医用物理学：9激光

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1、上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系第第9章章 激光激光 Laser激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系激激光光是是二二十十世世纪纪六六十十年年代代出出现现的的一一种种新新型型光光源源激激光器发出的光。光器发出的光。1960

2、年年美美国国休休斯斯研研究究实实验验室室的的梅梅曼曼制制成成了了第第一一台台红红宝宝石石激激光光器器, 1961年年9月月中中国国科科学学院院长长春春光光学学精精密密机机械械研研究所制成了我国第一台激光器。究所制成了我国第一台激光器。此此后后 , 在在激激光光器器的的研研制制、激激光光技技术术的的应应用用以以及及激激光光理理论论方方面面都都取取得得了了巨巨大大进进展展，并并带带动动了了一一些些新新型型学学科科的的发发展展, 如如全全息息光光学学、傅傅立立叶叶光光学学、非非线线性性光光学学、光光化化学学等等，激激光还与当今的重点产业光还与当今的重点产业信息产业信息产业密切相关。密切相关。 上海交

3、通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 光源光源发射辐射的发光体发射辐射的发光体反射辐射的物体反射辐射的物体 （次级光源）（次级光源）特性：大小、强度、颜色特性：大小、强度、颜色点光源点光源线度小到可以忽略的光源线度小到可以忽略的光源一、光源的发光机理一、光源的发光机理原子发光原子发光激发态寿命激发态寿命 10-1110-8s自发辐射自发辐射 一定频率，长度有限的光波列一定频率，长度有限的光波列E1E2基态基态激发态激发态上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物

4、理系物理系分子，凝聚物质发光分子，凝聚物质发光上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系能级分布准连续能级分布准连续连续频率的光波列连续频率的光波列光源发光光源发光大量原子和分子持续、随机地发射的光波列大量原子和分子持续、随机地发射的光波列上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系二、单色辐射和多色辐射二、单色辐射和多色辐射热辐射光源热辐射光源白炽灯、弧光灯、太阳白炽灯、弧光灯、太阳非热辐射光源非热辐射光源气体放电管、钠光灯、水银灯、日光灯气体放电管、

5、钠光灯、水银灯、日光灯光谱光谱 光的强度按频率（或波长）的分布光的强度按频率（或波长）的分布线光谱线光谱连续光谱连续光谱400nm500nm600nm700nmH2HgNa太阳吸收光谱太阳吸收光谱上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 自发辐射的过程与外界作用无关，各个原于的辐射都自发辐射的过程

6、与外界作用无关，各个原于的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向和初位相都不相同。和初位相都不相同。激光产生原理激光产生原理自发辐射自发辐射此外，由于大量原子所处的激发态不尽相同，可以发此外，由于大量原子所处的激发态不尽相同，可以发出不同频率的光，这是普通光源发光机理。由此可见，出不同频率的光，这是普通光源发光机理。由此可见，自发辐射的光一般总不是单色光，而且不是相干光。自发辐射的光一般总不是单色光，而且不是相干光。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系自发辐

7、射自发辐射1、吸收过程：、吸收过程：2、自发辐射过程：、自发辐射过程：激发态激发态 E2E3E4基态基态 E1上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋近它，处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋近它，这原子就可能受到外来光子的这原子就可能受到外来光子的“刺激刺激”( (或者称或者称“感感应应”) )，从高能级，从高能级EnEn向基态向基态EmEm跃迁而辐射出光子，这跃迁而辐射出光子，这个过程称做受激辐射个过程称做受激辐射受激辐射受激辐射: :受激辐射产生的光子和外来光子有完全

8、相同的特征，受激辐射产生的光子和外来光子有完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传播方向都相同就是它们的频率、位相、振动方向和传播方向都相同, ,是特征完全相同的相干光是特征完全相同的相干光. .上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系受激辐射过程：受激辐射过程： E1 E2受激辐射的特点结论：受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子与受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。原来的光子具有完全相同的状态。结论：结论：受激辐射而得到的光是受激辐射而得到的光是相干光相干光。上海交通大学上海交通大学 物理系物

