激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥1第13章激光在其他領(lǐng)域的應(yīng)用激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥213.1激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，就是以激光作為信息載體，將聲音、圖像、數(shù)據(jù)等各種信息通過激光傳送出去，通過激光將信息存儲(chǔ)在光學(xué)存儲(chǔ)器里，通過激光將信息打印或顯示出來，等等。激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用涉及光通信、光存儲(chǔ)、光打印、光印刷、光顯示、光計(jì)算等許多重要的領(lǐng)域。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥313.1.1激光存儲(chǔ)1.光盤存儲(chǔ)CD（CompactDisk）第一代光盤存儲(chǔ)光源：

GaAlAs半導(dǎo)體激光器

波長：

0.78um

容量：

640ＭＢ第二代光盤存儲(chǔ)光源：

GaAlInP半導(dǎo)體激光器波長：

0.65um

容量：

4.7GＢ第三代光盤存儲(chǔ)光源：

GaN半導(dǎo)體激光器波長：

0.41um

容量：

>10GＢ激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥4與磁存儲(chǔ)技術(shù)相比，光存儲(chǔ)技術(shù)有如下特點(diǎn)：（1）存儲(chǔ)密度高、容量大。（2）非接觸式讀/寫。（3）壽命長。（4）不受電磁場(chǎng)的干擾。（5）信息位價(jià)格低。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥5CD光盤的結(jié)構(gòu)CD光盤信息斑示意圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥6光盤信息讀取系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥72.激光全息存儲(chǔ)將全息技術(shù)運(yùn)用在存儲(chǔ)上面，理論上可以達(dá)到1000GB（ITB）以上的數(shù)據(jù)，目前的全息存儲(chǔ)產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了300GB的容量全息存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)原理激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥8全息存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn):(1)

可對(duì)不同頁的并行存取。(2)

數(shù)據(jù)庫查找和數(shù)據(jù)挖掘快，因?yàn)閿?shù)據(jù)能以光的形式比較，而不必取回它。(3)

沒有移動(dòng)部份，因此有較快的存取速度。(4)

非揮發(fā)性，能作為內(nèi)、外存儲(chǔ)器。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥93．激光存儲(chǔ)新技術(shù)（1）蛋白質(zhì)存儲(chǔ)基于從細(xì)菌中抽取的Bacteriorhodopsin。Bacteriorhodopsin是一個(gè)能以多種化學(xué)狀態(tài)存在的有機(jī)分子，每種狀態(tài)有不同的光吸收率，因此比較容易檢測(cè)出分子處于哪一種狀態(tài)。通過選擇兩種狀態(tài)，一種為二進(jìn)位的0，另一種為二進(jìn)位的1，可使用這種特性作為存儲(chǔ)裝置。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥10蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn):蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器有待解決的問題：1）基于蛋白質(zhì)建立，批量生產(chǎn)的成本很低。

2）可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，溫度范圍比半導(dǎo)體存儲(chǔ)器大得多的。

3）不同的頁可以并行存取。

4）非揮發(fā)性，能作為內(nèi)存和大容量存儲(chǔ)器。1）把蛋白質(zhì)凝聚在一起的聚合膠化體分解的速度比蛋白質(zhì)本身還要快。蛋白質(zhì)能抵抗激光，但是膠化體在一會(huì)兒之后就分解了，這是蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器的主要障礙。

2）生物異變會(huì)影響蛋白質(zhì)的光化學(xué)性質(zhì)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥11（2）探針存儲(chǔ)探針存儲(chǔ)是基于原子刻度上的操作。它基本上是一個(gè)穿孔卡片系統(tǒng)，但在原子的尺度上，在某個(gè)特定點(diǎn)的原子的特性表示二進(jìn)位的0或二進(jìn)位的1。探針存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn):探針存儲(chǔ)有待解決的問題：1）用于便攜式裝置最理想

；2）不工作時(shí)沒有電力消耗；3）極小空間內(nèi)獲得極高容量。1）狀態(tài)必須在室溫下保持穩(wěn)定；2）材料必須有兩個(gè)明顯的狀態(tài)；3）器件必須與其他的電子線路集成在一起。

4）工作部件必須在真空或受控的環(huán)境中，以減少電子散失，并且減少數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的熱流動(dòng)。5）當(dāng)前的技術(shù)速度還非常慢，比現(xiàn)在的硬盤慢

。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥1213.1.2激光計(jì)算機(jī)以光子作為主要信息載體，以光學(xué)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)主體的一種新型計(jì)算機(jī)，光子計(jì)算機(jī)中的光源是激光。1.光學(xué)邏輯運(yùn)算

