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1、第六章:发光与耦合器件 第一节 激光器 第二节 发光二极管 第三节 光电耦合器件 第一节 激 光 器 n一 激光产生的原理 n二 激光技术的应用 n三 激光对抗与防护 主 要 内 容 nLASER: nLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation n激光: n受激辐射光放大 n镭射:LASER的音译 什么是激光? 5 激 光 特点 激光是光的受激辐射。 激光的特点:单色性好, 方向性好;相干性好;亮 度高. 基本沿某一条直线传播, 通常发散角限制在10-6球面 度量级的立体角内. 6.6.1激光的产生机理 光的吸收与发射和原子、
2、分子等粒子的能量状态 改变相关连,当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐 射光子。 激光的产生机理一般涉及到受激辐射,粒子数反 转与谐振三个关键问题。 1)光与原子的三种相互作用 A)受激吸收 (简称“吸收”) 处在低能级E1的原子受到 能量等于h=E2-E1的光子 的照射时,吸收这一光子 跃迁到高能级的过程。 E2 E1 h 1、受激辐射 B)自发幅射 E2 E1 E3 L1 处在高能级(E2)的原子,即使没有任何外界 的激励,总是自发地跃迁到低能级(E1),并 且发射一个频率为,能量h=E2-E1的光子的过 程。 自发幅射的光是非相干光 C)受激幅射:(1917年爱因斯坦提出) 处在高能级上(
3、E2)的原子,受到能量恰为 h=E2-E1的外来光子的激励(或诱发,或剌 激)从而跃迁到低能级E1,并发射一个与外 来光子“一模一样”的光子的过程。 E2 E1 外来光子 受激幅射光子 与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。 特点: 受激幅射产生的光子与入射光子是完全相干的; 当光与原子相互作用时,总是同时存在当光与原子相互作用时,总是同时存在 这三种过程这三种过程 热平衡状态下,高能级上原子数少于低 能级上原子数,故正常情况下,吸收比发射 更频繁,其差额由自发辐射补偿。 激光原理就是要研究光的受激辐射是如何 在激光器内产生并占主导地位且实现光放大! 2、激光的产生过程
4、且粒子数正常分布是: 激光是受激幅射的光,但实际中还存在自发幅射 和吸收, 为了有效地产生激光,要改变这种分布,形成 粒子数反转的状态。 粒子数反转状态 E1 E2 E3 E4 E1 E2 能 量 粒子数反转状态 E1 E2 怎样才能实现粒子数反转呢? 1)提供足够的能量; 2)原子在激发态多“呆” 一会; 3)减小损失,不断放大。 粒子数反转状态 E1 E2 实现原子系统粒子数反转并产生受激幅射光放大 的条件: 有足够的能量输入系统-激励源 激励-从外界吸收能量,使原子系统的原子不断 从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转 的过程(又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦” )。 E1 E2 A
5、)光泵抽运 如红宝石激光器 E1 E2 B)电子碰撞 - - - - - 如氩离子激光器 电子 C)化学反应 如氟化氘激光器等。 D)共振转移 如He-Ne激光器 。 - NeHe - NeHe - 使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。 全反射镜 R1=100% 部分反射镜 R2=98% 工作物质 只有沿轴向的光子数来回振荡产生光放大,这是 一种雪崩式的放大过程。 激光输出 谐振腔 3. 谐振腔 要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的 光学谐振腔。 全反 射镜 半反 射镜 实物图 原理图 构造: 工作原理: 激光工作物质 激光工作物质 全 反 射 镜 半 反 射 镜 工作原理: ou
