激光技术及其应用.ppt

现代高新技术之 激光技术及其应用,激光技术及其应用,激光技术的应用,激光技术概述,现代激光技术的发展前沿,激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术，并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。 40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光雷达，激光制导，激光可控聚变，激光武器等等。,激光技术概述,激光技术概述,1917 年，爱因斯坦提出了受激辐射理论,强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射的存在和光放大的可能性。 自从1960年美国人梅曼制造出第一台激光器以后，到今天人们对激光并不陌生，如激光开刀可自动止血；全息激光照片可以假乱真；还有激光灯、激光打印机、激光治疗近视眼、激光美容等….。激光在军事上也有广泛的应用。,激光技术概述,激光技术是20世纪产生的最重大、最实用的科技成就之一。也是21世纪最活跃的高新技术之一。 激光技术与现代通信技术、计算机技术、建筑装潢技术、机械加工技术、生物技术、医疗技术、农业技术等相互结合，不断开发出现代激光技术的应用性领域，带动了科学技术领域的新突破。,激光是利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。（《中国大百科全书》军事卷Ｐ608）,激光（laser---Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）是指受激辐射产生的光放大，是一种高质量的光源,激光的产生,自然界存在两种不同的发光方式,发光方式,,自发辐射,受激辐射,,,产 生,产生并加以放大,激光,普通光,激光的产生,原子： 原子核、核外电子； 电子在不同的轨道； 不同轨道上电子能量不同，稳定性不同,,,粒子数反转状态,激光的产生,粒子数反转状态,激光的产生,,激光器的结构,激光器由三部分组成： 工作物质、激励源、谐振腔,激光的特性,单色性好 相干性好 亮度高 方向性好,单色性好、颜色极纯,太阳光：波长0.76微米--0.4微米.对应的颜色共7种.所以太阳光谈不上单色性.,单色光源：氪灯,氦灯,氖灯,氢灯等。波长虽然单一.但仍有一定的分布范围.如氪灯只发射红光. 被誉为单色性之冠.波长分布的范围仍有10-5纳米.因此氪灯发出的红光.若仔细辨认仍包含有几十种红色.,激光波长分布范围非常窄，颜色极纯.以输出红光的氦氖激光器为例.其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米.是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二.,光的颜色与波长相对应,激光灯——舞台演出、歌剧院、迪厅、酒吧、 　　　　　广告等场所,香港维多利亚港湾灯光汇演,相干性好—— 激光全息技术,高亮度、高能量密度,高亮度激光束经聚焦后，可产生几百万　个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金属汽化。 激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。,方向性好---发散角小,,激光器,Laser,,,,,,,(1km时光斑直径10m),,38万公里,看似平行的探照灯,激光焊接,激光雕刻,激光刻字,激光打标,小型激光打标机,纳米牛 迄今为止世界上最小的牛。大小相当于红血球，它体长只有10 微米，高7 微米，精度为120 纳米 科学家希望，这只牛能拉着装有药物的车在血管中运动,激光内雕刻,激光技术的应用现状,激光在工业上的应用 激光在医学上的应用 激光在军事上的应用 激光在农业上的应用 激光在通信中的应用 激光在科研中的应用,24,激光在工业上的应用,激光已经广泛应用于焊接、切割、打标、热处理、快速成型、涂敷和化学工业中。,25,激光打标,激光在工业上的应用,26,用激光焊接汽车,激光在工业上的应用,激光切割飞行员头盔,27,激光在工业上的应用,激光熔覆航空发动机叶片,28,激光在医学上的应用,现在已经用于手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等。