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1、激光原理简介,激光的发展历史激光器的基本原理激光器的应用及前景,2023/1/9,2,LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)辐射的受激发射的光放大,激光是20世纪的四项重大的发明之一,2023/1/9,3,激光的发展历史,从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和实现，如
2、相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。,2023/1/9,4,激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。,20世纪50年代初，电子学和微波技术的应用提出了将无线电技术从微波推向光波的要求。,从微波振荡器到光波振荡器微波振荡器的实现原理：,一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔；利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。,1952
3、年，美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论去放大电磁波。,2023/1/9,5,1954年，美国的汤斯(Charles H.Towns)、苏联的巴索夫(Nikolai G.Basov)和普洛霍洛夫(Aleksander M.Prokhorov)第一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser),抛弃了 利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原子或分子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。1958年，汤斯和肖洛(Arthur L.Schawlow)抛弃了一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。布隆伯根(Nicolaa
4、s Bloembergen)提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转分布的新构想。汤斯和肖洛在Physis Revies 上发表论文，指出了实现受激辐射为主的可能性，并给出了实现这个愿望需要满足的条件。,2023/1/9,6,C.H.Townes,A.M.Prokhorov,N.G.Basov,汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。,The Nobel Prize in Physics 1964,2023/1
5、/9,7,1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志了激光技术的诞生。美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅曼演示的。波长为694.3nm的激光,2023/1/9,8,至此，一门新的科学技术量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！,2023/1/9,9,1961年 2月（A.Javan）研制成了HeNe混合气体激光器。,有人提出了Q调制技术，并制成第一台调Q激光器。,为什么要调Q？,制成了钕玻璃脉冲激光器。,1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓（GaAs）半导体激光器运转的报道。,仅19611962年间世界各国发表的激光方面的论文达200篇以上。,2
6、023/1/9,10,1963年建立了激光的半经典理论。对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。1964年研制成了 氩离子（Ar+）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢）掺钕的钇铝石榴石固体激光器 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助半经典理论预言了锁模效应的存在。,2023/1/9,11,1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。,为什么要锁模？,1970年研制成了准分子激光器。,1977年研制成了红外波段的自由电子激光器（FEL）,1984年研制出光孤子激光器（SL）,因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有10位.,1967
