激光原理及在军事上的应用1一.pptx

激光及其在军事上的应用激光及其在军事上的应用 20世纪的四项重要发明：世纪的四项重要发明：原子弹、半导体，电子计算机，激光。原子弹、半导体，电子计算机，激光。引言：引言：Military Application of laser 自从美国人自从美国人梅曼梅曼制造出第一台激光器以后，制造出第一台激光器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开到今天人们对激光并不陌生，如激光开刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；刀，可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有激光照排、激光美容等还有激光照排、激光美容等.。事实上激光。事实上激光首先是应用在军事上。现代战争离不开激光。首先是应用在军事上。现代战争离不开激光。未来的战争可能是激光战争。未来的战争可能是激光战争。-邓小平邓小平 1963年，肯尼迪在美国国会展示了一只年，肯尼迪在美国国会展示了一只被激光打了一个洞的普通钢尺。被激光打了一个洞的普通钢尺。次日，前苏联部长会议在记者招待会也次日，前苏联部长会议在记者招待会也展示了一只被激光打了一个洞的普通钢尺。展示了一只被激光打了一个洞的普通钢尺。两只钢尺拉开了激光武器的序幕。两只钢尺拉开了激光武器的序幕。一、激光技术发展史一、激光技术发展史二、激光的特点二、激光的特点三、复习光的波粒二象性三、复习光的波粒二象性四、激光的产生四、激光的产生激光原理激光原理一、激光技术发展史一、激光技术发展史19171917年：爱因斯坦在年：爱因斯坦在关于辐射的量子力学关于辐射的量子力学一文预言了一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;19171917年以后近四十年内：年以后近四十年内：量子理论的发展量子理论的发展;粒子数反转粒子数反转的有效实现的有效实现;电子学与微波技术的发展电子学与微波技术的发展19541954：美国汤斯：美国汤斯(C.H.Townes)(C.H.Townes)前苏联巴索夫前苏联巴索夫(N.G.Basov)(N.G.Basov)普洛霍洛夫普洛霍洛夫 (A.M.Prokhorov)(A.M.Prokhorov)第一次实现氨分子微波量子振荡器第一次实现氨分子微波量子振荡器(MASER)(MASER)1958:1958:美国汤斯美国汤斯(Towns)(Towns)与肖洛与肖洛(A.L.Schawlow)(A.L.Schawlow)提出利用提出利用开放式光学谐振腔开放式光学谐振腔实现光振荡的新思想实现光振荡的新思想;布隆伯根布隆伯根(N.Bloembergen)(N.Bloembergen)提出利用提出利用光泵浦光泵浦三能级系统实现三能级系统实现粒子数反转分布粒子数反转分布的新的新构思构思;1960.71960.7：美国休斯公司实验室梅曼：美国休斯公司实验室梅曼(T.H.Maiman)(T.H.Maiman)世界上第一台红宝石固态激光器诞生世界上第一台红宝石固态激光器诞生;1997:1997:朱棣文、菲利普朱棣文、菲利普(W.Phillips)(W.Phillips)和塔罗季（和塔罗季（C.Tannoudi)C.Tannoudi)利用激光冷却和钳制原子的研究利用激光冷却和钳制原子的研究;2000:2000:赫伯特赫伯特克雷歇尔（克雷歇尔（H.PresselH.Pressel）提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。提出了双异质结构，实现半导体激光器室温工作。1）方向性好方向性好-激光的发散角小激光的发散角小。=25mrod（毫弧度）（毫弧度）(1km时光斑直径时光斑直径10m)二、激光的特点二、激光的特点激光器激光器LaserHe-Ne激光经纬仪激光经纬仪测月红宝石激光器测月红宝石激光器=0.031mrod=4 10-5mrodD=1.6km光源光源2）亮度高、能量集中亮度高、能量集中大功率激光器大功率激光器 SE光源亮度光源亮度-单位面积、单位时间在垂直于光源单位面积、单位时间在垂直于光源表面的单位立体角内发射的能量。表面的单位立体角内发射的能量。