,29,激光在军事上的应用,激光测距 激光雷达 激光对潜通信 激光模拟武器 军用光纤陀螺 激光照明与激光夜视,30,激光雷达测距仪,31,激光在军事上的应用,激光雷达,32,激光在军事上的应用,机载激光武器,33,美国小布什政府将激光武器用于其国家导弹防御系统中，用来摧 毁助推阶段的敌方导弹。,美研发的新型低能激光武器,34,在过去的十年中，美国军方一直习惯性的认为美军需要的是能够立即融化 导弹外壳的高能量激光武器，但是美国陆军和空军通过研究发现低能量激 光武器也是一种非常有效的野战武器。在近些年的研究中，美国军方发现 低能量激光武器能够有效的引爆来袭导弹的战斗部和安放在路边的炸弹。 对此，美国国防部也已经进行了大量的试验以验证低能激光武器的作战效 能。,35,测距、敌我识别、通信与制导,36,激光核聚变,37,激光核聚变的四个阶段,激光驾束制导,38,激光在光纤通信中的应用,39,像用凿子凿石头一样用激光把原子从材料的表面凿出——或者更确切地说“熔化（Ablate）” 是一项越来越受到欢迎的技术，可以用来制备精细结构以形成微米或是纳米机器。,激光雕刻,全球激光技术与产业的发展现状与趋势,41,激光技术全球发展现状,激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。四十多年来，以激光器为基础的激光工业在全球发展势头迅猛，现在已经广泛的应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等各个领域，对国民经济及社会发展已经做出了重要贡献，今后在国际竞争中的战略地位还将会进一步提升。      发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的“激光核聚变计划”，德国的“激光2001行动计划”，英国实施 “阿维尔计划”，日本启动“激光研究五年计划”等。这些项目的实施，有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。 由于受美国光通信泡沫的影响，自2001年开始，全球激光产业的形势比较严峻，特别是电讯和半导体业的低迷伤及到了激光、光器件、光纤、成像和显示等行业的发展。2001年，全球激光产业的销售收入为56亿美元，而在2002年——2005年中，激光产业的销售收入仅分别为：43亿、49亿、54亿美元。在2002年——2006年全球激光产业销售收入呈现出迅猛增长的态势，销售收入依次为43亿、49亿、54亿、55.8亿、59.8亿美元，2007年全球激光产业销售收入进一步增加到62亿美元。,42,我国激光产业的发展现状,全球激光市场的萎缩对中国激光市场虽然带来了一定的影响，而整个中国的激光市场还是处于一个稳定增长的局面。自1999年——2003年，中国激光产品市场销售情况分别为：14.13亿、19.11亿、32.4亿、28.62亿、36.89亿人民币。在整个中国的激光产业中，激光材料加工近几年的发展势头强劲，且有很大的空间，激光加工在中国激光产业中占的比例也是日益重大。,43,激光产业主要聚集区 目前，全国激光市场销售主要为光通信器件、激光加工设备、激光器、激光医疗设备等。当前，武汉、广州、深圳、长春等地都建立起了光电子产业群,这无疑将给我国激光产业创造更大的发展空间。     国内激光器及设备生产市场主要分布在广东、湖北、北京、江苏、上海这几个省市。以光通讯、激光等产业为主导的“武汉.中国光谷”，拥有光电子信息企业300多家，显现出强劲的发展势头。北京、上海以其特殊的地理位置，也推动了激光技术的发展。而广东作为改革开放的城市，近几年，设备需求的大幅度提高也使得其激光企业增长飞速，深圳有大族激光这类的上市企业。另外，陕西西安、四川成都，凭借科研院所技术的产业化，也有不少的激光企业纭纭而生。,44,我国激光技术和产业的发展方向,45,中国科学院院士许祖彦漫谈激光(实录),国家“十一五”计划当中，列出四项高科技项目作为国家重点扶持，其中之一就是激光技术。 激光技术发展本身来说大体有这样三个方向： 一个方向就是高功率，高亮度。就是提高激光输出的功率。 第二个发展方向，激光波长是可调控的。 第三个重大发展方向，就是激光产业化。,46,一个方向就是高功率，高亮度 固体激光做到万瓦了。