激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

關(guān)于激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用第1頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三第一講激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用1激光發(fā)展史

1）激光50年大事件

2）國外發(fā)展史

3）國內(nèi)發(fā)展史2）激光技術(shù)3激光技術(shù)的應(yīng)用（產(chǎn)業(yè)方面）

1）國外激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2）我國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題第2頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史

1）激光50年大事件第一束激光。1960年，西奧多·梅曼（TheodoreMaiman）在加利福尼亞州馬里布的休斯研究實驗室設(shè)計和建造了一臺小型的激光發(fā)生器。將閃光燈線圈纏繞在指尖大小的紅寶石棒上，產(chǎn)生了第一條激光，從此開啟了激光時代。

第3頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史1961年8月王之江院士設(shè)計制造?！爸袊す庵浮钡?頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光武器。軍事機(jī)構(gòu)和小說家目睹了射線槍從漫畫書里的虛構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實的過程，所以他們在激光剛剛被發(fā)明時，就看到了激光作為武器的潛力。1964年，007電影《金手指》中大反派“金手指”奧瑞克威脅邦德，要用激光將他鋸成兩半——這在當(dāng)時，還是純粹的幻想。1激光發(fā)展史第5頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史激光輕武器第6頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史美國激光攻擊機(jī)試驗機(jī)第7頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史美國地基激光武器第8頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三三維激光。全息技術(shù)發(fā)明于1948年，以提高電子顯微鏡的分辨率，但埃米特·利斯（EmmettLeith）和朱瑞斯·烏帕特尼克斯（JurisUpatnieks）在1964年使用激光對全息技術(shù)進(jìn)行了徹底改造，發(fā)明了第一個不需要特制眼鏡就能看到的三維圖像。他們用分裂的激光光束將全息圖記錄在感光片上，其中一束激光先被反射到被攝物體上，然后再與另一束會合，在感光片上成像。用一束與成像時相同方向的激光照射感光片，就會在觀看者眼前產(chǎn)生一幅逼真的三維圖像。這張玩具火車圖是這兩位科學(xué)家在密歇根大學(xué)的威洛·魯恩實驗室第一次記錄的全息圖。1激光發(fā)展史第9頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史《蒙娜麗莎》三維成像分析第10頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三夢幻激光：剛開始時，激光的色彩是相當(dāng)有限的：氦氖激光器和紅寶石發(fā)出紅光，其他激光器則產(chǎn)生不可見的紅外光。第一次實現(xiàn)七彩激光的是離子激光器，它通過在氬或氪中的高壓放電產(chǎn)生激光。氬氣產(chǎn)生藍(lán)色和綠色的光，氪產(chǎn)生其他幾種顏色，兩種氣體的混合可以產(chǎn)生整個可見光譜中的顏色。激光秀從此誕生。