7、年研制成了射线激光器。,2023/1/9,12,拉姆齐（Ramsey，Norman F，1915）美国物理学家。因发展了原子精确光谱学和发明了分离振荡场方法以及将其用于氢微波激射器和原子钟而获得1989年诺贝尔物理学奖金。,2023/1/9,13,朱棣文（1948），美籍华裔物理学家。1997年，朱棣文因发明用激光冷却和俘获原子的方法获得诺贝尔物理学奖。,科昂-塔努吉（Cloder Cohen Tanuky，1933）法国物理学家，1997年诺贝尔物理奖得主。他利用“磁阱”技术，成功地将原子温度降低到了与绝对零度只相差百万分之一度的程度。,菲利普斯（Felipus，William，1948）美
8、国物理学家，1987年他运用“磁阱”技术，改进了原子在激光照射下温度骤降的方法，使冷却温度进一步降低。因此获得1997年诺贝尔物理奖。,2023/1/9,14,1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功。神光I、神光II、神光III,2023/1/9,15,（built in 1986 2beam/f200mm,1.6KJ/1w/1ns）神光I 装置的两路激光系统,2023/1/9,16,二、激光的基本构成,产生激光的必要条件,1.实现粒子数反转,.使原
9、子被激发,.要实现光放大,工作物质,光学谐振腔,激励能源,激光构造三要素,2023/1/9,17,激励能源,增益介质,谐振腔,全反射镜,部分 反射镜(99),谐振腔，增益介质，激励能源。,1.基本构成部分,2.激光的形成,光束在谐振腔内来回振荡，在增益介质中的传播使光得以放大，并输出激光。,2023/1/9,18,（一）自发辐射 受激辐射,1、自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E1,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。,自发辐射,2023/1/9,19,2、受激吸收,原子吸收外来光子能量hn,并从低能级E1跃迁到高能级E
10、2,且E2-E1=hn,这个过程称为受激吸收。,受激吸收,2023/1/9,20,3、受激辐射,由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光。,原子中处于高能级E2的电子,会在外来光子(其频率恰好满足hn=E2-E1)的诱发下向低能级E1跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射。,2023/1/9,21,（二）激光原理,1、粒子数正常分布和粒子集居数反转分布,N1N2表明,处于低能级的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常分布。N2N1叫做粒子集居数反转，简称粒子数反转或称集居数反转。,已知,2023/1/9,22,从外界输入能量（如光照,放电等）,把低能级上的原子激发
11、到高能级上去,这个过程叫做激励（也叫泵浦-pump）.,2023/1/9,23,2、光学谐振腔 激光的形成,光在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡。,加强光须满足驻波条件,2023/1/9,24,3、谐振腔的作用,增益介质,(1).限定光的方向,沿轴线的光在增益介质内来回反射，连锁放大，输出形成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。,(2).选择光振荡的频率（驻波条件）,I0 eGL,r1I0 eGL,r1I0 e2GL,(3).延长增益介质,r2,r1,I0,增益介质,阈值条件,r1r2I0 e2GL,2023/1/9,25,高压直流
12、电源,(1).氦氖激光器,电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与 Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。,4、几种常见的激光器,2023/1/9,26,红宝石,触 发,(2).红宝石激光器,工作物质：红宝石中的Cr+3,激励能源：脉冲氙灯,脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得Cr+3 在亚稳态和基态之间形成反转分布。,椭圆柱面,脉冲氙灯,2023/1/9,27,（三）激光器的种类,2023/1/9,28,激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等五种类型：（1）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用
