第二章 激光的特性及其应用

利用激光准直仪可使长为2.5km的 隧道掘进偏差不超过16nm.
2.单色性好
光波的单色性可表示为
谱线宽度 or 中心波长
I0
I0 2

2

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2
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109 nm
激光测距
激光测距机的类型很多，结构也不尽相同。在军事领域
中，激光测距机主要用于地形测量、战场前沿测距、火炮测 距、飞机、导弹测距和云层测量等。目前世界各国的激光测
距机大部分装配于坦克、地炮、舰炮和机载武器等，少数型
号装备于迫击炮、枪榴弹发射器等步兵武器。
激光测距的优点：
1. 操作简便、速度快 2. 测距精度高。 3. 体积小、重量轻。 4. 抗电磁干扰。 激光测距的主要缺点：不能全天候使用，其作用距离受 天气和战场条件(硝烟、尘埃等)影响较大，为适应全天候作
激光育种：用激光束照射植物种子，使产量提高，蛋白质
含量增加。
6.科研应用
全息照片
英国女王
现任美国能源部部长
三维激光冷却
Magneto-Optical Trap (磁光阱)
他提出了一个实现玻色-爱因斯坦凝聚 的方法：用磁场约束原子，同时利用 激光冷却和蒸发冷却，使系统温度降 到足够低
铷原子速度的分布
二、激光的应用
1.工业领域
激光打孔
激光能量在时间和空间上高度集中， 能在极小区域产生几百万度的高温。
激光打孔的特点：速 度快、效率高，可在 硬、脆、软等各类材 料上进行，可获得大 的深径比等
激光切割
激光切割的特点：速度快、无接触、精度高、切缝光滑
激光焊接
激光焊接的特点： 焊接点均匀、美 观、精度高
战的需要，常常配合雷达使用。
激光雷达
在激光测距机的基础上加装测角、测速和自动跟踪装置 就构成激光雷达。它同工作在微波段的雷达相比，激光雷
达的优点是角分辨力高、成像清晰、测量精度高、隐蔽性
好、抗干扰能力强和体积小、设备简单。激光雷达设备的 主要用途就是用于测量飞机、导弹、地面主战兵器、舰艇, 甚至炮弹的运动轨迹。目前，比较成熟的激光雷达有美军 研制的激光障碍物和地形回避警戒系统，在直升机前方扫 描半径为1.6km能发现450m处直径为3.2m的金属线。
相干性好：时间相干性和空间相干性都很好
1.方向性好
发散角 2

