激光技術(shù)及其應(yīng)用

1、現(xiàn)代高新技術(shù)之 激光技術(shù)及其應(yīng)用,激光技術(shù)及其應(yīng)用,激光技術(shù)的應(yīng)用,激光技術(shù)概述,現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展前沿,激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子能技術(shù)、生物技術(shù)，并列為二十世紀(jì)最重要的四大發(fā)現(xiàn)。是人類探索自然和改造自然的強(qiáng)有力工具。 40多年來(lái)，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光可控聚變，激光武器

2、等等。,激光技術(shù)概述,激光技術(shù)概述,1917 年，愛(ài)因斯坦提出了受激輻射理論,強(qiáng)調(diào)光的物質(zhì)性；用量子觀點(diǎn)預(yù)言受激輻射的存在和光放大的可能性。自從1960年美國(guó)人梅曼制造出第一臺(tái)激光器以后，到今天人們對(duì)激光并不陌生，如激光開刀可自動(dòng)止血；全息激光照片可以假亂真；還有激光燈、激光打印機(jī)、激光治療近視眼、激光美容等….。激光在軍事上也有廣泛的應(yīng)用。,激光技術(shù)概述,激光技術(shù)是20世紀(jì)產(chǎn)生的最重大、最實(shí)用的科技成就之一。也是21世紀(jì)最活躍的高新

3、技術(shù)之一。激光技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、建筑裝潢技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、生物技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)等相互結(jié)合，不斷開發(fā)出現(xiàn)代激光技術(shù)的應(yīng)用性領(lǐng)域，帶動(dòng)了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的新突破。,什么是激光,激光是利用光能、熱能、電能、化學(xué)能或核能等外部能量來(lái)激勵(lì)物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生的一種特殊的光。（《中國(guó)大百科全書》軍事卷Ｐ608）,激光（laser---Light Amplification by Stimulated Emission

4、of Radiation ）是指受激輻射產(chǎn)生的光放大，是一種高質(zhì)量的光源,激光的產(chǎn)生,自然界存在兩種不同的發(fā)光方式,發(fā)光方式,,自發(fā)輻射,受激輻射,,,產(chǎn) 生,產(chǎn)生并加以放大,激光,普通光,激光的產(chǎn)生,原子：原子核、核外電子；電子在不同的軌道；不同軌道上電子能量不同，穩(wěn)定性不同,,,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài),激光的產(chǎn)生,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài),激光的產(chǎn)生,,激光器的結(jié)構(gòu),激光器由三部分組成： 工作物質(zhì)、激勵(lì)源、諧振腔,激光

5、的特性,單色性好相干性好亮度高方向性好,單色性好、顏色極純,太陽(yáng)光：波長(zhǎng)0.76微米--0.4微米.對(duì)應(yīng)的顏色共7種.所以太陽(yáng)光談不上單色性.,單色光源：氪燈,氦燈,氖燈,氫燈等。波長(zhǎng)雖然單一.但仍有一定的分布范圍.如氪燈只發(fā)射紅光. 被譽(yù)為單色性之冠.波長(zhǎng)分布的范圍仍有10-5納米.因此氪燈發(fā)出的紅光.若仔細(xì)辨認(rèn)仍包含有幾十種紅色.,激光波長(zhǎng)分布范圍非常窄，顏色極純.以輸出紅光的氦氖激光器為例.其光的波長(zhǎng)分布范圍可以窄到2

6、15;10-9納米.是氪燈發(fā)射的紅光波長(zhǎng)分布范圍的萬(wàn)分之二.,光的顏色與波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng),激光燈——舞臺(tái)演出、歌劇院、迪廳、酒吧、　　　　　廣告等場(chǎng)所,香港維多利亞港灣燈光匯演,相干性好—— 激光全息技術(shù),高亮度、高能量密度,高亮度激光束經(jīng)聚焦后，可產(chǎn)生幾百萬(wàn)　個(gè)單位的高溫高壓。千分之一秒內(nèi)使任何金屬汽化。 激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量?，F(xiàn)代的激光成了人們所幻想追求的“削