13、范围较广泛。（2）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。（3）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。,2023/1/9,29,（4）以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在500种
14、左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。（5）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。,2023/1/9,30,（6）X射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能;用X射线激光
15、拍摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。（7）化学激光器 有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。（8）自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。,2023/1/9,31,世界第一台自由电子激光器于1977年问世，中国第一台自由电子激光器于1985年问世。自由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电子的动能转换而成的。其输出功率可达很高水平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面都有很大的用途，所以它一问世就受到各国科技界的
16、重视。美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有2至10微米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型半导体激光器。1990年美国研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达280亿次/秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。1992年日本推出一种高输出半导体激光器，特点是服务寿命长，在室温下可连续工作5000小时。,2023/1/9,32,1、固体激光器,工作物质各种激光晶体和玻璃输出波长由工作物质中激活元素决定。激励方式惰性气体灯泵浦或半导体激光器泵浦输出方式连续灯泵浦连续光 脉冲灯泵浦脉冲光例如：可
17、调谐的固体激光器 掺Cr3+的紫翠玉宝石激光器。输出波长0.7-0.8m 掺Cr3+的氟化锌钾激光器。输出波长780-850nm 掺钕钇铝石榴石Nd:YAG激光器。输出波长 1064nm,2023/1/9,33,1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm2940nm:医学和通信近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm1100nm固体激光器常用于产生强激光，连续输出几千瓦,脉冲输出几万焦耳,2023/1/9,34,掺铒光纤激光器 在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺
18、少的部分。,光纤放大器（光纤激光器）由微型激光器芯片驱动的掺铒的光纤。原理：当激光在光纤中传输时，光纤中的铒离子受微型激光器发出的激光激发，经过能级跃迁，不断把能量传递给光子，使得激光在传输中所损耗的能量不断地得到补充，经过数百千米甚至数千千米的行程后，被减弱的光信号又恢复了活力。用途：通信，局域网，数字电视，宽带网络等,2023/1/9,35,工作物质：砷化镓等半导体材料。工作原理：砷化镓等半导体材料只允许电流沿着一个方向流动。当穿过介质的光遇到一个被激发的原子时，它将使这个原子以相同的波长和频率释放能量，光在来回传播的过程中，不断地被加强，直到从反射镜面上逃逸出去，形成激光。半导体激光器发
