表表1 几种光源的平均光子流密度几种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/（scm2）星 光 106 月 光 108 一般室内灯光 1012 太 阳 光 1014激光（10mW的He-Ne激光）（波长：632.8nm）1022表表2 几种光源的频宽、相干时间及长度几种光源的频宽、相干时间及长度光源光源v/Hz t tL=ct太阳光(=0.40.8m)410142.5fs750nm发光二级管(=1m,=50nm)1.5101367fs20m低压钠灯510112ps600m多模激光(=633nm)1.51090.67ns20cm单模激光(=633nm)11061s300m一一 激光精密计量激光精密计量1 激光长度基准激光长度基准 激光有很好的激光有很好的单色性单色性和和相干性相干性，用它作计量检测，用它作计量检测，能获得很高的计量精度，且测量方便快捷。能获得很高的计量精度，且测量方便快捷。1983 年第年第 17 届国际计量大会通过长度单位届国际计量大会通过长度单位 米的新定义：米的新定义：lm 是光在是光在1/299 792 458秒内在真空秒内在真空中行程的长度中行程的长度。在重新定义米之后，只要精确测量。在重新定义米之后，只要精确测量激光的激光的频率频率v0，再通过定义的光速值就可导出波长，再通过定义的光速值就可导出波长，即：即：，由此复现长度单位米。，由此复现长度单位米。2 激光长度测量激光长度测量 随着机床、自动制图机、掩模制作机、集成电路随着机床、自动制图机、掩模制作机、集成电路制作机等工作机械大型化、精密化、数值控制化的制作机等工作机械大型化、精密化、数值控制化的发展，需要长尺子并以很高精度确定其位置。发展，需要长尺子并以很高精度确定其位置。利用利用光的干涉方法能进行精密长度定位光的干涉方法能进行精密长度定位，但是，有效量，但是，有效量程受单色性限制最大量程程受单色性限制最大量程 Lmax为：为：激光有极好的单色性，用它计量的有效量程就大得多。激光有极好的单色性，用它计量的有效量程就大得多。比如，用特制氦一氖激光器输出的红光（比如，用特制氦一氖激光器输出的红光（632.8 nm，)，最大量程可达，最大量程可达 20 km。把激光器输出的激光在干涉仪中分成两束，一束在干把激光器输出的激光在干涉仪中分成两束，一束在干涉仪中走过固定路程；另一束射到靶棱镜后反射回干涉仪中走过固定路程；另一束射到靶棱镜后反射回干涉仪，光靶棱镜相对于干涉仪移动时，这束光的光程涉仪，光靶棱镜相对于干涉仪移动时，这束光的光程发生变化两束光会合之后发生干涉，生成干涉条纹发生变化两束光会合之后发生干涉，生成干涉条纹当当靶棱镜移动半个波长时，干涉图上发生一条条纹靶棱镜移动半个波长时，干涉图上发生一条条纹的移动的移动干涉仪和生产设备一起使用，已见于许多数字控制机械干涉仪和生产设备一起使用，已见于许多数字控制机械和其他精密测长工作，测量精度很高，和其他精密测长工作，测量精度很高，测测 l米长度误差米长度误差为百分之几微米为百分之几微米。数出通过参考点的干涉数出通过参考点的干涉条纹移动数目条纹移动数目 N，由此可得，由此可得到到移动的长度移动的长度L：3 激光测距和测速激光测距和测速 用光学方法可以方便而又迅速地侧出远方目标距用光学方法可以方便而又迅速地侧出远方目标距离，测量精度也非常高。因为光子运动速度是一个常离，测量精度也非常高。因为光子运动速度是一个常量，所以，只要测出光波从光源发出至目标的来回传量，所以，只要测出光波从光源发出至目标的来回传播时间，就可以定出目标的距离：播时间，就可以定出目标的距离：激光的激光的亮度很高亮度很高可以测量很远可以测量很远的目标距离的目标距离;激光激光脉冲宽度很脉冲宽度很窄窄测量距离的测量距离的精度很高精度很高.军用远程激光军用远程激光测距仪测距仪AL-AL-PRO6000 PRO6000 现在利用激光器做光源，重量现在利用激光器做光源，重量 0.5kg 左右的脉冲左右的脉冲激光测距仪，可激光测距仪，可测测 20 km 的目标距离，误差的目标距离，误差 0.5m，完成测量时间不到完成测量时间不到 1秒秒，利用激光相干性高的特点发，利用激光相干性高的特点发展的展的相位测距法相位测距法，测距精度更高，测距精度更高，测量与测量与 8000 km 外外的卫星之间的距离，误差仅的卫星之间的距离，误差仅 2 cm。