公共選修課現(xiàn)代物理概論

第八講

激光及其應(yīng)用

美國電影《星戰(zhàn)前傳》海報西安大唐芙蓉園芙蓉湖水面上升起的海市蜃樓圖中的激光手槍是由電池驅(qū)動的400mW激光器，為世界上最小的二氧化碳激光器“激光”是“LASER”的意譯.1964年，錢學(xué)森院士提議取名為“激光”激光原理簡介LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)

----輻射的受激放射的光放大激光是20世紀(jì)的四項重大的獨(dú)創(chuàng)之一激光的發(fā)展史

愛因斯坦于1917年提出受激輻射概念1958年，貝爾試驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。蘇聯(lián)科學(xué)家《實(shí)現(xiàn)三能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議》論文。1960年，美國加利福尼亞州休斯航空公司試驗(yàn)室的探討員梅曼獨(dú)創(chuàng)了世界上第一臺紅寶石激光器。1965年，第一臺可產(chǎn)生大功率激光的器件--二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺Ｘ射線激光器研制成功。我國激光的發(fā)展史成長期：1970年~1980年標(biāo)記：

1970年低損耗光纖與室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器的研制成功；1976年世界第一條好用的光纖通信系統(tǒng)在美國建成；70年頭末，武漢郵電科學(xué)院趙梓森院士等研制出我國第一根光纖；興盛期：1980年~2000

光纖通信逐步取代常規(guī)通信，成為通信網(wǎng)的主要手段；

1982年，武漢郵電科學(xué)探討院在武漢建成我國第一條商用光纖通信系統(tǒng)；

1994年密集光波分復(fù)用DWDM技術(shù)突破，充分發(fā)揮光纖巨大容量的優(yōu)勢。

納米技術(shù)走向成熟，新型光電子材料和量子阱器件從而誕生；

全盛期：21世紀(jì)。

光量子計算機(jī)可望實(shí)現(xiàn)；

信息技術(shù)達(dá)到“3T”水平（即傳輸速率、信息交換容量、信息存儲容量都將達(dá)到Tb/s量級），光子時代的到來。

激光產(chǎn)生的原理一般光源的發(fā)光:受激吸取和自發(fā)輻射激光產(chǎn)生:受激輻射、光的放大、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

原理？？受激吸取和自發(fā)輻射一般常見光源發(fā)光：物質(zhì)受外來能量作用原子中的電子吸取外來能量而從低能級躍遷到高能即原子被激發(fā)處在高能級在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級躍遷，躍遷時將產(chǎn)生光輻射受激輻射和光的放大受激輻射的過程大致為：原子起先處于高能級E2，當(dāng)一個外來光子所帶的能量正好為某一對能級之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)：原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率相同，而且放射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光信號被放大這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光

形成激光的三個條件

產(chǎn)生激光必要條件1.實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

２.使原子被激發(fā)

３.要實(shí)現(xiàn)光放大

——工作物質(zhì)

——光學(xué)諧振腔——激勵能源

部分反射鏡

激勵能源

全反射鏡

激光輸出

工作物質(zhì)

光學(xué)諧振腔L激光的特性

方向性好亮度高單色性好相干性好高的光子簡并度包括了上述四特性

方向性好

單色性好高亮度激光的應(yīng)用由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)而在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：1：激光應(yīng)用于軍事領(lǐng)域

2：激光在信息技術(shù)領(lǐng)域---全息照相與光存儲中的應(yīng)用3：激光在光通信領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用

4：激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用5：激光在工業(yè)加工領(lǐng)域中的應(yīng)用6：激光在物理、化學(xué)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用7：激光應(yīng)用于科學(xué)探討領(lǐng)域：激光冷凍原子與原子鐘、激光引發(fā)核聚變絕無僅有的光刀激光的會聚性好，好到什么程度呢？假如將激光器放射出來的光，經(jīng)透鏡聚焦后形成一個圓錐形的光束，其光束可以聚集在0.1毫米乃至0.1微米的微細(xì)光點(diǎn)上，而功率密度高達(dá)109-1013瓦/厘米2，約為太陽光聚焦后最大功率密度的100萬倍到10億倍。這種微細(xì)的高能激光束猶如一把鋒利的尖刀，使琳瑯滿目的刀具世界里，增加了具有無堅不摧威力和神通廣袤本事的奇異激光刀。