9、理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系实实用用激激光光器器中中，主主要要构构件的大体情况如下：件的大体情况如下：反反射射镜镜 激励源激励源 工作物质工作物质激光激光谐振腔谐振腔 1激光工作物质激光工作物质必必须须能能在在该该物物质质中中实实现现粒粒子子数数反转。反转。可可以以是是气气体体、液液体体、固固体体或或半半导导体体。现现已已有有工工作作物物质质近近千千种种，可可以以产产生生波波长长从从紫紫外外到到远远红红外外波段波段的激光。的激光。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系

10、E1E2粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系粒子数反转分布粒子数反转分布具有亚稳态的原子结构，具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。才能实现粒子数反转。红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通

11、大学 物理系物理系激励源（泵）激励源（泵）为为使使工工作作物物质质中中出出现现粒粒子子数数反反转转，必必须须用用一一定定的的方方法法激激励励原原子子体体系系，使使处处于于高高能能级级的的粒粒子子数增加。数增加。反反射射镜镜 激励源激励源 工作物质工作物质激光激光谐振腔谐振腔用用气气体体放放电电的的办办法法激激发发物物质质原原子子，称称为为电电激激励励，也也可可用用脉脉冲冲光光源源去去照照射射工工作作物物质质，称称为为光光激激励励，还还有有热热激激励励，化化学学激激励励等等。为为了了不不断断地地得得到到激激光光输输出出，就就需需不不断断地地将将处处于于低低能能级级的的原原子子抽抽运运到到高高能能

12、级级上上去去，激激励励源源形象地称为泵。形象地称为泵。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系谐振腔谐振腔 所所谓谓光光学学谐谐振振腔腔，实实际际上上是是在在激激光光器器两两端端，面面对对面面地地装装上上两两块块反反射射率率很很高高的的平平面面镜镜，一一块块平平面面镜镜对对光光几几乎乎全全反反射射，另另一一块块则则让让光光大大部部分分反反射射，少少部部分分透透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学

13、上海交通大学 物理系物理系 反反射射镜镜的的一一个个作作用用是是使使光光沿沿工工作作物物质质轴轴线线在在反反射射镜镜间间来来回回反反射射，每每经经过过一一次次工工作作物物质质光光就就得得到到一一次次放放大大，被被反反射射回回到到工工作作物物质质的的光光，继继续续诱诱发发新新的的受受激激辐辐射射，光光在在谐谐振振腔腔内内来来回回振振荡荡，造造成成连连锁锁反反应应，雪雪崩崩式式地获得放大。地获得放大。 光光在在放放大大介介质质中中经经历历的的路路程程越越长长，和和越越多多的的原原子子发发生生作作用用，才才能能获获得得越越有有效效的的光光放放大大。但但是是把把工工作作物物质作得无限长是不现实的。质作

14、得无限长是不现实的。光放大光放大上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系受受激激辐辐射射的的起起始始光光信信号号来来源源于于自自发发辐辐射射，而而自自发发辐辐射射的的光光包包含含较较大大的的波波长长范范围围，这这样样较较大大范范围围的的波波长长都都有有可能被放大，从而导致了非单一波长的光输出。可能被放大，从而导致了非单一波长的光输出。在在反反射射镜镜上上镀镀一一层层对对一一定定波波长长光光具具有有反反射射率率的的薄薄膜膜，使使只只有有该该波波长长的的光光才才能能在在谐谐振振腔腔内内来来回回反反射射，而而其其它它波长的光在

15、经过一次反射镜时就逸出腔外。波长的光在经过一次反射镜时就逸出腔外。激光出射波长选取激光出射波长选取上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系激光的理论基础是爱因斯坦博士奠定的。1960年7月7日，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名因病于温哥华，享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemic mastocytosis)，一种罕见的遗传疾病。 上海交通大学上海交通大学

