公共課激光及防護材料

公共課激光及防護材料第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月星球大戰(zhàn)視頻第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）受激吸收處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級；這種躍遷稱為受激吸收。粒子受到激發(fā)而進入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射hν以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是非相干光。什么是激光第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月受激輻射頻率為ν=（E2-E1）/h的光子入射時，處于高能級E2上的粒子會以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

1917年愛因斯坦激光：這種在受激輻射過程中產生并被放大的光就是激光如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產生受激輻射，得到兩個特征完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產生受激輻射，可得到四個特征相同的光子，這意味著原來的光信號被放大了。hν2hν什么是激光波長大約是幾千納米以下，可以到幾百納米甚至更小。第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光指示器激光用熱源:能夠做到在一個針頭上鉆200個孔,激光祛痣、激光切割機、激光劍激光測距激光通信受控核聚變激光用途激光筆、激光切割機、激光武器、激光治療第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光打印技術是利用激光束將數字化圖形或文檔快速“投影”到一個感光表面（感光鼓），被激光束命中的位置會發(fā)生電子放電現象，然后由于靜電作用，像磁鐵般地吸引一些纖細的“墨粉”。核心為激光成像技術激光打印在20世紀60年代第一臺激光打印機誕生于1971年第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光治療激光祛斑激光祛痣激光洗眉激光脫毛第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光筆第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光切割第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光燈等離子束（又稱為電漿）組成激光手電筒+激光劍身（用激光二極管作為光源）激光劍第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月夜晚城市上空閃爍的激光燈第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2014年12月荷蘭列車正試驗裝備激光器清理鐵軌落葉-清理鐵軌落葉第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器；武器系統(tǒng)主要由激光器和跟蹤、瞄準、發(fā)射裝置等部分組成；目前通常采用的激光器有化學激光器、固體激光器、CO2激光器等。激光武器第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光瞄準鏡第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月英國德國業(yè)余警用激光槍第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月陸用激光炮第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月可擊落小型無人機防空激光槍第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光武器視頻艦載激光武器第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月美國海軍測試艦載激光武器一束直徑為棒球大小的激光行經“數英里，準確命中目標船的引擎，致使目標起火美軍艦載激光武器實驗第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2012年8月4日在太平洋上進行艦載激光武器試驗美軍艦載激光武器第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器中組成部分主要有激發(fā)（或抽運）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質兩個部分；另外，還有諧振腔，使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。工作介質具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現光放大；是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質。激光器激發(fā)：工作介質吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現并維持粒子數反轉創(chuàng)造條件。激發(fā)方式有光學激發(fā)、電激發(fā)、化學激發(fā)和核能激發(fā)。原則：粒子數反轉和增益大于損耗。第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月光學激發(fā)(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質以實現粒子數反轉激光器。整個激發(fā)裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成，這種激勵方式也稱作燈泵浦。氣體放電激發(fā)。是利用在氣體工作物質內發(fā)生的氣體放電過程來實現粒子數反轉的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成?；瘜W激發(fā)。是利用在工作物質內部發(fā)生的化學反應過程來實現粒子數反轉的，通常要求有適當的化學反應物和相應的引發(fā)措施。核能激發(fā)。是利用小型核裂變反應所產生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質并實現粒子數反轉的。激發(fā)方式第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月通常由組成腔的兩個反射鏡以一定的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式組成。①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。光學共振腔第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器種類固體激光器（晶體和玻璃），這類激光器所采用的工作物質，是通過把能夠產生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質中構成發(fā)光中心而制成的；紅寶石激光器（6943）、摻釹釔鋁石榴石、摻釹釩酸釔（1064nm）、摻鐿釔鋁石榴石、鈦藍寶石激光器（670nm～1200nm）b）氣體激光器，它們所采用的工作物質是氣體，并且根據氣體中真正產生受激發(fā)射作用之工作粒子性質的不同，而進一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等；氦氖激光器（紅光）、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器（紅外線）、氮氣激光器(紫外線)、氬離子激光器（藍光到綠光）、氦鎘激光器（藍光、近紫外）、氪離子激光器（藍光到深紅光）、氧離子、氙離子、混合氣體（氬丶氪）、金屬蒸汽、金屬鹵化物、化學激光器（鹽酸、碘）。第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月c）液體激光器，這類激光器所采用的工作物質主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機化合物液體（如SeOCl2）則起基質的作用；有機染料（吐噸類染料、香豆素類激光染料、花菁類染料溶解在乙醇、甲醇或水），無機化合物液體第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月電注入式以砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)二極管d)半導體激光器，以半導體材料作工作物質，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導體物質的能帶之間或能帶與雜質能級之間，通過激發(fā)非平衡載流子而實現粒子數反轉，從而產生光的受激發(fā)射作用；電注入式、光泵式和高能電子束激發(fā)式光泵式半導體激光器，一般用N型或P型半導體單晶（如GaAS,InAs,InSb等高能電子束激發(fā)式半導體激光器，一般也是用N型或者P型半導體單晶如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月e)自由電子激光器，工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產生可調諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月常用激光器波長表

