现代激光应用技术175页PPT

3.自20世纪60年代初梅曼成功地研制出激光器后不 久，在美国及前苏联就开始了激光核聚变——惯性 核聚变的研究。
13.1.3 激光压缩点燃核聚变的原理
1.压缩点燃的方式有两种：一种是直接照射方式— —多束激光以球对称方式直接照射在靶丸表面；一 种是间接照射方式——将靶丸放入由金等重金属制 成的空腔中，通过激光照射空腔内表面产生的X射 线再照射靶丸。
拉曼效应的量子解释：当能量为 Eh0 的光子作用 于物体的分子时，可以产生两类碰撞，一类为“弹 性碰撞”，能量不变，散射频率与入射频率相同， 这属于瑞利散射；另一类为“非弹性碰撞”，在这 种碰撞过程中，入射光子可能把一部分能量转移给 分子。此时，散射后的光子的频率变小，即：
＝0－hE
即所谓谱线斯托克斯位移；另外，也有可能从 分子获得一部分能量。此时，散射后的频率变 大，即： ＝0＋hE
线圈构成（如图）。
13.3 激光操纵微粒
13.3.1 光捕获
1.光捕获法是利用光的力学作用，对微米以下的 微小物体，用激光束夹住并使其移动的技术 2.光子具有一定的动量，当光入射到微粒上时，光 动量将随着与微粒的相互作用中所产生的反射、折 射、吸收等过程而变化。而力又由动量的变化所产 生，如果在Δt时间内动量的变化量为ΔP，那么其产 生的力F可由下式表示：
h
Mc
原子吸收光子动量减小
温度也就降低了。由于这种减速实现时必须考虑入 射光子对运动原子的多普勒效应，所以这种减速就 叫多普勒冷却。
3.由于原子速度可正可负，就用两束方向相反的 共振激光束照射原子.这时原子将优先吸收迎面 射来的光子而达到多普勒冷却的结果。
方向相反的两束激光照射原子
4.实际上，原子的运动是三维的。1985年贝尔实验室 的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿x，y， z三个方向照射钠原子（如图），在6束激光交汇处的 钠原子团就被冷却下来，温度达到了240ºK。

SMART-1号与地面进行激光通信 测试模拟图
2013.06.20.神舟十号宇航员王亚平在天宫一号上授课，利用激光技术 实时天地传输。
•◆ 激光信息存储
•◆ 激光全息
•激光全息防伪
利用激光准直开凿隧道
•激光水幕电影
•激光表演
•激光灯会
•激光琴
四. 激光技术的发展
1.建立激光产业
激光加工产业 激光印刷产业 激光光盘产业 光纤通信产业 激光医疗产业 激光武器、激光分离同位素等也将形成产业
•电
•用途： •可在更远距离内使人致盲引爆。
•源
•破坏敌方夜视仪、测距仪等光电
传感器且无声响、效益高。
97-3式激光枪
•2）高能激光武器（强激光武器、激光炮）
• 利用高功能激光摧毁敌方卫星、导弹、飞机、坦克等大型目
标的武器。（现仍在研制阶段）
•历史与现状：
•1973年春，美军用激光炮一举击落长4.57m 时速482.8Km的飞行靶机;
•1976年以用激光炮击落两 架飞行于900m高空的高空无 人架驶飞机;
•1978年美国陆军用激光 炮在1--2Km内击落正在高 速飞行的“陶式”反坦克 导弹弹头裂成碎片;
美国高能激光武器发射窗
美国“激光复仇者”系统 安装于悍马吉普车上，移 动便捷，被视为未来战争 中的一种革命性武器。
激光炮 美国把激光武器安装在运输机上，用以击毁
激光美容、激光手术
激光手术刀、激光纤维内窥镜、低功 率激光治疗及检测诊断等。
激光治疗仪
脉冲Ho:YAG激光治疗仪
（德国,0.8μm,3J,20Hz, 光纤输出）
脉冲Er:YAG激光治疗仪 （美国,2.94μm,30w,2J,七关节输出）

1.1.1激光发展的历史

1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结 构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；
"for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them"
高方向性