用途廣泛的激光刀正是由于激光刀具有這么多一般刀具所望塵莫及的珍貴特性，才使其在醫(yī)學(xué)、生物、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。醫(yī)療手術(shù)的魔刀激光刀問世以來，在各種手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，而且效果比一般手術(shù)刀要好，因?yàn)榧す獾蹲饔玫缴矬w上時會產(chǎn)生四種奇異的效應(yīng)，分別是熱效應(yīng)、壓力效應(yīng)、電磁效應(yīng)和光化效應(yīng)。接受激光刀對人體做手術(shù)，當(dāng)激光刀作用到人體組織的表皮上時，由于熱效應(yīng)使得在作用點(diǎn)上的溫度急劇上升，在千分之幾秒內(nèi)作用區(qū)內(nèi)的溫度從一般體溫上升到200—1000℃。在這么高溫度的作用下，使得表皮內(nèi)層部分的水分快速蒸發(fā)、汽化，致使皮層下部的氣壓快速上升，造成表皮層突起，進(jìn)而形成一個封閉氣泡。在千分之幾秒的一剎那，這種氣壓可以猛升到每平方厘米幾千公斤，比汽車輪胎中的氣壓還要高幾十到100倍！在如此高壓力的作用下，氣泡突然裂開，于是表皮被切開。這就是激光刀的壓力效應(yīng)，似乎微型爆炸，快速將表皮炸開。皮層切開后，激光刀接著深化到內(nèi)部組織，使內(nèi)部組織不斷被加熱，溫度接著上升，水分不斷被蒸發(fā)掉，使得人體內(nèi)部組織不斷收縮，甚至被局部炭化。通過這種方式，便可以將患部的病灶切除或“燒”掉。激光手術(shù)刀具有不出血和精細(xì)的特點(diǎn)，特殊適宜于各種手術(shù)?，F(xiàn)已廣泛地用于一般外科、心臟外科、腦外科、骨科、消化道、泌尿外科、婦產(chǎn)科以及燒傷、五官科的手術(shù)。世界上很多國家的醫(yī)院都有“光刀”，我國也已特殊普遍了。醫(yī)生用激光手術(shù)刀切開病人的腹部裁剪分子的快速剪刀小小的分子，組成了千差萬別、形形色色的各種各樣的物質(zhì)。高分子材料就是由高分子化合物組成的一種新的材料，算是浩大的材料王國中的后起之秀。由于高分子中各原子之間都是通過細(xì)小的化學(xué)鍵連接起來的，原子之間的化學(xué)鍵是不會輕易“松”開的，要使它“松”開，就得接受強(qiáng)制的方法，最好是能有種微型剪刀將它剪斷。假如接受奇異的激光刀，在指定的地方將化學(xué)鍵剪斷，使它形成一種新的高分子，具有所須要的特定性能，這樣就會使高分子材料的面貌來一次空前的大改觀。分子細(xì)小，化學(xué)鍵短是第一道難題，更難的在于分子中的這些原子，時時刻刻都在亂蹦亂跳，而且跳動的速度是驚人的，每秒鐘內(nèi)上下左右跳動幾十億次以上。因此化學(xué)鍵的短小以及原子的快速振動，成為分子裁剪中的關(guān)鍵。假如接受常用連續(xù)工作的激光刀，明顯不行。雖然它很微細(xì)，化學(xué)鍵短的難題難不住它，但它不快速，所以一刀下去，該剪的地方可能沒有剪著，不該剪的地方反而誤傷了，甚至還可能剪到原子的“頭”上去，不能達(dá)到預(yù)期的效果。