6、t 光放大原理 振荡过程中有损耗:工作物质的吸收、散射等 反射镜反射率低于100% 必须要光放大大于损耗,才会有激光输出 构成激光器的三大必要条件: 1. 激励能源(泵源) 2. 工作物质实现粒子数反转分布(激活介质 ) 3. 谐振腔(正放大) 按激光器工作物质性质分类,可分为气体激光器、 固体激光器、液体激光器和半导体激光器。 一、气体激光器 工作物质:He-Ne,CO2,N2 等 工作物质:Ne发光物质He辅助气体 通过高压放电激励氖原子实现粒子数反转。 特点:1. 单色性好; 2. 方向性好;3. 结构简单 He :Ne =57: 波长:3390nm 1150nm 632.8nm 激光器
7、的种类 二、固体激光器 红宝石、掺钕的钇铝石榴石(YAG)、钕玻璃等 工作物质: Al2O3晶体基质中掺0.05% Cr+形成 通过强光激励(脉冲氙灯激发)实现粒子数反转。 特点:1. 小而坚固; 2. 脉冲激光; 3.工艺复杂 工作物质: 固 体 激 光 实 验 装 置 微 型 固 体 激 光 器 三、半导体激光器 特点: 1. 体积小; 2. 质量轻; 3. 消耗小; 4. 单色性差。 工作物质:半导体材料 如砷化镓激光器 在PN结工作区通过电注入法实现粒子数反转分布, 晶体自然界面构成谐振腔平面 半 导 体 激 光 器 三、激光的应用 工业应用: n切割:速度快、无接触、精度高、切缝光滑
8、; n焊接:焊接点均匀、美观、精度高; n表面处理; n芯片刻蚀等。 医疗: n最早的激光医疗应用:1961年12月在哥伦比亚长老会 医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗; n肿瘤治疗; n眼科手术:视网膜焊接、近视治疗; n美容; n外科手术等。 科研: n全息成像、非线性光学等需要高相干性、大功率光源 的项目; n光镊、冷冻原子 n确定地月距离 阿波罗15号在登月 时带上了一套特别设备 大型角反射器,用来反 射从地球发射过来的激光 光束,通过记录往返时间 来计算地月距离。 激光发散角很小, 其光斑半径在月面上小于 1km,而普通探照灯的光 斑在月面上会大于月球的 直径。 日常生活 n条码
9、扫描 n照明、成像 n通讯 激光通信 以激光作为载波传递信息的一种通信方式。 1)大气激光通信 构造: 调制器 Laser 放大器 光电转换器 解调器 放大器 发射机 接收机 发话器受话器 发射望远镜 接收望远镜 大气传输 优点:结构简单,通信轻便。保密性好,抗干扰 能力强。 缺点:在大气中传输,激光衰减严重,天气影响 大,且只能直线传播,通信受到限制。 2)空间激光通信 卫星间的通信。 在接近真空的环境下进行的激光通信,如卫星与 激光在真空中传播 衰减小,可用小功 率激光器实现远距 离通信。 优点: Laser 3)水下(对潜)通信 利用波长为0.460.53m的兰绿色激光(能穿 透几百到几
10、千米海水)在海水中进行通信。 美国于1981年在圣地亚 哥附近海域上空1200米 与水下300米处潜艇用兰 绿色激光通信并获成功 让载有信号的激光束通过光导纤维传输至对方 以实现通信的方法。 4)激光光纤通信 50 m 100 m 皮 心子(石英) 光导纤维 光缆 光放大器 光 缆 郑州 传导原理:全反射 优点: 1)通信容量大; 每路电话占用4000Hz频道,每路电视占用 10MHz频道。激光载波频率高达几百兆兆赫。 可同时容纳上千万套电视,更多路电话; 2)不受电磁、核爆炸的干扰,且噪声低,失真小; 3)保密性能好; 4)成本低,重量轻; 用途:1)远距离的战略、战术通信系统; 2)中距离