16、 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系常用激光器常用激光器工作物质工作物质:工作方式工作方式n固体激光器固体激光器n气体激光器气体激光器n半导体激光器半导体激光器n液体激光器液体激光器n单脉冲激光器单脉冲激光器n连续激光器连续激光器n巨脉冲激光器巨脉冲激光器 (加加 Q 开关开关)上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系激光器的种类激光器的种类 现现在在人人们们已已经经按按照照实实际际应应用用的的需需求求，造造出出了了各各种种各各样样的的激激光光器器。通通常常可可以以按

17、按工工作作物物质质、激激励励方方式式、运运转转方方式式、输输出出波波长范围等几方面来进行分类。长范围等几方面来进行分类。一按工作物质分类一按工作物质分类 1. 固体激光器固体激光器 工工作作物物质质有有红红宝宝石石、钕钕玻玻璃璃、钇钇铝铝石石榴榴石石（YAG）等等，是是在在作作为为基基质质的的材材料料的的晶晶体体或或玻玻璃璃中中均均匀匀地地掺掺入入少少量量离离子子，称称为为激激活活离离子子。产产生生激激光光发发射射作作用用的的是是掺掺入入的的离离子子。可可作作为为激激活活离离子子的的有有过过渡渡族族金金属属离离子子如如铬铬离离子子(Cr3+)、稀稀土土金金属属离离子子如如钕钕离离子子(Nd3+

18、)、锕系离子等。锕系离子等。 一一般般来来说说固固体体激激光光器器具具有有器器件件体体积积小小，坚坚固固，使使用用方方便便，输出功率大的特点。输出功率大的特点。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 气体激光器气体激光器 工工作作物物质质是是气气体体或或金金属属蒸蒸气气。气气体体激激光光的的特特点点是是激激光光输输出出波波长长范范围围较较宽宽。常常用用的的氦氦-氖氖激激光光器器，是是通通过过气气体体放放电电使使Ne原原子子产产生生粒粒子子数数反反转转，输输出出激激光光的的波波长长为为632.8nm（红光）。红光）。 气

19、气体体激激光光器器具具有有结结构构简简单单、造造价价低低、操操作作方方便便、光光束束质质量量好好以以及及能能长长时时间间较较稳稳定定连连续续工工作作的的特特点点，是是目目前品种最多应用最广泛的激光器。前品种最多应用最广泛的激光器。 3. 半导体激光器半导体激光器 以半导体为工作物质，产生激光的方法有以半导体为工作物质，产生激光的方法有p-n结注结注入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 它它体体积积小小重重量量轻轻，寿寿命命长长，结结构构简

20、简单单而而坚坚固固，特特别别适适于于飞飞机机、车车辆辆、宇宇宙宙飞飞船船之之用用。现现在在的的光光驱驱、VCD、DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。的激光头都是一个小型半导体激光发射器。 4. 液体激光器液体激光器 常常用用有有机机染染料料作作工工作作物物质质，大大多多数数情情况况是是把把有有机机染染料料溶溶于于乙乙醇醇、丙丙酮酮、水水等等，也也有有以以蒸蒸汽汽状状工工作作的的。液液体体激激光光器器的的工工作作原原理理比比较较复复杂杂，但但输输出出的的波波长长连连续续可可调调，且覆盖面宽。且覆盖面宽。 5. 自由电子激光器自由电子激光器 以自由电子为工作物质。把凡是利用自由电子与以自由

21、电子为工作物质。把凡是利用自由电子与电磁波相互作用所产生的从微波到电磁波相互作用所产生的从微波到X射线的受激辐射射线的受激辐射均称为自由电子激光。均称为自由电子激光。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系这这是是一一种种特特殊殊类类型型的的新新型型激激光光器器，被被电电子子加加速速器器加加速速的的电电子子流流注注入入周周期期变变化化的的磁磁场场。只只要要改改变变电电子子束束的的速速度度就就可可产产生生波波长长连连续续变变化化的的相相干干电电磁磁辐辐射射，原原则则上上其其相相干干辐辐射射谱谱可可从从X射射线线波波段段过过