19、展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50 m x 150 m x 250 m，比普通的米粒还小。主要用途：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等方面。,2、二极管激光器（半导体激光器）,2023/1/9,36,3、气体激光器,气体激光器 原子激光器，分子激光器，离子激光器，准分子激光器。原子激光器：以氦氖激光器为代表，这种激光器大都是连续工作方式，输出功率在100毫瓦以下，多用于检测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可以发射较强的连续功率激光，功率可达几十瓦，是可见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及全息学等方面。,2023/1/9,37,分子激光器：以
20、CO2激光器为代表，因红外波长激光 的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点发光都在紫外波段。用途多用于微细加工，光刻及医学。原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当 两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。,2023/1/9,38,4、液体激光器,主要是染料激光器。多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点：从红外到紫外范围调谐任意波长(几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的应用。,2023/1/
21、9,39,5、X射线激光器,X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高。,目前，最短的X射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区，X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研究。已经用波长4.483nm X射线激光制成了X射线显微镜，并成功地得到了老鼠精子内核的图象，用于DNA在精子细胞内排列的研究。,2023/1/9,40,原理：自由电子激光器是利用自由电子在真空磁场中的周期性摆动产生激光。特点：自由电子通过很多对极性彼此相反
22、的磁铁组成的交变磁场，磁场的周期取决于这些磁铁的大小与间距。发射激光的波长由交变磁场的周期及入射电子的能量决定。用途：自由电子激光器可连续工作，输出功率几百瓦。也可脉冲式工作，平均最高功率几兆瓦。用于材料科学，医学，表面科学，化学，生物及生命科学等。,6、自由电子激光器,2023/1/9,41,7、生物微腔激光器,一种研究活体生物细胞的手段和方法，将一含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光表面，上面覆盖镀有反射膜的玻璃片。细胞置于激光共振腔中，当激光在腔内往返数百次后，细胞中的信息充分被激光发射带出，通过这些信息的识别，由发射激光的脉冲形状，模式，空间分布以及收集到的荧光图象，就可知道细胞属
23、于那一类。是正常细胞还是癌细胞等。这种生物微腔激光器 一般用波长850纳米的半导体激光器来制作。,2023/1/9,42,8、纳米激光器问世 据2001年美国科学杂志报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器纳米激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器，这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。,2023/1/9,43,激光器的图片,绿光激光器,2023/1/9,44,大功率绿光激光器,2023/1/9,45,红光激光器,2023/1/9,46,蓝光激光器,2023/1/9,47,白光激光
24、器,2023/1/9,48,黄光激光器,2023/1/9,49,半导体激光器,2023/1/9,50,小型激光器,2023/1/9,51,钛宝石激光器和10太瓦/拍瓦高峰值功率超快激光器系统,2023/1/9,52,二氧化碳激光器,2023/1/9,53,气体激光器,2023/1/9,54,固体激光器,2023/1/9,55,红绿蓝多色激光器,2023/1/9,56,紫外激光器,2023/1/9,57,泵浦灯管和气体激光管,2023/1/9,58,三、激光的特性,单色性好 方向性好 亮度高 相干性好 高的光子简并度包括了上述四特性,2023/1/9,59,第一，激光的单色性好。激光是一种颜色最