激光高方向性主要指光束发散角小。
2.44 D

2


为波长，D为光束截面直径。 激光发散角成因：输出孔径衍射、波长振荡模式、 腔长、工作物质。 基模发散角最小，横模阶次越高，发散角越大。 改善方向性的方法：选模、改良谐振腔。
1.1 激光的发展与现状

பைடு நூலகம்什么是激光？ LASER：

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射光放大

死光：《珊瑚岛上的死光》 镭射：LASER的音译 光量子放大器 光激射器 激光
1.1.1 激光发展的历史

1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并 因此获得1921年诺贝尔物理学奖；
"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"
1.1.1激光发展的历史

突破


1958年（肖洛）Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论文 “Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为一种新事物登 上了历史舞台。 1960年5月，休斯实验室的（梅曼）Maiman研制的红宝石激 光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台 激光器。

激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质 （如晶体、玻璃等）中的 粒子，实现粒子数反转并 产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念

• 声光调Q是一种广泛使用的 Q开关方式，其有重复频率高、性能可靠的优点。
激光调制前
激光调制后
4.机械运动系统
• 基片送入后，高精度伺服电机在微机的控制下转动振镜的角度；
• 激光束通过扫描镜的反射，由f-θ场镜聚焦到基片的边缘位置上；
• 在微机上通过专用的控制软件输入总的清边面积、激光束的行走速度 和需要重复的次数；
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
4.重叠率计算——Overlap
全反光镜
反光镜： （越75%
）
Shutter
激光器外形 接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
镜头聚焦原理——凸透镜
激光刻划原理——以P1为例
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。

某型激光治疗仪的参数：
激光诱变育种
激光诱变育种是近二十年来发展起来的一种新技术 可以诱发 染色体及性状变异。以转基因牛育种为例。利用激光诱变 筛选出对牛的品质有良好改良的基因，再通过转基因技术 对牛进行品种改良或新品种培育，主要体现在两个方面： 一是提高牛的抗病能力;二是提高牛的肉奶产量、改善奶品 质，同时转基因技术在改善牛的生长、肉质等性状也有一 些重要进展。（实际上激光育种产生的种子不一定都是人 们想要的，这个需要人们自行挑选对自己有益的）。
美国海军激光武器试验视频
美国海军自行发展了激光近距离武器系统，目标是将该激 光武器系统安装在密集阵武器系统侧面，激光器可对付15 千米外的目标，保留的 20毫米加特林速射炮负责 1.5 千米 距离上的目标。系统采用了6台5千瓦级光纤激光器，实现 总输出功率32千瓦。
激光针灸是一种利用激光的微细光束照射穴位 以治疗疾病的新型针灸方法 低能量激光主要有抗炎、促进上皮细胞生长等 作用。与传统针灸方法相比，其特点是无针刺 引起的疼痛，对组织无损害，无滞针、断针及 针穴感染之可能，不但有类似针灸的作用，同 时还有激光本身所引起的一系列生物效应。

激光对焦（为了安全，激光对焦的功率一般在0.4
毫瓦以下，使用的激光为红外波段激光。）
缺点：对于细长的物体不能很好的对焦，对于较远距离的 物体不能很好的对焦； 优点：对焦速度快、不受环境光线影响。
其实，将激光对焦和相位对焦结合使用优势明显。
激光武器在科幻小说和科幻电影中很早就有涉及， 但是直到最近几年才有相关武器的试验报道（也 有可能有秘密实验在更早的时候进行，但是就像 51 区一样我们不得而知）。它和电磁轨道炮一样 在武器领域内比较热门。
现今智能手机发展十分迅速，拍照成为了各家厂商宣传的 重点。除了摄像头像素，光学防抖外，对焦技术也是炒作 焦点。手机对焦方式主要有三种：反差对焦、相位对焦、 激光对焦。 反差对焦就是不断移动镜头找到对比度最高 的镜头位置； 相位对焦是将入射光线分成成对的图像，执行一次相位差计 算以直接确定对焦位置。