利用激光照射在运动物体上产生的反射光产生的利用激光照射在运动物体上产生的反射光产生的多普勒频移多普勒频移，或利用从运动物体表面散射回来的激光，或利用从运动物体表面散射回来的激光衍射花样发生的移动衍射花样发生的移动，可以确定物体的运动速度。这，可以确定物体的运动速度。这种方法能够测量的速度范围宽，低的种方法能够测量的速度范围宽，低的可以侧出每秒移可以侧出每秒移动动0.07mm的速度的速度，高的可以测到每秒几百米的速度。，高的可以测到每秒几百米的速度。卫卫星星导导航航、测测速速示示意意图图4 激光准直导向激光准直导向光沿直线传播。激光的亮度高，方向性又好，是光沿直线传播。激光的亮度高，方向性又好，是良好的天然准直线和导向指示线。因为光束无重量，良好的天然准直线和导向指示线。因为光束无重量，不发生重力弯曲不发生重力弯曲，还，还可以通过光电子系统作自动准直可以通过光电子系统作自动准直校正校正，所以用激光束作准直的准直精度高，完成准直，所以用激光束作准直的准直精度高，完成准直花费的时间少，手续简便花费的时间少，手续简便。造船工业采用激光准直确定中心线，使精度比先造船工业采用激光准直确定中心线，使精度比先前前提高提高 1 个数量级，工效提高个数量级，工效提高 10 倍倍美国斯坦福大学美国斯坦福大学加速器中心加速器中心 3 km 长的波导长的波导，用激光准直，准确到，用激光准直，准确到 0.5 mm；波音波音 747 巨型飞机用激光指示精确对准巨型飞机用激光指示精确对准 38m 长长的机翼机架；用激光引导的机翼机架；用激光引导 280t（吨）的隧道掘进机在（吨）的隧道掘进机在 2.5 km 长的隧道内工作长的隧道内工作，偏差不超过偏差不超过 16 mm。激激光光指指向向仪仪5 激光表面质量检测激光表面质量检测 质量检测是保证产品质量合格率的重要手段。以质量检测是保证产品质量合格率的重要手段。以往磁带、玻璃、纺织品、电子线路元件等表面的疵点、往磁带、玻璃、纺织品、电子线路元件等表面的疵点、压痕、裂纹、气泡、针孔等缺陷压痕、裂纹、气泡、针孔等缺陷,主要靠眼力检测。主要靠眼力检测。以激光的相干性和单色性以激光的相干性和单色性为基础的检查技术，检查为基础的检查技术，检查速度速度快快，漏检率低漏检率低，还可以，还可以在生产在生产线上进行检查和分类线上进行检查和分类。利用激。利用激光全息技术可以不用解剖样品光全息技术可以不用解剖样品而而直接探出零件内部是否存在直接探出零件内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，这就是所谓这就是所谓激光无损检测激光无损检测。芯片芯片焊接焊接无损检测系统无损检测系统 飞机用的轮胎飞机用的轮胎由这种方法检测由这种方法检测,能够可靠地保证轮能够可靠地保证轮胎质量胎质量.做法是做法是,先拍轮胎未打足气时的先拍轮胎未打足气时的激光全息片激光全息片,然后然后再拍打足气时的全息照片再拍打足气时的全息照片.如果轮胎内部没有缺陷如果轮胎内部没有缺陷,两张两张全息照片再现光波形成的干涉条纹分布均匀全息照片再现光波形成的干涉条纹分布均匀;如果存在如果存在缺陷缺陷,在相应部位的干涉条纹发生畸变在相应部位的干涉条纹发生畸变.利用利用激光全息技术激光全息技术也能方便地也能方便地检测机械设备的动态形度检测机械设备的动态形度，帮助设计，帮助设计人员了解产品中的薄弱环节，改进设人员了解产品中的薄弱环节，改进设计，提高产品质量。计，提高产品质量。6 激光准确定位激光准确定位某些现代工业需要以纳米精度移动宏观物体。数据某些现代工业需要以纳米精度移动宏观物体。数据存储便是一个例子。存储便是一个例子。高密度数据存储高密度数据存储系统要求系统要求其各个其各个元件的制造和测元件的制造和测试达到试达到纳米定位纳米定位。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仪仪可以达到这个可以达到这个精度。精度。二二 激光信息处理激光信息处理 1 信息存储信息存储 (1)激光全息信息存储技术激光全息信息存储技术 这是把这是把激光傅里叶全息激光傅里叶全息图图制成直径大约为制成直径大约为 1 mm 的全息图的全息图，排成列阵或，排成列阵或者像唱片那样排列在圆盘上，者像唱片那样排列在圆盘上，一个圆点激光全息一个圆点激光全息图记录一页纸的内容图记录一页纸的内容。