激光器名稱 介質 光頻數 波長(埃)

He-Cd 氣體 紫外光 3250N2 氣體 紫外光 3371Kr 氣體 紫外光 3507,3564Ar 氣體 紫外光 3511,3638He-Cd氣體 可見光 4416,5378Ar 氣體 可見光 4579,5145Kr 氣體 可見光 4619,6764Xe 氣體 可見光 4603,6271Ar-Kr 氣體 可見光 4675,6764He-Ne 氣體 可見光 6328紅寶石Cr3+ 固體 可見光 6943Kr 氣體 紅外光 7530,7990第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器名稱 介質 光頻數 波長(埃)Ca、Al、As 固體(半導體)紅外光 8500Ca、As 固體(半導體)紅外光 9040Nd 固體 紅外光 10600Nd/YAG 固體 紅外光 10600(摻釹的釔鋁石榴石)He-Ne 氣體 紅外光 11500,33900CO2 氣體 紅外光 10600H2O 氣體 紅外光 11800HCN 氣體 紅外光 33700第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光輻射造成的皮膚傷害主要有色素沉著、紅斑和水泡等，傷害程度取決于輻射劑量的大小。激光能夠傷害眼睛、皮膚、呼吸道、中樞神經以及整個機體。激光傷害人眼對不同波長激光的透射和吸收不同，不同波長激光對人眼傷害的部位也不同，激光輻射能對人眼傷害最重。激光輻射造成的眼傷主要有光致角膜炎、角膜凝固、碳化和穿孔、晶狀體混濁、視覺功能性障礙“閃光盲”，以及視網膜凝固、出血和爆裂等。5mW的激光就可以對人類視網膜造成不可逆轉的損傷；兒童激光發(fā)射功率應不超過0.4毫W，實際最高1440兆瓦

激光治療設備多為3B類和4類第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光傷害距離3米左右閃了一下2015年10月第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月安全管理：制定激光安全操作規(guī)程，對激光產品嚴格分級定標，為用戶提供安全使用指南等。

安全教育：對接觸激光的人員進行安全教育和訓練。個人防護：為接觸激光的人員配備激光防護鏡等防護用具。工程防護：除去激光光路上的易燃物質和鏡面反射物，設置危險標志，在工作場所設置必要的警報裝置等。醫(yī)學監(jiān)督：必要時對激光操作人員進行定期體檢。激光防護激光源、操作人員和工作環(huán)境激光束除接近目標處外不應外漏。激光束不應和眼在同一水平。激光束應止于無反射及防火物質；脈沖激光應有安全閘以防止激光爆炸。第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月室內應光亮以縮小瞳孔；嚴禁直視激光束；盡可能遠離激光束；所有接近強激光人員應戴相應的防護眼鏡；工作人員應穿工作服和戴手套；大功率激光器工作時應有紅燈標示，激光器應遠距離操縱，特大功率者工作人員應在隔壁房間操縱；應設置障礙，無關人員不準人內，人不能走近二手激光切割機激光器；激光室的墻壁不可涂黑，應用淺色而漫射的涂料，以減少鏡式反射和提高光亮。照射表面應粗糙。定期檢查眼。對初參加工作者應加強激光防護教育。防護基本原則第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月激光防護材料的技術指標材料的光密度(D)

