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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