7、鐵如泥”的“寶劍”。,方向性好---發(fā)散角小,,激光器,Laser,,,,,,,(1km時(shí)光斑直徑10m),,38萬(wàn)公里,看似平行的探照燈,激光焊接,激光雕刻,激光刻字,激光打標(biāo),小型激光打標(biāo)機(jī),納米牛迄今為止世界上最小的牛。大小相當(dāng)于紅血球，它體長(zhǎng)只有10 微米，高7 微米，精度為120 納米科學(xué)家希望，這只牛能拉著裝有藥物的車在血管中運(yùn)動(dòng),激光內(nèi)雕刻,激光技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,激光在工業(yè)上的應(yīng)用 激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

8、 激光在軍事上的應(yīng)用 激光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 激光在通信中的應(yīng)用 激光在科研中的應(yīng)用,24,激光在工業(yè)上的應(yīng)用,激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊接、切割、打標(biāo)、熱處理、快速成型、涂敷和化學(xué)工業(yè)中。,25,激光打標(biāo),激光在工業(yè)上的應(yīng)用,26,用激光焊接汽車,激光在工業(yè)上的應(yīng)用,激光切割飛行員頭盔,27,激光在工業(yè)上的應(yīng)用,激光熔覆航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,28,激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,現(xiàn)在已經(jīng)用于手術(shù)治療、肌肉組織焊接、牙科治療、光鎮(zhèn)痛和

9、光針灸等。,29,激光在軍事上的應(yīng)用,激光測(cè)距 激光雷達(dá) 激光對(duì)潛通信 激光模擬武器 軍用光纖陀螺 激光照明與激光夜視,30,激光雷達(dá)測(cè)距儀,31,激光在軍事上的應(yīng)用,激光雷達(dá),32,激光在軍事上的應(yīng)用,機(jī)載激光武器,33,美國(guó)小布什政府將激光武器用于其國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中，用來(lái)摧毀助推階段的敵方導(dǎo)彈。,美研發(fā)的新型低能激光武器,34,在過(guò)去的十年中，美國(guó)軍方一直習(xí)慣性的認(rèn)為美軍需要的是能夠立即融化導(dǎo)彈外

10、殼的高能量激光武器，但是美國(guó)陸軍和空軍通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)低能量激光武器也是一種非常有效的野戰(zhàn)武器。在近些年的研究中，美國(guó)軍方發(fā)現(xiàn)低能量激光武器能夠有效的引爆來(lái)襲導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部和安放在路邊的炸彈。對(duì)此，美國(guó)國(guó)防部也已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)以驗(yàn)證低能激光武器的作戰(zhàn)效能。,35,測(cè)距、敵我識(shí)別、通信與制導(dǎo),36,激光核聚變,37,激光核聚變的四個(gè)階段,激光駕束制導(dǎo),38,激光在光纖通信中的應(yīng)用,39,像用鑿子鑿石頭一樣用激光把原子從材料的表面鑿出

11、——或者更確切地說(shuō)“熔化（Ablate）” 是一項(xiàng)越來(lái)越受到歡迎的技術(shù)，可以用來(lái)制備精細(xì)結(jié)構(gòu)以形成微米或是納米機(jī)器。,激光雕刻,全球激光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),41,激光技術(shù)全球發(fā)展現(xiàn)狀,激光技術(shù)是二十世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的四大發(fā)明之一。四十多年來(lái)，以激光器為基礎(chǔ)的激光工業(yè)在全球發(fā)展勢(shì)頭迅猛，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、通訊、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、文化教育以及科研等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展已經(jīng)做出了重要貢獻(xiàn)

12、，今后在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的戰(zhàn)略地位還將會(huì)進(jìn)一步提升。      發(fā)達(dá)國(guó)家為了在全球競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中占據(jù)世界信息技術(shù)的制高點(diǎn)，贏得主動(dòng)權(quán)，紛紛加緊實(shí)施激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃，如美國(guó)的“激光核聚變計(jì)劃”，德國(guó)的“激光2001行動(dòng)計(jì)劃”，英國(guó)實(shí)施 “阿維爾計(jì)劃”，日本啟動(dòng)“激光研究五年計(jì)劃”等。這些項(xiàng)目的實(shí)施，有效推動(dòng)了全球激光產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。 由于受美國(guó)光通信泡沫的影

13、響，自2001年開始，全球激光產(chǎn)業(yè)的形勢(shì)比較嚴(yán)峻，特別是電訊和半導(dǎo)體業(yè)的低迷傷及到了激光、光器件、光纖、成像和顯示等行業(yè)的發(fā)展。2001年，全球激光產(chǎn)業(yè)的銷售收入為56億美元，而在2002年——2005年中，激光產(chǎn)業(yè)的銷售收入僅分別為：43億、49億、54億美元。在2002年——2006年全球激光產(chǎn)業(yè)銷售收入呈現(xiàn)出迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，銷售收入依次為43億、49億、54億、55.8億、59.8億美元，2007年全球激光產(chǎn)業(yè)銷售收入進(jìn)一步增加到