22、渡渡到到微微波波区区域域，其其峰峰值值功功率率和和平平均均功功率率高高且且可可调调，相相干干性性好好，可可获获得偏振输出，因此具有很诱人的前景。得偏振输出，因此具有很诱人的前景。其其它它还还有有光光纤纤激激光光器器、化化学学激激光光器器、单单原原子子激激光光器器、X射线激光器等。射线激光器等。 按运转方式分类按运转方式分类 可可分分为为连连续续激激光光器器、单单次次脉脉冲冲激激光光器器、重重复复脉脉冲冲激激光光器器，调调Q激激光光器器、锁锁模模激激光光器器、单单模模和和稳稳频频激激光光器、可调谐激光器等等。器、可调谐激光器等等。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物

23、理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 按激励方式分类按激励方式分类 可可分分为为光光泵泵式式激激光光器器，电电激激励励式式激激光光器器，化化学学激激励激光器（又称化学激光器），核泵激光器。励激光器（又称化学激光器），核泵激光器。 按输出激光的波段范围分类按输出激光的波段范围分类 可可分分为为远远红红外外激激光光器器、中中红红外外激激光光器器、近近红红外外激激光光器器、可可见见激激光光器器、近近紫紫外外激激光光器器、真真空空紫紫外外激激光器、光器、X射线激光器等。射线激光器等。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系

24、物理系氦氖激光器氦氖激光器为使气体放电，两极间加几千伏高压，混合气体产生受为使气体放电，两极间加几千伏高压，混合气体产生受激辐射的是氖原子，氦原子是起传递能量的作用。激辐射的是氖原子，氦原子是起传递能量的作用。工作介质是氦工作介质是氦-氖的混合气体，氖的混合气体，比例比例5:110:1，压强，压强250400Pa。激光器用气体激励，即用电子碰激光器用气体激励，即用电子碰撞来激发原子。撞来激发原子。因为气体放电使氦激发比使氖激发容易得多，所以先激发因为气体放电使氦激发比使氖激发容易得多，所以先激发氦氦原子到某亚稳态原子到某亚稳态(与氖原子中某亚稳态非常接与氖原子中某亚稳态非常接)，氦原子，氦原子

25、可以通过碰撞把能量转移到氖原子，使氖原子激发。氖原可以通过碰撞把能量转移到氖原子，使氖原子激发。氖原子产生激光的基本过程类似于四能级系统。子产生激光的基本过程类似于四能级系统。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系激光束的主要特性激光束的主要特性 普普通通光光源源发发出出的的光光是是向向各各个个方方向向辐辐射射并并随随着着传传播播距距离离的的增增加加而而衰衰减减。主主要要原原因因是是这这些些光光源源发发的的光光是是组组成成光光源源的的大大量量分分子子或或原原子子在在自自发发辐辐射射过过程程中中 “各自为政各自为政”辐射

26、光子。辐射光子。 激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。光具有不同于普通光的一系列性质。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 1. 方向性好方向性好激激光光要要在在谐谐振振腔腔内内来来回回反反射射，若若光光线线偏偏离离轴轴线线，则则多多次次反反射射后后终终将将逸逸出出腔腔外外，因因此此从从部部分分透透明明的的反反射射镜镜射射出出的的激激光光方方向向性性好好。

27、良良好好的的方方向向性性使使激激光光是是射射得得最最远远的光，应用于测距、通讯、定位方面。的光，应用于测距、通讯、定位方面。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 2. 亮度高亮度高激激光光的的辐辐射射范范围围在在110-3rad（0.06）左左右右，激激光光的的亮亮度将是普通光源的上百万倍。度将是普通光源的上百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所以能见到月球上有一红色光斑。

28、激光的高亮度在激以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。亮度的激光引发热核反应。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系3. 单色性好单色性好 光光的的颜颜色色取取决决于于光光的的波波长长，通通常常把把亮亮度度为为最最大大亮亮度度一一半半的的两两个个波波长长间间的的宽宽度度定定义义为为这这条条光光谱谱线线的的宽宽度度，谱线宽度越小，光的单色性越好。谱线宽度越小，光的单色性越好。 可可见见光光部部分分的的颜颜

