发表时间：2024-01-12 23:23:53 │ 点击数：
第十五章现代激光技术第一节激光技术概述激光产生于20世纪60年代.doc
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第十五章 现代激光技术 第一节 激光技术概述 激光产生于20世纪60年代。40多年来，激光技术应用发展迅猛，与相结合形成应用技术领域，比如光电技术激光医疗与光子生物学激光加工技术激光检测与计量技术激光全息技术激光光谱分析技术非线性光学超快激光学激光化学量子光学激光雷达激光制导激光分离同位素激光可控核聚变激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。 第一台激光器一问世，便得到迅速发展。不久，用其它固体材料以及用氖、氦混合气体做工作物质也相继获得了激光。到1960年末，制成的各种激光器已达10多种。 我国第一台激光器在1961年9月问世（见图15-2）。由中国科学院长春光学精密机械研究所、中国著名光学专家王之江教授主持研制，王之江教授至今仍被中国光学界尊称为“中国激光之父”。 中国第一台激光器诞生之后，一直到1964年，还没有一个统一的名字。有人根据Laser的发音，把它称作“莱塞”、“雷射”；有人根据其英文含义，把它称为“光受激发射放大器”、“光激射器”、“光量子放大器”、“光量子振荡器”等等。由于名称不同，影响了学术交流和激光技术的应用。1964年著名科学家钱学森教授给Laser起名为“激光”。这个名称既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源。贴切而又简洁，得到学术界的一致赞同并一直沿用至今。 二、激光的特性 普通光源的光与激光有什么区别？普通光源的光是非定向的，均匀地射向四面八方，光源所张的立体角为4π，呈球形；而激光就像一条直线，基本上只朝一个方向发射，可称得上是严格的平行光。因此，激光与普通光源的光具有不同的特性。 1、方向性好、亮度高 普通光源发出的光都是向四面八方射出。发出的光可以照亮眼前周围的地方，但照亮的距离不大。通常，要把照明的距离扩大，可以用各种光学仪器（如凸透镜等）把向各个方向发射的光聚集到需要照明的方向，如汽车的前车灯、探照灯等就是用这个方法增大照明距离的。而激光不同，激光天性就是只朝一个方向发射的光。而且射出的光束发散角很小，是高度平行的光束。如探照灯的光，其发散角约为0.01弧度；激光的发散角一般为弧度。因此，激光能够传播很远的距离。 因为方向性好，其亮度也就高。例如发散角为0.001弧度的激光，其亮度是相同功率普通光的1.26×倍。1962年，人类第一次从地球上发射由红宝石激光器产生的激光束，照亮了月球表面。一台普通红宝石激光器发射出的光束射到月球上，形成的光斑尺寸只有几百米，加上光色鲜艳，在晴朗的夜空，用眼睛就能见到月球上有一红色光斑。 由于激光的亮度极高，一束中等强度的激光，可以在焦点处产生几千度到几万度的高温，在工业上成功地应用于精密打孔、焊接和切割。 2、单色性好 我们知道，光的颜色取决于光的波长。从红色到紫色，光的频率逐渐增大，而波长逐渐减小。每个频率或相应的波长对应一种颜色。普通光源发出的光，其颜色是比较复杂的。如太阳光包括了从紫外至远红外的所有光，所以它谈不上单色性。而光的单色性好，也就是光的颜色纯。一种光所包含的波长范围越小，它的颜色就越纯，即单色性越好。 以往较好的单色光源有氖灯、氦灯、氪灯、氢灯等，其中氪86光源发射的红光，波长范围只有4.7×纳米，具有单色性之冠的美誉。而激光的单色性比它更好，特制发红光的He－Ne激光器，波长范围只有2×纳米。 利用激光单色性好的特点，可装饰舞台、高楼、商店门面等，使得被装饰物更加鲜艳夺目。在化学工业中，有单色光协助，可提高生产量，改善产品质量等。 3、相干性极好 由光的干涉条件可知：只有频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两束光相遇，才会产生稳定的光的干涉现象，即产生明暗相间的条纹。这样的两束光称为相干光。 普通光源的光在频率、相位和传播方向上是各不相同的，属于非相干光，不容易产生光的干涉现象。而激光的频率、相位和传播方向是相同的，因此，相干性极好。物理学中通常用相干长度来表示光的相干性，相干长度越长，光的相干性就越好。特制的氦－氖激光器输出的光束相干长度达2×千米，而单色性之冠的氪灯发射的红光，其相干长度也只有38.5厘米。因此，如果应用激光进行精密测量，它的最大可测长度比普通光源大10万倍以上。 利用激光相干性极好的特征，可进行全息照相、激光测量、实现光的干涉等。 三、激光原理 自然界中存在两种不同的发光方式： 什么情况下会产生自发辐射？什么情况下会产生受激辐射？ 根据原子结构理论，原子的内能是量子化的。这些分立的原子能量值称 态，这种变化称为跃迁。个别原子处在哪个能级上是随机的，并通过相互碰撞和电磁辐射的作用而不断发生跃迁。