為了攻下這道難關(guān)，就必需研制一種超快速微型激光刀，實(shí)行突然攻擊的方式，在化學(xué)鍵兩端的原子還來不及返回之前，就閃電般地將它斬斷。70年頭以來，由于超短脈沖激光技術(shù)的重大突破，已研制成功了一種超短脈沖激光器，它能放射出脈沖時間只有10-8-10-12秒的激光束，用它作為一種超快速的激光剪刀，可以在十億分之一秒，甚至一萬億分之一秒的一瞬間，就以迅雷不及掩耳之勢將指定的化學(xué)鍵精確地剪斷。這種奇異的超快速激光刀，已成為高分子化學(xué)探討者所寵愛的用來剪裁分子的特殊剪刀。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的寶刀選種、育種是農(nóng)夫特殊重視和關(guān)注的事情。激光問世以后，科學(xué)家們發(fā)覺用激光照射種子，能夠誘發(fā)突變和遺傳變異，對于培育良種具有重要的意義。生物細(xì)胞內(nèi)的染色體是確定各種生物遺傳特性的主要因素。可以利用激光刀對農(nóng)作物細(xì)胞內(nèi)的染色體進(jìn)行剪切，從而變更農(nóng)作物的遺傳特性，促進(jìn)它的變異，進(jìn)而創(chuàng)建出新的農(nóng)作物品種。一般只要接受功率為幾毫瓦的氦氖激光束，對種子的胚部進(jìn)行3至5分鐘短時間的照射處理就可以了。在我國已有27個省、市、自治區(qū)普遍開展了激光育種的試驗(yàn)，培育了一大批良種，為奪取農(nóng)業(yè)連年豐收做出了新的貢獻(xiàn)。工業(yè)加工的萬能刀隨著激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展，快速形成了一門嶄新的激光加工技術(shù)。而奇異的激光刀就是萬能的加工刀。雕刻藝術(shù)是一門古老的藝術(shù)。傳統(tǒng)的雕刻方式，大都是接受手工雕刻，對于困難而細(xì)膩的藝術(shù)圖案中微小部分的雕刻，感到特殊困難，且刀刃用不了多久就會鈍化。激光刀的出現(xiàn)，給雕刻藝術(shù)帶來了新的希望。用激光刀不但能進(jìn)行雕刻，而且能進(jìn)行傳統(tǒng)雕刻方式所不能達(dá)到的特殊精細(xì)的雕刻。新型的激光雕刻刀是一種微細(xì)的熱刀，用它刻出來的最細(xì)線條寬度可以小到0.05毫米，這是一般雕刻刀所望塵莫及的。所以，接受激光雕刻刀，可以雕刻困難而細(xì)膩的藝術(shù)圖案。在雕刻過程中，也不存在刀口磨損和鈍化的問題，因而雕刻的線條勻整、精細(xì)。殺氣騰騰的死光利用激光高亮度所產(chǎn)生的易于集中和放射的高能量，使激光可以像一位醫(yī)德高尚、醫(yī)術(shù)超群的神醫(yī)，成為治病救人的慈善家；也可以兇相畢露、殺氣騰騰，成為殺人武器，不僅令人毛骨悚然，就連飛機(jī)、導(dǎo)彈，也無不望“光”喪膽。中國99坦克激光致盲武器寶石路”GBU-12激光制導(dǎo)炸彈