在现代社会生活中，需要存储、传递、处理的信息在现代社会生活中，需要存储、传递、处理的信息量巨大，而且数量还与日俱增。激光技术能够大幅度提量巨大，而且数量还与日俱增。激光技术能够大幅度提高信息处理能力。高信息处理能力。利用激光技术开发的光学信息存储技术是当今存利用激光技术开发的光学信息存储技术是当今存储信息密度最高的技术现在开发成功的光学信息存储储信息密度最高的技术现在开发成功的光学信息存储技术有三类技术有三类一张如扑克牌大小的激光全息信息存储器一张如扑克牌大小的激光全息信息存储器，可以，可以记录记录 10 000 多页多页文件资料到文件资料到 20 世纪世纪 90 年代，这年代，这门信息存储技术又有新发展，开发出门信息存储技术又有新发展，开发出可重写激光全息可重写激光全息信息存储技术信息存储技术，它是，它是用光折变晶体用光折变晶体和和光致聚合物光致聚合物等做等做信息记录介质。信息记录介质。这种新技术是这种新技术是三维记录三维记录，在，在一个位置上可以叠加一个位置上可以叠加 1000 多个小全息图多个小全息图，每一个全息图能够存储，每一个全息图能够存储 1 Mb 数数据，大约据，大约 1 cm3体积的记录介质内，可以存储体积的记录介质内，可以存储 1Gb左左右的信息右的信息。同时，因为这是。同时，因为这是整页并行检索信息整页并行检索信息，因此，因此，读取信息的速率很快，可以达到读取信息的速率很快，可以达到每秒每秒1Gb以上。以上。(2)光盘光盘 是目前广泛使用的高密度记录数字信号的是目前广泛使用的高密度记录数字信号的介质之一。介质之一。目前比较普及的直径为目前比较普及的直径为12cm 的混合数据的混合数据 CDR 盘盘片，已可记录片，已可记录700MB以上的用户数据，激光束烧结的以上的用户数据，激光束烧结的最小最小凹坑长度小于凹坑长度小于l m mm，采用波长为，采用波长为 780790 nm 的红的红外激光读取数据。外激光读取数据。光盘系统技术的研发始于光盘系统技术的研发始于20世纪世纪50年代末期年代末期,70 年代末期逐渐实现商品化年代末期逐渐实现商品化.在光盘记录读取设备中，在光盘记录读取设备中，光学系统可光学系统可将激光会聚成比针尖还小的光束将激光会聚成比针尖还小的光束,用这样用这样的光束在介质上记录的信息点的空间尺寸非常小的光束在介质上记录的信息点的空间尺寸非常小.对直径对直径为为12 cm 单面单层的单面单层的 DVD盘片盘片,记录数据记录数据量达到量达到4.7 GB，激光束烧结的最小凹坑长度小于，激光束烧结的最小凹坑长度小于0.5m mm，采用波长为，采用波长为635650 nm 的红色激光读取数的红色激光读取数据。据。光盘存储数据不仅数据记录密度特别大，而且从光盘存储数据不仅数据记录密度特别大，而且从光盘检索和光盘检索和读取数据的速度非常快读取数据的速度非常快。如读取音乐或影像数据，如读取音乐或影像数据，每秒需读取的信息点为每秒需读取的信息点为 100万个到万个到1 000万个万个。此外此外,光盘的光盘的实际使用寿命实际使用寿命可以可以10年为单位年为单位计算。计算。DVD之后，光盘的主流向之后，光盘的主流向缩短激光器波长缩短激光器波长和和增大增大光学系统数值孔径光学系统数值孔径的方向发展。如激光波长短至的方向发展。如激光波长短至400 nm左右（蓝光段），数值孔径增至左右（蓝光段），数值孔径增至0.8 0.9，使用，使用12 cm 光盘，光盘，单面单层容量可达到单面单层容量可达到20G左右左右，这种光，这种光盘通常被统称为盘通常被统称为高密度高密度DVD(HDDVD)。当然，用更短波长的激光和更大的数值孔径来增当然，用更短波长的激光和更大的数值孔径来增加光盘的数据存储密度是有限度的。目前普遍使用的加光盘的数据存储密度是有限度的。目前普遍使用的聚碳酸酯盘基会对紫外光的传输产生损耗聚碳酸酯盘基会对紫外光的传输产生损耗；在远场记；在远场记录的情况下，数值孔径的理论极限值最大为录的情况下，数值孔径的理论极限值最大为1。