在热平衡下，各能级上的原子数目服从一定的统计规律，高能级上的原子数目总小于低能级上的原子数目（见图15-3）。 处于激发态的原子是不稳定的。原子从高能态跃迁到低能态有两种方式：一是没有外界作用，激发态原子会自发辐射光子返回基态，这一过程称 简单地说，输入一个外来光子，则输出两个与外来光子一模一样的光子（其中一个是原外来光子）。若能创造一个条件，使受激辐射占优势并持续进行下去，实现受激辐射的光放大，这样得到的光就是激光。 要使受激辐射占优势，处于高能态的原子数要多于处于低能态的原子数，这种分布是不平衡态粒子分布，称为粒子数反转分布。 激光器是实现粒子数反转、受激辐射占优势，并实现受激辐射光放大的装置，也就是产生激光的装置。 四、激光器简介 1、激光器的结构 激光器种类很多，但结构大致相同。都是由：工作物质、激励源和谐振腔三部分组成（见图15-5）。 图15-5 激光器结构简图 工作物质是激光器的发光材料，类似于白炽灯中的钨丝或气体放电光源中的气体。但激光器所采用的材料，必须具有适当的能级结构，能实现粒子数反转而产生受激辐射。如：红宝石、半导体等。 激励源是向工作物质输入能量的装置。由激励源发出的光使工作物质受到激励而产生粒子数反转，即把大量的原子从基态激励到激发态。常用的激励源有：高压氪灯、氙灯、放电气体、电子束、化学反应能等。 谐振腔的作用是使某一定方向和一定频率的光得到放大，而抑止其它方向和频率的光，最终获得单色性好、同一方向的激光。 谐振腔由两块平行的反光镜组成，一块反射率为100％，另一块根据需要设计成不同的反射率，即有适量的透过率，激光就是从这块反射镜输出来的。 2、激光器的种类 激光器的种类很多，随着科学技术的发展，各种不同用途、不同型号的激光器不断涌现。激光器的分类方法有多种，如：按照工作物质分为气体、液体、固体、半导体等激光器；按照功率分为微功率、小功率、中功率、大功率激光器；按照用途分为工业用、医用、测量用、通信用激光器等。以下几种是按工作物质不同分类的主要激光器。 （1）气体激光器 气体激光器中最常见的是氦氖激光器。由于氦氖激光器发出光束的方向性和单色性好，又可连续出光，是当今使用最多的激光器。主要用于全息照相、精密测量和准直定位等。 氩离子激光器是气体激光器的典型代表，它可以发出鲜艳的蓝绿色光，并能连续出光，输出功率达100多瓦。可用于眼科手术、海下勘测作业等。 气体激光器结构简单，造价低廉、操作方便，输出的激光功率也较稳定，相干性很好。因此气体激光器是目前种类最多、应用最广的一类激光器。 （2）液体、化学和半导体激光器 液体激光器又称为染料激光器，因为它的工作物质是一些有机或无机染料溶液。液体激光器的波长范围很广。在同一台激光器中，既可以产生红光，又可以产生绿光，甚至可以产生任何颜色的光。在光谱测量技术中具有特殊重要的应用价值。 化学激光器是利用化学反应来产生激光的。如：氟原子和氢原子发生化学反应时，能产生处于激发状态的氟化氢分子。这样，当两种气体迅速混合后，便能产生激光。因此不需要其它能量，就能直接从化学反应中获得很强大的光能。军事上令人危惧的死光武器就是化学激光器的一项应用。 半导体激光器的工作物质是各种半导体材料，如砷化镓、铝镓砷、碲化锌等。这类激光器一般只有火柴盒大小，是一种微型激光器。其主要优点是成本低、体积小、结构简单。适用于飞机、军舰、野外作业等。2001年，瑞士科学家研制出一种波长为9微米的新型半导体红外激光器，有望在不久的将来，人们可以利用它从因特网上下载一部完整的电影或通过高清晰度视频电线）固体激光器 固体激光器中应用最广的是红宝石激光器。世界上第一台激光器就是红宝石激光器。固体激光器的特点是工作物质小、机械强度高，容易得到大功率的激光脉冲（脉冲输出功率可达瓦以上）。固体激光器广泛应用于微型打孔、焊接、切割等工业加工，测距、雷达、致盲武器等国防军事以及青光眼的治疗等医学领域。 （4）原子激光器 1997年，美国麻省理工学院的物理学家首次用钠原子获得与普通激光有某些相似特性的原子激光，引起了物理学界的普遍关注。这是世界上首次获得原子激光。 第二节 现代激光技术的应用 由于激光具有一系列特有的优异性能，使得它一问世，便以惊人的速度迅速普及。激光使光纤通信成为现实；激光开发了信息存储技术；激光是科学研究的得力助手，在机械工业、医学、生物、军事等各个领域，我们越来越多地看到激光技术的应用。 一、激光精密测量 1、长距离的精密测量 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、数值控制化的发展，需要长尺子高精度的确定其位置。在军事上，要确定远处的目标和距离，也需要长尺子。没有适用的长尺子怎么办？激光具有很好的方向性和相干性，采用光的干涉方法能实现长距离的精确测量，而且方便快捷。如用特制氦氖激光器输出的红光，最大量程可达20公里；用脉冲激光测距仪，测20公里的目标距离，误差仅0.5米，测量所需时间不到1秒；利用激光相干性高的特点发展的相位测距法，测距精度更高，对8000公里远的卫星测距，误差仅2厘米。 