激光技术应用1详解.pptx
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1、内容主要选自:邓锡铭,雷仕湛内容主要选自:邓锡铭,雷仕湛 激光技术激光技术激光技术讲座湛江师范学院 物理与科学技术学院激光技术的应用(一)激光技术的应用(一)主讲:陈冠英主讲:陈冠英 (2010.3)激光技术的应用激光技术的应用一激光精密计量一激光精密计量二激光信息处理二激光信息处理 三激光加工三激光加工四激光能源四激光能源五激光医学五激光医学六激光农业六激光农业七激光武器七激光武器八激光与基础科学八激光与基础科学激光的特性激光的特性方向性极好的强光束方向性极好的强光束-准直、测距、切削、医学、准直、测距、切削、医学、武器、核聚变研究等。武器、核聚变研究等。相干性极好的光束相干性极好的光束-精
2、密测厚、测角,全息摄精密测厚、测角,全息摄影等。影等。单色性极好且频率可单色性极好且频率可调的光束调的光束-高分辨高分辨激光光谱,研究原激光光谱,研究原子、分子结构子、分子结构.超强、超快的激光超强、超快的激光脉冲脉冲-时间分辨、时间分辨、超快过程激光光谱超快过程激光光谱学学.激光原理激光原理1.粒子数反转粒子数反转E2E0E1激励激励抽运抽运E3能量能量粒子数粒子数E2E1E0N2N1N0N3E3四四能能级级系系统统2.光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光激光原理激光原理受激辐射受激辐射三能级系统三能级系统一般情况一般情况:数量级估计:数量级估计
3、:T 103 K;kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV(k=1.3810-23 J/K;1eV=1.610-19 J)l=l=c/v=hc/(E2-E1)=1.24 m mm;如如:氢原子氢原子基态能量基态能量:13.6 eV,第一激发态能量第一激发态能量:3.4 eV,表表1 几种光源的平均光子流密度几种光源的平均光子流密度光源光源平均光子流密度平均光子流密度/光子光子/(scm2)星 光 106 月 光 108 一般室内灯光 1012 太 阳 光 1014激光(10mW的He-Ne激光)(波长:632.8nm)1022表表2 几种光源的频宽、相干时间及长度几种
4、光源的频宽、相干时间及长度光源光源v/Hz t tL=ct太阳光(=0.40.8m)410142.5fs750nm发光二级管(=1m,=50nm)1.5101367fs20m低压钠灯510112ps600m多模激光(=633nm)1.51090.67ns20cm单模激光(=633nm)11061s300m一一 激光精密计量激光精密计量1 激光长度基准激光长度基准 激光有很好的激光有很好的单色性单色性和和相干性相干性,用它作计量检测,用它作计量检测,能获得很高的计量精度,且测量方便快捷。能获得很高的计量精度,且测量方便快捷。1983 年第年第 17 届国际计量大会通过长度单位届国际计量大会通过长
5、度单位 米的新定义:米的新定义:lm 是光在是光在1/299 792 458秒内在真空秒内在真空中行程的长度中行程的长度。在重新定义米之后,只要精确测量。在重新定义米之后,只要精确测量激光的激光的频率频率v0,再通过定义的光速值就可导出波长,再通过定义的光速值就可导出波长,即:即:,由此复现长度单位米。,由此复现长度单位米。2 激光长度测量激光长度测量 随着机床、自动制图机、掩模制作机、集成电路随着机床、自动制图机、掩模制作机、集成电路制作机等工作机械大型化、精密化、数值控制化的制作机等工作机械大型化、精密化、数值控制化的发展,需要长尺子并以很高精度确定其位置。发展,需要长尺子并以很高精度确定
