現(xiàn)代高技術(shù)-激光技術(shù).ppt

1、激光技術(shù),二十世紀(jì)四大發(fā)明,半導(dǎo)體；,原子能；,計算機(jī)；,激光,1917 年 愛因斯坦提出了受激輻射理論；1958年 肖洛和湯斯發(fā)表了紅外線和光的微波激器； 1960年 梅曼制成了世界上第一臺激光器紅寶石激光器,單色性強(qiáng)；相干性強(qiáng),激光的特性（重點）,能量集中，高方向性,高強(qiáng)度，高亮度；顏色極純-,光束發(fā)散角=2 ,探照燈-35毫弧度=1度,激光-10-2毫弧度,激光的高方向性,s,r,一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個數(shù)量級(幾千萬倍） 連續(xù)發(fā)光激光器功率：幾毫瓦，幾百瓦，幾瓦，十幾瓦 目前可達(dá)幾千瓦，幾萬瓦 脈沖激光器：毫焦耳，焦耳，幾十焦耳，目前可達(dá)幾千焦耳，幾萬焦耳

2、時間，空間都得到壓縮的激光，其功率密度比會聚的太陽光高幾十億倍！,激光的高強(qiáng)度和高亮度,激光的顏色極純-單色性強(qiáng),連續(xù)光譜-太陽光譜 線狀光譜-霓虹燈 單一顏色譜線-激光,單色光,具有單一頻率的光波稱為單色光。,任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率（或波長范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率（或波長）所對應(yīng)的強(qiáng)度是不同的。,波長所對應(yīng)的波長范圍越窄，光的單色性越好,譜線寬度：通常用強(qiáng)度下降到,的兩點之間的波長范圍 ：,譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性好壞的物理量,單色性： / 或 氪燈10-6 普通氦氖激光10-12,激光的相干性強(qiáng),相干長度課件,相干長度：單色性越好，相干長度越長 普通光源幾厘米 激光可達(dá)105

3、千米,愛因斯坦受激輻射理論： 強(qiáng)調(diào)光的物質(zhì)性；用量子觀點預(yù)言受激輻射的存在和光放大的可能性。,激光的產(chǎn)生和原理,入射光,受激輻射光,原子受激輻射示意圖,1 正常情況下，低能級的粒子數(shù)大于高能級的粒子數(shù)， 實現(xiàn)受激輻射條件實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 2 光波的受激輻射比微波的受激輻射實現(xiàn)起來更困難。,可見光：400-750nm 微波:亞毫米波0.11mm 毫米波110mm 厘米波110cm 分米波0.11m,受激輻射理論的意義：對輻射理論的發(fā)展起了十分重要的指導(dǎo)作用。揭示了光能集中與放大的條件。為激光器的研制成功奠定了基礎(chǔ)。,1954年美國物理學(xué)家湯斯研制成功波長為1.25厘米的氨分子振蕩器受激輻射微波放

4、大器 （Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation麥澤）,激光器的問世,氨分子微波激射器原理示意圖,氨分子源,聚焦器,諧振腔,1960年又成功地研制了固體麥澤,湯斯遇到的困難：振蕩器的尺寸,光腔代替微波共振腔,肖洛提出創(chuàng)造性設(shè)想,肖洛提出-光腔代替微波共振腔,向各個方向自發(fā)輻射的光子,沿中心軸方向的輻射被受激放大,光在工作物質(zhì)中反復(fù)傳播被放大,激光器的組成：工作物質(zhì) 泵輔源 光諧振腔,工作物質(zhì),聚光腔+M光諧振腔,M,M,1960年7月7日： 梅曼成功研制出第一臺 紅寶石激光器,1 工作物質(zhì) 2 泵浦源 3 諧振腔,激

5、光器的結(jié)構(gòu)（重點）,激光器的種類,激光器的分類,激勵方式,工作物質(zhì),工作方式,輸出波長,輸出頻率特性,固體激光器,工作物質(zhì)-各種激光晶體和玻璃 輸出波長-由工作物質(zhì)中激活元素決定。 輸出方式-連續(xù)燈泵浦連續(xù)光 脈沖燈泵浦脈沖光 例如：可調(diào)諧的固體激光器 摻Cr3+的紫翠玉寶石激光器。輸出波長0.7-0.8m 摻Cr3+的氟化鋅鉀激光器。輸出波長780-850nm,摻釹釔鋁石榴石 Nd:YAG 1064nm,1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等 1540nm2940nm:醫(yī)學(xué)和通信 近年來，研制出摻鈦(Ti)藍(lán)寶石激光器670nm1100nm 固體激光器常用于產(chǎn)生強(qiáng)激光，連續(xù)輸