光盘型号光盘型号与发展与发展HVDHVD的光盘结构，蓝色或绿色激光用来记录的光盘结构，蓝色或绿色激光用来记录/读取全息数据，而红色激光用来读取地址信读取全息数据，而红色激光用来读取地址信息，地址与数据记录在不同的层面息，地址与数据记录在不同的层面HVD与现有的与现有的DVD-R光盘盘面比较光盘盘面比较 光盘三代光存储技术比较光盘三代光存储技术比较 I I 光盘三代光存储技术比较光盘三代光存储技术比较 II II(3)近场光存储技术。近场光存储技术。当前光盘存储技术中，提高信当前光盘存储技术中，提高信息存储密度的息存储密度的最主要困难最主要困难是传统光学系统的最小光是传统光学系统的最小光斑受斑受衍射极限的制约衍射极限的制约。但当记录光的探头与记录介。但当记录光的探头与记录介质间的距离小于记录光波长时（即质间的距离小于记录光波长时（即近场近场），空间分），空间分辨能力可以突破远场光存储时的衍射极限，使辨能力可以突破远场光存储时的衍射极限，使存储存储密度提高几个数量级密度提高几个数量级。扫描近场显微成像、近场探针存储、固体浸没透镜扫描近场显微成像、近场探针存储、固体浸没透镜存储、近场超分辨率结构存储。存储、近场超分辨率结构存储。主要方法有：主要方法有：扫描近场显微成像扫描近场显微成像:用小于衍射极限的小孔代替显微物用小于衍射极限的小孔代替显微物镜，限制扫描显微成像探测光束，让孔径在离物体镜，限制扫描显微成像探测光束，让孔径在离物体表面很近（小于波长）处做二维扫描成像，其空间表面很近（小于波长）处做二维扫描成像，其空间分辨能力可以突破衍射极限。分辨能力可以突破衍射极限。采用采用 Co/Pt 多层磁光膜多层磁光膜为记录材料的近场探针存储为记录材料的近场探针存储,记录线宽可以达到记录线宽可以达到1050nm，相应的理论，相应的理论存储密度可以存储密度可以达到达到 15.5GB/cm2以上以上.近场探针存储近场探针存储:为解决为解决探针移动速度探针移动速度问题，又发展了近问题，又发展了近场探针存储（场探针存储（SIL存储）存储）,虽然只能够得到虽然只能够得到 100 nm 左右的存储光斑左右的存储光斑，但存储密度提高了好几倍，但存储密度提高了好几倍,达到达到6.2 GB/cm2以上以上.采用采用浸没透镜系统浸没透镜系统的数据存储密度达到的数据存储密度达到 550 MB/cm2.采用采用覆金属光纤系统覆金属光纤系统的数据存储密度约可达到的数据存储密度约可达到7GB/cm2.但近场探针和固体浸没透镜存储方案存在近场但近场探针和固体浸没透镜存储方案存在近场间距间距控制控制的技术难题的技术难题!近场光学探针近场光学探针 孔径型孔径型散射型散射型演演示示 探针尖端在工作时处于探针尖端在工作时处于受迫振动受迫振动状态，其频状态，其频率接近于探针的共振频率。率接近于探针的共振频率。探针尖端在探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也的作用时，其共振频率发生变化，因而振幅也随之改变。随之改变。为了跟踪尖端的振动情况，将一束为了跟踪尖端的振动情况，将一束激光分成两束，其中一束通过棱镜反射，另一激光分成两束，其中一束通过棱镜反射，另一束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来束则穿过布喇格室，然后从探针背面反射回来.这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情这两束光重新会合后发生干涉，根据干涉的情况可知探针振动的变化情况。况可知探针振动的变化情况。据此可探知试样表面的原子起伏情况。可检据此可探知试样表面的原子起伏情况。可检测出尺度小至测出尺度小至 5毫微米的表面起伏变化毫微米的表面起伏变化近场光存储原理近场光存储原理 I I孔径型孔径型近场光存储原理近场光存储原理 IIII散射型散射型近场超分辨率结构存储（近场超分辨率结构存储（Super-RENS）方案）方案:将非线性光存储和近场光存储结合起来，较好地将非线性光存储和近场光存储结合起来，较好地解决了远场光衍射分辨率和近场光间距控制的矛盾。解决了远场光衍射分辨率和近场光间距控制的矛盾。它通过它通过光盘内光盘内具有具有非线性选通效应的近场间隔层非线性选通效应的近场间隔层使记使记录光斑小于读写光斑，利用远场光实现了近场记录录光斑小于读写光斑，利用远场光实现了近场记录（实验上已经得到了（实验上已经得到了300 nm(30 dB）左右的光斑）左右的光斑），），并解决了近场存储与光盘系统兼容性的问题，是一种并解决了近场存储与光盘系统兼容性的问题，是一种很有前景的海量存储技术。