激光技术和应用解析课件.ppt

1、1 1 激光发展史激光发展史 1）激光）激光50年大事件年大事件第一束激光。第一束激光。19601960年，年，西奥多西奥多梅曼梅曼（Theodore MaimanTheodore Maiman）在加利福尼亚州马里布的在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室设计和建休斯研究实验室设计和建造了一台小型的激光发生造了一台小型的激光发生器。将闪光灯线圈缠绕在器。将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，指尖大小的红宝石棒上，产生了第一条激光，产生了第一条激光，从此开启了激光时代。从此开启了激光时代。1 1 激光发展史激光发展史1961年年8月月 王之江院士设计制造。王之江院士设计制造。“中国激光之父中国激

2、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。为武器的潜力。19641964年，年，007007电影电影金手指金手指中大反派中大反派“金手指金手指”奥瑞克威胁邦德，要用激光将他锯成两半奥瑞克威胁邦德，要用激光将他锯成两半这在当时，还是纯这在当时，还是纯粹的幻想。粹的幻想。1 1 激光发展史激光发展史1 1 激光发展史激光发展史激光轻武器激光轻武器1 1 激光发展史激光发展史美国激光攻击机试验机美国

3、激光攻击机试验机1 1 激光发展史激光发展史美国地基激光武器美国地基激光武器三维激光。全息技术三维激光。全息技术发明于发明于19481948年，以提年，以提高电子显微镜的分辨高电子显微镜的分辨率，但埃米特率，但埃米特利斯利斯（Emmett LeithEmmett Leith）和朱）和朱瑞斯瑞斯乌帕特尼克斯乌帕特尼克斯（Juris Upatnieks Juris Upatnieks）在在19641964年使用激光对年使用激光对全息技术进行了彻底全息技术进行了彻底改造，发明了第一个改造，发明了第一个不需要特制眼镜就能不需要特制眼镜就能看到的三维图像。看到的三维图像。他们用分裂的激光光束将全息图记录

4、在感光片上，其中一束激光先被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根大学的真的三维图像。这张玩具火车图是这两位科学家在密歇根大学的威洛威洛鲁恩实验室第一次记录的全息图。鲁恩实验室第一次记录的全息图。1 1 激光发展史激光发展史1 1 激光发展史激光发展史蒙娜丽莎蒙娜丽莎三维成像分析三维成像

5、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，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，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。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 1 激光发展史激光发展史1 1 激光

6、发展史激光发展史广州亚运会开幕式激光表演广州亚运会开幕式激光表演1 1 激光发展史激光发展史激光投影电视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。若尔斯码扫描枪实现收款自动化。若尔斯阿尔费罗夫（阿尔费罗夫（Zhores Alferovand Zhores Alferovand）和赫伯特）和赫伯特克勒默克勒默（Herbert KroemerHerbert 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。）发明了制作

7、半导体二极管激光器的改进方法，让激光真正地无处不在。他们因此获得了他们因此获得了20002000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，比如说钞票大小的对比。）如今，这样的芯片随处可见，比如说CDCD播放器、蓝光播放器、红色播放器、蓝光播放器、红色激光笔和全球电信网络的骨干中。激光笔和全球电信网络的骨干中。1 1 激光发展史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

8、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庞大才能提供足够的能量，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。一毫米厚、扑克大小的盘片就能

9、产生千瓦级的能量，足以切开几厘米厚的金属片。1 1 激光发展史激光发展史1 1 激光发展史激光发展史国产激光焊接机国产激光焊接机1 1 激光发展史激光发展史激光数控切割机激光数控切割机1 1 激光发展史激光发展史进口高精度激光雕刻机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19621962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。更大的成功在成功在1968

10、1968年到来，外科医生弗朗西斯年到来，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，或者使胎记和刺青经挽救了数百万人的视力。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。褪色。1 1 激光发展史激光发展史1 1 激光发展史激光发展史1064nm激光激光医疗设备（去斑等）医疗设备（去斑等）心脏动脉血管

11、支架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。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。19621962年，劳伦斯年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家约翰利弗莫尔国家实验室的物理学家约翰纳科尔斯（纳科尔斯（John NuckollsJohn Nuckolls）在加利福尼亚州利弗莫尔，）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