1激光發(fā)展史第11頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史廣州亞運(yùn)會開幕式激光表演第12頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史激光投影電視第13頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三無處不在的激光。激光技術(shù)第一次走進(jìn)日常生活，是美國超市使用發(fā)出紅色氦氖激光的條形碼掃描槍實現(xiàn)收款自動化。若爾斯·阿爾費羅夫（ZhoresAlferovand）和赫伯特·克勒默（HerbertKroemer）發(fā)明了制作半導(dǎo)體二極管激光器的改進(jìn)方法，讓激光真正地?zé)o處不在。他們因此獲得了2000年的諾貝爾物理獎。（圖中所示為一個半導(dǎo)體二極管激光器和五美元鈔票大小的對比。）如今，這樣的芯片隨處可見，比如說CD播放器、藍(lán)光播放器、紅色激光筆和全球電信網(wǎng)絡(luò)的骨干中。1激光發(fā)展史第14頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三無盡的刀片。在工業(yè)上，激光被用來作為鋸和鉆頭，而且它永遠(yuǎn)不會變鈍。激光第一次作此用途是加工硬度很高的材料，如鉆石，或非常柔軟的材料，例如嬰兒奶瓶的奶嘴。低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金屬。早期的工業(yè)激光器，必須要非常龐大才能提供足夠的能量，但新的固態(tài)激光器卻令人吃驚的小巧：如今一段細(xì)光纖或幾分之一毫米厚、撲克大小的盤片就能產(chǎn)生千瓦級的能量，足以切開幾厘米厚的金屬片。1激光發(fā)展史第15頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史國產(chǎn)激光焊接機(jī)第16頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史激光數(shù)控切割機(jī)第17頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史進(jìn)口高精度激光雕刻機(jī)第18頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光外科手術(shù)。激光在醫(yī)學(xué)上的首次成功應(yīng)用是進(jìn)行眼內(nèi)手術(shù)，但是不需要切開眼球。早在1962年，一臺紅寶石激光器將病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，使他恢復(fù)了視力。更大的成功在1968年到來，外科醫(yī)生弗朗西斯·萊斯佩朗斯和貝爾實驗室的工程師使用氬離子激光器破壞異常的血管，以避免這些血管在視網(wǎng)膜中擴(kuò)散，致使糖尿病人失明。這種治療方法已經(jīng)挽救了數(shù)百萬人的視力。如今，激光也被用來切割角膜，以矯正視力，或者使胎記和刺青褪色。1激光發(fā)展史第19頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史1064nm激光醫(yī)療設(shè)備（去斑等）心臟動脈血管支架第20頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光之母。受控核聚變很久以來都是人們認(rèn)為最理想的清潔能源發(fā)電方式。1962年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學(xué)家約翰·納科爾斯（JohnNuckolls）在加利福尼亞州利弗莫爾，提出用激光脈沖加熱和壓縮的重氫同位素塊實現(xiàn)受控核聚變。從那以來，利弗莫爾實驗室一直追尋著這個理念，他們使用的激光器也越來越大，終于在美國國家點火實驗設(shè)施中達(dá)到巔峰。這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可以同時發(fā)出192束激光，去年，在十億分之幾秒的時間內(nèi)，產(chǎn)生了能量達(dá)到100萬焦耳的激光脈沖，使之成為有史以來能量最強(qiáng)的激光器。（美國國家點火實驗設(shè)施

(NIF)是美國出于研究核聚變反應(yīng)設(shè)想而建造的試驗裝置。）1激光發(fā)展史第21頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史超連續(xù)譜激光器第22頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史鈦寶石激光器高次諧波能產(chǎn)生as脈沖第23頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史摻鐿光纖超短脈沖激光器脈沖寬度：33fs中心波長：1030nm重復(fù)頻率：29MHz單脈沖能量：1nJOLV.31,P1340,2006

美國，康奈兒大學(xué)

第24頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史飛秒摻鉺光纖激光器脈沖寬度：46.2fs中心波長：1550nm重復(fù)頻率：38.3MHz單脈沖能量：2.08nJOLV.32,P41,2007第25頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史無鎖模飛秒激光脈沖脈寬：516fs能量：3.5nJ中心波長：1550nmOLV.32,P1408,2007,美國，康奈兒大學(xué)第26頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1激光發(fā)展史CCLRCRutherfordAppletonLaboratory,Chilton,Didcot,Oxon.,OX110QX,UK(2006)outputpulsewithenergyof35JCompressionto85fs(70nminFWHM)potentialpowerofbetween300TWand400TW(350TW)第27頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三名稱研制成功時間研制人He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學(xué)激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等激光國內(nèi)大事記

1激光發(fā)展史第28頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光概述（產(chǎn)業(yè)）第29頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三2激光概述（產(chǎn)業(yè)方面）

國外激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)《激光集錦》1997年報導(dǎo)，世界激光器市場可劃分為三大區(qū)域：美國（包括北美）占55%，歐州占22%，日本及太平洋地區(qū)占23%。在世界激光市場上日本在光電子技術(shù)方面占首位，美國占第二位；在激光醫(yī)療及激光檢測方面則美國占首位；而在激光材料加工設(shè)備方面則是德國占首位。因此我們選擇美國、日本、德國三個國家，介紹他們激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，也就反映了世界激光市場的基本情況及其發(fā)展趨勢。第30頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三我國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題2激光概述（產(chǎn)業(yè)方面）

主要問題是：

(1)科研與生產(chǎn)結(jié)合得不好，科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的能力較差，許多具有市場前景的成果仍停留在實驗樣機(jī)階段；