1983年第17届国际计量大会通过长度单位米的新定义：米是秒的时间间隔内光在真空的行程的长度。在重新定义米的讨论中，决定用精确测量的激光频率，导出光波波长，从而复现长度单位米。 2、速度的精密测量 在工业生产和工程技术上经常会遇到速度的测量，如：导弹的飞行速度、卫星的运动速度、列车的行驶速度等。激光干涉测速技术是光学多普勒效应发展起来的一门测试技术,它这一技术既可用于测量高速运动物体在极短时间内的速度变化,也可测量冲击波作用下各种材料的自由面速度和内部粒子速度,对研究高温高压等极端条件下材料的物理和力学响应特性具有重要价值。该技术自上世纪70年代提出以来,主要用于各种武器的实验与测试,具有很强的军事应用背景。据《光明日报》2007年4月25日报道：经过30余年的应用与发展,我国激光干涉测速装置(简称VISAR)的研制最近取得了重大突破——由中国工程物理研究院流体物理研究所(中物院一所)自行研制的激光干涉测速系统,其性能指标达到了国际先进水平,为我国武器研制、新材料科学、天体物理和地球物理等领域的实验研究工作提供了先进的测试手段。倍，经光学系统聚焦的激光束可以使金属瞬间熔化，进行各种机械加工，还可以制造廉价核燃料。 1、激光加工技术 聚焦起来的激光束内光功率密度可以极高。如一台普通的激光器，在1毫秒内发射100焦耳的光能量，用透镜聚集，在焦点上光功率密度可达1.3×，即使材料表面对光的吸收率为1％，也可以使大多数金属瞬间加热熔化、气化。利用激光高能量的特性，可以进行各种机械加工，如：打孔、切割、焊接、雕刻、热处理等。 激光加工的优点是：精度高（一般都可以达到1微米以下）、速度快、费用低、污染少、对原材料的损伤极小。例如：激光焊接能使平面无收缩、形变、脆化、裂缝等现象，用100千瓦的激光器可全深透焊36毫米的钢板，焊速达4.8米/秒；化学纤维工业中所用的喷头，在直径约10厘米的区域内，要钻上万个直径只有几十微米的小孔。如果用人工，需要5个人干一个星期，而利用激光打孔，只需一个多小时就可完成，而且质量很高。 20世纪80年代以来，日本、美国等国家的激光加工机床的普及率以惊人的速度增长。目前，激光加工技术已广泛应用于航空航天工业、钟表宝石轴承、金刚石拉丝模、内燃机喷油嘴等众多机械工件加工上。 2、激光制造廉价核燃料 将核燃料从天然核矿石中提取出来，采用的是同位素分离技术。同位素分离技术在科学研究、核能利用以及军事上都有十分重要的价值。如核电站使用的核燃料铀，其含铀浓度大于3％，而天然铀矿中铀含量只有0.72％。目前的主要分离技术是气体扩散法，其缺点是分离系数比较低，耗能大。利用激光单色性极好的特征，根据不同的同位素原子（分子）光谱的同位素位移，可以有选择地激发、电离或离解其中某种同位素原子，最后再利用物理方法或化学方法把这种同位素从混合物中分离出来。激光分离同位素可以获得比较高的分离系数，且能耗是气体扩散法的二十分之一，投资成本只有气体扩散法的十分之一。 四、激光医学应用 激光医疗是激光应用于实际最早的一个领域。早在1961年，激光就被成功应用于眼科的激光视网膜焊接。激光在医学上的应用分为两大类：激光诊断与激光治疗。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。目前，激光治疗已被广泛用于医学治疗的各个领域。激光医疗不仅速度快、痛苦小、无感染、疗效较好，还能治疗一些疑难疾病。如激光治疗慢性咽喉炎、毛细血管瘤、脑膜瘤、癌症以及面部美容等。目前，激光技术在医学领域的开发应用在诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。 当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科及牙科方面的应用；弱激光疗法等。 五、激光生物应用 经激光照射后的植物，会引起生物遗传变异。根据这个道理，激光技术被广泛应用于农作物育种。例如：水稻、小麦等农作物的种子经激光照射后，会提前发芽、植株粗壮、生长迅速、抗病能力增强、产量提高。目前经激光育种技术培育的农作物品种已达几百个。我国采用激光育种技术培育的3个水稻和3个小麦新品种，推广种植面积达5000多万亩，增产粮食5亿多公斤。培育的大豆新品种的产量比目前良种大豆高25％。而且含油量也提高2.6％。 经激光照射的蔬菜、果树等，可提高产量、改善品质。例如：有一种桃树，由于雄花蕊发育不全，因此产量不高。经激光照射后，培育出的沙激一号、沙激二号，座果率达到85％，产量提高4倍，而且，果肉更厚更甜；广西产的沙田柚是国内外有名的优良水果，肉嫩味甜。不足的是籽太多，平均每个果子中含有140～150粒籽。利用激光技术进行改良之后，果内的籽已经很少，约10％的果内甚至一粒籽也没有，果肉更甜。而且，产量也大幅度提高，以前每棵树结不到200个果，现在平均每棵树能结400个果。 根据目前生物技术研究发现，激光还能改变细胞中的染色体结构，改变生物体的遗传基因。例如：用氦氖激光器照射番鸭的，能使的寿命由3小时延长至60小时；用激光照射山羊的，其存活时间增加1倍以上，且活力增强；用激光照射鸡蛋、鱼卵其孵化率也得到提高。