25、单纯的光。太阳光和电灯光看起来似乎是白色的，但当让它通过一块三棱镜的时候，就可以看到红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的光，其实，还含有我们看不见的红外光和紫外光。激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高。,2023/1/9,60,单色性好,2023/1/9,61,第二，激光的方向性好。在发射方向的空间内光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿万倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，成为无坚不摧的强大光束。平时，我们见到的灯光，都是向四面八方发光，打开室内的电灯，整个房间都照亮了。又如
26、，打开手电筒，在发出的部位，直径不过35厘米，待射到几米之外后，就扩展成一个很大的光圈。这说明，光在传播中发散了。然而，激光却不同，它是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为。激光在传播中始终像一条笔直的细线，发散的角度极小，一束激光射到38万千米外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右。,2023/1/9,62,方向性好,2023/1/9,63,第三，激光亮度最高。太阳是人类共有的自然光源，整个世界沐浴在明亮的阳光之下。太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。激光的出现，更是光源亮度上的一次惊人的飞跃。一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。从地球照到月亮上在反射回
27、来也不成问题。可见激光是当今世界上高亮度的光源。激光可以具有很大的能量，用它可以容易地在钢板上打洞或切割。在工业生产中，利用激光高亮度特点已成功地进行了激光打孔、切割和焊接。在医学上、利用激光的高能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，激光能量提高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。,2023/1/9,64,高亮度,2023/1/9,65,第四，激光的相干性好。在普通光源中，原子发光过程都是自发辐射过程，各个原子的辐射都是自发地、独立进行的，因而各个原子发出的光子在频率、发射方向和初位相上都是不相同的，所以，在光源的不同位置发
28、出来的光各不相同，不具备空间相干性；而它的频率间隔Dn很大，所以Dt 就很短，因而也不具备时间相干性。所以普通光源发出的光不是相干光。而对激光器来说，它所发射的激光单色性很好，即激光的Dn非常小。因而激光的相干时间Dt 很大，即激光的时间相干性很好。激光的发散角很小，因而其空间相干性也很好。,2023/1/9,66,激光的时间相干性,2023/1/9,67,激光的空间相干性,2023/1/9,68,四、由激光发展的新学科,激光的出现带动了多学科的发展，如量子光学、量子电子学、激光光谱学、非线性光学、集成光学、海洋光学等等。这里我们只列举一些与日常生活相关的激光应用科学的发展。,2023/1/9
29、,69,1877年世界上第一台留声机在爱迪生的手上诞生了！它是声像技术发展的开端。人们并不满足于唱机，20世纪40年代初，德国研制出具有高频偏磁和良好机械传输性能的磁带录音机，开拓出记录声音的新渠道。到1955年，美国无线电公司宣布实验成功磁带彩色录像机，能把自己和大自然的形像记录下来，它揭开了声像技术史的新页，打开了现代声像技术发展的大门和通路。3年后，美国安皮克公司生产出商用彩色录像机。1970年，英国德卡公司研制出第一台黑白电视录像盘。两年后，荷兰菲利浦公司研制出用激光器拾音的彩色电视录像盘。这就是现代激光光盘的诞生！,(1)激光光盘制作技术,2023/1/9,70,激光光盘的诞生，激光
30、在音响设备上的应用，是音响上的一次革命。人们利用激光，以“光针”代替钢针、宝石针，制成激光唱片。激光唱片不仅能够录音，而且能够录像。激光唱片用来记录、存储声音和图像，可以说，这是声像技术上的一次革命，一个伟大的创举。自从激光光盘出现以来，人们充分挖掘它的潜力，创造多种功能的激光唱机和唱片，1983年，美国和日本分别研制成崭新的数字录音唱片。这种唱片完全摆脱了传统唱片的制作和重播方式，为唱片开辟了一个全新的境界。这种数字唱片，在存储技术等方面都有重要的用途。,2023/1/9,71,激光光盘技术发展很快，各种功能、各种用途的新型唱机、唱片层出不穷。于是，激光光盘和电子计算机技术、声像技术联手，踏
