激光原理及应用

• 激光测距与激光雷达 激光测距的原理如同微波雷达测距一样，但激光测距与普通测距相比，具有远、 准、快、抗干扰、无盲区等优点。激光测距在常规兵器中已广泛应用，有取代普通 光学测距的趋势。第一代红宝石激光测距，隐蔽性差(发红光)，对人眼有损伤，且 效率低，已淘汰。第二代YAG激光测距已广泛使用，但对人眼也有一定损伤。目前正 在研发第三代CO2气体或固体激光测距，对人眼无伤害，将逐步取代第二代激光测 距。激光雷达与微波雷达相似，用窄激光束对某一地区进行扫描，并得出雷达图。 随着有关器件和技术的发展，激光雷达在高精度和成像方面占有优势，其测距精度 可达厘米甚至毫米级，比微波雷达高近100倍；测角速精度，理论上比微波雷达高一 亿倍以上，现在已做到高1000~10000倍。 军用激光雷达最成功的应用是辅助导航，特别是速度计。激光速度计可给机载 导航计算机提供超精度测量，其测速误差可达0.5mm/s。激光雷达最适于远距离高 分辨率成像。90年代初林肯实验室改造“火他” CO2激光雷达，成功的跟踪800km 外的再入飞行器诱饵的多普勒图象。随后又研制了一台No1:YAG激光雷达，也精确跟 踪了火箭和卫星。
激光的特性
• 1.方向性好 激光几乎是一束平行光。如把激光束射到距地球38万千米的 月球上，光束扩散的直径还不到二千米。而对于普通光源，即使是 具有抛物形聚焦反射面的探照灯，它的光束在几千米之外也要扩散 为几千米的直径。
• 2.单色性好 就是颜色极纯。如He-Ne激光器输出激光的波长为632.8nm， 其频率宽度为0.1Hz，而普通光源的频率宽度10(7)~10(9)Hz。由此 可知，激光的单色性比普通光高10(8)~10(9)倍。
• 如图所示，两反射镜除要求严格平行外，其中一个是全反射镜R1，另一 个是部分透光反射镜R2。谐振腔的主要作用是使那些沿管轴方向传播的 光子能够在反射镜之间实现多次来回反射，且不断激发处于粒子数反转 状态上的工作物质，而得到光放大增强。其中一部分从R2输出。凡是偏 离管轴方向的光子，经过若干次反射，就会溢出管外而被淘汰掉。所以 谐振腔对光束具有选向作用，它使受激辐射集中于特定的方向输出，使 激光光束具有方向性好的特点。此外谐振腔还具有稳定输出强度的作用， 且有选频作用，故能提高输出光束单色性等优点。
• 激光侦察对抗
激光侦察在军事上占有十分重要的地位。利用激光技术进行多光谱摄 影(全息摄影)，可以识别伪装目标。由于各种物体对各种光的吸收和反射 能力不同，可以在底片上引起不同感光反应而实现对目标的侦察。海湾战 争中，美国利用这一技术，发现了伊拉克严密伪装在树林里的坦克和导弹 发射架。 激光对抗可对激光测距进行欺骗，使其无法测定其真实距离或使导弹 改变弹道。激光对抗还可对激光进行干扰。
• (4)激光武器 用大功率激光聚焦以后的强大破坏力，可以作为武器摧毁对方飞机、 导弹、卫星等，激光制导炸弹是用激光寻找、追击目标的炸弹。 • (5)激光核聚变 利用激光能量在空间、时间上可以高度集中的特点，将大功率激光 照射在聚变物质上，可使它短时间内受到巨大的压缩并产生高温实现核 聚变反应。此外，激光在作物发育、生物遗传工程、分离同位素、激光 全息、激光照排印刷以及激光光阀大屏幕显示等方面的应用也都显示出 诱人的前景。
通常，在具有一定温度的物质中，处于高能级En的原子数目恒少于处在 低能级Em的原子数目，此时光吸收将占优势。为了实现光放大，只有通过 外界能源(如采用气体放电或光辐射)的诱发，将低能级上的原子激发到高能 级上去，使某个高能级上的原子数多于低能级上的原子数，Leabharlann Baidu种状态叫粒子 数反转，因此粒子数反转是实现光放大的必要条件。
激光在医学上的应用
• 激光诊断、手术和治疗： 激光层析造影 激光荧光 诊断 光动力学治疗（PDT）技术 激光 心脏 打孔 激光光纤内窥镜手术 ......
