應用光電第二章——激光技術(shù)及應用

1、1第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用激光：LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光是光的受激輻射光學量子放大器，鐳射，萊塞激光（錢學森）2第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用o 1 1、方向性、方向性 激光發(fā)散角小，可達激光發(fā)散角小，可達mradmrad量級，接近于衍射極限。量級，接近于衍射極限。o 2 2、單色性、單色性 激光的譜線寬度很窄，單色性很好。激光的譜線寬度很窄，單色性很好。o 3 3、高亮度、高亮度 激光的發(fā)光面小，發(fā)散角小，線寬窄，所以有很高的光激光的發(fā)光面小，發(fā)散角小，線寬窄，

2、所以有很高的光譜輻亮度。譜輻亮度。 o 4 4、相干性、相干性 激光的發(fā)散角小，線寬窄，所以空間和時間相干性都很激光的發(fā)散角小，線寬窄，所以空間和時間相干性都很好。例如，穩(wěn)頻的好。例如，穩(wěn)頻的He-NeHe-Ne激光器線寬可達激光器線寬可達v v10kHz10kHz，相干，相干長度達長度達LcLc= =c c/v v=30km=30km。3第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用愛因斯坦愛因斯坦1917年，提出受激輻射概念，年，提出受激輻射概念，預測了受激輻射放大。預測了受激輻射放大。R.C.Tolman1924年，提出具有粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)年，提出具有粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)的介質(zhì)，具有光學增益（激光產(chǎn)生的條件

3、之一）。的介質(zhì)，具有光學增益（激光產(chǎn)生的條件之一）。激光器發(fā)展歷史激光器發(fā)展歷史4第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用Townes and Prokhorov1953年，分別獨立報道年，分別獨立報道微波受激輻射放大器（微波受激輻射放大器（Maser），激光的實驗基礎），激光的實驗基礎Townes and Schawlow1958年，拋棄了尺寸年，拋棄了尺寸必須和波長可比的封閉或者諧振腔的思路，提出尺寸必須和波長可比的封閉或者諧振腔的思路，提出尺寸遠大于波長的開放式諧振腔實現(xiàn)遠大于波長的開放式諧振腔實現(xiàn)laser的新思想。的新思想。TownesProkhorov激光器發(fā)展歷史激光器發(fā)展歷史

4、5第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用Maiman1960年年5月月16日，利用紅寶石棒首次觀察日，利用紅寶石棒首次觀察到激光（美國休斯公司）。到激光（美國休斯公司）。7月月7日，向世界演示。日，向世界演示。8月月16日，在日，在Nature發(fā)表簡短報道。發(fā)表簡短報道。激光器發(fā)展歷史激光器發(fā)展歷史6第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用激光器發(fā)展歷史激光器發(fā)展歷史鄧錫銘，王之江鄧錫銘，王之江1961年年7第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用激光器發(fā)展歷史激光器發(fā)展歷史8第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用激光器的種類激光器的種類工作物質(zhì)：固體、氣體、液體、染料、離子、原子

5、、半導體、工作物質(zhì)：固體、氣體、液體、染料、離子、原子、半導體、X射線射線輸出功率：大功率、低功率輸出功率：大功率、低功率工作方式：超短脈沖、短脈沖、脈沖、連續(xù)工作方式：超短脈沖、短脈沖、脈沖、連續(xù)輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻、穩(wěn)功率、穩(wěn)方向輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻、穩(wěn)功率、穩(wěn)方向9第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用激光應用技術(shù)激光應用技術(shù)利用其能量 2. 利用其它參數(shù)，相位、波長、偏振等，傳遞信息信息技術(shù)方面應用：光通訊，光存儲，光放大，光計算檢測技術(shù)方面：測長，測距，測速，測角，測三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理醫(yī)學應用：外科手術(shù)，眼科手術(shù)，激光輻照（皮膚科，婦產(chǎn)科）科學研究：激光核聚變，激

