激光技术的发展及应用

组 员0 9 0 9 0 2 4 2 X4 5 ： 董 康 0 9 0 9 0 2 4 2 X4 6 ： 唐 利 红0 9 0 9 0 2 4 2 X4 7 ： 张 昊 宇 0 9 0 9 0 2 4 2 X4 8 ： 崔 雁 斌0 9 0 9 0 2 4 2 X4 9 ： 王 云 海 0 9 0 9 0 2 4 2 X5 0 ： 李 康 磊0 9 0 9 0 2 4 2 X5 1 ： 贾 伟 0 9 0 9 0 2 4 2 X5 2 ： 王 一 帆0 9 0 9 0 2 4 2 X5 3 ： 张 挺 0 9 0 9 0 2 4 2 X5 4 ： 郑 帅0 9 0 9 0 2 4 2 X5 5 ： 杨 鹏 鹏 0 9 0 9 0 2 4 2 X5 6 ： 荣 滋 航0 9 0 9 0 2 4 2 X5 8 ： 高 文 文 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 、 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 。 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E1E2E3E4 E1E2 粒 子 数 反 转 状 态E1E2E3E4 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 、 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 . 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 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 LaserD=1.6kmrl(1km时 光 斑 直 径 10m)38万 公 里看 似 平 行 的 探 照 灯 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 2 5 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 。 2 6激 光 打 标 激 光 在 工 业 上 的 应 用 2 7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 2 8 激 光 在 工 业 上 的 应 用激 光 熔 覆 航 空 发 动 机 叶 片 2 9 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 。3 0 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 3 1 激 光 雷 达 测 距 仪 3 2激 光 在 军 事 上 的 应 用 激 光 雷 达 3 3激 光 在 军 事 上 的 应 用 机 载 激 光 武 器 3 4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 3 5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 。 3 6 测 距 、 敌 我 识 别 、 通 信 与 制 导 3 7 激 光 核 聚 变 3 8 激 光 核 聚 变 的 四 个 阶 段 激 光 驾 束 制 导 3 9 激 光 在 光 纤 通 信 中 的 应 用 4 0 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 。 全 球 激 光 技 术 与 产 业 的发 展 现 状 与 趋 势 4 2 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 2 0 0 1 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 2 0 0 1 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 。 2 0 0 1 年 ， 全 球 激 光 产 业 的 销 售 收入 为 5 6 亿 美 元 ， 而 在 2 0 0 2 年 2 0 0 5 年 中 ， 激 光 产 业 的 销 售 收 入 仅 分 别 为 ： 4 3 亿 、 4 9 亿 、 5 4 亿 美 元 。 在 2 0 0 2 年 2 0 0 6 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 4 3 亿 、 4 9 亿 、 5 4 亿 、5 5 .8 亿 、 5 9 .8 亿 美 元 ， 2 0 0 7 年 全 球 激 光 产 业 销 售 收 入 进 一 步 增 加 到 6 2亿 美 元 。 4 3 4 42002 2006年 的 统 计 结 果 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 1 9 9 9 年 2 0 0 3 年 ， 中国 激 光 产 品 市 场 销 售 情 况 分 别 为 ： 1 4 .1 3 亿 、 1 9 .1 1亿 、 3 2 .4 亿 、 2 8 .6 2 亿 、 3 6 .8 9 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 。 4 5 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 3 0 0 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 。 4 6 我 国 激 光 技 术 和 产 业 的 发 展 方 向 4 7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 。 4 8 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 。 4 9 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 。 5 0 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 5 0 %提 高 到 8 0 %。 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 。 5 1 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 1 5 年 以 下 1 5 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 。 5 2 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 。 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 。