激光武器的应用
激光武器用于杀伤敌重武器装备时，需要较高的能量，通常称为高能 激光武器称激光炮。目前美国已研制出机载和车载激光炮。激光炮的威力 强大，命中率极高。由于强激光束具有很强的烧蚀作用、幅射作用和激光 效应，因而对武器装备具有很大的破坏力。激光武器可以破坏制导系统、 引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导 弹和破坏雷达、通信系统等。激光摧毁卫星可由地面、空中和空间进行。 目前一个激光器的能量还无法将高轨卫星摧毁，但能用几个激光器同时对 准1颗卫星进行攻击将其摧毁。空间激光反卫星是将激光器装在卫星或航天 飞机上，攻击对方的卫星；空中激光反卫星是将激光器装在飞机上攻击卫 星，它可克服地面发射激光攻击卫星的许多缺点，但不如航天器攻击卫星 那么理想，因航天器比飞机平稳，没气流和飞行振动的干扰，激光的能量 可充分发挥。
• 激光未来 现代社会中，信息的作用越来越重要，谁掌握的信息越迅速、 越准确、越丰富，谁也就更加掌握了主动权，也就有更多成功的 机会。激光的出现引发了一场信息革命，从VCD、DVD光盘到激 光照排，激光的使用大大提高了效率，以及方便人们保存和提取 信息，激光革命意义非凡，已成为全球最具竞争力和吸引力的经 济体之一。中国拥有巨大的内需潜力，只要发展国内需求，经济 可望持续高速。目前，中国提升装备制造业水平、推进产业结构 优化升级的需求依旧十分紧迫；作为关键支撑技术的激光技术与 产业仍有较大发展空间，激光制造设备技术将在信息、能源、交 通运输、电子、冶金、机械等支柱产业中会得到更深入的应用， 进而提高这些行业的自主创新能力，形成新的经济增长点，在提 高市场竞争力中发挥重大作用。
• 2.光学谐振腔 使激光物质处于粒子数反转分布，只能产生光放大，还不能获得激 光，因为光放大后的受激辐射从整体上看也是随机的，并不能获得频率、 位相、传播方向和振动方向都完全相同的激光束。要获得激光，还必须 有一个光学谐振腔。 在激光物质的两端安置上两个相互平行的反射镜，就组成了光学谐 振腔。它能从各种各样可能的光信号中选取一种特定的信号消除。所以 光学谐振腔对激光的形成和激光束的特性有着重要的影响。谐振腔的形 状和构造有很多类型。
• 3.相干性好 由于激光是受激辐射产生的，它是相干光束，激发的空间相 干性和时间相干性都很好。
• 4.能量高度集中 由于激光束方向性好，可使激光的能量高度集中而获得极强 的输出功率，激光器连续输出功率可达10(4)~10(5)W量级，脉冲 输出功率可达10(13)~10(14)W量级。由于激光束发散角很小，它 照到物体上只形成很小的光斑，所以单位面积上的辐射能很高， 即激光束的能量在空间高度集中，在千分之几秒内可以熔化或汽 化各种材料。 如图所示：
为了使工作物质实现粒子数反转，除了要通过外界激励，还必须选取能 够实现粒子数反转的激光物质。它们可以是气体、液体或固体。但并不是所 有物质都可以实现粒子数反转的。我们知道，原子可以长时间处于基态，而 处于激发态的时间一般是很短的，约为10(-8)s，所以激发态是不稳定的。除 基态和激发态以外，某些物质还具有亚稳态，具有亚稳态的工作物质就能实 现粒子数反转。
当前，国内激光市场主要分为激光加工设备、光通信器件与 设备、激光测量设备、激光器、激光医疗设备、激光元部件等， 其产品主要应用于工业加工和光通信市场，两者占据了近7成的 市场空间。 据统计，我国已经有200余家激光相关企业，主要位于湖北、 北京、江苏、上海和广东等经济发达省市，这些地区年销售额约 占全国激光产品市场总额的90%，我国激光行业已形成以上述省 市为主体的华中地区、环渤海、长江三角洲和珠江三角洲四大激 光产业群，未来，国内激光产业发展也将更为集中。 随着激光技术的进步，中国激光行业必将获得快速的发展， 未来五年，我国激光市场在相关产业的带动下，将会以20%左右 的速度发展，至2015年，我国激光应用领域将形成以激光加工、 激光通信、激光医疗、激光显示、激光全息等为产业的激光产业 群，行业发展前景十分看好。
激光的简介