14、62億美元。,42,我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,全球激光市場(chǎng)的萎縮對(duì)中國(guó)激光市場(chǎng)雖然帶來(lái)了一定的影響，而整個(gè)中國(guó)的激光市場(chǎng)還是處于一個(gè)穩(wěn)定增長(zhǎng)的局面。自1999年——2003年，中國(guó)激光產(chǎn)品市場(chǎng)銷售情況分別為：14.13億、19.11億、32.4億、28.62億、36.89億人民幣。在整個(gè)中國(guó)的激光產(chǎn)業(yè)中，激光材料加工近幾年的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，且有很大的空間，激光加工在中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)中占的比例也是日益重大。,43,激光產(chǎn)業(yè)主要聚集區(qū)

15、 目前，全國(guó)激光市場(chǎng)銷售主要為光通信器件、激光加工設(shè)備、激光器、激光醫(yī)療設(shè)備等。當(dāng)前，武漢、廣州、深圳、長(zhǎng)春等地都建立起了光電子產(chǎn)業(yè)群,這無(wú)疑將給我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造更大的發(fā)展空間。     國(guó)內(nèi)激光器及設(shè)備生產(chǎn)市場(chǎng)主要分布在廣東、湖北、北京、江蘇、上海這幾個(gè)省市。以光通訊、激光等產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的“武漢.中國(guó)光谷”，擁有光電子信息企業(yè)300多家，顯現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。北京、上海以其特殊

16、的地理位置，也推動(dòng)了激光技術(shù)的發(fā)展。而廣東作為改革開放的城市，近幾年，設(shè)備需求的大幅度提高也使得其激光企業(yè)增長(zhǎng)飛速，深圳有大族激光這類的上市企業(yè)。另外，陜西西安、四川成都，憑借科研院所技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，也有不少的激光企業(yè)紜紜而生。,44,我國(guó)激光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向,45,中國(guó)科學(xué)院院士許祖彥漫談激光(實(shí)錄),國(guó)家“十一五”計(jì)劃當(dāng)中，列出四項(xiàng)高科技項(xiàng)目作為國(guó)家重點(diǎn)扶持，其中之一就是激光技術(shù)。 激光技術(shù)發(fā)展本身來(lái)說(shuō)大體有這樣三個(gè)方向：一個(gè)

17、方向就是高功率，高亮度。就是提高激光輸出的功率。第二個(gè)發(fā)展方向，激光波長(zhǎng)是可調(diào)控的。第三個(gè)重大發(fā)展方向，就是激光產(chǎn)業(yè)化。,46,一個(gè)方向就是高功率，高亮度 固體激光做到萬(wàn)瓦了。同時(shí)可能會(huì)有一個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題：隨著激光功率的提高，光束質(zhì)量不會(huì)跟著提高，甚至于激光功率提高到一定程度的時(shí)候，光束質(zhì)量是下降的，這樣就不能保持激光的高亮度，這就是一個(gè)基本的問(wèn)題。在這個(gè)方面也開展了很多研究，就是怎樣高功率和高光束質(zhì)量同時(shí)達(dá)

18、到。這個(gè)問(wèn)題發(fā)展出了一些新的激光技術(shù)。 過(guò)去固體激光是用閃光燈泵浦，泵浦光是寬帶白色光源，激光介質(zhì)只吸收里面的一部分光，其他大部分光都去加熱激光介質(zhì)了。半導(dǎo)體激光效率很高但光束質(zhì)量差，后來(lái)隨著它的發(fā)展，就把這個(gè)激光器對(duì)準(zhǔn)固體激光器吸收帶作泵浦，固體激光一下子就從千瓦提高到了萬(wàn)瓦，提高了一個(gè)量級(jí)。即便是這樣，激光的散熱面積還是有限，于是就發(fā)明了光纖激光，光纖激光幾米長(zhǎng)，幾十米長(zhǎng)，幾個(gè)微米那么大的孔徑，這樣散熱面積就