6、出幾千瓦, 脈沖輸出幾萬焦耳,摻鉺光纖激光器 在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其他固體激光器作泵輔源也可產(chǎn)生可調(diào)諧激光。用摻鉺光纖作成的光纖激光器，是光纖通信中不可缺少的部分。,光纖放大器（光纖激光器）,由微型激光器芯片驅(qū)動的摻鉺的光纖。 原理：當(dāng)激光在光纖中傳輸時，光纖中的鉺離子 受微型激光器發(fā)出的激光激發(fā)，經(jīng)過能級 躍遷，不斷把能量傳遞給光子，使得激光 在傳輸中所損耗的能量不斷地得到補(bǔ)充， 經(jīng)過數(shù)百千米甚至數(shù)千千米的行程后，被 減弱的光信號又恢復(fù)了活力 用途：通信，局域網(wǎng)，數(shù)字電視，寬帶網(wǎng)絡(luò)等,二極管激光器（半導(dǎo)體激光器） 半導(dǎo)體激光器發(fā)展很快，在微型化方面進(jìn)展迅速。整個器

7、件只有50 m x 150 m x 250 m，比普通的米粒還小。 用于：光通信，光盤，激光打印，光計算機(jī)，微量氣體探測等方面。,工作物質(zhì)：砷化鎵等半導(dǎo)體材料。 工作原理：砷化鎵等半導(dǎo)體材料只允許電流沿著一個方 向流動。當(dāng)穿過介質(zhì)的光遇到一個被激發(fā)的 原子時，它將使這個原子以相同的波長和頻 率釋放能量，光在來回傳播的過程中，不斷 地被加強(qiáng)，直到從反射鏡面上逃逸出去，形 成激光。,二極管激光器（半導(dǎo)體激光器）,氣體激光器,氣體激光器 原子激光器，分子激光器，離子激 光器，準(zhǔn)分子激光器。 原子激光器：以氦氖激光器為代表，這種激光器大 都是連續(xù)工作方式，輸出功率在100毫 瓦以下，多用于檢測和干涉計

8、量。 離子激光器：以氬離子激光器為代表，這種激光器可 以發(fā)射較強(qiáng)的連續(xù)功率激光，功率可達(dá) 幾十瓦，是可見光中的重要激光器件， 多用于掃描，醫(yī)學(xué)及全息學(xué)等方面。,氣體激光器,分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光 的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，醫(yī)療， 機(jī)械加工方面，還用于測距，通信。 準(zhǔn)分子激光器：特點發(fā)光都在紫外波段。 用途多用于微細(xì)加工，光刻及醫(yī)學(xué)。 原理不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當(dāng) 兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵時， 兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。,液體激光器,主要是染料激光器。多為粉末狀染料溶于有機(jī)溶劑中，方可產(chǎn)

9、生激光，它可以用閃光燈泵浦，或激光泵浦。 特點：從紅外到紫外范圍調(diào)諧任意波長(幾十到幾百納米）的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的應(yīng)用。,原理：自由電子激光器是利用自由電子在真空磁場中的 周期性擺動產(chǎn)生激光。 特點：自由電子通過很多對極性彼此相反的磁鐵組成的 交變磁場，磁場的周期取決于這些磁鐵的大小與 間距。發(fā)射激光的波長由交變磁場的周期及入射 電子的能量決定。 用途：自由電子激光器可連續(xù)工作，輸出功率幾百瓦。 也可脈沖式工作，平均最高功率幾兆瓦。用于材 料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，表面科學(xué)，化學(xué)，生物及生命科學(xué)等。,自由電子激光器,X射線激光器,X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，

10、其光子能量非常高,目前，最短的X射線波長已達(dá)到4.483nm水窗范圍（因為水是吸收X 射線的，只有在4.483nm附近，水分子有個不吸收區(qū)， X射線可順利 通過，損耗很小，故稱水窗），由于生物細(xì)胞活性組織內(nèi)均含有很 多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，生命科學(xué) 的研究。 已經(jīng)用波長4.483nm X射線激光制成了X射線顯微鏡，并成功地得到了老鼠精子內(nèi)核的圖象,用于DNA在精子細(xì)胞內(nèi)排列的研究。,生物微腔激光器,砷化鎵基底,半導(dǎo)體反射鏡,量子阱增益區(qū),液體中的細(xì)胞,介質(zhì)膜反射鏡,玻璃基底,一種研究活體生物細(xì)胞的手段和方法，將一含有被測細(xì)胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光表面，上面覆蓋鍍