利用激光的特定波长和能量对物质进行光谱分析，研究物质的组成和 结构。
激光雷达
利用激光的反射和散射特性对大气进行探测和研究，用于气象预报、 气候变化等领域。
激光冷却和囚禁原子技术
利用激光的相干性和偏振特性实现对原子的精确控制和囚禁，用于研 究量子力学和量子计算等领域。
激光操控和微纳加工技术
利用激光的强光束和高能量密度对微小颗粒和纳米材料进行精确操控 和加工，用于制造微型机械、传感器、集成电路等领域。
信、卫星还原度等特点，未来将逐渐取代传 统的显示技术，成为主流的显示方 式之一。
医疗领域
激光技术在医疗领域的应用将更加 广泛和深入，如激光手术、激光治 疗等，为医疗领域的发展提供更加 先进和安全的技术手段。
04
CATALOGUE
激光的安全与防护
激光的危害
激光辐射对眼睛的危害
01
高强度激光辐射直接照射眼睛，可能导致视网膜损伤、黄斑病
变等严重眼病。
激光辐射对皮肤的危害
02
激光辐射长时间照射皮肤，可能导致皮肤灼伤、色素沉着、皮
肤老化等问题。
激光辐射对其他生物体的危害
03
激光辐射可能对其他生物体产生影响，如影响植物的光合作用
、影响动物的视觉和行为等。
激光的安全标准
激光焊接
通过激光束的高能量密度实现 材料的快速、高效焊接，提高 焊接质量和效率。
激光打标
利用激光的高能量密度在各种 材料表面进行永久性标记，广 泛应用于产品追溯、防伪鉴别 等领域。
激光清洗
利用激光的强光束和高温去除 各种材料表面的污垢和杂质， 具有环保、高效、无损等优点
。
医疗美容
01
02
03
04

1 激光发展史
心脏动脉血管支架 1064nm激光 医疗设备（去斑等）
1 激光发展史
激光之母。受控核聚变很久以来都是人们认为最理想的清洁能源发电方式。1962年，劳伦斯 利弗莫尔国家实验室的物理学家约翰·纳科尔斯（John Nuckolls）在加利福尼亚州利弗莫尔， 提出用激光脉冲加热和压缩的重氢同位素块实现受控核聚变。从那以来，利弗莫尔实验室 一直追寻着这个理念，他们使用的激光器也越来越大，终于在美国国家点火实验设施中达 到巅峰。 这是一个复杂的系统，可以同时发出192束激光，去年，在十亿分之几秒的时间内， 产生了能量达到100万焦耳的激光脉冲，使之成为有史以来能量最强的激光器。 （美国国家点火实验设施 (NIF)是美国出于研究核聚变反应设想而建造的试验装置。）
美国（包括北美）占55% ，欧州占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。因此我们选择美国、日本、 德国三个国家， 介绍他们激光产业发展情况，也就反映了世界激光市场的基本情况 及其发展趋势。
1 激光发展史
国产激光焊接机
1 激光发展史
激光数控切割机
1 激光发展史
进口高精度激光雕刻机
1 激光发展史
激光外科手术。激光在医学上的首次成功应用是进行眼内手术，但是不需要切开眼球。早在 1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。更大的 成功在1968年到来，外科医生弗朗西斯·莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光 器破坏异常的血管，以避免这些血管在视网膜中扩散，致使糖尿病人失明。这种治疗方法已 经挽救了数百万人的视力。如今，激光也被用来切割角膜，以矫正视力，或者使胎记和刺青 褪色。

三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★激光核聚变的研究 • 将高功率的激光束聚焦后照射靶丸上产生高温高压，引起核聚变。
美国国家点火装置（简称NIF），世界 最大的激光核聚变装置。被称为“人造 太阳”。
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★激光化学技术
激光化学技术是用激光来指挥化学反应。
因为激光携带高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的 键上，比如用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改 变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程，也可利用 改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效的把能量打在分子 上，触发某种预期的反应。
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★超快激光技术
• 超快超强激光主要是以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的 工具和手段，飞秒激光的应用可以概括为三个方面：飞秒激光在超快领域、超强领 域和超微细加工中的应用。
•
感
感
谢 阅 读
谢 阅性能的合金。 自熔性合金粉末主要分为镍基、钴基、铁基自熔性合金粉末。
铁基合金 镍基合金 粉末 钴基合金
粉末 复合粉末 粉末
二 激光加工技术应用
工业应用
• 激光熔覆加工方式 1、预置粉末：将粉末预置到基体上，预置的过程中要使粉末分布均匀然后用激光
进行熔覆。 2、同步送粉：是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆
在整个中国的激光产业中，激光材料加工近几年的发展势头强劲，且有 很大的空间，激光加工在中国激光产业中占的比例也是日益重大。
三 激光技术发展现状与趋势
发展现状
• 目前，全国激光市场销售主要为光通信器件、激光加工设备、激光器、 激光医疗设备等。主要分布在长三角、珠三角、华中、环渤海等区域。