中國海洋大學(xué)研制的車載激光測風(fēng)雷達(dá)正為國際帆船賽測量賽區(qū)風(fēng)場，這是我國第一臺車載激光測風(fēng)雷達(dá)美國“空基反導(dǎo)激光攔截試驗(yàn)機(jī)”YAL-1空載激光武器，這種高能量激光武器可以配置在大型飛機(jī)的前部，能夠擊落彈道導(dǎo)彈和其它能感覺到的來自空中的威脅激光武器的優(yōu)點(diǎn)

1．無需進(jìn)行彈道計算2．無后座3．操作簡便，機(jī)動靈敏，運(yùn)用范圍廣4．無放射性污染，效費(fèi)比高艦載激光武器▲利用激光極好的相干性：★測量：精密測長、測厚、測角，測流速（10-5─104m/s），定向（激光陀螺），測電流、電壓（磁光效應(yīng)），激光抗干擾性強(qiáng)。★全息技術(shù)：全息存儲，全息測量，全息電影，全息攝影等。激光在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用全息照相光存儲大屏幕顯示英女王的全息照片

多路合成角度全息用于藝術(shù)品展示全息激光防偽標(biāo)簽，已經(jīng)是一個很大的產(chǎn)業(yè)

激光全息存儲

利用激光干涉原理將圖文等信息記錄在感光介質(zhì)上的大容量信息存儲技術(shù)通過將縮微膠片上的影像轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?，然后制出存儲密度更大的全息圖全息圖是由干涉條紋組成的影像，該條紋記錄了入射光線的全部信息—振幅和相位閱讀還原時，需在激光照射下利用條紋影像的衍射原理使其再現(xiàn)激光全息存儲的優(yōu)點(diǎn)

信息存儲容量大---可達(dá)1Tb/cm3記錄速度快記錄信息不易丟失---壽命可達(dá)數(shù)百年便于長期保存---每一碎片都包含完整信息便于拷貝、復(fù)制體全息信息存儲

體全息信息存儲原理DPL大屏幕顯示

接受二極管泵浦的固體激光器，倍頻輸出紅綠藍(lán)三基色的激光全色顯示具有色調(diào)特殊豐富多彩，亮度高、清晰度高等優(yōu)點(diǎn)預(yù)料將來10年內(nèi)在計算機(jī)投影儀、大屏幕高清晰顯示和數(shù)字電視方面得到廣泛應(yīng)用RGBTVSET

DiodePumpedLaser轉(zhuǎn)換產(chǎn)生RGB

DiodePumpedMicroLaserDPLProjectionTV

★激光光纖通訊：載波頻率高（1011─1015Hz），信息容量大，清晰，功耗小，激光用于通訊光通信原理示意圖

光纖通訊光通信用的激光器差不多全部是半導(dǎo)體激光器，只有少量的CATV系統(tǒng)接受1310納米或1550納米LD泵浦固體激光器。通信用的激光器主要有兩類：光纖放大器用的泵浦光源和放射機(jī)用的信號光源。應(yīng)用于自由空間光通信（FSO）的激光器有850nm和1550nm兩種自由空間光通信（FSO）

用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號的通信系統(tǒng)，即以大氣為媒介的激光通信系統(tǒng)兩種工作波長：850納米1550納米850納米設(shè)備便宜，應(yīng)用于傳輸距離短的場合1550納米紅外光波可被視角膜吸取，照不到視網(wǎng)膜，可增大傳輸功率，適用于傳輸距離遠(yuǎn)的場合自由空間光通信（FSO）的優(yōu)點(diǎn)

1）快速鏈路部署—無需埋設(shè)光纖等待手續(xù)2）無需頻譜許可證3）帶寬高—支持150mb/s到10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離2-4公里4）平安保密性強(qiáng)5）協(xié)議透亮6）成本低—是光纖到樓的1/10到1/37）便攜性飛秒激光簡介飛秒激光應(yīng)用概述飛秒激光典型應(yīng)用飛秒強(qiáng)激光的獲得

飛秒激光產(chǎn)生高次諧波——軟x激光的產(chǎn)生飛秒激光Thomson散射——硬x激光的產(chǎn)生飛秒激光電子加速器飛秒激光用于受控核聚變飛秒激光用于大氣物理飛秒激光用于微納米加工飛秒激光用于高密度存儲飛秒激光用于分子生物學(xué)飛秒激光及其應(yīng)用1.脈沖寬度極短

1fs=10-15秒(電子繞原子核半周的時間)微觀世界超快過程的研究物理化學(xué)生物學(xué)飛秒激光簡介--飛秒激光的特點(diǎn)

2.峰值功率極高

1012~1015W1018~1021W/cm2

(E=1011V/cm氫原子庫侖場5×109V/cm）極端物理條件光壓109~1012bars

磁場109高斯

加速度1021g(1022m/s2)

溫度108聚焦飛秒激光簡介--飛秒激光的特點(diǎn)飛秒激光飛秒激光的產(chǎn)生超快科學(xué)（探測相識某些超快物理過程）物理化學(xué)生物學(xué)超快技