材料的光密度是標志激光防護材料對激光輻射能量的衰減程度，其定義為：

式中：

激光防護材料在激光波長處的透過率；

入射到激光防護材料上的激光強度；

透過激光防護材料的激光強度．

D值越大就表示對激光的衰減程度越大，防護性能愈好。第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月透明度是指激光防護材料對可見光的透過率；激光防護材料對可見光應有足夠高的透過率，以保證工作人員或激光技術人員在工作時能清楚地進行觀察；盡可能夠保留透過率。透明度不同波長的激光對眼睛的損傷部位和損傷程度不同，對不同的防護要求應選用不同的材料防護波長第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月防護角是指激光防護材料對入射激光束所能達到的安全防護范圍

激光損傷閾值激光損傷閾值是標志激光防護材料可承受的最大激光強度。激光對激光防護材料的破壞要經過連續(xù)激光和脈沖激光兩種方式來進行測試。防護角第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的二氧化碳激光(10.6μm)全部為角膜吸收，進不了眼內；由于這種激光不可見一般功率較大，一不小心就會燒傷角膜、結膜和眼瞼。對于角膜燒傷，最輕是小白色濁點，照射后10min出現，只涉及角膜上皮，不浮腫，后消退，無可見瘢痕，較重的是從外到里形成圓柱形白色傷斑，再重就是形成潰湯傷斑或穿孔。遠紅外激光的危害及其防護二氧化碳激光的閾限值是0.1W/cm2。二氧化碳激光將為厚0.2mm的皮膚吸收，很容易引起水皰或燒焦。功率較大時，一下子就會燒傷，生理反應(如痛覺)起不了保護作用。用30mJ二氧化碳照前臂表面皮膚0.5～0.25s，光斑直徑10μm，照射時刺痛和灼痛。幾小時后出現紅斑，24h后擴展，水腫，最后結瘢。防護措施穿工作服、戴手套。戴一副平光玻璃眼鏡即可。第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收型激光防護技術應用最為廣泛，可制成激光防護鏡或激光防護面罩，亦可做成鏡片加入光學系統(tǒng)，實現激光的防護。吸收型激光防護材料可以分為塑料吸收濾光片和玻璃吸收濾光片。塑料型是在光學塑料中加入吸收激光的有機染料，優(yōu)點是使光密度高、質輕、價格低、制備方便；缺點是易老化、表面硬度低、耐化學試劑性差、易發(fā)生光漂白；玻璃型是在玻璃熔煉過程中加入無機染料制成，它克服了塑料防護材料的缺點，但能吸收的波長很少；目前也有采用低溫熔煉的方法能夠使玻璃型同樣實現多波段防護。吸收型激光防護材料缺點：由于吸收激光能量容易導致本身破壞；導致可見光透過率不高，影響觀察。第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月多層涂膜對激光反射的效果隨激光入射角變化而變化；當入射角達到45o時，多層涂膜玻璃將喪失防護作用；反射的激光還會對其他人員或光學儀器產生損傷；此外，軍事上對激光防護要求很高，玻璃涂層較厚，影響玻璃透光性。反射型激光防護材料反射型激光防護材料是在玻璃基體上進行多層涂膜，利用光的干涉原理，有選擇地反射特定波長的激光，而使得其他波長的光絕大部分透過。由于這種激光防護材料是反射激光而不是吸收激光，它可比吸收型濾光片承受更強的激光。缺點：優(yōu)點：第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在吸收式防護材料表面再鍍上反射膜，兼有吸收式和反射式兩種防護材料的優(yōu)點。復合式防護材料集綜合性吸收材料和反射性材料的優(yōu)點于一體，不僅可達到較高的光學密度，而且還能保證一定的可見光透過率，防護效果較好。成本高；可見光透過率相對于反射式材料有很大程度下降；這種材料這種材料由基片和多層介質膜組成。具有低通濾波特性的特種玻璃為基片，在基片上蒸鍍多層反射介質膜，組成吸收反射混合性結構。防護鏡的透明度為30％～40％，鏡片的光焦度為4～6m-1，能防護多種波長的光。第40頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月它由多層介電材料沉積在基片上制作而成。由于激光的高相干性，激光在通過防護鏡后相干相消，起到濾光的作用。這種防護鏡具有比普通吸收型濾光鏡更大的光學密度，它的濾光性能也與入射激光角度有關。相干式防護材料第41頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月采用在光敏材料上用兩種相干光記錄相干信息的方法產生的，分為全息槽口濾光型材料和超窄槽口濾光型材料。