立体角定义：立体角定义：=S/r2Sr 可使一切金属熔化可使一切金属熔化 可使一切非金属化为一缕青烟可使一切非金属化为一缕青烟3）单色性好单色性好激光所包含的波长或频率范围极小激光所包含的波长或频率范围极小一束普通的红光一束普通的红光Laser6328埃的埃的He-Ne激光（中心频率激光（中心频率（理论值，实际几赫兹）（理论值，实际几赫兹）频率范围：频率范围：又如单色性最好的氪灯，其中心波长又如单色性最好的氪灯，其中心波长60576埃埃波长范围：波长范围：He-Ne Laser中心波长中心波长波长范围：波长范围：4）相干性好相干性好相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中各点光振动在频率、振相干性越好则光场中各点光振动在频率、振动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。相干性越好则光场中任取两点作光源所产生相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。的干涉和衍射的条纹越清晰。杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉单单缝缝双双缝缝屏屏Ir圆孔衍射圆孔衍射注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。二者是统一的二者是统一的.光波是一种电磁波，如图（光波是一种电磁波，如图（1-11-1）所示。习惯上常把）所示。习惯上常把电矢量叫做光矢量。电矢量叫做光矢量。图（1-1）电磁波的传播光波光波三、复习光的波粒二象性三、复习光的波粒二象性1 1、光的偏振、光的偏振(1)(1)线偏振光线偏振光z传播方向z传播方向(2)(2)自然光自然光光波光波ExxyEy2 2、光速、频率和波长三者的关系、光速、频率和波长三者的关系在真空中在真空中 在不同介质中传播时，速度不同在不同介质中传播时，速度不同 3 3、单色平面波、单色平面波(1)(1)平面波：平面波：波阵面是平面波阵面是平面波矢波矢(2)(2)单色平面波：具有单一频率的平面波单色平面波：具有单一频率的平面波准单色波准单色波理想的单色平面波的表示（简谐波）理想的单色平面波的表示（简谐波）(3)(3)平面波的复数表示法平面波的复数表示法线偏振单色平面波的复数表示：线偏振单色平面波的复数表示：复振幅复振幅 :模量模量 代表振幅在空间的分布，辐角代表振幅在空间的分布，辐角(-(-kzkz)代代表位相在空间的分布表位相在空间的分布 或或 (4)(4)球面波及其复数表示法球面波及其复数表示法球面简谐波方程：球面简谐波方程：球面波的复数表示法：球面波的复数表示法：或或边界条件边界条件 电磁波解的形式电磁波解的形式 场分布形式：场分布形式：本征模式本征模式 以波矢以波矢 标记标记 自由空间自由空间(无边界无边界)：本征模式：单色平面波本征模式：单色平面波 具有具有任意波矢和频率任意波矢和频率的的单色平面波都可以存在单色平面波都可以存在;受限空间受限空间(有边界有边界)驻波驻波波矢取特定值，频率取特定值波矢取特定值，频率取特定值.任意形式电磁场（光场）均可展开为任意形式电磁场（光场）均可展开为本征模式的叠加本征模式的叠加 光子能量：光子能量：光子动量：光子动量：光子质量：光子质量：光子偏振光子偏振：两个独立的偏振方向两个独立的偏振方向光子自旋光子自旋：自旋量子数为整数自旋量子数为整数 (玻色玻色-爱因斯坦分布爱因斯坦分布)光子态光子态:具有上述参量的光子状态具有上述参量的光子状态 光子的基本性质光子的基本性质激光原理激光原理.第一章第一章四、激光的产生四、激光的产生 Light Amplification by Stimulated Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Emission of Radiation即：激光是受激幅射的光放大幅射。或激光即：激光是受激幅射的光放大幅射。或激光 是受激幅射产生的，经放大后的光。是受激幅射产生的，经放大后的光。何谓受激幅射？何谓光放大？何谓受激幅射？何谓光放大？1 1）光与原子的三种相互作用）光与原子的三种相互作用A A）受激吸收受激吸收（简称（简称“吸收吸收”）处在低能级处在低能级E E1 1的原子受到的原子受到能量等能量等于于h h=E=E2 2-E-E1 1的光子的光子的照射时，吸收这一光子的照射时，吸收这一光子跃迁到低能级的过程。