12、验设施中达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。到巅峰。这是一个复杂的系统，可以同时发出这是一个复杂的系统，可以同时发出192192束激光，去年，在十亿分之几秒的时间内，束激光，去年，在十亿分之几秒的时间内，产生了能量达到产生了能量达到100100万焦耳的激光脉冲，使之成为有史以来能量最强的激光器。万焦耳的激光脉冲，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美国国家点火实验设施 (NIF)(NIF)是美国出于研究核聚变反应设想而建造的试验装置。）是美国出于研究核聚变反应设想而建造的试验装置。）1 1 激光发展史激光发展史1 1 激光

13、发展史激光发展史超连续谱激光器超连续谱激光器1 1 激光发展史激光发展史钛宝石激光器钛宝石激光器高次谐波能产生高次谐波能产生as脉冲脉冲1 1 激光发展史激光发展史掺镱光纤超短脉冲激光器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：1nJOL V.31,P1340,2006 美国，康奈儿大学 1 1 激光发展史激光发展史飞秒掺铒光纤激光器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：2.08nJOL V.32,P41,20071 1 激光发展史激光发展史无锁模飞秒激光脉冲无锁模飞秒激光脉冲脉宽：

14、516fs能量：3.5nJ中心波长：1550nmOL V.32,P1408,2007,美国，康奈儿大学1 1 激光发展史激光发展史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)名称研制成功时间研制人He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干

15、福熹等GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等脉冲Ar+激光器1964年10月万重怡等CO2分子激光器1965年9月王润文等CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等YAG激光器1966年7月屈乾华等激光国内大事记激光国内大事记 1 1 激光发展史激光发展史2 2 激光概述（产业方面）激光概述（产业方面）国外激光产业发展现状国外激光产业发展现状根据根据激光集锦激光集锦19971997年报导，年报导，世界激光器市场可划分为三大区域：世界激光器市场可划分为三大区域：美国（包括北美）占美国（包括北美）占55%55%，欧州占，欧州占22%22%，日本及太平洋地区占，日本及太平洋地区占23%23

16、%。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方面则是 德国占首位。因此我们选择美国、日本、德国占首位。因此我们选择美国、日本、德国三个国家，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。及其发展趋势。我国激光产业发展现状及存在的主要问题我国激光产业发展现状及存在的主要问题2 2 激光概述（产业方面）激

17、光概述（产业方面）主要问题是：主要问题是：(1)(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，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许多具有市场前景的成果 仍停留在实验样机阶段；仍停留在实验样机阶段；(2)(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；规模生产，效益较低；(3)(3)产品质量较差，在安全性、稳定性、可靠性及标准化等方面产品质量较差，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；还有待进一步提高；(4)(4)激光系统的配套能力较差，

18、增加了用户使用的困难；激光系统的配套能力较差，增加了用户使用的困难；(5)(5)创新能力较差，高档次的激光产品少，智能化、自动化程度创新能力较差，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；较低，缺乏市场竞争能力；(6)(6)从技术管理上看，激光产品缺少国家标准，激光产业没有从技术管理上看，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。业的发展。3 3 辐射与物质的相互作用辐射与物质的相互作用1)普通光源的发光普通光源的发光受激吸收和自发辐射受激吸收和自发辐射21hEE22

19、11exp()NEENkT21exp4000NN2)2)受激辐射和光的放大受激辐射和光的放大3)3)粒子数反转粒子数反转3 3 辐射与物质的相互作用辐射与物质的相互作用美国国家点火装置（National 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

20、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

21、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。激光治疗近视激光治疗近视激光在医学上的发展史LASIK手术适应症及手术前准备LASIK的治疗原理及过程手术后注意事项激光在医学中的发展史激光在医学中的发展史 1960年 第一台红宝石激光器

22、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；19

23、88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。眼的构造眼的构造 近视矫正的三种方法

24、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。LASIK（准分子激光原位角膜磨镶术）（准分子激光原位角膜磨镶术）准分子激光手术适应症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

25、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;(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。激光治疗近视原理激光

26、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，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

27、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

28、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？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”。