6、其位置。利用利用光的干涉方法能进行精密长度定位光的干涉方法能进行精密长度定位,但是,有效量,但是,有效量程受单色性限制最大量程程受单色性限制最大量程 Lmax为:为:激光有极好的单色性,用它计量的有效量程就大得多。激光有极好的单色性,用它计量的有效量程就大得多。比如,用特制氦一氖激光器输出的红光(比如,用特制氦一氖激光器输出的红光(632.8 nm,),最大量程可达,最大量程可达 20 km。把激光器输出的激光在干涉仪中分成两束,一束在干把激光器输出的激光在干涉仪中分成两束,一束在干涉仪中走过固定路程;另一束射到靶棱镜后反射回干涉仪中走过固定路程;另一束射到靶棱镜后反射回干涉仪,光靶棱镜相对于
7、干涉仪移动时,这束光的光程涉仪,光靶棱镜相对于干涉仪移动时,这束光的光程发生变化两束光会合之后发生干涉,生成干涉条纹发生变化两束光会合之后发生干涉,生成干涉条纹当当靶棱镜移动半个波长时,干涉图上发生一条条纹靶棱镜移动半个波长时,干涉图上发生一条条纹的移动的移动干涉仪和生产设备一起使用,已见于许多数字控制机械干涉仪和生产设备一起使用,已见于许多数字控制机械和其他精密测长工作,测量精度很高,和其他精密测长工作,测量精度很高,测测 l米长度误差米长度误差为百分之几微米为百分之几微米。数出通过参考点的干涉数出通过参考点的干涉条纹移动数目条纹移动数目 N,由此可得,由此可得到到移动的长度移动的长度L:3
8、 激光测距和测速激光测距和测速 用光学方法可以方便而又迅速地侧出远方目标距用光学方法可以方便而又迅速地侧出远方目标距离,测量精度也非常高。因为光子运动速度是一个常离,测量精度也非常高。因为光子运动速度是一个常量,所以,只要测出光波从光源发出至目标的来回传量,所以,只要测出光波从光源发出至目标的来回传播时间,就可以定出目标的距离:播时间,就可以定出目标的距离:激光的激光的亮度很高亮度很高可以测量很远可以测量很远的目标距离的目标距离;激光激光脉冲宽度很脉冲宽度很窄窄测量距离的测量距离的精度很高精度很高.军用远程激光军用远程激光测距仪测距仪AL-AL-PRO6000 PRO6000 现在利用激光器做
9、光源,重量现在利用激光器做光源,重量 0.5kg 左右的脉冲左右的脉冲激光测距仪,可激光测距仪,可测测 20 km 的目标距离,误差的目标距离,误差 0.5m,完成测量时间不到完成测量时间不到 1秒秒,利用激光相干性高的特点发,利用激光相干性高的特点发展的展的相位测距法相位测距法,测距精度更高,测距精度更高,测量与测量与 8000 km 外外的卫星之间的距离,误差仅的卫星之间的距离,误差仅 2 cm。利用激光照射在运动物体上产生的反射光产生的利用激光照射在运动物体上产生的反射光产生的多普勒频移多普勒频移,或利用从运动物体表面散射回来的激光,或利用从运动物体表面散射回来的激光衍射花样发生的移动衍
10、射花样发生的移动,可以确定物体的运动速度。这,可以确定物体的运动速度。这种方法能够测量的速度范围宽,低的种方法能够测量的速度范围宽,低的可以侧出每秒移可以侧出每秒移动动0.07mm的速度的速度,高的可以测到每秒几百米的速度。,高的可以测到每秒几百米的速度。卫卫星星导导航航、测测速速示示意意图图4 激光准直导向激光准直导向光沿直线传播。激光的亮度高,方向性又好,是光沿直线传播。激光的亮度高,方向性又好,是良好的天然准直线和导向指示线。因为光束无重量,良好的天然准直线和导向指示线。因为光束无重量,不发生重力弯曲不发生重力弯曲,还,还可以通过光电子系统作自动准直可以通过光电子系统作自动准直校正校正,