(2)資金投入不足，市場開拓不夠，一些重要激光產(chǎn)品尚未形成規(guī)模生產(chǎn)，效益較低；

(3)產(chǎn)品質(zhì)量較差，在安全性、穩(wěn)定性、可靠性及標(biāo)準(zhǔn)化等方面還有待進(jìn)一步提高；

(4)激光系統(tǒng)的配套能力較差，增加了用戶使用的困難；

(5)創(chuàng)新能力較差，高檔次的激光產(chǎn)品少，智能化、自動化程度較低，缺乏市場競爭能力；

(6)從技術(shù)管理上看，激光產(chǎn)品缺少國家標(biāo)準(zhǔn)，激光產(chǎn)業(yè)沒有歸口主管部門，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督不夠，這些都不利于激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第31頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三3輻射與物質(zhì)的相互作用1)普通光源的發(fā)光——受激吸收和自發(fā)輻射第32頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三2)受激輻射和光的放大3)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3輻射與物質(zhì)的相互作用第33頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三美國國家點火裝置（NationalIgnitionFacility，NIF）的靶室

第34頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三這個巨型裝置坐落在加州的一個特大號“倉庫”里，它利用激光將微小的氫原子轉(zhuǎn)變?yōu)闊岷朔磻?yīng)的能量。大約要過12個月，裝置才能逐漸達(dá)到全功率運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，不過相關(guān)實驗還要繼續(xù)進(jìn)行，直到2040年左右。第35頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三國家點火裝置的終端光學(xué)檢查系統(tǒng)?？茖W(xué)家利用世界上最強(qiáng)激光產(chǎn)生的192道光束直接照射在冰凍的氫原子珠上，激發(fā)了一次持續(xù)十億分之五秒的猛烈爆炸。

第36頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三國家點火裝置不僅有世界上最強(qiáng)的激光，也有世界上最大的光學(xué)儀器。這是磷酸二氫鉀（KDP）晶體，重達(dá)800磅（360千克），是激光器的主要部分。應(yīng)用新的方法，生成這么一大塊晶體只需要兩個月時間，而傳統(tǒng)的方法則需要兩年。每塊晶體被切成邊長40厘米的方形晶片，整個國家點火裝置需要600個這樣的晶片。

第37頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三在線性可替換單元（LRU）之間的激光玻璃調(diào)和板。LRU由一個大金屬框，以及固定于其上的各種類型的透鏡、反射鏡或玻璃組成。這些透鏡或玻璃等可以輕松地安置在光線的通路中，也可以方便地取出進(jìn)行維護(hù)。玻璃調(diào)和板LRU將安裝在兩個閃光燈暗盒之間，激光束穿過的時候，閃光燈暗盒點亮，從而使激光在通往靶室的過程中吸收來自特殊處理的玻璃的能量。第38頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三這張示意圖顯示的當(dāng)激光從輻射空腔兩端射入時的靶物球芯。密集光束產(chǎn)生的高能震蕩波以百萬英里每小時的速度沖擊燃料球芯，制造出一億攝氏度左右的高溫。在這種只有恒星內(nèi)核中才存在的極端條件下，氫原子將發(fā)生聚變，產(chǎn)生氦和巨大的能量。第39頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三第40頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三整個建筑有10層樓高，面積與三個橄欖球場相當(dāng)。如果一切順利，它將成為第一個能量產(chǎn)出大于消耗的（激光核聚變）設(shè)施，同時也為商業(yè)激光核聚變發(fā)電站的發(fā)展鋪平道路，世界能源危機(jī)問題也將迎刃而解。第41頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光治療近視的圖片及原理展示第42頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三第43頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光治療近視第44頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光治療近視激光在醫(yī)學(xué)上的發(fā)展史LASIK手術(shù)適應(yīng)癥及手術(shù)前準(zhǔn)備LASIK的治療原理及過程手術(shù)后注意事項第45頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光在醫(yī)學(xué)中的發(fā)展史第46頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三1960年第一臺紅寶石激光器問世；1961年 紅寶石視網(wǎng)膜激光凝固機(jī)在眼科開始使用；1963年 激光手術(shù)開始應(yīng)用于腫瘤；1970年 激光開始應(yīng)用于恢復(fù)高血壓等內(nèi)科疾??；1973年 奧地利用激光代替針炙做實驗；1975年 第一臺激光針炙儀開始用于經(jīng)絡(luò)疾??；1990年 俄羅斯將激光能量導(dǎo)入儀帶上太空作為宇航員預(yù)防太空病重要工具；1991年 中國首次引進(jìn)俄羅斯低強(qiáng)度激光技術(shù)應(yīng)用于臨床心腦血管病癥；2004年 海納川公司生產(chǎn)的鼻炎治療儀問世，一舉通過了國家食品藥品監(jiān)督管理局審批，成為準(zhǔn)字號醫(yī)療器械，并獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局三項專利。第47頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三準(zhǔn)分子激光治近視的發(fā)展史