很有前景的海量存储技术。随着相关物理科技、微电子技术、材料科学、化随着相关物理科技、微电子技术、材料科学、化学及制造技术的不断进步，新的光存储技术将不断发学及制造技术的不断进步，新的光存储技术将不断发展，数据存储密度和数据传输率等性能还将不断提高展，数据存储密度和数据传输率等性能还将不断提高.用一根钨探用一根钨探针或硅探针针或硅探针在距试样表在距试样表面几毫微米面几毫微米的高度上反的高度上反复移动复移动,来探来探测固体表面测固体表面的情况。的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。原子力原子力显微镜下的大肠杆菌扫描近场光学显微镜扫描近场光学显微镜(NSOM)NSOM)光学听诊器光学听诊器利用利用隐失隐失波可波可检测检测物体物体表面表面 100 nm 范围范围内的内的原子原子,分子分子变化变化.用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。用于检查微电路成品，检查制作微电路用的硅表面的质量。随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过随着微电子电路技术的进展，硅基片表面的不平坦度如果超过几个原子厚度就将被认为是不合格的。几个原子厚度就将被认为是不合格的。什么是隐失波？什么是隐失波？隐失波隐失波 Evanescent Wave,P.165 例例 3.2古斯古斯-汉森位移汉森位移隐失波原理隐失波原理在入射平面（在入射平面（xoy）内，透射的折射波：）内，透射的折射波：由折射定律：由折射定律：全反射时：全反射时：如果：如果：所以：所以：隐失波光强与界面入射深度隐失波光强与界面入射深度 dp 的关系的关系令：令：得：得：隐失波深度和波长、入射能量的关系隐失波深度和波长、入射能量的关系实验装置实验装置1 1实验装置实验装置1 b实实 验验 进进 展展Confocal detection若丹名单分子光谱若丹名单分子光谱Dibenzanthanthrene(DBATT)分子的荧光光谱三维图分子的荧光光谱三维图2 光通信光通信提高传递信息容量比较简单而有效的办法是提高提高传递信息容量比较简单而有效的办法是提高使用的使用的载波频率载波频率.比如比如,用波长用波长10cm的电波代替波长的电波代替波长100m的电波的电波,通信容量就可以提高通信容量就可以提高1 000 倍。倍。所以，从所以，从 19 世纪开始无线电通信之后，不断在发世纪开始无线电通信之后，不断在发展短波长的通信。起先是使用波长展短波长的通信。起先是使用波长几千米的通信（长波几千米的通信（长波通信通信），后来发展波长为），后来发展波长为几百米的通信（中波通信几百米的通信（中波通信）,20 世纪世纪 50 年代通信用的电磁波波长又进一步缩短，发年代通信用的电磁波波长又进一步缩短，发展了波长展了波长厘米量级的通信（微波通信厘米量级的通信（微波通信），波长再缩短，），波长再缩短，就进人光波波段。就进人光波波段。光波频率在光波频率在 1014 1015 Hz之间，厘米波的频率是之间，厘米波的频率是 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1万倍到万倍到10万倍万倍。只有激光发明后，提供了只有激光发明后，提供了单色性很好单色性很好的光波，光的光波，光通信才进入实用化阶段通信才进入实用化阶段!利用光波的载波通信，做法和微波通信相类似。激利用光波的载波通信，做法和微波通信相类似。激光器输出的光束经过光器输出的光束经过光电调制器光电调制器调制后送到调制后送到发射天线发射天线（一只光学反射镜（一只光学反射镜）发射出去。）发射出去。但普通光源发出的光波不能作通信载波但普通光源发出的光波不能作通信载波,因为因为普通普通光源光源发出的光发出的光单色性不好单色性不好,若用这种光波作载波若用这种光波作载波,相当相当于同时有多套频率的节目到达接收器于同时有多套频率的节目到达接收器,接收效果很差接收效果很差.