光學(xué)雙值邏輯光學(xué)雙值邏輯器件是數(shù)字光計(jì)算的最基本器件激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥13LCLV是一種光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換器，它接收低強(qiáng)度輸入的空間圖像后，通過來自另一光源的讀出光將輸入圖像轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鰣D像。LCLV的結(jié)構(gòu)液晶光閥（LCLV）激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥14LCLV輸入/輸出響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)LCLV輸入－輸出特性（實(shí)現(xiàn)或非運(yùn)算）激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥15LCLV實(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算：激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥162.光學(xué)互連光子互連的優(yōu)越性：（1）高的傳播速度，不受RC參數(shù)延遲效應(yīng)的限制。（2）光子屬于玻色子，不帶電荷，因此，光束可以相互交叉通過而不會(huì)相互影響，具有并行處理能力。（3）光子互連具有大的空間和時(shí)間帶寬積，光子載頻約1014Hz，能利用的帶寬可達(dá)1013Hz，這意味著可能的傳輸數(shù)據(jù)速率比目前電子通信最快的數(shù)據(jù)速率大三個(gè)數(shù)量級(jí)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥17（1）自由空間光互連光束不經(jīng)過特殊傳播介質(zhì)，按自由空間傳播的規(guī)律傳播，通過光學(xué)元件時(shí)遵守折射、反射和衍射原理而進(jìn)行互連的一種方法。計(jì)算全息圖作為光學(xué)互連的示意圖（2）光纖和集成光波導(dǎo)光互連光束通過光纖或集成光波導(dǎo)進(jìn)行傳播的互連。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥183.數(shù)字光計(jì)算機(jī)數(shù)字光電計(jì)算機(jī)示意圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥1913.1.3激光掃描1.激光照排機(jī)激光照排機(jī)的原理方框圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥202.條形碼掃描器通用商品條形碼結(jié)構(gòu)條碼是由一組按一定編碼規(guī)則排列的條、空符號(hào)，用以表示一定的字符、數(shù)字及符號(hào)組成的信息。條碼閱讀器是用于讀取條碼所包含的信息的設(shè)備，條碼閱讀器的結(jié)構(gòu)通常包括：光源、接收裝置、光電轉(zhuǎn)換部件、譯碼電路、計(jì)算機(jī)接口。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥213687型條形碼掃描器光學(xué)系統(tǒng)基本工作原理：由光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到條碼符號(hào)上面，被反射回來的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在光電轉(zhuǎn)換器上，使之產(chǎn)生電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過電路放大后產(chǎn)生一模擬電壓，它與照射到條碼符號(hào)上被反射回來的光成正比，再經(jīng)過濾波、整形，形成與模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)，經(jīng)譯碼器解釋為計(jì)算機(jī)可以直接接受的數(shù)字信號(hào)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥2213.1.4激光打印機(jī)計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)對(duì)激光器的輸出進(jìn)行調(diào)制，帶有字符和圖形信息的激光束在涂有光導(dǎo)材料并均勻帶電的鼓面上掃描，使光照部分電荷消失，未照部分電荷保留，即是曝光。再經(jīng)過顯影使光照部分吸附墨粉形成圖像。經(jīng)過定影，轉(zhuǎn)印，在紙上得到清晰的輸出。激光打印機(jī)的基本組成方框圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥23激光打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥2413.2激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用13.2.1激光在精密計(jì)量中的應(yīng)用因?yàn)榧す饩哂袃?yōu)良的方向性、單色性、相干性和高亮度，所以利用激光計(jì)量技術(shù)可以解決常規(guī)技術(shù)無法解決的問題，包括大距離、納米級(jí)微小尺寸、高精度、非接觸測(cè)量等。1.激光干涉計(jì)量利用激光的干涉性，對(duì)相位變化的信息進(jìn)行處理，是一種最典型的激光計(jì)量方法。通常利用基準(zhǔn)反射面的參照光和觀測(cè)物體反射的觀測(cè)光產(chǎn)生的干涉，或者是參照光和通過觀測(cè)物體后相位發(fā)生變化的光之間的干涉，可以非接觸地測(cè)定至被測(cè)物體的距離以及物體的大小、形狀等，測(cè)量精度可達(dá)光的波長量級(jí)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥25(1)激光干涉測(cè)長儀的結(jié)構(gòu)其核心部分是邁克耳遜干涉儀。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥26(2)激光干涉測(cè)長儀的工作原理被測(cè)長度:由于波長的不穩(wěn)定性所造成的測(cè)長L的相對(duì)誤差:當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時(shí)，它們相互加強(qiáng)，在計(jì)數(shù)器的接收屏上形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的奇數(shù)倍時(shí)，它們互相抵消（兩束光強(qiáng)度相等時(shí)），在接收屏上形成暗條紋。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥27(3)激光干涉計(jì)量的應(yīng)用①坐標(biāo)精密定位②光學(xué)平面檢測(cè)③地震預(yù)測(cè)坐標(biāo)精密定位在微電子工業(yè)技術(shù)中十分重要。在大規(guī)模集成電路的制作過程中，一般說來，必須反復(fù)進(jìn)行多次光刻，而每次光刻的圖形自然必須嚴(yán)格套準(zhǔn)。