这对人工受精繁殖家畜具有十分重要的价值。 此外，激光技术在消灭虫害、除草和食物储藏等方面也有广泛的应用。 六、激光在军事上的应用 激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的新型武器。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在容易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史，目前，低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，攻击人眼和一些观测设备。高能激光武器按照目前技术水平，不久即可用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。 2007年雷锡恩公司宣布成功试验了固体激光武器系统。新型激光系统综合了密集阵武器系统的现有成功技术和威力，能够在实战防御距离摧毁火箭，迫击炮弹和导弹。目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术，必将成为21世纪的支柱产业。21世纪的激光技术的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信此外将推出品种繁多的光电子消费类产品如新型彩电、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、办公自动化光电设备等以及新型的信息显示技术产品并进入人们的日常生活中。激光产品已成为现代武器的眼睛和神经，光电子军事装备将改变21世纪战争的格局。 激光化学 激光化学的应用非常广泛。制药工业是第一个得益的领域。应用激光化学技术，不仅能加速药物的合成，而又可把不需要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得更安全可靠，价格也可降低一些。利用激光控制半导体，就可改进新的光学开关，从而改进电脑和通信系统。激光化学虽然尚处于起步阶段，但其前景十分光明。 四、激光医疗(1)研究激光与生物组织间的作用关系(2)研究弱激光的细胞生物学效应及其作用机制(3)深入开展有关光动力疗法机制、激光介入治疗、激光心血管成形术与心肌血管重建机制的研究，积极开拓其他新的激光医疗技术。(4)对医学光子技术中重要的、新颖的光子器件和仪器设置进行开发性研究，开发激光手术刀。 超快超强激光 飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的相机可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。 归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。与飞秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。 X射线和其它极短波长的光，可以用于受控核聚变的研究。 六、激光军事战斗和防御系统 激光测距仪是激光在军事上应用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在盲区，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补足。还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上的激光武器技术运用。在激光实战演习的战场上，酷似实际战争场面。 18 本 章 导 读 激光技术是20世纪60年代产生的最重大、最实用的科技成就之一。也是21世纪最活跃的高新技术之一。 激光具有方向性、单色性、相干性极好和亮度极高的特性，激光技术与现代通信技术、计算机技术、建筑装潢技术、机械加工、生物技术、医疗技术、农业技术等相互结合，不断开发出现代激光技术的应用新领域。带动了科学技术许多领域的新突破。 发光方式 自发辐射 受激辐射 普通光 激光 产生 产生并加以放大 图15-3 原子的能级和粒子数分布 图15-4 原子受激辐射 图15-1 世界上第一台激光器 图15-2 我国第一台激光器 为自发辐射。普通光源发光就属于这种；二是处于激发态的原子在自发辐射前，受到外来光子的刺激作用，从高能态跃迁到低能态，同时辐射一个与外来光子的频率、偏振态及传播方向都相同的光子，这就是受激辐射（见图15-4）。 为原子的能级。原子最低的能级称为基态，其余的能级都称为激发态。处于基态的原子若受到外界的作用，如光照射或电子的碰撞，获得能量而从基态变为激发态，这一过程称作激发；反之，处于激发态的原子若放出能量，则从激发态变为基态或低级激发
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