19、很大，光束質(zhì)量也很好。 這也是激光技術(shù)最主要的發(fā)展方向，即為了解決光束質(zhì)量變壞、不能保持激光高亮度的矛盾而發(fā)明新技術(shù)。,47,激光波長(zhǎng)是可調(diào)控 其一是變頻激光，其二是朝寬頻段發(fā)展。長(zhǎng)波，現(xiàn)在已經(jīng)做到了中紅外波段，像亞毫米波，甚至于毫米波?，F(xiàn)在是朝兩極方向發(fā)展?，F(xiàn)在長(zhǎng)波研究的熱點(diǎn)是亞毫米波與遠(yuǎn)紅外之間那一段，叫太赫茲波。如果作為安檢，一個(gè)人身上帶著槍，你看不見(jiàn)，通過(guò)激光一照就可

20、以馬上發(fā)現(xiàn)，而且對(duì)人也沒(méi)有傷害。它還有很多很多的用途，也有很多的發(fā)展。這是第二個(gè)發(fā)展方向，就是說(shuō)波長(zhǎng)可以調(diào)。,48,激光產(chǎn)業(yè)化第三個(gè)重大發(fā)展方向，就是把已有的激光，為了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為了更大地發(fā)揮支撐作用，向產(chǎn)業(yè)化方向去發(fā)展，降低價(jià)格，批量生產(chǎn)，提高性能。值得指出的是大功率半導(dǎo)體激光器，它可以提高效率，從50%提高到80%。第二個(gè)是它可以提高亮度。第三個(gè)是產(chǎn)業(yè)化，就是一致性，成批量的產(chǎn)業(yè)化。,49,信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展“十一五”

21、規(guī)劃 和2020年中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要,根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、戰(zhàn)略需求和發(fā)展思路，提出未來(lái)5～15年以下15個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。其中與激光技術(shù)相關(guān)的領(lǐng)域有以下一些。,50,現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展前沿,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模輕核聚變反應(yīng)的一個(gè)重要條件，是要求有足夠高的溫度。要利用核聚變解決能源問(wèn)題，就要設(shè)法持續(xù)地、緩慢地實(shí)現(xiàn)輕核的聚變反應(yīng)，這就是受控?zé)岷朔磻?yīng)的設(shè)想，實(shí)現(xiàn)熱核爆炸“爆炸”而釋放能量，可能的加熱方式有多種，其中一種就是激光核聚變，即將高功率

22、的激光束聚焦后照射在由氘、氚或氘-氚制成的靶丸上產(chǎn)生高溫高壓，使氘、氚核發(fā)生聚合，同時(shí)釋放出巨大的能量。,一、激光核聚變的研究,現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展前沿,國(guó)家點(diǎn)火裝置（簡(jiǎn)稱NIF）　　國(guó)家點(diǎn)火裝置是美國(guó)科學(xué)家研制的、世界最大的激光核聚變裝置。這個(gè)被稱為“人造太陽(yáng)”的裝置能產(chǎn)生類似恒星內(nèi)核溫度和壓力，使美國(guó)在無(wú)需核試的情況下保持核威懾力。不僅如此，該裝置還能幫助研制不受《全面禁止核試驗(yàn)條約》限制的新型氫彈。NIF三大任務(wù)

23、 1.科學(xué)家可以用它模擬核爆，保證美國(guó)在無(wú)需核試的情況下保持核威懾力?！　?.科學(xué)家可模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境，將為科學(xué)界提供大量之前無(wú)法獲取的數(shù)據(jù)?！　?.借助NIF制造類似太陽(yáng)內(nèi)部的可控氫核聚變反應(yīng)，最終用來(lái)生產(chǎn)可持續(xù)的清潔能源,現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展前沿,美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（簡(jiǎn)稱NIF）,現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展前沿,二、激光化學(xué)技術(shù)的發(fā)展,激光化學(xué)技術(shù)是用激光來(lái)指揮化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)榧す鈹y帶高度集中而均勻的能量，可精

24、確地打在分子的鍵上，比如用不同波長(zhǎng)的紫外激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過(guò)程，也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效的把能量打在分子上，觸發(fā)某種預(yù)期的反應(yīng)。 激光化學(xué)雖然尚處于起步階段，但前景十分光明。,現(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展前沿,三、激光醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展,激光醫(yī)療近期的研究重點(diǎn)包括：1、研究激光與生物組織之間的作用關(guān)系；2、研究弱激光的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)及其作用機(jī)制；3、深入開展有關(guān)