在用户接收端，在用户接收端，接收天线（也是反射镜接收天线（也是反射镜）把传送过来）把传送过来的光辐射汇集在的光辐射汇集在光电接收器光电接收器上，把光信号转换成电信上，把光信号转换成电信号，再经号，再经电放大和解调电放大和解调之后就可以得到从对方传送来之后就可以得到从对方传送来的信息。的信息。在实际应用中，为避免光波在大气传播过程中受在实际应用中，为避免光波在大气传播过程中受到大气吸收、散射造成的损失，将光信号通过专门的到大气吸收、散射造成的损失，将光信号通过专门的光纤传送光纤传送。光信号在光纤中的。光信号在光纤中的损耗很小损耗很小，损耗因子目，损耗因子目前已低至前已低至 0.2 dB/km。这就是光纤通信。这就是光纤通信。未来未来的通信网络将是全的通信网络将是全光网光网，它将大大缓解带宽激，它将大大缓解带宽激增造成的瓶颈在光网中，电子集成器件将由增造成的瓶颈在光网中，电子集成器件将由光子集光子集成器件成器件替代，电子开关、电子放大器、电子隔离器等替代，电子开关、电子放大器、电子隔离器等将被将被光子开关光子开关、光纤放大器光纤放大器和和光子隔离器光子隔离器等替代。等替代。激激光光光光纤纤通通讯讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级,一根极细的光纤能一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这么粗的电缆所能承载的承载的信息量，相当于图片中这么粗的电缆所能承载的信息量信息量.3 光计算光计算光波有并行性，又可以交叉，亦即几束光在一起光波有并行性，又可以交叉，亦即几束光在一起不发生相互影响（电流则没有这个性质），所以，利不发生相互影响（电流则没有这个性质），所以，利用光波束代替电流构造计算机，会获得更高的计算速用光波束代替电流构造计算机，会获得更高的计算速率和容量现在已设计出两种光计算机：率和容量现在已设计出两种光计算机：模拟光学计算机模拟光学计算机。它接近人大脑对外部世界认识的。它接近人大脑对外部世界认识的自然本质，往下发展有可能制造出自然本质，往下发展有可能制造出智能计算机智能计算机，它有，它有人工视觉，有学习、联想、推理能力。人工视觉，有学习、联想、推理能力。数字光学计算机数字光学计算机。它能克服电子计算机串行处理中。它能克服电子计算机串行处理中的的“瓶颈效应瓶颈效应”，使计算速度和容量大幅度提高。，使计算速度和容量大幅度提高。全息技术是全息技术是1948年英国科学家年英国科学家盖伯盖伯提出的提出的一种新的一种新的成像成像原理，原理，“全息全息”一词引处希腊语，是一词引处希腊语，是“完全完全”的的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使好的相干像片。激光的出现，使全息术全息术飞速发展成为飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获一个新领域，盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。4 激光全息术激光全息术普通照像普通照像只记录了物体表面的光强分布，没有记录只记录了物体表面的光强分布，没有记录到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的发出光线的相位相位分布，这样的像没有分布，这样的像没有立体感立体感。全全息息照照像像是是用用相相干干光光照照射射物物体体，用用干干涉涉方方法法把把物物体体的的光光强强分分布布和和相相位位记记录录下下来来。全全息息底底片片上上没没有有被被拍拍物物体体的的形形象象，在在显显微微镜镜下下可可看看到到长长短短不不一一、间间距距不不等等、走走向向不同的复杂干涉条纹，称为不同的复杂干涉条纹，称为全息图全息图。要想看到物体的图样要想看到物体的图样,需用需用相干光相干光按按一定方式一定方式照射照射全息图全息图,在在一定方向一定方向就可看到物体的像就可看到物体的像,称为称为再现再现.再现再现的是从的是从物体反射或漫射物体反射或漫射的的光束本身光束本身,所以所以像是立体的像是立体的.此外，此外，激光图像处理激光图像处理技术技术（由于光束的并行及（由于光束的并行及可交叉互联性）是一种高可交叉互联性）是一种高速信息处理技术，它可与速信息处理技术，它可与计算机图像处理互为补充。