第一讲激光技术的发展和应用讲解ppt课件.ppt

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1、,激光技术及应用,曾 祥 梅,电子工程学院光电子技术系,参考书：1、激光技术（第三版），蓝信钜等， 科学出版社，2010年。2、激光原理及应用（第二版），陈家壁，彭润玲编， 电子工业出版社，2009年。3、现代激光工程应用技术，朱林泉等， 国防工业出版社，2008年。4、激光制造技术，刘顺洪等， 华中科技大学出版社，2011年。5、激光制造工艺，（德）Reinhart Poprawe著， 张冬云译，清华大学出版社，2008年。,第一讲 激光技术的发展和应用,1 激光发展史 1）激光50年大事件 2）国外发展史 3）国内发展史2）激光技术3 激光技术的应用（产业方面） 1）国外激光产业发展现状

2、2）我国激光产业发展现状及存在的主要问题,1 激光发展史,1）激光50年大事件,第一束激光。1960年，西奥多梅曼（Theodore Maiman）在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室设计和建造了一台小型的激光发生器。将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，产生了第一条激光，从此开启了激光时代。,1 激光发展史,1961年8月 王之江院士设计制造。“中国激光之父”,激光武器。军事机构和小说家目睹了射线枪从漫画书里的虚构变为现实的过程，所以他们在激光刚刚被发明时，就看到了激光作为武器的潜力。1964年，007电影金手指中大反派“金手指”奥瑞克威胁邦德，要用激光将他锯成两半这在当时，还是纯粹的幻想

3、。,1 激光发展史,1 激光发展史,激光轻武器,1 激光发展史,美国激光攻击机试验机,1 激光发展史,美国地基激光武器,三维激光。全息技术发明于1948年，以提高电子显微镜的分辨率，但埃米特利斯（Emmett Leith）和朱瑞斯乌帕特尼克斯（Juris Upatnieks ）在1964年使用激光对全息技术进行了彻底改造，发明了第一个不需要特制眼镜就能看到的三维图像。,他们用分裂的激光光束将全息图记录在感光片上，其中一束激光先被反射到被摄物体上，然后再与另一束会合，在感光片上成像。用一束与成像时相同方向的激光照射感光片，就会在观看者眼前产生一幅逼真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇

4、根大学的威洛鲁恩实验室第一次记录的全息图。,1 激光发展史,1 激光发展史,蒙娜丽莎三维成像分析,梦幻激光：刚开始时，激光的色彩是相当有限的：氦氖激光器和红宝石发出红光，其他激光器则产生不可见的红外光。第一次实现七彩激光的是离子激光器，它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。氩气产生蓝色和绿色的光，氪产生其他几种颜色，两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。激光秀从此诞生。,1 激光发展史,1 激光发展史,广州亚运会开幕式激光表演,1 激光发展史,激光投影电视,无处不在的激光。激光技术第一次走进日常生活，是美国超市使用发出红色氦氖激光的条形码扫描枪实现收款自动化。若尔斯阿尔费罗夫（Zhores

5、 Alferovand ）和赫伯特克勒默（Herbert Kroemer）发明了制作半导体二极管激光器的改进方法，让激光真正地无处不在。他们因此获得了2000年的诺贝尔物理奖。（图中所示为一个半导体二极管激光器和五美元钞票大小的对比。）如今，这样的芯片随处可见，比如说CD播放器、蓝光播放器、红色激光笔和全球电信网络的骨干中。,1 激光发展史,无尽的刀片。在工业上，激光被用来作为锯和钻头，而且它永远不会变钝。激光第一次作此用途是加工硬度很高的材料，如钻石，或非常柔软的材料，例如婴儿奶瓶的奶嘴。低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。早期的工业激光器，必须要非常庞大才能提供足够