11、的局部通信系统和C3系统; 3)空中布缆及飞机、舰艇、雷达、导弹 卫星、飞船内部的信息和通信连络等。 激光的军事应用 n一、激光测距 n二、激光制导 n三、激光武器 1、激光测距 激光测距的原理是:通过向目标发射激光 信号,根据激光信号往返于测点与目标之间 所用的时间而求出距离的。 激光测距在军事上可用于地形测量, 战场前沿测距,坦克及火炮的测距,测量 云层、飞机、导弹及卫星的高度等。 2、激光制导 应用激光作为跟踪目标和传输信息的手 段,将导 弹、炮弹、航空炸弹等导向目标的 技术。激光制导具有命中精度高、抗电磁干 扰能力强等优点,因而得到广泛应用,是精 确制导武器的一种重要制导方式。 激光制
12、导原理 用激光器发射激光束照射目标,装于弹体 上的激光接收装置则接收照射的激光信号或目 标反射的激光信号,算出弹体偏离照射或反射激 光束的程度,不断调整飞行轨迹,使战斗部沿着照 射或反射激光前进,最终命中目标。 激光制导炮弹的成本约为普通炮弹的5倍, 而效率比约为普通炮弹的40倍。 激光制导炮弹最大缺点是受气候条件制约, 不能全天候、全时日地使用。 1)激光波束(驾束)制导 制导原理: 装置: A-激光照射器; B-导弹发射器; C-尾部带有激光接 收器的制导导弹。 A C B C 激光器向目标照射激光 导弹发射器发射导弹, 导弹尾部激光接收器接 收激光束信号,依接收 的信号强弱使导弹保特 在
13、激光束中,直至命中 目标。 A A A A B 弹体 2)半主动式激光制导 导引头 控制 4567 8 1 2 3 构造:A)激光照射器 B)导弹发射器 C)装有“寻的器”的导弹 1-滤光器; 2-透镜; 3-光敏远件; 4-放大器 5-计算器; 6-自动驾驶仪;7-舵面伺服仪。 电源 弹体 导引头 控制 4567 8 1 2 3 1-滤光器;2-透镜;3-光敏远件;4-放大器 5-计算器; 6-自动驾驶仪;7-舵面伺服仪。 四象限器 导弹保特原飞行方向 发出纠偏信号,改变导弹飞行 方向,指向目标。 发出纠偏信号,改变导弹飞行 方向,指向目标。 半主动式激 光制导过程 是目前较成熟的一种激光制
14、导方式 ,多用于对付地面目标。如激光制 导炸弹、炮弹、空地导弹等。 3)全主动式制导 激光照射器与目标寻的器均装在导弹弹体上。 作战时,激光照射器向目标照射激光,目标寻的 器接收目标反射来的激光信号,将导弹导向目标 。 目前尚不很成熟! “空地精灵”之“宝石路”激光制导炸弹 在海湾战争中,两架F-15E曾各自携带8枚GBU-12在30分钟内摧毁 了伊军16辆坦克,还曾使用该炸弹从通风口钻入一个伊军加固掩体内 部并将其摧毁。 “宝石路” GBU-10 907 公斤炸弹 “宝石路” GBU-12 227公斤炸弹,是美军 现役最小的激光制导炸 弹。 “宝石路” GBU- 16 454公斤炸弹 “空地
15、精灵”之“宝石路”激光制导炸弹 挂装完毕的“宝石路” GBU-24,可以看出其采 用了更大视场的高灵敏度激光引导头。 3、激光武器 n 利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破 坏其组成部分使之丧失战斗力的武器称为激 光武器。 n 根据激光器输出功率的大小,激光武器 可区分为低能激光武器和高能激光武器两大 类。 n 高能激光武器也称死光武器,它是借助 于激光束的热能直接摧毁目标,可用于打击 导弹、卫星、坦克、飞机等。 战略反导激光武器 低能激光武器 n 低能武器主要指激光干扰与致盲武器, 它是重要的光电对抗装备,主要用于干扰和 致盲敌方的光电传感器和敌方官兵的眼睛。 电 源 1)低能激光武器(激光轻武器、单兵激光武器) A)激光手枪 第一支激光手枪是用红宝石激光器制成的 用途:可在几米内烧毁衣服、皮肤且无声 响。也 可使人在不知不觉中致盲,近距离内引爆,破坏敌 方夜视仪、测距仪等光电传感器。 B)激光枪 用途: 可在更远距离内使人致盲引爆。 破坏敌方夜视仪、测距仪等光 电传感器且无声响、效益高。 现状:1978年就制造出来了第一支激光枪。 美国洛克希德.桑德斯公司 开发的AN/PLQ-5激光对