d
激光束发散角小，约为10-4rad量级，对应的立体 角在10-6sr量级。普通光源发出的光向各个方向 传播。 激光束是高度平行的光束。
手电筒的光射到几米处， 扩展成很大的光斑。
一束激光射到~38万km的月球 上，光斑的直径只有~2km
可把极高的能量传送到导弹表面，使其跟踪器被烧坏而失灵，
从而失去正确飞行方向。用它照射卫星，可以对卫星造成严 重破坏，甚至将其星体击穿。
地基激光炮 (USA)
ABL设想图
机载激光武器(ABL,USA)
舰载激光武器
舰载激光武器
辽宁舰
3.信息领域
激光信息处理：光存储(光盘),激光通信(或光纤通信)
对光学相干性的 量子理论的贡献
激光核聚变
美国Nova激 光聚变装置
激光在强场物理研究中的应用
强场过程示意图
Time-dependent electron density
Above-threshold ionization (ATI, 阈上电离) HATI by rescattering
电缆 光纤
卫星通信
4.医疗应用
最早的激光医疗应用：1961年12月在美国哥伦比亚长老会 医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗 肿瘤治疗 心血管疾病治疗
眼科手术
外科手术 激光美容术 激光碎石术
用激光使脱落的视网膜再复位
(心脏搭桥手术)
心肌壁
激光治疗仪
激光手术
5.农业应用
部件而使仪器失灵；在近距离用它照射人员，可以烧焦皮肤，
或使衣服燃烧而失去战斗力；在一定距离上用它照射人眼， 可以使人致盲。那么，无论战时，还是平时都应重视对激光
的防护。基本方法是配带反射型或吸收型的防护眼镜。
激光致盲器
装有激光瞄具的MP5K冲锋枪
特种作战激光枪
2. 高能激光武器： 又称强激光武器或激光热武器。它是一种 大型的激光装置，外型和普通火炮差不多，所以也叫激光炮。 它主要用于对各种高速运动的目标实施攻击。用它照射导弹，
3.亮度高
激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用锁模技术，可 产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极短的时间 内发射出来，因此光功率极高。
P B A
4.相干性好
Lc 1 相干时间： c c
相干长度：Lc
c
干的
特制的氦氖激光器输出的光束，相干长度达2107km。氪 灯只有38.5cm。
激光在军事上应用范围很广。主要是利用它的方向性、 单色性、相干性和高亮度的优点，用它进行激光制导、 激光测距、激光雷达、激光通讯、激光侦察和制成激光武器等。
激光制导
激光制导是继雷达、红外、电视制导之后发展起来的一种 精确制导技术。目前已投入使用和正在研制的激光制导武器 有激光制导炸弹、空地导弹、空地反坦克导弹、炮弹、火箭 弹、防空导弹等。目前激光制导武器主要采用半主动式回波
Atomic case
Molecular case
6.其它方面的应用
激光打印、扫描、激光全息防伪
激光喷泉
激光表演系统是世界先进的大型表演系统，它融合了激光、 计算机控制绘图、精密光学机械等先进的科学技术。创造出 宏伟壮观的图纹图像和神奇莫测的光芒。
Z. Chen et al., Phys. Rev. A 79, 033409 (2009)
M. Protapapas, C. H. Keitel, and P. L. Knight, Rep. Prog. Phys. 60, 389 (1997)
High-order-harmonic generation (HHG)
激光热处理
激光热处理的特点：处理速度快、变形小、效率高
2.军事领域
激光技术问世时间虽短，但发展速度惊人，尤其是 在军事领域中的应用。79年中越自卫反击战使用了激光 武器，82年英阿马岛战争使用了激光武器，后来的一些 局部战争大多都使用了激光武器，尤其是美国参战的， 基本上都使用了激光武器及其设备，如：海湾战争，科 索沃战争，据报道，直接参战的多国部队战斗机，都配 备了机载激光投弹制导仪，大大提高了命中率。现在世 界上有许多国家都有激光制导仪，但目前最好的是美国 的“低空飞行和夜间红外线追踪系统”，它不需地面人 员指挥，便可自动瞄准敌方目标进行导弹袭击。随着激 光技术的进一步发展，激光武器将会越来越先进，它必 将在未来太空作战中发挥巨大的作用。
制导和半主动式波束制导两种。
激光制导炸弹
空地导弹
防空导弹
火箭弹
激光制导的优点：
1. 命中率高。经多次实验证明命中率可在97%。
2. 抗电磁干扰能力强。激光属于可见光，故不受电磁波干扰。 3. 制导系统体积小，重量轻、结构简单、造价低廉。 但是，激光制导也存在其缺点：主要是受天气影响较大。
大雨浓雾、扬尘(烟幕)使激光传输受限制难以正常工作。
第二章 激光的特性及其应用
激光也是光，它与普通光没有本质上的区别，但激光又是 一种特殊的光，它与普通光源相比有四个特点
一、激光的特性
方向性好：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿 某一直线传播，激光束的发散角很小 单色性好：指光强按频率的分布状况，激光的 频谱宽度非常窄 高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大
激光武器
利用激光的能量摧毁目标或使其丧失战斗能力的武器称为 激光武器。根据激光武器发射的能量不同，可分为低能激
光武器和高能激光武器两类。
1. 低能激光武器：指发射功率较小的激光轻武器。它的外形 和普通步枪差不多，故亦称激光枪。它体积小，重量轻，击 发时无声响。用激光枪照射各种精密仪器，可烧坏其脆弱