跃迁到低能级的过程。E E2 2E E1 1h h B)B)自发幅射自发幅射E E2 2E E1 1E E3 3L L1 1处在高能级（处在高能级（E E2 2）的原子，即使没有任何外界）的原子，即使没有任何外界的激励，总是自发地跃迁到低能级（的激励，总是自发地跃迁到低能级（E E1 1），并），并且发射一个频率为且发射一个频率为，能量，能量h h=E=E2 2-E-E1 1的光子的过的光子的过程。程。自发幅射的光是非相干光自发幅射的光是非相干光C C）受激幅射受激幅射：（：（19171917年爱因斯坦提出）年爱因斯坦提出）处在高能级上（处在高能级上（E E2 2）的原子，受到能量恰为）的原子，受到能量恰为h h=E=E2 2-E-E1 1的外来光子的激励（或诱发，或剌的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级激）从而跃迁到低能级E E1 1，并发射一个与外，并发射一个与外来光子来光子“一模一样一模一样”的光子的过程。的光子的过程。E E2 2E E1 1外来光子外来光子受激幅射光子受激幅射光子与外来光子频率与外来光子频率相同、相位相同、相同、相位相同、偏振方向和传播偏振方向和传播方向相同。方向相同。特点：特点：受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射中，光子成倍增长，产生了光放大。受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的；2 2）激光的产生过程）激光的产生过程且粒子数正常分布是：且粒子数正常分布是：激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射激光是受激幅射的光，但实际中还存在自发幅射和吸收，和吸收，为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。粒子数反转的状态。粒子数反转状态粒子数反转状态E E1 1E E2 2E E3 3E E4 4E E1 1E E2 2能能量量粒子数反转状态粒子数反转状态E E1 1E E2 2怎样才能实现粒子数反转呢？怎样才能实现粒子数反转呢？1 1）提供足够的能量；）提供足够的能量；2 2）原子在激发态多）原子在激发态多“呆呆”一会；一会；3 3）减小损失，不断放大。）减小损失，不断放大。粒子数反转状态粒子数反转状态E E1 1E E2 2实现原子系统粒子数反转并产生受激幅射光放大实现原子系统粒子数反转并产生受激幅射光放大的条件：的条件：有足够的能量输入系统有足够的能量输入系统-激励源激励源激励激励-从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（又称的过程（又称“激发激发”、“抽运抽运”或或 “泵浦泵浦”）。）。E E1 1E E2 2A A）光泵抽运）光泵抽运如红宝石激光器如红宝石激光器E E1 1E E2 2B B）电子碰撞）电子碰撞-如氩离子激光器如氩离子激光器电子电子C C）化学反应）化学反应如氟化氘激光器等。如氟化氘激光器等。D D）共振转移）共振转移如如H He e-N-Ne e激光器激光器 。-N Ne eH He e-N Ne eH He e-要有能级合适的工作物质要有能级合适的工作物质产生激光的原子系统称为产生激光的原子系统称为“工作物质工作物质”所谓所谓能级合适能级合适是指存在是指存在“亚稳态能级亚稳态能级”，即存在激，即存在激发态寿命发态寿命=10=10-3-3秒左右的能级（一般原子系统的秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有激发态寿命只有1010-8-8秒）秒）E E1 1E E3 3E E2 2激激发发能能量量亚稳态能级亚稳态能级要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的 光学谐振腔光学谐振腔。全反全反射镜射镜半反半反射镜射镜实物图实物图原理图原理图构造：构造：工作原理：工作原理：激光工作物质激光工作物质激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理