31、入文献存储和检索的领域。信息存储在光盘上，快速检索、查阅和打印出所需要的资料。现在光盘书籍已进入家庭生活。,2023/1/9,72,现代的全息照相，伴随着激光技术而获得新生和发展，为我们提供了一种捕捉景物一切可见信息的途径，可以得到极其逼真的立体显示的全息照片。用全息照相方法所得到的照片，在适当的光照下，原来的景物就会再现在我们的面前。由于全息照片记录了景物光波的全部信息，所以再现出来的景象和原来的一模一样。全息照片再现出来的景象是如此逼真：使人产生身临其境之感。全息照片是真正的立体照片。用全息照相方法所得到的照片，经得起“破坏性的打击”。全息照片的每一部分，不论有多大，都能再现出原来的整个景
32、象，这就是说，可以将全息照片分成若干小块，每一小块都可以完整地再现出原来的景象。因此，如果全息照片被打破了，撕碎了，或者在某个案件中捕获到的是毁坏了的全息照片的残渣，总可以从一小块碎片重新复制出原样的照片来。,(2)逼真的照片,2023/1/9,73,2023/1/9,74,激光医学是激光技术的新领域，1960年世界上第一台红宝石激光器问世后，1961年即用于治疗视网膜脱落，1963年激光光刀用于肿瘤切割。70年代医用激光治疗机在临床各科得到广泛应用。1981年联合国卫生组织正式宣布激光医学为医学的一个新分支。激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。激光治疗最早用于眼科，对视网膜剥离眼
33、底血管病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中出血少，可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的“光针”，对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力”，能够治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的100多种疾病。激光己成为有益于人类的幸福之光，生命之光。,(3)激光医学,2023/1/9,75,2023/1/9,76,光导纤维传光是利用在光导纤维中传输光线在界面上发生全反射来实现的。这种透明细长纤维传光现象很早就为希腊玻璃工人所发现。1870年英国人廷德尔首先通过实验观察到光沿弯曲水柱传播的现象。1929年美国人哈塞尔
34、制成石英纤维，但由于质量差，没能实际应用。50年代美国人卡帕尼和荷兰人冯西尔首先制成玻璃芯，解决了光学绝缘的难题。激光器的问世，纤维光学才真正得到飞速发展。1973年第一个光纤通信实验系统在美国贝尔实验室建成。光纤通信进入了实际应用。现在以光导纤维为传导介质的传感技术已在医学、物理学、化学、通信、纺织、航空航天、电气、汽车、自动化等几乎所有工程领域和基础实验科学领域得到广泛使用。,(4)光纤通信,2023/1/9,77,光纤通信在有线广播电视方面也大有可为。利用光缆构成电视网，能够传送几百几千套电视，使人们可以随意选择收看各种各样的电视节目，而且这种电视不受地形地物障碍的影响。此外，还可以迅速
35、及时地传送电视报纸，可以进行电视教学。,可视电话也是靠大容量的光纤通信系统实现的。在通话时，不但彼此能看到对方的音容笑貌，还能相互展示手中的照片及其他东西。亲人遥隔千万里，就像相聚在一起一样。可视电话还可以用于电话会议、医疗会诊、指挥生产等。,2023/1/9,78,卡拉OK音乐厅、镭射舞厅有一位极其重要的“配角”激光，运用激光手段，增添信息，拓展时空，使丰富多采的节目更加令人回味无穷，可以说，艺术的成功，也与激光作为“配角”是分不开的，最常用的是能够产生红绿蓝3色的离子激光器。目前，已出现独具特色的光子乐器，它和电子乐器相比也毫不逊色。激光光纤吉他，光导纤维作为吉他的琴弦，通过光信号的变化，
36、可以演奏出极其美妙的乐曲。激光竖琴，更是别具一格，琴弦是由一台氪激光器和两台氩激光器产生的一排绚丽多采的竖直光束。琴师“拨奏”激光竖琴的“琴弦”有节律地遮断光束，启动琴中的光电传感器，于是便奏出令人叫绝的乐曲。光子在音乐领域里的贡献远不止这些，从发展来看，光子乐器虽然是后起之秀，却大有后来居上之势。,（5）激光艺术,2023/1/9,79,激光不但是医生手中的手术刀，还是画家和雕刻家手中的光笔和雕刻刀。艺术家们利用激光束这得心应手的画笔和刻刀，在各种纸板、木板、石板、玻璃板和金属板上进行绘画和雕刻创作，可以借助于激光束的强度、聚焦和散焦的变化，创作出完美的独具风格和特色的作品来；还可以借助于计