利用光的干涉原理可以測(cè)量出光學(xué)元件表面的不規(guī)則程度。激光干涉測(cè)長可以精確地測(cè)量微小的長度變化，因而成為預(yù)測(cè)地震的一種重要手段。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥282.激光測(cè)速(1)激光測(cè)速基本原理及結(jié)構(gòu)激光測(cè)速利用光的多普勒效應(yīng)，用一束單色激光照射到運(yùn)動(dòng)物體上，一部分激光被物體散射，由于多普勒效應(yīng)，散射光的頻率相對(duì)于入射光的頻率偏移，測(cè)出兩者的頻差，就可以進(jìn)而確定運(yùn)動(dòng)物體的速度。在光電探測(cè)器上可以測(cè)出兩個(gè)散射光束之間的頻差，就可以計(jì)算出液體或者氣體的流動(dòng)速度:激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥29雙散射光束型激光測(cè)速儀激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥30(2)激光測(cè)速應(yīng)用舉例①血液流速計(jì)用于血液流速測(cè)量的光纖激光多普勒測(cè)速儀的原理圖將一束激光分為兩束，一束為參考光束，另一束為測(cè)量光束，通過插入血管內(nèi)的光纖射到紅血球上，經(jīng)過流動(dòng)著的紅血球的反射，反射光束激光的頻率發(fā)生了變化，并且沿著光纖傳播回去，再讓測(cè)量光束和參考光束會(huì)合，入射到光電探測(cè)器上，測(cè)量出兩個(gè)光束的頻率差,就能計(jì)算出血液流動(dòng)的速度。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥31②振動(dòng)測(cè)量儀不論是機(jī)械振動(dòng)還是地面、建筑物的振動(dòng)，都伴隨著振體位置的變化，即產(chǎn)生了速度的突變。當(dāng)照射在振體的光被反射或散射后，光的頻率將發(fā)生變化。從光的頻率變化的大小，可以知道振體振動(dòng)的程度，從光的頻率變化地周期，可以知道振體振動(dòng)的頻率。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥323.激光準(zhǔn)直激光具有極好的方向性，一個(gè)經(jīng)過準(zhǔn)直的、連續(xù)輸出的激光光束，可以認(rèn)為是一條粗細(xì)幾乎不變的直線，因此，可以用激光光束作為空間基準(zhǔn)線。激光準(zhǔn)直儀基本結(jié)構(gòu)激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥33四象限光探測(cè)器激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥34讓激光束通過一定圖案的波帶片，產(chǎn)生便于對(duì)準(zhǔn)的衍射圖像，例如產(chǎn)生亮的細(xì)十字交叉線，從而進(jìn)一步提高對(duì)準(zhǔn)精度。波帶片示意圖激光衍射準(zhǔn)直儀的原理結(jié)構(gòu)圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥354.激光環(huán)境計(jì)量激光雷達(dá)對(duì)大氣中的微粒子的探測(cè)靈敏度非常高，利用分光方法，可以測(cè)定特定的大氣成分的分布，因此成為大氣環(huán)境計(jì)量的最有效手段。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥365.其它精密計(jì)量(1)直徑測(cè)量掃描法的工作原理待測(cè)工件的直徑:激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥37(2)電流測(cè)量激光電流計(jì)利用法拉第磁光效應(yīng)，即諸如鉛玻璃、火石玻璃、釔鐵石榴石等磁光物質(zhì)，在磁場(chǎng)作用下，使得通過它的偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，偏振光旋轉(zhuǎn)的角度正比于磁場(chǎng)的強(qiáng)度。由于電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，所以，將磁光物質(zhì)置于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，使從地面發(fā)出的偏振激光束通過磁光物質(zhì)后返回地面，測(cè)量出偏振光的振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的角度，就可以測(cè)量出相應(yīng)的電流強(qiáng)度。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥38(3)電壓測(cè)量激光電壓計(jì)利用電光效應(yīng)測(cè)量電壓，因?yàn)殡妷嚎梢援a(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)引起物質(zhì)的雙折射，使得通過電光晶體或液體的光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化，測(cè)量出這種偏振態(tài)的變化，就可以測(cè)量出相應(yīng)的電壓變化。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥3913.2.2激光在材料加工中的應(yīng)用激光的方向性好，能量比較集中，如果再利用聚焦裝置使光斑尺寸進(jìn)一步縮小，可以獲得很高的功率密度，足以使光斑范圍內(nèi)的材料在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熔化或汽化溫度。