超快激光技术面临的挑战主要包括如何提高激光器的重复 频率和稳定性，如何降低制造成本和提高生产效率，以及 如何解决超快激光对材料和环境的影响等问题。
光子晶体与光子集成电路
光子晶体是指具有光子带隙的人工微结构材料，能够控制光子在特定频率范围内 的传播。光子集成电路则是指将光子器件集成在一块芯片上，实现光子器件之间 的相互作用和光子信号的处理。
光动力治疗
利用特定波长的激光激活 光敏剂，产生光化学反应 ，杀伤病变细胞，常用于 治疗肿瘤等疾病。
激光美容
利用激光的能量对皮肤进 行美白、祛斑、除皱等治 疗，具有无创、无痛、无 副作用等优点。
激光雷达
激光雷达测距
利用激光对目标进行测距，具有精度 高、响应速度快等优点，常用于地形 测绘、无人驾驶等领域。
光器。
激光器的性能参数
输出功率
表示激光器的输出能量，单位 为瓦特。
光束质量
表示激光束的发散角、光束直 径和光束质量因子等参数。
波长与光谱宽度
表示激光的频率范围和光谱宽 度。
稳定性与可靠性
表示激光器的稳定性和可靠性 ，包括温度稳定性、寿命和故
障率等参数。
03 激光技术的基本特性
激光的相干性
相干性定义
相干性描述了光波之间的相互影响和关联程度。在激光中，相干性 是指光波在时间和空间上的有序性和规则性。
相干性的重要性
相干性决定了激光的干涉和衍射现象，是实现激光高精度、高效率 加工的关键因素。
相干性的应用
利用激光的相干性，可以实现干涉测量、光学通信、全息成像等技 术。
激光的偏振性
偏振性的定义
偏振性是指光波的电矢量或磁矢 量在传播方向上的振动特性。在 激光中，偏振态是指光波电矢量

激光通信技术
随着5G、6G等通信技术的发展，激光通信将以其高速、 大容量和低延迟的优点，成为未来通信领域的重要发展方 向。
超快激光技术
超快激光具有极短的脉冲宽度和高峰值功率，未来将进一 步拓展其在材料加工、生物医学和科学研究等领域的应用 。
激光雷达技术
激光雷达具有高精度、高分辨率和高抗干扰能力等特点， 未来将广泛应用于无人驾驶、环境监测和智能交通等领域 。
光盘存储技术具有容量大、寿命长、 可靠性高、易于携带等优点，因此在 信息存储领域得到了广泛应用。
CD、DVD和蓝光光盘
CD、DVD和蓝光光盘是最常见的光盘 存储技术，它们能够存储大量的数据和 信息，包括音乐、电影和软件等。
激光在数据读写中的作用
激光束的聚焦和准直
通过精确控制激光束的聚焦和准直，可以实现高精度的数据读写。
随着技术的进步和应用需求的提高，需要 研发更多新型激光器件，以满足不断变化 的应用需求。
如何将各种激光器件、光学元件和控制系 统集成在一起，实现激光系统的智能化和 自动化，是当前面临的重要挑战。
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生物传感器
生物传感器是一种利用生物分子识别 原理来检测目标物质的传感器。
生物传感器在医疗诊断、环境监测、食品 安全等领域具有广泛应用，例如用于检测 血糖、尿酸、农药残留等的生物传感器。
通过将生物分子（如酶、抗体、核酸等）与 换能器结合，生物传感器能够将生物分子与 目标物质的反应转化为可测量的电信号或光 信号。
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激光身份验证具有高度的安全性、 准确性和可靠性，能够有效地防 止未经授权的访问和身份盗用。