2011激光与物质相互作用第一讲(序论)资料

1、激光与物质相互作用,秦应雄 博士 副教授 电话：02787541774（办公室）Email：,大学本科课程-2011,Laser- Matter Interaction,朱海红 博士 教授 电话：02787544774（办公室）Email：,序论,一、激光与物质相互作用概述,激光熔覆系统与工艺,平行的 单色的 相干的,高功率密度 非接触 无磨损 高精度,a) 激光激活介质 (气体, 固体 或 半导体) b) 激励源 (泵浦灯, 半导体 或 放电激励) c) 光学谐振腔 (全反和部分反射镜),发散的 多色的 不相干的,电灯泡,激光束,Light

2、 Amplification by Stimulated Emission of Radiation（LASER）辐射受激发射光放大（激光）,c),c),b),a),产生,特性,优势,激光是一种能在空间上和时间高度集中的电磁波。,1.1 激光与物质相互作用定义,激光束投射到物质表面（或内部）时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，从而发生能量的转移与传递，能量转移与传递引起各种物理、化学和生物等效应与过程，从而由此引出了很多新的应用。,什么是激光与物质相互作用？,1.2 激光与物质相互作用内涵,(1) 激光束（能量光电子）,(a) 激光的特性,(b

3、) 激光的参数描述,(c) 激光的选择,(2) 投射过程,(a) 激光束的空间特性,(b) 传输与聚焦方式,(3) 作用对象：物质,(a) 物质类型：,透明、不透明,金属、非金属,熔凝材料、等离子体、生物组织等,(b) 物质特性：,光学特性：反射、透射、吸收等,热学特性：比热容、热传导率、 热扩散率等,(4) 能量转移和传递过程,(a) 转移过程：,光能转化热能,光能直接作用在微观粒子上,(b) 传递过程：,热传导、对流、传质,(5) 神奇的效应,（a）物理效应：,升温、相变、熔化、气化,激光诱导化学反应,(b) 化学效应：,(c) 生物效应：,光动力、光去除,(d) 激光等离子体,(e) 超

4、强超快激光作用,(6) 产生的应用,（a）激光材料加工：,热处理、焊接、切割、打孔等,沉积薄膜、纳米材料,(b) 激光制备新材料：,(d) 激光军事应用：,高能武器、核聚变等,(e) 激光生物医学：,美容、手术、诊断、生物学等,(f) 激光光谱、激光探测等,微纳制造、探索微观结构,(c) 超强超快激光：,激光与物质相互作用是激光应用的重要基础。,1.2 为什么学习激光与物质相互作用,(a) 激光应用基础,(b)-激光技术的发展,1. 受激辐射,2. 调Q、锁模、倍频等技术的发展都是光与物质相互作用的结果。,激光与物质相互作用的成果可以促进激光器件技术的发展。,(c)课程体系的延续,几何 光学,

5、物理 光学,激光原理 与技术,激光器件 与设计,激光与物质 相互作用,激光工程 试验,激光光谱,(d)激光及激光应用与诺贝尔奖,1964：量子电子学、微波量子振荡器、激光,美国的汤斯、苏联的巴索夫和普洛霍洛夫,美籍荷兰人的布洛姆伯根、美国的肖洛,瑞典的西格班,1981：激光光谱学与 电子光谱学,1997：激光冷却、 捕获原子,美籍华人朱棣文、美国的菲利普斯、法国的塔罗基,1999：化学反应飞秒光谱学,仲冬平，我校85届激光物理专业毕业生，2009年度华人物理学会“杰出青年研究奖”。,(d)激光及激光应用与诺贝尔奖（2）,1.3 课程研究对象,重点关注：激光与物质相互作用过程中所发生的能量转换以

6、及所引起的各种力学、物理、化学和生物效应等基本物理过程。,二、激光与物质相互作用的发展,高强度激光束在加热金属材料的过程中，会产生温升，相变，熔化，汽化，热压缩激波，蒸汽喷射，等离子体膨胀，波冲击等复杂的物理现象，应用不同的物理现象可是实现不同的激光加工应用。,2.1 激光升温与相变应用（1）,轧辊激光表面相变硬化,钢轨激光表面强化,2.1 激光升温与相变应用（2）,硅退火工艺原理图,大尺寸多晶太阳电池板装置,准分子激光退火及再结晶后形成的高度有序的多结晶硅层,太阳能应用,2.2 激光熔化,a. 热导焊基本原理（低功率密度）,b.激光深熔焊原理（高功率密度）,激光熔化焊接应用,汽车安全气囊,金

7、刚石锯片,金刚石钻头,2.3 激光气化及应用（1）,激光照射材料,材料反射与吸收,温度快速升高,材料熔化气化,激光烧蚀,材料去除,2.3 激光气化应用（2）,2.4 激光化学与立体光造型,激光化学：激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。 激光制药是激光化学第一个得益的领域。应用激光化学技术，不仅能加速药物的合成，而又可把不需要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得更安全可靠。,飞秒激光诱导令石墨转