因此，激光加工是將激光作為熱源，是一種熱加工方法。激光加工的優(yōu)越性：光點(diǎn)小、能量集中、對(duì)加工點(diǎn)位置以外的熱影響小；無接觸加工，對(duì)工件不污染；能穿過透光外殼對(duì)密封的內(nèi)部材料進(jìn)行加工；加工精度高，適于自動(dòng)化。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥401.激光加工的一般原理(1)激光束特性由短焦距透鏡聚焦后，焦點(diǎn)處的光斑截面半徑:(2)材料的反射、吸收和導(dǎo)熱性長脈沖或連續(xù)激光正入射時(shí)，光點(diǎn)中央的溫度上升值與被吸收的光功率、導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系:激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥412.激光打孔、切割、焊接(1)激光打孔激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作盤。加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，適當(dāng)選擇各加工參數(shù)后，通過激光器發(fā)出的光脈沖就可以加工處所需要的孔。激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥42(2)激光切割激光切割具有非接觸加工、切縫非常窄、鄰近切邊的熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。(3)激光焊接激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。因?yàn)榧す饽芰扛叨燃校訜帷⒗鋮s的過程及其迅速，一些普通焊接技術(shù)難以加工的脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料，用激光很容易實(shí)施焊接。激光還能使一些高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點(diǎn)金屬快速熔化，完成特種金屬或合金材料的焊接。另一方面，在激光焊接過程中無機(jī)械接觸，易保證焊接部位不因受力而發(fā)生變形，通過熔化最小數(shù)量的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)合金連接，從而大大提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥433.激光微細(xì)加工激光微細(xì)加工是指用激光對(duì)微電子、光電子、微機(jī)械、微機(jī)電及相關(guān)領(lǐng)域的零部件進(jìn)行的微區(qū)切割、焊接、打孔、刻蝕、清洗、毛化等加工過程。(1)光刻用準(zhǔn)分子激光照射放在鹵素氣體中的硅片，只有激光照射到的部分才發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕，其它未照射部分則不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這樣就可以按需要在硅片上刻蝕出線寬為納米級(jí)的超大規(guī)模集成電路的電路圖形。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥44(2)激光清洗硅片主要有兩種激光清洗方法：一是利用激光蒸發(fā)很薄的液體層，同時(shí)清除粒子；二是利用激光輻射清洗，不需要任何液體。實(shí)踐證明，這些技術(shù)不僅能夠清除粒子，而且成本也很低。(3)激光磨蝕當(dāng)高功率脈沖激光照射在固體表面時(shí)，若超過某一閾值能量密度會(huì)產(chǎn)生磨蝕。激光磨蝕技術(shù)在激光量子化質(zhì)量分析、磨蝕加工、表面改質(zhì)、表面清潔、激光涂敷、有機(jī)薄膜的親水性附加、提高黏接性等廣泛的領(lǐng)域中應(yīng)用。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥454.激光快速成型技術(shù)(1)快速成型技術(shù)的基本原理快速成型技術(shù)是應(yīng)用離散/堆積的概念來制造零件的，通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，通過堆積將材料“疊加”起來形成三維實(shí)體。離散/堆積的工作過程由CAD模型開始，先將CAD模型離散化，沿某一方向（常取z向）切成許多層面，即分層，屬信息處理過程。然后在分層信息控制下順序加工各片層并層層結(jié)合，堆積出三維零件，該零件作為CAD模型的物理體現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)，為物理堆積過程。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥46(2)快速成型技術(shù)的應(yīng)用——汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活門體的成型加工汽缸頭的激光熔覆成型加工原理圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥4713.3激光在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用13.3.1激光與生物體的相互作用1.