计算机图像处理互为补充。在显示技术方面，在显示技术方面，激光液激光液晶大屏幕显示晶大屏幕显示将代替阴极将代替阴极射线管，成为下一代电视射线管，成为下一代电视的主角的主角.反射镜反射镜参考光参考光R感光胶片感光胶片物光物光O物物反射镜反射镜激光器激光器扩束器扩束器分光板分光板重现的物光重现的物光全息图全息图照明光照明光C像像激光全息图激光全息图聚焦起来的激光束内光功率密度可以极高。如一台聚焦起来的激光束内光功率密度可以极高。如一台普通激光器，它在普通激光器，它在1ms 内发射内发射100 J光能量，光束发散光能量，光束发散角角 。用焦距。用焦距1cm的透镜聚焦，在焦点上的的透镜聚焦，在焦点上的光光功率密度功率密度约为约为材料对激光的反射材料对激光的反射率视波长的不同而不同，数值在率视波长的不同而不同，数值在 0.50 0.98。三三 激光加工激光加工1 激光机械加工激光机械加工用透镜聚集太阳光可以点燃火柴和纸片。激光的用透镜聚集太阳光可以点燃火柴和纸片。激光的亮度亮度比照射到地球表面的太阳光高千万亿倍，经光学系比照射到地球表面的太阳光高千万亿倍，经光学系统聚集，能使材料瞬间熔化，可用做多种机械加工。激统聚集，能使材料瞬间熔化，可用做多种机械加工。激光的光的相干性相干性极好，用光学系统可以聚焦成很小的光点，极好，用光学系统可以聚焦成很小的光点，能做精密光刻，制造纳米材料等。能做精密光刻，制造纳米材料等。即使材料表面对光的吸收率为即使材料表面对光的吸收率为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 ，这个数值足可以把，这个数值足可以把大多数金属瞬间加热融化、气化。大多数金属瞬间加热融化、气化。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，可以对材料，可以对材料切切割割、焊接焊接、划片划片、雕刻雕刻、去重去重和和表面淬火表面淬火处理。用激处理。用激光作这样的机械加工，比用普通工具加工优越：光作这样的机械加工，比用普通工具加工优越：与材料无实体机械接触与材料无实体机械接触。避免出现工具磨损、断裂。避免出现工具磨损、断裂等损耗以及造成的损耗和误工，简化了装夹和固定零等损耗以及造成的损耗和误工，简化了装夹和固定零件的问题，还能在特殊条件下进行加工以及自动化操件的问题，还能在特殊条件下进行加工以及自动化操作加工。作加工。引起零件发生的畸变量小引起零件发生的畸变量小。加工精度高加工精度高。比如打孔，采用机械钻孔技术，能够。比如打孔，采用机械钻孔技术，能够加工的孔径有限，不能打出很小的孔。对于钢材，钻加工的孔径有限，不能打出很小的孔。对于钢材，钻孔不能小于孔不能小于 0.1 mm；对陶瓷材料，钻孔不能小于；对陶瓷材料，钻孔不能小于 0.5 mm。采用激光束打孔可以突破这些限制，在孔径比。采用激光束打孔可以突破这些限制，在孔径比为为10左右时，可以加工左右时，可以加工直径大约为直径大约为 30m mm 的孔的孔。节能节能。尤其是表面淬火处理，效果更为显著。尤其是表面淬火处理，效果更为显著。早期主要用激光做精细加工，后来出现工业型高功早期主要用激光做精细加工，后来出现工业型高功率率CO2 激光器激光器和和 Nd:YAG 激光器激光器，开展了大型机械，开展了大型机械加工，比如汽车工业中的加工，比如汽车工业中的底盘切割底盘切割和和焊接焊接、齿轮焊接齿轮焊接、发动机汽缸热处理发动机汽缸热处理；石油工业中的；石油工业中的钻头和抽油管的热钻头和抽油管的热处理处理等，生产实践表明收到了相当好的经济效益等，生产实践表明收到了相当好的经济效益.2 微光刻微光刻20 世纪世纪 70 年代，年代，电子元件和连线的线度尺寸电子元件和连线的线度尺寸可可以做到以做到 10m mm,相当于在相当于在一根头发丝大小的截面上一根头发丝大小的截面上能能够做够做 5个个晶体管晶体管.到到80年代中期年代中期,制造制造元件的线度元件的线度能够缩小到能够缩小到 1m mm,相当于在一根头发丝大小的截面上能够做相当于在一根头发丝大小的截面上能够做 500个个晶体晶体管管.20世纪末制造元件的线度进一步缩小到世纪末制造元件的线度进一步缩小到 0.1m mm，此时的此时的集成电路集成电路就相当于在一根头发丝大小的截面上能就相当于在一根头发丝大小的截面上能够做够做 5 000 个个晶体管晶体管.