11、有反射膜的玻璃片。細(xì)胞置于激光共振腔中，當(dāng)激光在腔內(nèi)往返數(shù)百次后，細(xì)胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過這些信息的識別，由發(fā)射激光的脈沖形狀，模式，空間分布以及收集到的熒光圖象，就可知道細(xì)胞屬于那一類。是正常細(xì)胞還是癌細(xì)胞等。這種生物微腔激光器 一般用波長850納米的半導(dǎo)體激光器來制作。,納米激光器問世 據(jù)2001年美國科學(xué)雜志報道，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在僅有頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器納米激光器。研究人員希望用電流來激活納米激光器，這樣就可用于電路。最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計算機(jī)磁盤和光子計算機(jī)的信息儲存量。,激光在科技領(lǐng)域的應(yīng)用,超快和超慢現(xiàn)

12、象的研究,超快現(xiàn)象：在微觀世界很多現(xiàn)象是在極短的時間內(nèi)發(fā)生的。如，熱原子與分子的碰撞時間僅為皮秒，甚至更短。（光在一皮秒內(nèi)僅移動0.3毫米）固體，液體中的能量轉(zhuǎn)移；液體中的分子的快速化學(xué)反應(yīng)；生物的光合作用；DNA能量轉(zhuǎn)移;超高速光通信的光電轉(zhuǎn)移等等。 為了研究微觀世界所發(fā)生的現(xiàn)象，就需要本身具有同樣時間尺度的工具。,激光器發(fā)出的激光脈沖：皮秒；飛秒；阿秒。 用超短激光脈沖啟動和終止電信號制造比晶體管快的開關(guān)，可以極大地提高計算機(jī)，通信設(shè)備等半導(dǎo)體設(shè)備的工作速度，并減小它們的體積。,多普勒效應(yīng)：如果波源與觀察者之間有相對運(yùn)動，則觀察者接受到的波頻率不同于波源的頻率。,速度越小頻率的偏移量也越小

13、，就要求用于測量的光具有極高的頻率穩(wěn)定性。激光可以觀測每小時只有3毫米的超慢運(yùn)動。如，觀測珊瑚的生長，細(xì)胞的分裂等。,超慢現(xiàn)象研究：,頻率的偏移量正比于物體的運(yùn)動速度。,光鉗技術(shù),光的輻射壓力：(彗星的尾巴總是背向太陽，被認(rèn)為是太陽光的壓力造成的。功率為毫瓦數(shù)量級的光，大約能產(chǎn)生皮牛量級的輻射壓力。拾起一顆小小的圖釘?shù)牧?，大約是幾百億皮牛)激光輻射產(chǎn)生的皮牛量級的力恰好適于移動細(xì)胞和生物大分子。,激光光鉗示意圖,激光器,聚焦鏡 樣品池,顯微鏡,光鉗技術(shù) 當(dāng)用激光鉗住一個細(xì)胞時，再用另一束較強(qiáng)的激光作為激光刀，對細(xì)胞進(jìn)行手術(shù)。如，切下DNA或細(xì)胞膜，研究細(xì)胞功能的變化;鉗住某種基因?qū)⑵渥⑷氲街参?/p>

14、細(xì)胞內(nèi)，起到基因傳遞的作用等。激光鉗與激光刀聯(lián)合使用還可以實現(xiàn)基因的重組和重排，可以幫助完成“人類基因測序計劃”,激光冷卻和捕獲原子技術(shù),獲得低溫是科學(xué)家長期以來不斷追求的一種技術(shù)，它不但給人類帶來實惠，如超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，而且為研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)創(chuàng)造了獨特的條件。在低溫條件下，分子，原子熱運(yùn)動的影響可以大大的減弱，原子更容易暴露出它們的性質(zhì)。20世紀(jì)80年代，借助激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫狀態(tài)。這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。,多普勒冷卻原理,光波,原子,原子吸收光子動量減小,原子共振吸收與其運(yùn)動方向相對的光子，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動量減小，速度也減小了。處于激發(fā)態(tài)的原子會自發(fā)輻射出光子而回到初態(tài)，得到與其運(yùn)動相反的動量，但自