生物體的光學(xué)特性軟組織上各種物質(zhì)的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥48軟組織中各種激光的穿透深度激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥492.激光對(duì)生物體的作用激光能夠診斷和治療疾病是因?yàn)榧す饪膳c生物體作用產(chǎn)生多種效應(yīng)，包括光熱效應(yīng)、光壓效應(yīng)、光化效應(yīng)、光電磁效應(yīng)和光激活效應(yīng)等，激光正是通過這些效應(yīng)達(dá)到診斷和治療疾病的目的。3.激光對(duì)生物體應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)第一，人們?cè)诠獾氖澜缰猩睿厥馇闆r外光對(duì)生物體的損害較少。第二，利用激光在大氣中直線傳播的特點(diǎn)，可非接觸地對(duì)生物體應(yīng)用，也可以利用光纖導(dǎo)入到生物體的內(nèi)部。第三，激光的高聚光性能使微觀的治療和高空間分辨率的測(cè)定成為可能。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥5013.3.2激光在生物體檢測(cè)及診斷中的應(yīng)用1.激光多普勒診斷激光多普勒診斷的方法是將激光光源（多用透射較深的He－Ne激光器）發(fā)射的激光通過光纖傳送到探頭，激光射入人體組織一小段距離，其中一部分被散射回皮膚表面，并被另外兩個(gè)光纖所收集。作為檢查對(duì)象的紅血球所散射的光頻率將發(fā)生多普勒效應(yīng)，紅血球向著入射光運(yùn)動(dòng)時(shí)，散射光頻率增加；反向時(shí)，頻率減小；靜止時(shí)，頻率不變。而且紅血球的速率越大，散射光頻率的變化越大。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥512.激光光譜診斷光學(xué)活檢的基本原理示意圖通過對(duì)組織中的反射光、透射光、散射光，或者是組織被激發(fā)光激發(fā)后所產(chǎn)生的熒光（包括自體熒光和藥物熒光）進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)或成像來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同組織體的鑒別。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥52(1)利用近紅外吸收光譜測(cè)量代謝功能血紅蛋白的吸收光譜在600:800nm范圍氧化血紅蛋白的吸收小而呈鮮紅色，在800nm以上脫氧血紅蛋白的吸收小而呈暗紅色。測(cè)量二者不同的吸收率可以知道組織的氧化程度。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥53（2）利用熒光光譜確定病變部位如果在生物體組織上照射激光時(shí)病變部位能顯示出特有的熒光，那么就能準(zhǔn)確地確定病變部位。光敏物質(zhì)NPe6的吸收光譜與熒光光譜激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥54（3）光學(xué)相干層析技術(shù)opticalcoherencetomography，OCT光束聚焦照射到組織后，用干涉測(cè)量法可測(cè)量到組織體內(nèi)部不同深度微結(jié)構(gòu)所反射的光的時(shí)間延遲。當(dāng)光束掃過組織時(shí)，在不同的橫向位置反復(fù)進(jìn)行軸向測(cè)量，從而獲得圖像信息，組成二維后向散射或反射圖像，該圖像反映了組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)。OCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥554.激光掃描共焦顯微技術(shù)激光器發(fā)出的光經(jīng)針孔并經(jīng)透鏡聚焦成線度接近單個(gè)分子的極小斑點(diǎn)，照射樣品，以產(chǎn)生熒光。在樣品內(nèi)形成針孔的一次像，再經(jīng)物鏡和空間濾波器在檢測(cè)器上成二次像。可探測(cè)到焦點(diǎn)處的熒光，離開焦點(diǎn)的熒光因受空間濾波器的阻礙，不進(jìn)入探測(cè)器，從而可獲得樣品細(xì)胞一個(gè)層面的圖像。連續(xù)改變激光的焦點(diǎn)，就可以掃描一系列層面，獲得整個(gè)樣品細(xì)胞的三維圖像。激光掃描共焦顯微鏡的原理圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥5613.3.3激光醫(yī)療1.激光手術(shù)激光手術(shù)是利用高功率或中等功率的激光在與組織相互作用時(shí)所產(chǎn)生的熱量將組織氣化、凝固、燒灼或切開。當(dāng)激光束以一定的速度移動(dòng)時(shí)，就可以連續(xù)切開組織，同時(shí)激光的能量還能把組織中的血管燒結(jié)起來，起到止血的作用，所以激光束可稱為“激光手術(shù)刀”。半導(dǎo)體激光激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥572.激光醫(yī)療在眼科中的應(yīng)用(1)眼底治療眼球的構(gòu)造最佳波長的選擇與治療目的、病變部位、特別是組織的深度有關(guān)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥58(2)近視眼治療治療近視是利用燒蝕作用對(duì)角膜表面進(jìn)行精密加工，控制折射狀態(tài)的過程。激光角膜手術(shù)示意圖光源一般采用能得到高質(zhì)量燒蝕表面的193nmArF準(zhǔn)分子激光器