11、所以用激光束作准直的准直精度高,完成准直,所以用激光束作准直的准直精度高,完成准直花费的时间少,手续简便花费的时间少,手续简便。造船工业采用激光准直确定中心线,使精度比先造船工业采用激光准直确定中心线,使精度比先前前提高提高 1 个数量级,工效提高个数量级,工效提高 10 倍倍美国斯坦福大学美国斯坦福大学加速器中心加速器中心 3 km 长的波导长的波导,用激光准直,准确到,用激光准直,准确到 0.5 mm;波音波音 747 巨型飞机用激光指示精确对准巨型飞机用激光指示精确对准 38m 长长的机翼机架;用激光引导的机翼机架;用激光引导 280t(吨)的隧道掘进机在(吨)的隧道掘进机在 2.5 k
12、m 长的隧道内工作长的隧道内工作,偏差不超过偏差不超过 16 mm。激激光光指指向向仪仪5 激光表面质量检测激光表面质量检测 质量检测是保证产品质量合格率的重要手段。以质量检测是保证产品质量合格率的重要手段。以往磁带、玻璃、纺织品、电子线路元件等表面的疵点、往磁带、玻璃、纺织品、电子线路元件等表面的疵点、压痕、裂纹、气泡、针孔等缺陷压痕、裂纹、气泡、针孔等缺陷,主要靠眼力检测。主要靠眼力检测。以激光的相干性和单色性以激光的相干性和单色性为基础的检查技术,检查为基础的检查技术,检查速度速度快快,漏检率低漏检率低,还可以,还可以在生产在生产线上进行检查和分类线上进行检查和分类。利用激。利用激光全息
13、技术可以不用解剖样品光全息技术可以不用解剖样品而而直接探出零件内部是否存在直接探出零件内部是否存在缺陷缺陷,以及缺陷的,以及缺陷的位置、大小位置、大小,这就是所谓这就是所谓激光无损检测激光无损检测。芯片芯片焊接焊接无损检测系统无损检测系统 飞机用的轮胎飞机用的轮胎由这种方法检测由这种方法检测,能够可靠地保证轮能够可靠地保证轮胎质量胎质量.做法是做法是,先拍轮胎未打足气时的先拍轮胎未打足气时的激光全息片激光全息片,然后然后再拍打足气时的全息照片再拍打足气时的全息照片.如果轮胎内部没有缺陷如果轮胎内部没有缺陷,两张两张全息照片再现光波形成的干涉条纹分布均匀全息照片再现光波形成的干涉条纹分布均匀;如
14、果存在如果存在缺陷缺陷,在相应部位的干涉条纹发生畸变在相应部位的干涉条纹发生畸变.利用利用激光全息技术激光全息技术也能方便地也能方便地检测机械设备的动态形度检测机械设备的动态形度,帮助设计,帮助设计人员了解产品中的薄弱环节,改进设人员了解产品中的薄弱环节,改进设计,提高产品质量。计,提高产品质量。6 激光准确定位激光准确定位某些现代工业需要以纳米精度移动宏观物体。数据某些现代工业需要以纳米精度移动宏观物体。数据存储便是一个例子。存储便是一个例子。高密度数据存储高密度数据存储系统要求系统要求其各个其各个元件的制造和测元件的制造和测试达到试达到纳米定位纳米定位。利用激光做光源利用激光做光源制成的制
15、成的激光干涉激光干涉仪仪可以达到这个可以达到这个精度。精度。二二 激光信息处理激光信息处理 1 信息存储信息存储 (1)激光全息信息存储技术激光全息信息存储技术 这是把这是把激光傅里叶全息激光傅里叶全息图图制成直径大约为制成直径大约为 1 mm 的全息图的全息图,排成列阵或,排成列阵或者像唱片那样排列在圆盘上,者像唱片那样排列在圆盘上,一个圆点激光全息一个圆点激光全息图记录一页纸的内容图记录一页纸的内容。在现代社会生活中,需要存储、传递、处理的信息在现代社会生活中,需要存储、传递、处理的信息量巨大,而且数量还与日俱增。激光技术能够大幅度提量巨大,而且数量还与日俱增。激光技术能够大幅度提高信息处