29、色色有有七七色色，每每种种颜颜色色的的谱谱线线宽宽度度为为40-50nm，激激光光的的单单色色性性远远远远好好于于普普通通光光源源，如如氦氦-氖氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有激光器输出的红色激光谱线宽度只有10-8nm。 激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。4. 相干性好相干性好 当当激激光光束束分分成成两两束束进进行行迭迭加加时时，产产生生的的干干涉涉条条纹纹非常清晰。非常清晰。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光特点激光特点n方向性好方向性好n亮度高亮

30、度高n单色性好单色性好n相干性好相干性好上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系激光应用激光应用n热效应热效应n电磁场效应电磁场效应n压力效应压力效应n光效应光效应上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光的应用激光的应用 一激光在自然科学研究上的应用一激光在自然科学研究上的应用 非线性光学效应非线性光学效应 在在熟熟悉悉的的反反射射、折折射射、吸吸收收等等光光学学现现象象中中，反反射射光光、折折射射光光的的强强度度与与入入射射光光的的强强度度

31、成成正正比比 ，这这类类现现象象称称为为线线性性光光学学现现象象。如如果果强强度度除除了了与与入入射射光光强强度度成成正正比比外外，还还与与入入射射光光强强度度成成二二次次方方、三三次次方方乃乃至至更更高高的的方方次次，这这就就属属非非线线性光学效应。性光学效应。 这这些些效效应应只只有有在在入入射射光光强强度度足足够够大大时时才才表表现现出出来来。当当高高功功率率的的激激光光器器问问世世后后，人人们们在在激激光光与与物物质质相相互互作作用用过过程程中中观观察察到到非非线线性性光光学学现现象象，如如频频率率变变换换，拉拉曼曼频频移移、自自聚焦、布里渊散射等。聚焦、布里渊散射等。上海交通大学上海

32、交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 用激光固定原子用激光固定原子 气气态态原原子子、分分子子处处在在永永不不停停息息的的运运动动中中（速速度度接接近近340m/s），且且不不断断与与其其它它原原子子、分分子子碰碰撞撞，要要“捕获捕获”操纵它们十分不易。操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到使其速度比通常作热运动时降低，达到“捕获捕获”操纵的目的。操纵的目的

33、。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 1997年年朱朱文文棣棣、科科恩恩、飞飞利利浦浦三三人人因因此此而而获获诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖。此此项项技技术术在在光光谱谱学学、原原子子钟钟、研研究究量量子子效应方面有着广阔的应用前景。效应方面有着广阔的应用前景。 具具体体作作法法是是，用用六六路路两两两两成成对对的的正正交交激激光光束束，沿沿三三个个相相互互垂垂直直的的方方向向射射向向同同一一点点，光光束束始始终终将将原原子子推推向向这这点点，于于是是约约106个个原原子子形形成成的的小小区区，其其温温度度在在240

34、K以以下下。这这样样使使原原子子的的速速度度减减至至10m/s量量级级。后后来来又又制制成成抗抗重重力力的的光光-磁磁陷陷阱阱，使使原原子子在在约约1s内内从从控控制制区区坠落后被捕获。坠落后被捕获。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光测距激光测距 激光雷达激光雷达 激光准直激光准直 利利用用激激光光的的高高亮亮度度和和极极好好的的方方向向性性，做做成成激激光光测距仪、激光雷达和激光准直仪。测距仪、激光雷达和激光准直仪。 激激光光测测距距的的原原理理与与声声波波测测距距的的道道理理差差不不多多，因因为为光光速速

35、c已已知知，只只要要测测量量从从激激光光发发射射至至接接收收到到从从物物体体反反射射回回来来的的激激光光的的时时间间间间隔隔即即可可。激激光光雷雷达达对对准准的的是是运运动动目标或相对运动的目标。目标或相对运动的目标。 激激光光制制导导的的导导弹弹，头头部部有有四四个个排排成成十十字字形形的的激激光光接接收收器器（四四象象限限探探测测仪仪）。如如果果四四个个接接收收器器收收到到的的激激光光一一样样多多，就就按按原原来来方方向向飞飞行行，如如果果有有一一个个接接收收器器接接收收的的激激光光少少了了，它它就就自自动动调调整整方方向向。另另一一类类可可用用激激光光束束照照射射要要打打击击的的目目标标