激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥593.皮膚科及整形外科領(lǐng)域中的應(yīng)用皮膚科及整形外科領(lǐng)域主要是利用激光的選擇性吸收原理。針對(duì)不同的色素性病變組織，只要選擇合適的激光能量、照射時(shí)間、功率密度等參數(shù)都可以使病變組織達(dá)到有效的治療效果。皮膚的斷面構(gòu)造激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥604.光動(dòng)力治療photodynamictherapy也稱為光化學(xué)治療，是利用光敏劑和光照射治療腫瘤的一種新方法。基本原理：在肌體內(nèi)注射某種光敏物質(zhì)，由于腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞與光敏物質(zhì)的親和力不同，使光敏物質(zhì)只集中在腫瘤組織中，經(jīng)過一段時(shí)間后腫瘤內(nèi)的含量相對(duì)較高。然后用高功率激光照射腫瘤區(qū)域，通過光化學(xué)作用殺死腫瘤細(xì)胞激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥61光敏物質(zhì)血卟咻(HpD)的吸收光譜激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥62被癌細(xì)胞吞食的HpD的作用激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥6313.13.4醫(yī)用激光光源醫(yī)用激光器及其應(yīng)用實(shí)例激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥64激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥6513.4激光在國防科技領(lǐng)域的應(yīng)用13.4.1激光測(cè)距激光測(cè)距與普通測(cè)距相比，具有測(cè)距精度高，測(cè)距儀體積小、重量輕，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。1.激光測(cè)距原理(1)脈沖激光脈沖測(cè)距法：測(cè)距精度大多為米量級(jí)，在軍事及工程測(cè)量中精度要求不高的場(chǎng)合使用。(2)相位測(cè)距法：通過測(cè)量連續(xù)激光的調(diào)制波在待測(cè)距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化，間接測(cè)量時(shí)間，達(dá)到測(cè)距目的。這種方法測(cè)量精度高，通常在毫米量級(jí)。(3)干涉測(cè)距法：通過測(cè)量激光光波本身的干涉條紋變化來測(cè)定距離，所以距離分辨率可達(dá)到半個(gè)激光波長，通常達(dá)到微米量級(jí)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥66脈沖激光測(cè)距原理：