8、变为金刚石结构,物理评论聚焦2008年22卷8月1日,紫外光固化 快速成型 2010，获得国家科技进步一等奖,2.5 激光作用等离子体,激光等离子体模拟,particle electron density,fluid temperature,magnetic field,electric field,激光等离子体及应用1-沉积薄膜,脉冲激光沉积光电功能薄膜材料,激光等离子体及应用2-冲击强化,能大大提高材料的耐磨性、疲劳寿命和耐腐蚀性； 能对钛、铝等合金进行有效强化,激光等离子体及应用3激光推进,高效率、低成本发射微纳卫星； 卫星轨道维持及变轨,激光等离子体应用激光推进,运行中的光船。所见亮光

9、是在飞行器边缘下方燃烧的空气。,当激光器发射脉冲时，会不断加热空气直至燃烧。空气燃烧会产生闪光,2010年新一期英国自然光子学（Nature Photonics）杂志刊登报告说，瑞士等国研究人员向空气中发射一种高能量短脉冲激光，它会使照射路径上的氮气分子和氧气分子离子化。这些离子化的空气分子就成为天然的凝结核，促使水蒸气凝结为水滴。,2.6 激光与生物医学,激光与生物医学,激光美容,激光矫正近视,激光手术,2.7 超快超强激光特性,超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面：,超快领域内的应用 超强领域内的应用 超微细加

10、工中的应用,飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。,飞秒激光在超强领域中的应用(又称为强场物理)归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光子过程的重要工具。与飞秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以用于受控核聚变的研究。,飞秒激光用于超微细加

11、工,超短、超强和高聚焦能力是飞秒激光的3大特点。 飞秒激光脉宽可短至4 fs(1 fs=10-15 s)以内，峰值功率高达拍瓦量级(1 Pw=1015w)聚焦功率密度达到1020-1022 Wcm2。飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光加工无法比拟的优势：耗能低，无热熔区，冷加工；可加工的材料广泛：从金属到非金属再到生物细胞组织，甚至是细胞内的线粒体；高精度、高质量、高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；对环境没有特殊要求，无污染。,超快超强激光及应用,1999年诺贝尔化学奖授予埃及

12、和美国双重国籍的物理化学和化学物理学家Ahmed H.Zewail,使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。,超高速探测飞秒化学,高次谐波以及阿秒脉冲的产生,超快激光精密微制造,飞秒激光微加工 MEMS新技术,2.8 高功率脉冲太赫兹光源,解决太赫兹技术应用瓶颈：高功率光源,频率：0.1THz 10 THz（ 0.03 mm 3 mm),1985年贝尔实验室的朱隶文小组用三对方向相反的激光束照射钠原子，6束激光交汇处的钠原子团被冷却，温度达到240k。 1997年朱隶文，塔罗基，和菲利普斯因此而获诺贝尔物理奖,原子吸收光子，动量减小,2.9 激光冷却与原子捕获,三、课程相关信息

13、,从事基础理论研究； 解决应用问题； 通过本课程的学习，使学生掌握激光与物质相互作用过程中的物理基础，了解其相关应用，能解释和解决激光应用过程中产生的现象和问题，为从事激光技术、激光加工、激光合成新材料、激光军事应用与激光生物医学等研究与工作打下良好的基础。,3.1 课程目的,3.2 课程特色,交叉性强：与材料、物理、生物等学科交叉，培养学生的综合思考能力； 时代性强：结合当前学科发展动态，将最新的科研成果融入教学中来； 启发式教育：培养学生的创新能力； 信息量大：扩大学生的知识面； 通俗易懂：配合采用图片、动画、视频等多媒体技术来讲解。,3.3 基本教学内容与学时安排（1）,第一章 绪论（2

14、学时） 第二章 激光与物质相互作用基础（4学时） 2.1 材料的吸收 2.2 激光热源模型及温度场 第三章 激光辐照下的热效应及应用（8学时） 3.1 激光相变及应用 3.2 激光熔化及凝固 3.3 激光气化及应用 3.4光化学与热化学作用,3.3 基本教学内容与学时安排（2）,第四章 光致等离子体及应用（8学时） 4.1 等离子体的特性及产生 4.2 激光与等离子体中相互作用 4.3 等离子体的诊断技术 4.4 激光等离子体力学效应及应用 第五章 超快超强激光与物质相互作用及应用（4学时） 5.1 超快超强激光与物质相互作用基础 5.2 超快超强激光与物质相互作用应用,3.3 基本教学内容与

15、学时安排（3）,第六章 激光与生物材料相互作用（4学时） 6.1 生物组织的光学性质 6.2 激光与生物组织相互作用机理 6.3 激光医学应用 第七章 激光与物质相互作用的新理论、新方法及新应用（2学时） 7.1 激光制冷 7.2 激光约束核聚焦,3.4 本课程的相关信息,课程性质：激光科学与工程方向限选课学时与学分：32/2; 先修课程：大学物理、激光原理与技术； 参考教材： 1.郑启光等著，激光与材料相互作用，华中理工大学出版社，1996 2.John F.Ready，LIA handbook of laser material processing,laser institute of America,2001 3. Reinhart Poprawe(德)著，张东平译，激光制造工艺，基础、展望和创新应用实例，清华大学出版社，2002 4. Shalom Eliezer，The Interaction of High-Power Lasers with Plasmas，Institute of Physics Publishing Bristol and Ph