36、，经经目目标标反反射射的的激激光光被被导导弹弹上上的的接收器收到，引导导弹击中目标。接收器收到，引导导弹击中目标。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光用在加工领域激光用在加工领域 以以激激光光良良好好的的单单色色性性和和相相干干性性为为基基础础。激激光光全全息息技技术术可可以以用用作作无无损损探探伤伤，即即不不用用损损坏坏零零件件便便可可检检测测出出零件内部的缺陷。零件内部的缺陷。 利利用用激激光光的的亮亮度度高高和和方方向向性性好好可可以以在在机机加加工工领领域域大有作为。大有作为。 如如可可以以在在零零件件

37、上上打打一一般般钻钻头头不不能能打打的的异异形形孔孔和和尺尺寸寸达达微微米米级级的的小小孔孔。利利用用激激光光进进行行切切割割，具具有有速速度度快快，切切面面光光洁洁，不不发发生生形形变变的的特特点点。激激光光焊焊接接可可焊焊一一般般焊焊接接法法不不能能焊焊的的难难熔熔金金属属。还还可可以以利利用用激激光光亮亮度度高高、能能量量集集中中、可可通通过过理理论论计计算算进进行行控控制制的的特特点点对对金金属属工工件件表面进行改性处理。表面进行改性处理。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光信息处理激光信息处理 激激光

38、光技技术术能能大大幅幅度度提提高高信信息息处处理理能能力力，特特别别是是引引入入激光后。激光后。 全息技术是全息技术是1948年英国科学家盖伯提出的一种新年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，的成像原理，“全息全息”一词引处希腊语，是一词引处希腊语，是“完全完全”的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获为一个新领域，盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通

39、大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 普普通通照照像像是是把把从从物物体体表表面面发发出出的的光光经经过过透透镜镜，在在感感光光底底片片上上记记录录下下物物体体的的光光强强分分布布，再再翻翻印印到到相相纸纸上上，呈呈现现出出物物体体的的平平面面图图像像。普普通通照照像像只只记记录录了了物物体体表表面面的的光光强强分分布布，没没有有记记录录到到物物体体各各部部分分到到观观察察者者的的远远近近和和角角度度，即即没没记记录录下下物物体体发发出出光光线线的的相相位位分分布布，这样的像没有立体感。这样的像没有立体感。 全全息息照照像像是是用用相相干干光光照照射射物物体体，从从物物体体

40、反反射射或或漫漫射射的的光光不不是是用用透透镜镜成成像像而而是是直直接接照照射射到到全全息息底底片片上上，用用干干涉涉现现象象把把那那些些光光的的光光强强分分布布和和相相位位记记录录下下来来。底底片片上上没没有有被被拍拍物物体体的的形形象象，在在显显微微镜镜下下可可看看到到的的是是一一幅幅长长短短不不一一、间间距距不不等等、走走向向不不同同的的复复杂杂干干涉涉条条纹纹，称为全息图。称为全息图。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 要想看到图样，用相干光按一定方式照射全息图，要想看到图样，用相干光按一定方式照射全息图，

41、在一定方向可看到物体的像，称为再现。再现的是从在一定方向可看到物体的像，称为再现。再现的是从物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。 光光刻刻技技术术，如如光光刻刻集集成成电电路路、光光盘盘。光光盘盘的的外外形形有有点点像像唱唱片片，写写入入读读出出的的原原理理也也和和机机械械唱唱片片差差不不多多，只只是是用用激激光光束束来来代代替替唱唱针针，因因为为激激光光的的相相干干性性很很好好，用用聚聚光光系系统统可可以以把把激激光光聚聚焦焦成成比比针针头头还还细细小小的的光光束束，所所以以它它在在介介质质上上写写入入信信息息所所占占空空间间尺尺寸寸可可以以非