16、理能力。高信息处理能力。利用激光技术开发的光学信息存储技术是当今存利用激光技术开发的光学信息存储技术是当今存储信息密度最高的技术现在开发成功的光学信息存储储信息密度最高的技术现在开发成功的光学信息存储技术有三类技术有三类一张如扑克牌大小的激光全息信息存储器一张如扑克牌大小的激光全息信息存储器,可以,可以记录记录 10 000 多页多页文件资料到文件资料到 20 世纪世纪 90 年代,这年代,这门信息存储技术又有新发展,开发出门信息存储技术又有新发展,开发出可重写激光全息可重写激光全息信息存储技术信息存储技术,它是,它是用光折变晶体用光折变晶体和和光致聚合物光致聚合物等做等做信息记录介质。信息记
17、录介质。这种新技术是这种新技术是三维记录三维记录,在,在一个位置上可以叠加一个位置上可以叠加 1000 多个小全息图多个小全息图,每一个全息图能够存储,每一个全息图能够存储 1 Mb 数数据,大约据,大约 1 cm3体积的记录介质内,可以存储体积的记录介质内,可以存储 1Gb左左右的信息右的信息。同时,因为这是。同时,因为这是整页并行检索信息整页并行检索信息,因此,因此,读取信息的速率很快,可以达到读取信息的速率很快,可以达到每秒每秒1Gb以上。以上。(2)光盘光盘 是目前广泛使用的高密度记录数字信号的是目前广泛使用的高密度记录数字信号的介质之一。介质之一。目前比较普及的直径为目前比较普及的直
18、径为12cm 的混合数据的混合数据 CDR 盘盘片,已可记录片,已可记录700MB以上的用户数据,激光束烧结的以上的用户数据,激光束烧结的最小最小凹坑长度小于凹坑长度小于l m mm,采用波长为,采用波长为 780790 nm 的红的红外激光读取数据。外激光读取数据。光盘系统技术的研发始于光盘系统技术的研发始于20世纪世纪50年代末期年代末期,70 年代末期逐渐实现商品化年代末期逐渐实现商品化.在光盘记录读取设备中,在光盘记录读取设备中,光学系统可光学系统可将激光会聚成比针尖还小的光束将激光会聚成比针尖还小的光束,用这样用这样的光束在介质上记录的信息点的空间尺寸非常小的光束在介质上记录的信息点
19、的空间尺寸非常小.对直径对直径为为12 cm 单面单层的单面单层的 DVD盘片盘片,记录数据记录数据量达到量达到4.7 GB,激光束烧结的最小凹坑长度小于,激光束烧结的最小凹坑长度小于0.5m mm,采用波长为,采用波长为635650 nm 的红色激光读取数的红色激光读取数据。据。光盘存储数据不仅数据记录密度特别大,而且从光盘存储数据不仅数据记录密度特别大,而且从光盘检索和光盘检索和读取数据的速度非常快读取数据的速度非常快。如读取音乐或影像数据,如读取音乐或影像数据,每秒需读取的信息点为每秒需读取的信息点为 100万个到万个到1 000万个万个。此外此外,光盘的光盘的实际使用寿命实际使用寿命可
20、以可以10年为单位年为单位计算。计算。DVD之后,光盘的主流向之后,光盘的主流向缩短激光器波长缩短激光器波长和和增大增大光学系统数值孔径光学系统数值孔径的方向发展。如激光波长短至的方向发展。如激光波长短至400 nm左右(蓝光段),数值孔径增至左右(蓝光段),数值孔径增至0.8 0.9,使用,使用12 cm 光盘,光盘,单面单层容量可达到单面单层容量可达到20G左右左右,这种光,这种光盘通常被统称为盘通常被统称为高密度高密度DVD(HDDVD)。当然,用更短波长的激光和更大的数值孔径来增当然,用更短波长的激光和更大的数值孔径来增加光盘的数据存储密度是有限度的。目前普遍使用的加光盘的数据存储密度