制造尺寸如此小的电子元件需要采用制造尺寸如此小的电子元件需要采用光刻技术光刻技术，而，而且光刻机使用的光源用普通光源远胜任不了，而需要且光刻机使用的光源用普通光源远胜任不了，而需要发发射紫外线的激光器射紫外线的激光器.光光刻刻集集成成电电路路、光光盘盘。光光盘盘的的外外形形有有点点像像唱唱片片，写写入入读读出出的的原原理理也也和和机机械械唱唱片片差差不不多多，只只是是用用激激光光束束来来代代替替唱唱针针，因因为为激激光光的的相相干干性性很很好好，用用聚聚光光系系统统可可以以把把激激光光聚聚焦焦成成比比针针头头还还细细小小的的光光束束，所所以以它它在在介介质质上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于1nm）.CD唱片唱片是用声音调制了的是用声音调制了的激光束刻制光盘激光束刻制光盘,由于在由于在读写光盘时光点与光盘读写光盘时光点与光盘无机械接触无机械接触,就不存在由摩擦引就不存在由摩擦引起的杂音起的杂音,同时也同时也无磨损无磨损,因而光盘因而光盘音质佳音质佳、寿命长寿命长.现在比较流行的现在比较流行的是是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镜头指在曝光镜头和硅片之间充和硅片之间充满水满水(或液体或液体).).对于对于193nm193nm光刻来说光刻来说,水水是最佳液体是最佳液体.光光刻刻的的原原理理 3 激光制造材料激光制造材料科学研究用的材料，生产用的材料，大多数是人科学研究用的材料，生产用的材料，大多数是人工制造的。材料制造是发展科学技术和生产技术的基工制造的。材料制造是发展科学技术和生产技术的基础。激光开发了制造材料新技术，利用激光能够制造础。激光开发了制造材料新技术，利用激光能够制造出质量好，性能超群的材料出质量好，性能超群的材料.比如，用激光能够制造比如，用激光能够制造优质优质高温超导薄膜高温超导薄膜和和纳米材料纳米材料.氧化物超导薄膜氧化物超导薄膜的超导性能对组分非常敏感，不的超导性能对组分非常敏感，不同的化学配比，有不同的同的化学配比，有不同的超导转变温度超导转变温度。现在利用现在利用激光技术制薄膜激光技术制薄膜，已经制造出高质量，已经制造出高质量 Y（钇）系（钇）系，Bi（铋）系（铋）系和和Te（碲）（碲）系系高温超导薄膜。高温超导薄膜。纳米材料纳米材料在光学，热学，电学，磁学，声学，化学在光学，热学，电学，磁学，声学，化学等各方面特性与块状材料明显不同，利用这种材料制等各方面特性与块状材料明显不同，利用这种材料制造出的造出的元件性能元件性能比用块状材料制造的比用块状材料制造的更优异更优异。比如，用纳米材料制造的比如，用纳米材料制造的磁记录器磁记录器，记录，记录信息的密信息的密度度可以可以提高提高10倍倍，用纳米材料制造的催化剂，用纳米材料制造的催化剂，催化效催化效率率可以可以提高提高 100倍。倍。制造纳米材料的方法现在有好几种，比如制造纳米材料的方法现在有好几种，比如液相沉淀液相沉淀法法，加热蒸发法加热蒸发法等。但是，用等。但是，用激光技术开发的制造技激光技术开发的制造技术制造的纳米材料质量最好术制造的纳米材料质量最好，是最有发展前景的制造，是最有发展前景的制造技术。技术。利用激光技术开发出来的制造技术主要有利用激光技术开发出来的制造技术主要有激光加热激光加热蒸发沉淀法蒸发沉淀法，激光气相法激光气相法和和光子解离法光子解离法。现在利用激光技术已经能够制造出现在利用激光技术已经能够制造出性能优良性能优良、高高熔点熔点的纳米材料的纳米材料SiO2,MgO,Al2O3等等.PLD的独特之处的独特之处是是激光位于真空激光位于真空室的外面室的外面。这样。这样,在材料合成时在材料合成时,工工作作压力的动态范压力的动态范围围很宽很宽,通过控制通过控制镀膜压力和温度镀膜压力和温度,可以合成一系列可以合成一系列具有独特功能的具有独特功能的纳米结构纳米结构和纳米和纳米颗粒颗粒.另外另外,PLD是一种是一种“数字数字”技术技术,在在纳米尺度纳米尺度上进行工艺控制上进行工艺控制.PLD激光脉冲镀膜激光脉冲镀膜(Pulsed Laser Deposition)四激光能源四激光能源1 激光分离铀同位素激光分离铀同位素 目前目前,我