37、算机辅助设计技术，对所创作的作品进行修改。此外，激光还可以用来修复名画，使已经黯然的画面恢复其青春的光彩。,2023/1/9,80,人类要生存，第一需要是粮食。播下什么种子，就会有什么收获。现在，在农作物品种改良和新品种培育方面，人们利用激光处理种子，收到了明显的增产效果。通过对激光育种的生物学研究，发现在特定激光辐照作用下，产生光物理、光化学和光生物学效应，就会出现“染色体”变异，于是导致遗传性状的改变，而产生出新的品种。人们还用激光适当地照射蚕豆、玉米、萝卜、黄瓜和西红柿的种子，加速种子发芽，提高种子出芽率，促进农作物生长，使农作物早熟、抗病、增产。,（6）五谷丰登激光农业,2023/1/
38、9,81,人们利用不同波长、不同剂量的激光进行试验，深入研究绿色植物光合作用的基本机理，深入研究从发芽直到成熟结籽的基本过程。人们采取适当波长和适当剂量的激光照射正在生长的农作物，促进农作物的光合作用，从而提高农作物的产量和品质。例如，用激光照射黄瓜秧和西红柿秧，秧子上的花数和果数都有增加，产量得到提高，果实里的糖分和维生素含量增加，品质显著改善。,2023/1/9,82,人们还利用激光研究农作物病虫害的防治。激光成为人们捕杀害虫和消灭病虫害的得力助手。人们利用激光向杂草开刀，除掉杂草，为禾苗出气，为禾苗助长。采用激光灭虫除草方法，比采取化学灭虫除草优越，避免了化学药物对大气、水源和土地的污染
39、，而且不污染粮食、蔬菜和水果。激光是一种高效而清洁的灭虫除草方法。激光在农副产品的储藏和保鲜方面，在对农作物收获进行预报和估产及其他方面，都有用武之地。激光在实现科学种田和农业现代化方面，将发挥越来越大的作用。,2023/1/9,83,利用激光绘制灾害图。激光测距仪向目标发射一束对人眼安全的激光束，以测量目标的距离和方位角。照到目标后再返回激光器，附在激光器上的计算机随即进行必要的运算。若将该激光测距仪跟一台全球定位系统相联，卫星接收器就会随时告诉操作人员所在的位置。系统操作人员可将激光器瞄准风暴灾害处，激光器将距离和范围内的信息送到全球定位系统，绘出灾害图，然后可迅速派遣有关人员前往救灾。另
40、一套运行系统同记录计算机相连，操作人员能飞到邻域上空，将激光器对淮受灾地面建筑物，迅速绘出地图，可估计受损财产的价值。,（7）激光在环境方面的应用,2023/1/9,84,激光检测大气含量，采用柏林自由大学的激光雷达对城市烟雾或酸雨进行了三维监视，已经测量出氧化亚氮、二氧化氮、二氧化硫，以及臭氧含量的两维和三维图。已经成功地绘出行星边界层海拔4km上下的水蒸气轮廓图，满足了气象应用的需要。,2023/1/9,85,（8）激光在军事方面的应用,1、激光测距2、激光雷达3、激光制导4、激光通信5、激光武器,2023/1/9,86,2023/1/9,87,中国研制的激光测距仪,2023/1/9,88
41、,2023/1/9,89,2023/1/9,90,2023/1/9,91,战略反导激光武器,2023/1/9,92,激光武器,2023/1/9,93,激光制导,2023/1/9,94,激光拦截,2023/1/9,95,2023/1/9,96,2023/1/9,97,激光致盲武器,“军刀”(Saber)203的激光照明系统，主要用于照明、致盲和瞄准目标。该装置采用镍镉电池供电，工作波长为670纳米，功率400毫瓦，有效照明距离300米，重1.5磅，每枚电池可连续运行30分钟，100米处的光斑尺寸可在110米之间变化。,2023/1/9,98,形形色色的激光武器,激光枪,2023/1/9,99,形
42、形色色的激光武器,舰载激光武器,2023/1/9,100,形形色色的激光武器,机载激光武器,2023/1/9,101,在军事上其他方面的应用,激光技术在军事的应用除上述几个方面外，还包括：激光侦察、激光核聚变、激光计算机、激光陀螺等。,2023/1/9,102,2023/1/9,103,2023/1/9,104,做饭、取暖要烧煤，汽车、飞机要用油，照明、家电设备和开动机器都需要电、煤、石油、天然气等矿物燃料及各种发电手段，热电、水电、核电是人类生存和社会进步不可缺少的能源。原子能是最富魅力的新能源。原子能的利用，可以分为两类：一类是利用中子轰击铀原子核，使铀核分裂成为两块，释放出裂变能；另一类
43、是使氢的两种同位素氘和氚核聚合在一起，释放出聚变能。核聚变反应释放出的能量要比核裂变反应释放出的能量大得多。核裂变反应可以用于制造原子弹，也可以用于建造核电站。,五、激光技术诱人的前景,(1)创造一个新太阳,2023/1/9,105,核聚变并不陌生：氢弹爆炸就是一种核聚变反应。但是，氢弹爆炸的巨大能量是在一瞬间释放出来的。氢弹爆炸式的核聚变反应，简直就是无羁的“核野马”，一发而不可收拾。这种核聚变产生的能量是人力无法控制、无法应用的。那么，怎样才能使“核野马”驯服，使它在人的控制下老老实实地工作呢？科学家们的目标是：实现受控核聚变。用什么来“点火”怎样才能满足受控热核聚变的条件呢？人们想到了强