42、非常常小小（小小于于1nm）因因而而信信息息存存储储密密度度很很大大。CD唱唱片片是是用用声声音音调调制制了了的的激激光光束束刻刻制制光光盘盘，由由于于在在读读写写光光盘盘时时光光点点与与光光盘盘无无机机械械接接触触，就就不不存存在在由由摩摩擦擦引引起起的的杂杂音音，同同时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光通信激光通信 激激光光通通信信也也是是利利用用激激光光束束单单色色性性好好，方方向向性性好好的的特点。特点。 要要想想提提高高传传递递信

43、信息息容容量量比比较较有有效效的的办办法法是是提提高高载载波波的的频频率率，如如用用波波长长10cm的的电电波波代代替替波波长长100m的的电电波波，通通信信容容量量可可以以提提高高1千千倍倍，所所以以从从19世世纪纪开开始始不不断断发发展展短短波波通通信信，最最初初使使用用波波长长几几千千米米的的无无线线电电通通信信（长长波波通通信信），后后来来发发展展为为波波长长几几百百米米的的中中波波通通信信，20世世纪纪50年年代代又又发发展展厘厘米米级级的的微微波波通通信信，波波长长再再缩缩短短进进入入光光波波波波段段，光光波波的的频频率率在在1014HZ-1015HZ之之间间，厘厘米米波波的的频频

44、率率是是1010HZ左左右右，所所以以光光波波通通信信的的容容量量又又比比微微波波通通信提高信提高1万倍到万倍到10万倍。万倍。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 但但普普通通光光源源发发出出光光波波是是不不能能作作通通信信载载波波的的，因因为为普普通通光光源源发发出出的的光光单单色色性性不不好好，若若用用这这种种光光波波作作载载波波，相相当当于于同同时时有有多多套套频频率率的的节节目目到到达达接接收收器器，所所以以效效果果差差。激激光光提提供供了了单单色色性性很很好好的的光光波波，光光波波通通信信才才进进入入实实

45、用用化化阶阶段段。利利用用光光波波的的载载波波通通信信做做法法与与微微波波通通信信类类似似，激激光光器器输输出出的的光光束束经经过过光光电电调调制制器器调调制制后后送送到到发发射射天天线线（一一只只光光学学反反射射镜镜）发发射射出出去去，在在用用户户接接收收端端，接接收收天天线线（也也是是反反射射镜镜）把把传传送送过过来来的的光光信信号号汇汇集集到到光光电电接接收收器器上上转转换换为为电电信信号号，再再经经电电放放大大和和解解调调后后就就可可以以得得到到所所传传递递的的信信息息。在在实实际际应应用用中中为为避避免免光光波波在在大大气气中中传传播播的的损损失失，光光信信号号是是在在光光纤纤内内传

46、传递递的的，光光信信号在光纤中的损耗很小。号在光纤中的损耗很小。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 现现在在发发展展的的光光计计算算机机是是用用光光波波束束代代替替电电流流构构造计算机，会获得更高的运算速率和容量。造计算机，会获得更高的运算速率和容量。 在在显显示示技技术术上上，激激光光液液晶晶大大屏屏幕幕将将代代替替阴阴极极射射线管，有可能成为线管，有可能成为21世纪电视的主角。世纪电视的主角。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光

47、的生物应用激光的生物应用 生生物物育育种种上上可可以以采采用用“诱诱发发育育种种”方方法法培培育育良良种种，诱诱发发育育种种也也有有化化学学诱诱变变、核核辐辐射射诱诱变变、光光诱诱变变等等，激激光光照照射射属属光光诱诱变变。生生物物组组织织吸吸收收激激光光能能量量后后，将将会会使使生生物物体体发发生生光光-生生物物热热效效应应、生生物物光光压压效效应应、生生物物光光化化学学效效应应、生生物物电电磁磁效效应应和和生生物物刺刺激激效效应应，由由此此引引起起生生物物遗遗传传异异变变。我我国国已已用用激激光光照照射射种种子子培培育育新新品品种种，改改善品质。善品质。上海交通大学上海交通大学 物理系物理