• 激光： 激光的最初的中文名叫做”镭射”、”莱塞”，是由受激发射的光放 大产生的辐射的光。 英文名：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 简称：Laser，表示“辐射的受激发射的光放大”。
激光的历史
• 1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文， 奠定了激光发展的基础。 • 1960年，美国加利福尼亚州修斯航空公司实验室的研究员梅曼发 明了世界上第一台红宝石激光器。 • 1965年，第一台可生产大功率激光的器件---二氧化碳激光器诞生。 • 1967年，第一台X射线激光器研制成功。 • 1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。
激光原理及应用
组长：陈佳 成员：周正琴、周聪、周成旭、王帅、周秀晴
教材选用
• 《激光原理及应用》电子工业出版社 • 《激光原理与技术》高等教育出版社 • 《激光原理》浙江大学出版社 • 《激光原理与激光技术》北京工业大学出版社
课程内容
• • • • • • 激光介绍 激光的历史 激光的基本原理 激光的特性 激光的发展与未来 激光的简单应用
• 因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学 家共有10位。
激光的产生
产生激光需要三个条件：一要具有适当能级结构、能产生受激辐射光放 大的工作物质(激光物质)；二要使激活物质发出激光的能源(激励能源)；三 要有一个维持光振荡的谐振腔(光学谐振荡)。 • 1.粒子数反转 受激辐射是产生激光的基础。但是当能量为hv=En-Em的光子在物质中 传播时，通常有两种过程，一方面可能引起受激辐射，形成光放大过程；另 一方面，由于存在光吸收，处于低能级Em上的原子可能吸收光子跃迁到高 能级En上去，从而使物质中传播的光子因吸收而减少。光放大和光吸收这两 个过程在物质中是同时发生的，光放大会使光子数增加，光吸收会使光子数 减少，这两个过程究竟哪个占优势，取决于处于高能级En的原子数和处于低 能级Em的原子数。若处于En的原子数多，则受激辐射的光放大占优势；反 之，则光吸收占优势。因此，要形成激光，必须使受激辐射占优势。
激光的应用
• 激光在各技术领域都广泛应用. (1)激光加工 利用激光的能量高度集中的特性，可以用激光进行精密加工，功 率较大的脉冲激光器发出的激光，能在透镜的焦距附近产生几千度甚 至几万度的高温，足以熔化以至汽化各种金属及非金属材料，可用于 钻孔、焊接、切割等。在医学上，可用激光作为手术刀；在军事上， 激光可用来拦截导弹。
激光的发展与未来
激光是20世纪60年代的新光源，具有方向性好、亮度高、单 色性好和高能量密度等特点。以激光器为基础的激光工业在全球 发展执着迅猛，现在已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、 医疗卫生、军事、文化教育以及科研等方面。据统计，从高端的 光纤到常见的条形码扫描仪，每年和激光相关产品和服务的市场 价值高达上万亿美元。 根据早先报道，世界激光器市场可划分为三大区域：美国(包 括北美)占55%，欧洲占22%，日本及太平洋地区占23%。 在世界激光市场上日本在光电子技术方面占首位，美国占第 二位；在激光医疗及激光检测方面则美国占首位；而在激光材料 加工设备方面则是德国占首位。
• (2)激光计量 由于激光的单色性好，利用激光作为光源的干涉仪，其测量 精度和测量长度都大大提高，激光波长被用作为长度的标准，其 周期被用来作为时间的标准，以进行精确测量。 利用激光方向性好、亮度高的特性，可以制成激光测距仪。 据了解，用此法测得的地球表面至月球表面的距离，精度可达 5cm.
• (3)激光通信 由于光波频率远比无线电波的频率高。所以，以光波为载波 的激光通信，可以容纳更多的信息量，特别是1970年以后，研制 低损耗光纤技术有很大突破，加之新型的适用于光学纤维低损耗 区的长波半导体激光器已问世，所以激光光纤通信即将开出绚丽 的花朵，它具有传输量大、清晰、功率损耗小、抗干扰能力强、 保密性等一系列特点。