同时可能会有一个基础问题：随着激光功率的提高，光束质量不会跟着提高，甚至于激光功率提高到一定程度的时候，光束质量是下降的，这样就不能保持激光的高亮度，这就是一个基本的问题。在这个方面也开展了很多研究，就是怎样高功率和高光束质量同时达到。这个问题发展出了一些新的激光技术。 过去固体激光是用闪光灯泵浦，泵浦光是宽带白色光源，激光介质只吸收里面的一部分光，其他大部分光都去加热激光介质了。半导体激光效率很高但光束质量差，后来随着它的发展，就把这个激光器对准固体激光器吸收带作泵浦，固体激光一下子就从千瓦提高到了万瓦，提高了一个量级。即便是这样，激光的散热面积还是有限，于是就发明了光纤激光，光纤激光几米长，几十米长，几个微米那么大的孔径，这样散热面积就很大，光束质量也很好。 这也是激光技术最主要的发展方向，即为了解决光束质量变坏、不能保持激光高亮度的矛盾而发明新技术。,47,激光波长是可调控 其一是变频激光，其二是朝宽频段发展。长波，现在已经做到了中红外波段，像亚毫米波，甚至于毫米波。现在是朝两极方向发展。现在长波研究的热点是亚毫米波与远红外之间那一段，叫太赫兹波。如果作为安检，一个人身上带着枪，你看不见，通过激光一照就可以马上发现，而且对人也没有伤害。它还有很多很多的用途，也有很多的发展。这是第二个发展方向，就是说波长可以调。,48,激光产业化 第三个重大发展方向，就是把已有的激光，为了产业化应用，为了更大地发挥支撑作用，向产业化方向去发展，降低价格，批量生产，提高性能。 值得指出的是大功率半导体激光器，它可以提高效率，从50%提高到80%。第二个是它可以提高亮度。第三个是产业化，就是一致性，成批量的产业化。,49,信息产业科技发展“十一五” 规划 和2020年中长期规划纲要,根据信息产业技术发展趋势、战略需求和发展思路，提出未来5～15年以下15个领域发展的重点技术。其中与激光技术相关的领域有以下一些。,50,现代激光技术的发展前沿,实现大规模轻核聚变反应的一个重要条件，是要求有足够高的温度。 要利用核聚变解决能源问题，就要设法持续地、缓慢地实现轻核的聚变反应，这就是受控热核反应的设想，实现热核爆炸“爆炸”而释放能量，可能的加热方式有多种，其中一种就是激光核聚变，即将高功率的激光束聚焦后照射在由氘、氚或氘-氚制成的靶丸上产生高温高压，使氘、氚核发生聚合，同时释放出巨大的能量。,一、激光核聚变的研究,现代激光技术的发展前沿,国家点火装置（简称NIF） 　　国家点火装置是美国科学家研制的、世界最大的激光核聚变装置。这个被称为“人造太阳”的装置能产生类似恒星内核温度和压力，使美国在无需核试的情况下保持核威慑力。不仅如此，该装置还能帮助研制不受《全面禁止核试验条约》限制的新型氢弹。 NIF三大任务 1.科学家可以用它模拟核爆，保证美国在无需核试的情况下保持核威慑力。 　　2.科学家可模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，将为科学界提供大量之前无法获取的数据。 　　3.借助NIF制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源,现代激光技术的发展前沿,美国国家点火装置 （简称NIF）,现代激光技术的发展前沿,二、激光化学技术的发展,激光化学技术是用激光来指挥化学反应。因为激光携带高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程，也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效的把能量打在分子上，触发某种预期的反应。 激光化学虽然尚处于起步阶段，但前景十分光明。,现代激光技术的发展前沿,三、激光医疗技术的发展,激光医疗近期的研究重点包括： 1、研究激光与生物组织之间的作用关系； 2、研究弱激光的细胞生物学效应及其作用机制； 3、深入开展有关光动力疗法机制、激光介入治疗； 4、对激光光子技术中重要的、新颖的光子器件和仪器 设置进行开发性研究，包括开发激光手术刀等。,眼科用飞秒激光器,半导体激光手术刀,现代激光技术的发展前沿,现代激光技术的发展前沿,四、超快强激光技术,超快超强激光主要是以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的应用可以概括为三个方面：飞秒激光在超快领域、超强领域和超微细加工中的应用。,