44、磁场、电子束、离子束等种种办法，但最有希望的要数高功率激光了。高功率激光技术是实现激光受控核聚变的关键，各国科学家都在这方面倾注全力攻坚。受控核聚变一旦实现将首先用于建造新型的聚变类型的核电站。激光受控核聚变将是人类的既安全又清洁、取不尽用不完的新能源。它的实现，等于人类创造出一个新太阳！,2023/1/9,106,自从世界上第一台激光器问世至今，激光已涉足于许多科学学科和技术领域，并分化出不少重要的分支学科和交叉学科，激光技术、纤维光学和集成光学，也打开了光计算机的信息传输、存储和处理的时代的大门。光计算机给人们带来了美好的希望。电子计算机发展到今日，却始终没有脱离电子学的范畴，运算速度和存
45、储容量均已不能满足突飞猛进发展的科学技术的需要。集成光学和激光技术为研制运算速度极快、存储容量极大、使用稳定可靠的光计算机提供了基础条件。光模拟计算机在几分钟里就可以完成电子计算机几天才能完成的工作量。现在，科学家们正在向特高运算速度和特大信息存储量的光数字计算机进攻。,(2)迎接光子时代的到来,2023/1/9,107,纤维光学是研究光学纤维传光理论及制造的一门新学科。光学纤维已发展成为一种新型的光学元件，应用于光纤通信、光学窥视、某些特殊激光器和新型光学系统之中。光纤通信具有容量巨大、抗干扰能力强、保密性好、节省有色金属和适用范围广泛等特点，逐步发展成为大容量、远距离通信的重要手段，必定成
46、为未来通信事业的主角。光子学作为一门新学科必将迅速发展起来，同时，还将促进其他学科的发展。一些新学科将不断涌现出来，如光子物理学、光子化学、光子生物学、光子医学等等。,2023/1/9,108,光子科学技术不断出现的新成就，对现代化社会的影响是无法估量的。到那时，天上飞的是用光子充填燃料的宇航飞机，地下跑的是光子发动机驱动的各种车辆，家庭里用的是多种多样的光子器具，军队装备的是各式各样的光子武器如同今天的煤、油、电一样，光子科学技术将渗透到整个社会肌体的各个部位，成为人类生产和生活中不可缺少的东西。,2023/1/9,109,未来的家庭，将是光子化的家庭。在你的家庭里，你只要按动那台用集成光学
47、元件制造的终端设备，激光信号就会通过光学纤维构成的光缆网络联系于办公室、商场、电台你可以通过面前的荧光屏，同千里之外的亲人会晤，和办公室里的同事交谈，跟商场里的售货员定货，向图书馆索取有用的资料，以及阅读新闻、科技情报。在你的家庭里，你的光智能计算机是你的忠实仆人，控制着空调设备调节室温，控制家用电器来烹调食物、开窗关门、清扫房间。茶余饭后，你坐在舒适的沙发上，可以用手中的微型光控器，打开面前的光视机，观看光纤传来的丰富多采的全息彩色光机节目，那是立体的景象，真实的景象！到那时，电子将让位给光子，光子将成为人类的第一助手，处处为人类服务。人类将生活在一个崭新的光子时代里！,2023/1/9,1
48、10,“嫦娥奔月”、“牛郎织女”、“孙悟空大闹天宫”在我国，流传着多少关于“天宫”的神话故事；现代的中外科幻小说或电视剧目，更是不乏有关太空城市与生活的描写。当然，人类是不会停留在神话故事、科学幻想里面的。人类正在创造条件，现代科学技术的各个领域，正在突飞猛进地发展，人类终有一天会建立起“太空城”、“太空村”，到那里去进行科学实验，制造新材料和新产品。太空里有地球上所不具备的或很难获得的实验条件，如低温、真空、失重和无菌等。在那样的特殊条件下，一些物质将具有优异的特性，一些实验会呈现出异乎寻常的现象，因而给科学技术带来新的突破，使人类获得新的生产力。,(3)太空城里创大业,2023/1/9,1
49、11,人们在“太空城”里工作和生活，第一需要是氧气，怎么样把氧气输送到遥远的“太空城”里去呢？我们看到，自来水管把水送到千家万户，煤气管道将煤气送进每家每户。那么，采用什么管能把氧气或其他气体从地球输送到月球的或其他的“太空城”、“太空村”里去呢？科学家认为，将来，激光有可能成为行星距离间输送氧气及其他气体的有效管道。这可真是科学发达，无奇不有，光还能成为“管道”！到太空去工作和生活，这一天已经为期不远了。到那时，人们在“太空城”里办工厂，在“太空村”里种果菜，好一派生机盎然的喜人景象。,2023/1/9,112,对未来的宇宙飞船，科学家们作出种种设想，如量子飞船、光子飞船、原子能飞船、太阳帆
50、飞船、等离子体飞船等。太阳帆飞船是麦克斯韦提出的预言，它是以太阳的压力为动力，太阳光线就好像“宇宙风”一样，推动着宇宙飞船的“船帆”而使飞船前进。自从方向性极强的激光问世以后，科学家们又预言：激光可以作为未来宇宙飞船动力。如果太阳光线能够给宇宙空间里自由飘荡的物体加速的话，那么，激光这样强大的辐射光束也完全可能给宇宙飞船加速。科学家们认为，实现激光动力飞船的可能性，不会比实现前面设想的种种飞船的可能性小。从物理学的观点来看，各种发动机无非是利用反作用力，激光发动机的反作用力能由具有质量的光子产生。,(4)未来的宇宙飞船,2023/1/9,113,美国着手研究以激光为动力，推进航天飞行器的飞行，