6、的能量，但新的固态激光器却令人吃惊的小巧：如今一段细光纤或几分之一毫米厚、扑克大小的盘片就能产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。,1 激光发展史,1 激光发展史,国产激光焊接机,1 激光发展史,激光数控切割机,1 激光发展史,进口高精度激光雕刻机,激光外科手术。激光在医学上的首次成功应用是进行眼内手术，但是不需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。更大的成功在1968年到来，外科医生弗朗西斯莱斯佩朗斯和贝尔实验室的工程师使用氩离子激光器破坏异常的血管，以避免这些血管在视网膜中扩散，致使糖尿病人失明。这种治疗方法已经挽救了数百万人的

7、视力。如今，激光也被用来切割角膜，以矫正视力，或者使胎记和刺青褪色。,1 激光发展史,1 激光发展史,1064nm激光医疗设备（去斑等）,心脏动脉血管支架,激光之母。受控核聚变很久以来都是人们认为最理想的清洁能源发电方式。1962年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家约翰纳科尔斯（John Nuckolls）在加利福尼亚州利弗莫尔，提出用激光脉冲加热和压缩的重氢同位素块实现受控核聚变。从那以来，利弗莫尔实验室一直追寻着这个理念，他们使用的激光器也越来越大，终于在美国国家点火实验设施中达到巅峰。 这是一个复杂的系统，可以同时发出192束激光，去年，在十亿分之几秒的时间内，产生了能量达到100万焦

8、耳的激光脉冲，使之成为有史以来能量最强的激光器。（美国国家点火实验设施 (NIF)是美国出于研究核聚变反应设想而建造的试验装置。）,1 激光发展史,1 激光发展史,超连续谱激光器,1 激光发展史,钛宝石激光器,高次谐波能产生as脉冲,1 激光发展史,掺镱光纤超短脉冲激光器,脉冲宽度：33fs中心波长：1030nm重复频率：29MHz单脉冲能量：1nJ,OL V.31, P1340, 2006 美国，康奈儿大学,1 激光发展史,飞秒掺铒光纤激光器,脉冲宽度：46.2fs中心波长：1550nm重复频率：38.3MHz单脉冲能量：2.08nJ,OL V.32, P41, 2007,1 激光发展史,无

9、锁模飞秒激光脉冲,脉宽：516fs能量：3.5nJ中心波长：1550nm,OL V.32, P1408, 2007, 美国，康奈儿大学,1 激光发展史,CCLRC Rutherford Appleton Laboratory, Chilton, Didcot, Oxon., OX11 0QX, UK(2006),output pulse with energy of 35J Compression to 85fs(70nm in FWHM)potential power of between 300 TW and 400TW(350TW),激光国内大事记,1 激光发展史,激光概述（产业）,2

10、激光概述（产业方面）,国外激光产业发展现状根据激光集锦1997年报导， 世界激光器市场可划分为三大区域：美国（包括北美）占55% ，欧州占22%，日本及太平洋地区占23%。在世界激光市场上日本在光电子技术方面占首位，美国占第二位；在激光医疗及激光检测方面则美国占首位；而在激光材料加工设备方面则是 德国占首位。因此我们选择美国、日本、 德国三个国家，介绍他们激光产业发展情况，也就反映了世界激光市场的基本情况及其发展趋势。,我国激光产业发展现状及存在的主要问题,2 激光概述（产业方面）,主要问题是： (1) 科研与生产结合得不好，科研成果转化为生产力的能力较差， 许多具有市场前景的成果 仍停留在实

11、验样机阶段； (2) 资金投入不足，市场开拓不够，一些重要激光产品尚未形成 规模生产，效益较低； (3) 产品质量较差，在安全性、稳定性、可靠性及标准化等方面 还有待进一步提高； (4) 激光系统的配套能力较差，增加了用户使用的困难； (5) 创新能力较差，高档次的激光产品少，智能化、自动化程度 较低，缺乏市场竞争能力； (6) 从技术管理上看，激光产品缺少国家标准，激光产业没有 归口主管部门，产品质量监督不够，这些都不利于激光产 业的发展。,3 辐射与物质的相互作用,1)普通光源的发光受激吸收和自发辐射,2)受激辐射和光的放大,3)粒子数反转,3 辐射与物质的相互作用,美国国家点火装置（Na

