應用光電第二章-激光技術(shù)及應用課件

1、1第二章 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）1第二章 激光技術(shù)及應用激光：LaserLight Amp2第二章 激光技術(shù)及應用1、方向性 激光發(fā)散角小，可達mrad量級，接近于衍射極限。2、單色性 激光的譜線寬度很窄，單色性很好。3、高亮度 激光的發(fā)光面小，發(fā)散角小，線寬窄，所以有很高的光譜輻亮度。 4、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好。例如，穩(wěn)頻的He-Ne激光器線寬可達v10kHz，相干長度達Lc=c

2、/v=30km。2第二章 激光技術(shù)及應用1、方向性3第二章 激光技術(shù)及應用愛因斯坦1917年，提出受激輻射概念，預測了受激輻射放大。R.C.Tolman1924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)生的條件之一）。激光器發(fā)展歷史3第二章 激光技術(shù)及應用愛因斯坦1917年，提出受激輻射4第二章 激光技術(shù)及應用Townes and Prokhorov1953年，分別獨立報道微波受激輻射放大器（Maser），激光的實驗基礎(chǔ)Townes and Schawlow1958年，拋棄了尺寸必須和波長可比的封閉或者諧振腔的思路，提出尺寸遠大于波長的開放式諧振腔實現(xiàn)laser的新思想。TownesP

3、rokhorov激光器發(fā)展歷史4第二章 激光技術(shù)及應用Townes and Prokhor5第二章 激光技術(shù)及應用Maiman1960年5月16日，利用紅寶石棒首次觀察到激光（美國休斯公司）。7月7日，向世界演示。8月16日，在Nature發(fā)表簡短報道。激光器發(fā)展歷史5第二章 激光技術(shù)及應用Maiman1960年5月16日6第二章 激光技術(shù)及應用激光器發(fā)展歷史鄧錫銘，王之江1961年6第二章 激光技術(shù)及應用激光器發(fā)展歷史鄧錫銘，王之江197第二章 激光技術(shù)及應用激光器發(fā)展歷史7第二章 激光技術(shù)及應用激光器發(fā)展歷史8第二章 激光技術(shù)及應用激光器的種類工作物質(zhì)：固體、氣體、液體、染料、離子、原子、

4、半導體、X射線輸出功率：大功率、低功率工作方式：超短脈沖、短脈沖、脈沖、連續(xù)輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻、穩(wěn)功率、穩(wěn)方向8第二章 激光技術(shù)及應用激光器的種類工作物質(zhì)：固體、氣體、液9第二章 激光技術(shù)及應用激光應用技術(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，激光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷9第二章 激光技術(shù)及應用激光應用技術(shù)利用其能量 1. 激光加工第二章 激光技術(shù)及應用1.

5、 激光加工第二章 激光技術(shù)及應用應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件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?！盁峒庸ぁ毙鸬臒嵊绊憛^(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。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

6、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(chǔ)。不同材料電子與離子間的能量弛豫時間為 1061012 s。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應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件應用光電第二章激光技術(shù)及應用課件

7、23第二章 激光技術(shù)及應用2. 慣性約束核聚變（激光點火，王淦昌，1964）23第二章 激光技術(shù)及應用2. 慣性約束核聚變（激光點火，王24尋找新能源E=mc2 核能歷史回顧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. 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24尋找新能源E=mc2 核能歷史回顧2

8、5核反應堆現(xiàn)狀1954.第一座核電站;1976. 全世界裝機容量1億kW;1999.全球30多個國家，436座核電機運行3.5億kW; 核發(fā)電占18%,美國占世界總量的27.6%; 核電占能源的比例: 法78%,歐洲有6個國家超過 40%,日 30%,臺8%,中國大陸2%21世紀初，估計1000座，容量800GW，占總量 35%25核反應堆現(xiàn)狀1954.第一座核電站;261+1 2（Mn + Mp）- Md = 2.225Mev 重核裂變: n +235U 236U 144Ba+89Kr+3n 輕核聚變核能量獲得途徑：261+1 2（Mn + Mp）- Md = 2.22527裂變存在的問題1

9、.核污染，核事故2.鈾分離成本極高前途 核聚變27裂變存在的問題1.核污染，核事故28D + T 4He + n + 17.6Mev聚變的優(yōu)點：1.效率是裂變4倍(蘊藏量1000萬倍)2.安全、無污染（不產(chǎn)生長壽命放射性產(chǎn)物， 4He 次臨界堆）3.原料易獲得 （海水: 氘40萬億噸,可用百億年, 含量0.03g/L300L汽油, 海水6Li, n+6LiT+4.9MeV28D + T 4He + n + 17.6Mev聚變的29煤：210萬噸，191列110節(jié)車廂的火車油：1千萬桶， 10艘超級油輪核裂變： 30噸UO燃料，1貨車核聚變： 600公斤 6Li2H原料100萬kW規(guī)模的電廠需要

10、：29100萬kW規(guī)模的電廠需要：30J.D.Lawson 判據(jù)R0.2gcm-1T108Kt：足夠長的熱能約束時間 1026 cm-3 等離子體聚變?nèi)胤enet 1014s/cm330J.D.Lawson 判據(jù)R0.2gcm-1T1031慣性約束聚變（ICF）概念31慣性約束聚變（ICF）概念 激光聚變大事記 ICF概念的提出1963年Basov發(fā)表激光聚變概念1964年王淦昌獨立提出激光打D化物靶出中子，開創(chuàng)中國激光聚變研究（用光 能激射器與含氘物質(zhì)發(fā)生作用,使之產(chǎn)生 中子） 1972年Nuckolls發(fā)表內(nèi)爆壓縮概念，激光聚變靶物理重大突破1974年美國KLM用兩束200J、100ps激

11、光驅(qū)動內(nèi)爆首次 產(chǎn)生中子1997年美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)建Shiva，20路，10kJ，1ns 激光聚變大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/cm33380年代激光聚變重大突破34激光聚變大事記 90年

12、代聚變點火考證階段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1995年Rochester大學LLE建成新Omega 1996年法國里梅爾-布朗頓研究中心Megajoule Laser(LMJ)計劃啟動,240路,35ns1996年我國神光III（SGIII）計劃啟動 1986年神光I, 2路, 800J/ns 1994年神光II,8路, 3kJ/ns34激光聚變大事記 90年代靶場系統(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 50

13、m 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 激光技術(shù)及應用鎖模方法有以下幾種modulator transmissio激光選模技術(shù) 限制參與振蕩的模式的相關(guān)技術(shù)稱為激光選模技術(shù)，一般分四類 ：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

14、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 激光技術(shù)及應用激光選模技術(shù)第二章 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 激光技術(shù)及應用3 橫模選擇第二章 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)制技術(shù)：激光作為載波，將信息加載