第48頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三第一階段：PRK

1983年，準(zhǔn)分子激光成功切削動物眼角膜組織；1988年P(guān)RK進(jìn)入人眼臨床運(yùn)用；1991年獲得批準(zhǔn)推廣，實現(xiàn)了人類告別近視的夢想，準(zhǔn)分子激光手術(shù)正式踏入舞臺。第49頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三第二階段：LASIK1991年，LASIK在美國成功完成臨床驗證；1995年通過美國FDA獲準(zhǔn)，從此掀起了激光治療近視的熱潮，跟隨著激光設(shè)備的發(fā)展使準(zhǔn)分子激光手術(shù)進(jìn)入成熟期。第50頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三第三階段：個性化LASIK2005年，準(zhǔn)分子激光設(shè)備商推出的個性化切削系統(tǒng)得到了臨床眼科醫(yī)生的認(rèn)可，實現(xiàn)對像差的個性化切削，達(dá)到高視覺質(zhì)量。第51頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三第四階段：SBK2006年SBK進(jìn)入臨床運(yùn)用；2008年香港世界眼科大會上確定為準(zhǔn)分子激光手術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)分子激光矯正術(shù)進(jìn)入完美時代。第52頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三眼的構(gòu)造

第53頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三近視矯正的三種方法對角膜表面進(jìn)行二維切削手術(shù)使其曲率半徑增大（作成平坦的）的PRK(PhotoRefarctiveKeratectomy)方法；激光原位角膜鑲術(shù)的LASIK(LaserinsituKeratomileusis)方法；將角膜表面放射狀切開的RK(RadialKeratotomy)方法。第54頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三LASIK（準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)）第55頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三準(zhǔn)分子激光手術(shù)適應(yīng)癥

18歲以上；屈光度≥-2.00D，穩(wěn)定超過兩年；屈光介質(zhì)無混濁，排除下列眼部疾患：嚴(yán)重的眼附屬器病變，如眼瞼缺損、變形、兔眼和慢性淚囊炎等、干眼病、圓錐角膜、病毒性角膜炎活動期、青光眼、虹膜炎、視網(wǎng)膜及視神經(jīng)病變等;排除全身結(jié)締組織病及嚴(yán)重自身免疫性疾病。第56頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三手術(shù)前準(zhǔn)備工作(1)視力檢查：包括裸眼視力和戴鏡最佳矯正視力;

(2)屈光檢查：包括電腦驗光、散瞳驗光和復(fù)驗三個步驟。驗光度數(shù)正確與否直接影響手術(shù)效果;

(3)眼前節(jié)及眼底檢查：重點檢查角膜透明度，角膜是否有疤痕，晶體師傅混濁，眼底檢查是否有玻璃體混濁、眼底病變等;第57頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三(4)眼壓檢查：以排除高眼壓和青光眼的可能性;

(5)角膜測厚：對角膜中心厚度低于500μm者，如果患者是高度近視，應(yīng)注意角膜中心切削厚度，術(shù)前向患者說明情況;

(6)角膜地形圖檢查：主要目的是對整個角膜表面的規(guī)則性和對稱性有所了解，排除各種異常因素。第58頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三激光治療近視原理

準(zhǔn)分子激光是氟氬兩種氣體混合后經(jīng)激發(fā)而產(chǎn)生的一種人眼看不見的波長僅193納米的紫外線光束，其特性為光子能量大，波長極短，對組織的穿透力極弱，不會穿入眼內(nèi)，僅被組織表面吸收，對周圍組織無損或損傷極微，屬冷激光，無熱效應(yīng)，能以“照射”方式對人眼角膜組織進(jìn)行精確氣化，達(dá)到“切削”和“雕琢”角膜的目的而不損傷周圍組織和其他器官，其獨特性質(zhì)是最適合角膜屈光手術(shù)。第59頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三角膜手術(shù)的準(zhǔn)分子激光裝置第60頁，講稿共76頁，2023年5月2日，星期三準(zhǔn)分子激光手術(shù)的過程

準(zhǔn)分子激光角膜屈光治療技術(shù)（LASIK技術(shù)，準(zhǔn)分子激光手術(shù)），是用一種特殊的極其精密的微型角膜板層切割系統(tǒng)（簡稱角膜刀）將角膜表層組織制作成