6、光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷1. 激光加工激光加工第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用長脈寬激光作用于材料時，通過焦耳加熱吸收激光能量，經(jīng)晶格/電子熱傳導使材料輻照區(qū)域升溫，熔化至汽化完成材料的去除。“熱加工”效應所引起的熱影響區(qū)、熔凝殘渣及應變裂紋是限制工件加工精度、效率和工藝重復性提高的主要原因。激光冷加工：激光冷加工：消除激光對材料“熱加工”作用就必須抑制激光能量輸入所產(chǎn)生的熱傳導效應。如果激光光子的作用時間可以小于材料導帶電子/晶格的熱振動傳遞時間，就有可能因為來不及進行熱傳遞，而通過光子作用下的碰撞電離、光致電離或隧道電離等機制激發(fā)電子從價帶躍遷至導帶，電子濃度會伴隨

7、電離的進行而不斷增強，在脈沖結(jié)束之前通過庫侖爆炸達到臨界閾值，引發(fā)材料晶格結(jié)構(gòu)不可恢復的破壞，宏觀表象即為被作用材料無“熱效應”的去除，這就是超短脈沖激光實現(xiàn)“冷加工”的基本物理基礎。不同材料電子與離子間的能量弛豫時間為 1061012 s。23第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用2. 慣性約束核聚變（激光點火，王淦昌，慣性約束核聚變（激光點火，王淦昌，1964）24尋找新能源E=mc2 核能o 歷史回顧1896. A. H. Becqueral發(fā)現(xiàn)鈾放射現(xiàn)象1897. 居里夫婦發(fā)現(xiàn)钚和鐳1903. 盧瑟福證實，就是4He和電子，接著 提出核 模型1919. 第一個人工核反應1932.

8、J. Chadwick發(fā)現(xiàn)中子,接受中子和質(zhì)子組成原子核模型1934. 人工制備放射元素1938. O. Hahn and F. Strassmana： nU 中間質(zhì)量元素1941.12. 曼哈頓計劃25核反應堆現(xiàn)狀核反應堆現(xiàn)狀1954.第一座核電站第一座核電站;1976. 全世界裝機容量全世界裝機容量1億億kW;1999.全球全球30多個國家，多個國家，436座核電機運行座核電機運行3.5億億kW; 核發(fā)電占核發(fā)電占18%,美國占世界總量的美國占世界總量的27.6%; 核電占能源的比例核電占能源的比例: 法法78%,歐洲有歐洲有6個國家超過個國家超過 40%,日日 30%,臺臺8%,中國大陸

9、中國大陸2%21世紀初，估計世紀初，估計1000座，容量座，容量800GW，占總量占總量 35%261+1 1+1 2 2（Mn + Mp）- Md = 2.225Mev 重核裂變重核裂變: : n +235U 236U 144Ba+89Kr+3n 輕核聚變輕核聚變核能量獲得途徑：核能量獲得途徑：27裂變存在的問題裂變存在的問題1.1.核污染，核事故核污染，核事故2.2.鈾分離成本極高鈾分離成本極高前途前途 核聚變核聚變28D + T D + T 4 4He + nHe + n + 17.6Mev+ 17.6Mev聚變的優(yōu)點：聚變的優(yōu)點：1.效率是裂變效率是裂變4倍倍(蘊藏量蘊藏量1000萬倍

10、萬倍)2.安全、無污染安全、無污染（不產(chǎn)生長壽命放射性產(chǎn)物，（不產(chǎn)生長壽命放射性產(chǎn)物， 4He 次臨界堆）次臨界堆）3.原料易獲得原料易獲得 （海水（海水: 氘氘40萬億噸萬億噸,可用百億年可用百億年, 含量含量0.03g/L300L汽油汽油, 海水海水6Li, n+6LiT+4.9MeV29煤：煤：210210萬噸，萬噸，191191列列110110節(jié)車廂的火車節(jié)車廂的火車油：油：1 1千萬桶，千萬桶， 10 10艘超級油輪艘超級油輪核裂變：核裂變： 30 30噸噸UOUO燃料，燃料，1 1貨車貨車核聚變：核聚變： 600 600公斤公斤 6 6LiLi2 2H H原料原料100100萬萬k