12、tional Ignition Facility，NIF）的靶室,这个巨型装置坐落在加州的一个特大号“仓库”里，它利用激光将微小的氢原子转变为热核反应的能量。大约要过12个月，装置才能逐渐达到全功率运转的状态，不过相关实验还要继续进行，直到2040年左右。,国家点火装置的终端光学检查系统。科学家利用世界上最强激光产生的192道光束直接照射在冰冻的氢原子珠上，激发了一次持续十亿分之五秒的猛烈爆炸。,国家点火装置不仅有世界上最强的激光，也有世界上最大的光学仪器。这是磷酸二氢钾（KDP）晶体，重达800磅（360千克），是激光器的主要部分。应用新的方法，生成这么一大块晶体只需要两个月时间，而传统的方

13、法则需要两年。每块晶体被切成边长40厘米的方形晶片，整个国家点火装置需要600个这样的晶片。,在线性可替换单元（LRU）之间的激光玻璃调和板。LRU由一个大金属框，以及固定于其上的各种类型的透镜、反射镜或玻璃组成。这些透镜或玻璃等可以轻松地安置在光线的通路中，也可以方便地取出进行维护。玻璃调和板LRU将安装在两个闪光灯暗盒之间，激光束穿过的时候，闪光灯暗盒点亮，从而使激光在通往靶室的过程中吸收来自特殊处理的玻璃的能量。,这张示意图显示的当激光从辐射空腔两端射入时的靶物球芯。密集光束产生的高能震荡波以百万英里每小时的速度冲击燃料球芯，制造出一亿摄氏度左右的高温。在这种只有恒星内核中才存在的极端条

14、件下，氢原子将发生聚变，产生氦和巨大的能量。,整个建筑有10层楼高，面积与三个橄榄球场相当。如果一切顺利，它将成为第一个能量产出大于消耗的（激光核聚变）设施，同时也为商业激光核聚变发电站的发展铺平道路，世界能源危机问题也将迎刃而解。,激光治疗近视的图片及原理展示,激光治疗近视,激光在医学中的发展史,1960年 第一台红宝石激光器问世；1961年红宝石视网膜激光凝固机在眼科开始使用；1963年激光手术开始应用于肿瘤；1970年激光开始应用于恢复高血压等内科疾病；1973年奥地利用激光代替针炙做实验；1975年第一台激光针炙仪开始用于经络疾病；1990年俄罗斯将激光能量导入仪带上太空作为宇航员预防

15、太空病重要工具；1991年中国首次引进俄罗斯低强度激光技术应用于临床心脑血管病症；2004年海纳川公司生产的鼻炎治疗仪问世，一举通过了国家食品药品监督管理局审批，成为准字号医疗器械，并获得国家知识产权局三项专利。,准分子激光治近视的发展史,第一阶段：PRK,1983年，准分子激光成功切削动物眼角膜组织；1988年PRK进入人眼临床运用；1991年获得批准推广，实现了人类告别近视的梦想，准分子激光手术正式踏入舞台。,第二阶段：LASIK,1991年，LASIK在美国成功完成临床验证；1995年通过美国FDA获准，从此掀起了激光治疗近视的热潮，跟随着激光设备的发展使准分子激光手术进入成熟期。,第三

16、阶段：个性化LASIK,2005年，准分子激光设备商推出的个性化切削系统得到了临床眼科医生的认可，实现对像差的个性化切削，达到高视觉质量。,第四阶段：SBK,2006年SBK进入临床运用；2008年香港世界眼科大会上确定为准分子激光手术的新标准，准分子激光矫正术进入完美时代。,眼的构造,近视矫正的三种方法,对角膜表面进行二维切削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的PRK(Photo Refarctive Keratectomy)方法；激光原位角膜镶术的LASIK(Laser in situ Keratomileusis)方法；将角膜表面放射状切开的RK(Radial Keratotomy)方法