目標(biāo)距離：激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥6713.4.2激光雷達(dá)1.激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)激光雷達(dá)在高精度和成像方面占有優(yōu)勢(shì)，其測(cè)距精度可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)，比微波雷達(dá)高近100倍；測(cè)角度精度，理論上比微波雷達(dá)高一億倍以上，現(xiàn)在已做到高1000~10000倍。激光雷達(dá)最適于遠(yuǎn)距離高分辨率成像。激光束很細(xì)不易受到地面反射波的影響，不存在“盲區(qū)”，因此特別適宜于對(duì)導(dǎo)彈初始階段的跟蹤測(cè)量;激光束能穿過核爆炸產(chǎn)生的電脈沖而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量;激光雷達(dá)的整個(gè)發(fā)射和接收系統(tǒng)比無線電雷達(dá)的天線輕巧，便于隱蔽和移動(dòng)。

激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥682.激光雷達(dá)原理激光雷達(dá)和激光測(cè)距的原理極為相似，所不同的是，還必須具有跟蹤目標(biāo)和測(cè)定目標(biāo)速度的功能，更先進(jìn)的還有目標(biāo)成像識(shí)別功能。目標(biāo)速度的測(cè)量，通常是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)。3.激光氣象雷達(dá)與激光成像雷達(dá)激光雷達(dá)是利用激光大氣傳輸中的不利因素（即受到大氣湍流的強(qiáng)烈散射），能很好地傳感這些異常氣象現(xiàn)象。只要激光脈沖重復(fù)頻率足夠高，激光束質(zhì)量較好，接收信噪比比較高時(shí)，均能通過機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像，這種雷達(dá)稱為掃描激光成像雷達(dá)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥6913.4.3激光制導(dǎo)所謂制導(dǎo)，是指控制和導(dǎo)引飛行器，使其按照選擇的基準(zhǔn)飛行路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的過程。激光制導(dǎo)是指以激光作為傳遞信息的工作物質(zhì)的制導(dǎo)。1.激光制導(dǎo)原理(1)半主動(dòng)制導(dǎo)。由地面部隊(duì)或飛機(jī)發(fā)射激光照射目標(biāo)，被制導(dǎo)的武器上裝有激光尋的器，接收目標(biāo)被照射后散射回來激光，從而自動(dòng)控制武器尋向目標(biāo)。(2)主動(dòng)制導(dǎo)。把激光目標(biāo)指示器和激光尋的器同時(shí)裝在武器上，目標(biāo)指示器不斷地向目標(biāo)發(fā)射激光，尋的器自動(dòng)接收目標(biāo)散射回來的激光，將武器尋向目標(biāo)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥702.激光制導(dǎo)導(dǎo)彈激光導(dǎo)彈的構(gòu)造(3)波束制導(dǎo)。目標(biāo)出現(xiàn)后，發(fā)射攻擊導(dǎo)彈，同時(shí)制導(dǎo)站不斷發(fā)射紅外激光束，裝在攻擊導(dǎo)彈尾部的4塊對(duì)稱的紅外接收器，不斷接收制導(dǎo)波束，使導(dǎo)彈沿著激光波束飛行，如有偏差，4塊接收器收到的信號(hào)大小不一，彈內(nèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)就糾偏，使導(dǎo)彈沿激光波束中心尋向目標(biāo)。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥7113.4.4激光陀螺激光陀螺可以精確地測(cè)定旋轉(zhuǎn)角速度，由于激光陀螺沒有活動(dòng)部件，具有壽命長、性能好、可靠性高以及不受環(huán)境影響等特點(diǎn)，目前已應(yīng)用于各種慣性導(dǎo)航、精密測(cè)量、姿態(tài)控制、定位等領(lǐng)域。激光陀螺儀的原理圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥7213.4.5激光武器1.激光武器的構(gòu)成與分類高能激光器用于產(chǎn)生高能激光束；精密瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)用來捕獲、跟蹤目標(biāo)，引導(dǎo)光束瞄準(zhǔn)射擊及判定毀傷效果；光束控制與發(fā)射系統(tǒng)則將激光器產(chǎn)生的高能激光束定向發(fā)射出去，并通過自適應(yīng)補(bǔ)償來矯正或消除大氣效應(yīng)對(duì)激光束的影響。激光武器按用途分為:戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器；按部署方式分為:天基激光武器、地基激光武器、機(jī)載激光武器、艦載激光武器和車載激光武器。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥732.激光致盲武器激光致盲武器的射擊對(duì)象是人眼以及光學(xué)和光電裝置等目標(biāo)。它一般由激光器、精密瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)、光束控制和發(fā)射系統(tǒng)組成。3.高能激光武器激光武器用于殺傷敵重武器裝備時(shí)，需要較高的能量，通常稱為高能激光武器或稱激光炮。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥7413.5激光在科學(xué)技術(shù)前沿中的應(yīng)用13.5.1激光光譜學(xué)激光在光譜學(xué)中的應(yīng)用，是由于激光的高強(qiáng)度和窄頻寬的性質(zhì)決定的，激光能夠有選擇地激發(fā)原子或分子到達(dá)特殊的能級(jí)，并進(jìn)一步被用來研究這些受激態(tài)其后的衰變。1.激光發(fā)射光譜利用激光束的能量把樣品蒸發(fā)，然后用電火花或者無電極高頻放電激發(fā)該蒸氣，即可獲得樣品的發(fā)射光譜。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥752.激光熒光光譜物質(zhì)在激光作用下發(fā)射熒光，用光譜儀測(cè)量該熒光波長和強(qiáng)度，從而分析樣品成分以及原子、分子有關(guān)參數(shù)。是比吸收光譜和發(fā)射光譜分析靈敏度更高的分析方法。激光熒光光譜技術(shù)可用于生物分子和細(xì)胞的研究。脈沖熒光光譜也可用于生物分子的動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)的研究激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥763.激光吸收光譜當(dāng)一束具有連續(xù)波長的光通過一種物質(zhì)時(shí)，光束中的某些成分便會(huì)有所減弱，當(dāng)經(jīng)過物質(zhì)而被吸收的光束由光譜儀展成光譜時(shí)，就得到該物質(zhì)的吸收光譜。幾乎所有物質(zhì)都有其獨(dú)特的吸收光譜，原子的吸收光譜所給出的有關(guān)能級(jí)結(jié)構(gòu)的知識(shí)同發(fā)射光譜所給出的是互為補(bǔ)充的。飽和吸收光譜法的原理圖激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥77用飽和吸收光譜法測(cè)出的氫譜線激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥784.激光散射光譜在散射光譜中，喇曼光譜是最為普遍的光譜技術(shù)。喇曼散射的強(qiáng)度極小，大約為瑞利散射的千分之一。喇曼頻率及強(qiáng)度、偏振等標(biāo)志著散射物質(zhì)的性質(zhì)，從這些資料可以導(dǎo)出物質(zhì)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成成分的知識(shí)，這就是喇曼光譜具有廣泛應(yīng)用的原因。例:

利用單純喇曼光譜法可以在醫(yī)學(xué)上用來測(cè)量人呼出氣體的成份及含量;預(yù)測(cè)眼睛發(fā)病前的白內(nèi)障;區(qū)分出健康人與病人的喇曼光譜的差別;研究有機(jī)和無機(jī)分子、離子、生物大分子活體組織；分析血液和尿液中微量有色物質(zhì)，從而獲得有關(guān)血紅素的種類、氧化狀態(tài)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)等方面的信息。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥7913.5.2激光核聚變利用激光照射核燃料使之發(fā)生核聚變反應(yīng)。是模擬核爆炸物理效應(yīng)的有力手段。激光核聚變用途：一是可為人類找到一種用不完的清潔能源；二是可以研制真正的“干凈”核武器；三是可以部分代替核試驗(yàn)。1.激光核聚變?cè)砝酶吖β始す馐饔糜谟呻㈦盎螂?氚制成的靶丸，使氘、氚核發(fā)生聚合，同時(shí)釋放出巨額核能量的技術(shù)。因?yàn)檎麄€(gè)聚變過程是在極短時(shí)間內(nèi)完成，氘、氚燃料丸來不及膨脹，因此它又稱慣性約束聚變。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥80(1)核聚變反應(yīng)受控核聚變反應(yīng)勞森條件:激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥81(2)激光核聚變過程受控激光核聚變過程A．激光照射：激光從各個(gè)方向同時(shí)照射D－T氣體燃料丸。B．燃料丸壓縮：燃料丸表面溫度升高并且產(chǎn)生高溫高密度的等離子體，它使燃料丸表面物質(zhì)不斷往外噴射，同時(shí)產(chǎn)生巨大反沖壓力，構(gòu)成向心聚爆沖擊波，使核燃料向中心急劇加速，燃料丸內(nèi)物質(zhì)被壓縮。C．點(diǎn)燃：燃料丸壓縮的結(jié)果導(dǎo)致中心區(qū)溫度升高，達(dá)到上億度時(shí)，發(fā)生核聚變?nèi)紵．核爆炸：核聚變過程產(chǎn)生的巨大能量在瞬間（微秒量級(jí)）向空間各個(gè)方向釋放。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥822.激光核聚變的應(yīng)用(1)提供清潔能源利用激光核聚變建造的聚變能電站由于聚變反應(yīng)本身不會(huì)產(chǎn)生放射性沾染，而誘發(fā)聚變反應(yīng)的又是不產(chǎn)生污染的激光，因此，聚變能是一種沒有污染的干凈能源。(2)發(fā)展“干凈”核武器采用激光作為點(diǎn)火源后，高能激光直接促使氘氚發(fā)生熱核聚變反應(yīng)，這樣，氫彈爆炸后，就不產(chǎn)生放射性裂變產(chǎn)物，所以，人們稱利用激光核聚變方法制造的氫彈為“干凈的氫彈”。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥833.激光核聚變發(fā)展現(xiàn)狀慣性約束核聚變的研究進(jìn)入了快點(diǎn)火機(jī)制研究階段。利用皮秒超短脈沖激光器實(shí)施激光壓縮燃料丸區(qū)的快點(diǎn)火，已經(jīng)成為受控核聚變的研究熱點(diǎn)。美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了拍瓦級(jí)（1拍瓦＝1015瓦）功率、千焦耳能量的亞皮秒超短脈沖激光輸出。日本和英國也已得到接近這一數(shù)量級(jí)的激光脈沖。激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥8413.5.3超短脈沖激光技術(shù)1.超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展過程激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥852.飛秒激光的應(yīng)用飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)于這些相互作用現(xiàn)象的觀察和對(duì)它們更好的理解，將對(duì)廣闊范圍的技術(shù)發(fā)展有巨大影響。200飛秒的時(shí)間內(nèi)，視紫紅質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的快速變化激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥8610.5.4激光冷卻與原子捕陷由于原子不停地?zé)徇\(yùn)動(dòng)，要想實(shí)現(xiàn)操縱、控制的目的，首先必須使原子“冷”下來，即降低其速度至極低，這樣才能方便地將原子控制在某個(gè)空間小區(qū)域中。20世紀(jì)80年代，借助于激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫（例如，10–10K）狀態(tài)，這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。1.激光冷卻原子的物理機(jī)制所有用激光去影響原子運(yùn)動(dòng)(冷卻、捕陷等)的過程，都基于原子對(duì)光子的吸收、再發(fā)射，或廣義地