11、WkW規(guī)模的電廠需要：規(guī)模的電廠需要：30J.D.Lawson J.D.Lawson 判據(jù)判據(jù) R 0.2gcm-1T108Kt：足夠長的熱能約束時間足夠長的熱能約束時間 1026 cm-3 等離子體等離子體聚變?nèi)胤e聚變?nèi)胤enet 1014s/cm331慣性約束聚變（ICF）概念 激光聚變大事記 ICF概念的提出美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室( 3380年代激光聚變重大突破 -壓縮點燃原理可行性考證階段1985-88年LLNL與LANLILE聯(lián)合進行Halite/Centurion計劃，利用地下核爆強X射線模擬激光轉(zhuǎn)換輻射場，實現(xiàn)百倍能量增益的聚變反應。1984年LLNL建成10束Nova激

12、光裝置，具有二、三倍頻能力（1999年拆掉，校核LASNEX程序）1988年日本大阪大學激光工程研究所(ILE),利用Gekko XII系統(tǒng)使DT密度壓縮至600g/cm334激光聚變大事記 90年代聚變點火考證階段o 1994年美建造巨型固體激光國家點火裝置（NIF）192路、1.8MJ, 500TW,50億美元o 1995年Rochester大學LLE建成新Omegao 1996年法國里梅爾-布朗頓研究中心Megajoule Laser(LMJ)計劃啟動,240路,35nso 1996年我國神光III（SGIII）計劃啟動o 1986年神光I, 2路, 800J/nso 1994年神光II

13、,8路, 3kJ/ns靶場系統(tǒng)概貌神光III激光裝置束數(shù) 64（8組） 口徑 300 x 300 能量 100kJ / 0.35m（60TW） 脈寬 3ns（任意整形脈沖） 打靶精度 50m 各束同步 10ps 各束能量平衡 losstimeSlow absorberPolarizerPolarizerHigh-intensity pulseLow-intensity pulseTi:SapphMirror.AnalyzerAnalyzer利用了材料的折射率隨光強變化的特性第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用激光選模技術(shù)激光選模技術(shù) 限制參與振蕩的模式的相關技術(shù)稱為激光選模技術(shù)，一般分四

14、類 ：激光譜線選擇、激光偏振選擇、壓縮振蕩激光束的發(fā)散角（橫模選擇技術(shù)）、限制激光振蕩頻譜數(shù)目的縱模選擇技術(shù)。1.激光譜線選擇 在腔內(nèi)放置棱鏡，通過調(diào)整棱鏡位置只讓需要的波長到達高反射棱鏡，完成反饋過程。2. 偏振選擇 在氣體激光器兩端放置布儒斯特窗，可使腔鏡上反射回來進入工作物質(zhì)的光束中，TM無損通過，形成振蕩。而TE受高反射損耗，難以形成振蕩。 第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用3 橫模選擇 通過控制光腔橫向尺寸，從而只讓基橫模TEM00振蕩，其他高階模都不滿足振蕩條件。 橫模選擇的原則： （1）增大橫模與基橫模的衍射損耗比 （2）減少激光工作物質(zhì)的內(nèi)部損耗和鏡面損耗，以及增大諧振腔的衍射損耗在總損耗所占比重。4 縱模選擇 激光物質(zhì)的增益線寬是有限的，因而縱模是無源光場允許的分立頻率成分的光場。 第二章第二章 激光技術(shù)及應用激光技術(shù)及應用其他的激光技術(shù)介紹 激光穩(wěn)頻技術(shù)： 解決頻率漂移而發(fā)展起來的激光技術(shù)。 激光調(diào)制技