17、。,LASIK（准分子激光原位角膜磨镶术）,准分子激光手术适应症,18岁以上； 屈光度-2.00D，稳定超过两年； 屈光介质无混浊，排除下列眼部疾患：严重的眼附属器病变，如眼睑缺损、变形、兔眼和慢性泪囊炎等、干眼病、圆锥角膜、病毒性角膜炎活动期、青光眼、虹膜炎、视网膜及视神经病变等; 排除全身结缔组织病及严重自身免疫性疾病。,手术前准备工作,(1) 视力检查：包括裸眼视力和戴镜最佳矫正视力; (2) 屈光检查：包括电脑验光、散瞳验光和复验三个步骤。验光度数正确与否直接影响手术效果; (3) 眼前节及眼底检查：重点检查角膜透明度，角膜是否有疤痕，晶体师傅混浊，眼底检查是否有玻璃体混浊、眼底病变等

18、;,(4) 眼压检查：以排除高眼压和青光眼的可能性; (5) 角膜测厚：对角膜中心厚度低于500m者，如果患者是高度近视，应注意角膜中心切削厚度，术前向患者说明情况; (6) 角膜地形图检查：主要目的是对整个角膜表面的规则性和对称性有所了解，排除各种异常因素。,激光治疗近视原理,准分子激光是氟氩两种气体混合后经激发而产生的一种人眼看不见的波长仅193纳米的紫外线光束，其特性为光子能量大，波长极短，对组织的穿透力极弱，不会穿入眼内，仅被组织表面吸收，对周围组织无损或损伤极微，属冷激光，无热效应，能以“照射”方式对人眼角膜组织进行精确气化，达到“切削”和“雕琢”角膜的目的而不损伤周围组织和其他器官

19、，其独特性质是最适合角膜屈光手术。,角膜手术的准分子激光装置,准分子激光手术的过程,准分子激光角膜屈光治疗技术（LASIK技术，准分子激光手术），是用一种特殊的极其精密的微型角膜板层切割系统（简称角膜刀）将角膜表层组织制作成一个带蒂的角膜瓣，翻转角膜瓣后，在计算机控制下，用准分子激光对瓣下的角膜基质层拟去除的部分组织予以精确气化，然后于瓣下冲洗并将角膜瓣复位，以此改变角膜前表面的形态，调整角膜的屈光力，使外界光线能够准确地在眼底会聚成象，达到矫正近视的目的，准分子激光近视手术目前已广泛应用于临床。,准分子激光手术的全过程,板层刀制作显微角膜瓣,板层刀制作显微角膜瓣,掀开带蒂的角膜瓣,电脑控制下

20、的准分子激光角膜磨镶,电脑控制下的准分子激光角膜磨镶,电脑控制下的准分子激光角膜磨镶,激光磨镶完毕,角膜瓣复位,激光磨镶完毕,角膜瓣复位,激光磨镶完毕,角膜瓣复位,激光磨镶完毕,角膜瓣复位后的显微外型,肉眼不可见,手术后注意事项,重视用药定期随访 高度近视仍需当心(有可能出现周边视网膜变薄，萎缩变性，一旦出现视网膜裂孔，就有可能导致视网膜脱离)应注意避免打篮球等剧烈运动及强体力劳动依然注意用眼卫生,安全？,英国星期日泰晤士报报道“由于担心患者的长期安全，政府医疗监督部门正在阻止国家医疗服务系统进行眼部激光手术”。而美国的眼科学杂志也指出“此类眼部手术的失败率是1/10，而不是大多数广告上所说的1/1000。”“手术还可能引起并发症，致使病人必须做眼角膜移植手术”。 这些消息在我国也引起一片哗然，引发了关于“眼科激光手术安全性”的火热讨论。一些做过激光手术出现并发症者出来现身说法，一些媒体也报道，“15年前风行的近视眼手术因技术水平有限而留下后遗症，现纷纷返工”。,