48、系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光用于医学领域激光用于医学领域 1. 激光刀激光刀 是是用用光光学学系系统统聚聚焦焦的的激激光光束束作作用用于于生生物物体体组组织织，在在短短时时间间内内使使之之烧烧灼灼和和气气化化。当当光光束束以以一一定定速速度度移移动动时时，能能把把组组织织切切开开，起起到到手手术术刀刀的的作作用用。激激光光的的能能量量还还能能烧烧结结封封闭闭组组织织中中的的血血管管、淋淋巴巴管管，减减少少出出血血量量，在在做做肿肿瘤瘤手手术术时时也也可可防防止止肿肿瘤瘤扩扩散散。脉脉冲冲激激光光作作用用时时间间短短（小小于于千千分分之之一

49、一秒秒），可可以以用用作作精精细细的的眼眼科科手手术术，病病人人的的眼眼睛睛还还来来不不及及转转动动，“刀刀”已已经经下下去去了了，不不会会伤伤及及其其它它部部位位。同同时时激激光光刀刀与与手手术术部部位位是是非非接接触触性性作作用用，因因而而是是自自身身消消毒的手术。毒的手术。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 2. 激光纤维内窥镜激光纤维内窥镜 借借助助于于光光纤纤，可可以以把把激激光光引引入入人人体体内内部部用用激激光光施施行行手术，避免一些剖腹的大手术。手术，避免一些剖腹的大手术。上海交通大学上海交通大学

50、物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 3.低功率激光的应用低功率激光的应用 弱弱激激光光对对生生物物组组织织有有刺刺激激、镇镇痛痛、消消炎炎、扩扩张张血血管管等等作作用用，用用弱弱激激光光照照射射病病灶灶，有有治治疗疗效效果果。利利用用弱弱激激光照射穴位，可产生类似针炙的效果。光照射穴位，可产生类似针炙的效果。 4.利用激光进行基础医学和疾病的检测诊断利用激光进行基础医学和疾病的检测诊断 可可以以利利用用相相应应的的激激光光仪仪器器，研研究究细细胞胞、亚亚细细胞胞和和大大分分子子的的结结构构以以及及一一些些特特殊殊细细胞胞的的生生物物学学过过

51、程程，例例如如可可以以借借助助于于激激光光微微束束仪仪，把把激激光光束束聚聚焦焦到到0.5m-1.0m，用以切割和焊接细胞，研究生物的遗传规律用以切割和焊接细胞，研究生物的遗传规律 激激光光诊诊断断目目前前主主要要是是应应用用激激光光的的光光谱谱技技术术、干干涉涉技技术术等等，通通过过对对血血液液、尿尿液液和和人人体体其其它它组组织织成成分分的的测测定定，无损伤地鉴别待测组织是否发生病变。无损伤地鉴别待测组织是否发生病变。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系 激光与能源激光与能源 激激光光与与能能源源密密切切相相关关

52、的的两两方方面面应应用用是是激激光光分分离离同同位位素素和和激激光光核核聚聚变变。高高亮亮度度的的激激光光用用来来引引发发热热核核聚聚变变，使氘和氚聚变成氦和中子后释放出大量能量。使氘和氚聚变成氦和中子后释放出大量能量。 到用到用235U作核燃料要对铀同位素进行分离，有利用作核燃料要对铀同位素进行分离，有利用铀核质量不相同的气体扩散法和离心分离法等。由于铀核质量不相同的气体扩散法和离心分离法等。由于235U与与238U在大小和重量上相差很小分离困难。激光出在大小和重量上相差很小分离困难。激光出现后，利用激光的单色性，使现后，利用激光的单色性，使235U选择性电离（原子选择性电离（原子分离法）或选择性离解（分子分离法），达到分离目分离法）或选择性离解（分子分离法），达到分离目的。利用激光还可对其它同位素进行分离。的。利用激光还可对其它同位素进行分离。上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系上海交通大学上海交通大学 物理系物理系应用应用n激光刀激光刀n激光纤维内窥镜激光纤维内窥镜n激光眼科激光眼科n激光诊断激光诊断n治疗治疗