21、是有限度的。目前普遍使用的聚碳酸酯盘基会对紫外光的传输产生损耗聚碳酸酯盘基会对紫外光的传输产生损耗;在远场记;在远场记录的情况下,数值孔径的理论极限值最大为录的情况下,数值孔径的理论极限值最大为1。光盘型号光盘型号与发展与发展HVDHVD的光盘结构,蓝色或绿色激光用来记录的光盘结构,蓝色或绿色激光用来记录/读取全息数据,而红色激光用来读取地址信读取全息数据,而红色激光用来读取地址信息,地址与数据记录在不同的层面息,地址与数据记录在不同的层面HVD与现有的与现有的DVD-R光盘盘面比较光盘盘面比较 光盘三代光存储技术比较光盘三代光存储技术比较 I I 光盘三代光存储技术比较光盘三代光存储技术比较
22、 II II(3)近场光存储技术。近场光存储技术。当前光盘存储技术中,提高信当前光盘存储技术中,提高信息存储密度的息存储密度的最主要困难最主要困难是传统光学系统的最小光是传统光学系统的最小光斑受斑受衍射极限的制约衍射极限的制约。但当记录光的探头与记录介。但当记录光的探头与记录介质间的距离小于记录光波长时(即质间的距离小于记录光波长时(即近场近场),空间分),空间分辨能力可以突破远场光存储时的衍射极限,使辨能力可以突破远场光存储时的衍射极限,使存储存储密度提高几个数量级密度提高几个数量级。扫描近场显微成像、近场探针存储、固体浸没透镜扫描近场显微成像、近场探针存储、固体浸没透镜存储、近场超分辨率结
23、构存储。存储、近场超分辨率结构存储。主要方法有:主要方法有:扫描近场显微成像扫描近场显微成像:用小于衍射极限的小孔代替显微物用小于衍射极限的小孔代替显微物镜,限制扫描显微成像探测光束,让孔径在离物体镜,限制扫描显微成像探测光束,让孔径在离物体表面很近(小于波长)处做二维扫描成像,其空间表面很近(小于波长)处做二维扫描成像,其空间分辨能力可以突破衍射极限。分辨能力可以突破衍射极限。采用采用 Co/Pt 多层磁光膜多层磁光膜为记录材料的近场探针存储为记录材料的近场探针存储,记录线宽可以达到记录线宽可以达到1050nm,相应的理论,相应的理论存储密度可以存储密度可以达到达到 15.5GB/cm2以上
24、以上.近场探针存储近场探针存储:为解决为解决探针移动速度探针移动速度问题,又发展了近问题,又发展了近场探针存储(场探针存储(SIL存储)存储),虽然只能够得到虽然只能够得到 100 nm 左右的存储光斑左右的存储光斑,但存储密度提高了好几倍,但存储密度提高了好几倍,达到达到6.2 GB/cm2以上以上.采用采用浸没透镜系统浸没透镜系统的数据存储密度达到的数据存储密度达到 550 MB/cm2.采用采用覆金属光纤系统覆金属光纤系统的数据存储密度约可达到的数据存储密度约可达到7GB/cm2.但近场探针和固体浸没透镜存储方案存在近场但近场探针和固体浸没透镜存储方案存在近场间距间距控制控制的技术难题的
25、技术难题!近场光学探针近场光学探针 孔径型孔径型散射型散射型演演示示 探针尖端在工作时处于探针尖端在工作时处于受迫振动受迫振动状态,其频状态,其频率接近于探针的共振频率。率接近于探针的共振频率。探针尖端在探针尖端在受样品原子的范得瓦尔斯吸引力受样品原子的范得瓦尔斯吸引力的作用时,其共振频率发生变化,因而振幅也的作用时,其共振频率发生变化,因而振幅也随之改变。随之改变。为了跟踪尖端的振动情况,将一束为了跟踪尖端的振动情况,将一束激光分成两束,其中一束通过棱镜反射,另一激光分成两束,其中一束通过棱镜反射,另一束则穿过布喇格室,然后从探针背面反射回来束则穿过布喇格室,然后从探针背面反射回来.这两束光
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