激光與物質(zhì)相互作用第一講序論

1、激光與物質(zhì)相互作用第一講序論第1頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五序論二、激光與物質(zhì)相互作用的發(fā)展三、課程相關(guān)信息一、激光與物質(zhì)相互作用概述第2頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五一、激光與物質(zhì)相互作用概述激光熔覆系統(tǒng)與工藝第3頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五 平行的 單色的 相干的 高功率密度 非接觸 無磨損 高精度a) 激光激活介質(zhì) (氣體, 固體 或 半導(dǎo)體)b) 激勵源 (泵浦燈, 半導(dǎo)體 或 放電激勵)c) 光學(xué)諧振腔 (全反和部分反射鏡) 發(fā)散的 多色的 不相干的電燈泡激光束Light Amplification b

2、y Stimulated Emission of Radiation（LASER）輻射受激發(fā)射光放大（激光）c)c)b)a)產(chǎn)生特性優(yōu)勢 激光是一種能在空間上和時間高度集中的電磁波。第4頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五1.1 激光與物質(zhì)相互作用定義 激光束投射到物質(zhì)表面（或內(nèi)部）時，部分能量被反射，部分被吸收，部分被傳遞出去，光能以電子和原子的振動激發(fā)形式被吸收，從而發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移與傳遞，能量轉(zhuǎn)移與傳遞引起各種物理、化學(xué)和生物等效應(yīng)與過程，從而由此引出了很多新的應(yīng)用。 什么是激光與物質(zhì)相互作用？第5頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五1.2 激光與物

3、質(zhì)相互作用內(nèi)涵(1) 激光束（能量光電子）(a) 激光的特性(b) 激光的參數(shù)描述(c) 激光的選擇(2) 投射過程(a) 激光束的空間特性(b) 傳輸與聚焦方式第6頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五(3) 作用對象：物質(zhì)(a) 物質(zhì)類型：透明、不透明金屬、非金屬熔凝材料、等離子體、生物組織等(b) 物質(zhì)特性：光學(xué)特性：反射、透射、吸收等熱學(xué)特性：比熱容、熱傳導(dǎo)率、 熱擴散率等第7頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五(4) 能量轉(zhuǎn)移和傳遞過程(a) 轉(zhuǎn)移過程：光能轉(zhuǎn)化熱能光能直接作用在微觀粒子上(b) 傳遞過程：熱傳導(dǎo)、對流、傳質(zhì)第8頁，共51頁，20

4、22年，5月20日，2點24分，星期五(5) 神奇的效應(yīng)（a）物理效應(yīng)：升溫、相變、熔化、氣化激光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)(b) 化學(xué)效應(yīng)：(c) 生物效應(yīng)：光動力、光去除(d) 激光等離子體(e) 超強超快激光作用第9頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五(6) 產(chǎn)生的應(yīng)用（a）激光材料加工：熱處理、焊接、切割、打孔等沉積薄膜、納米材料(b) 激光制備新材料：(d) 激光軍事應(yīng)用：高能武器、核聚變等(e) 激光生物醫(yī)學(xué)：美容、手術(shù)、診斷、生物學(xué)等(f) 激光光譜、激光探測等微納制造、探索微觀結(jié)構(gòu)(c) 超強超快激光：第10頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五物理化學(xué)

5、生命科學(xué)技術(shù)激光微量元素檢測光譜相干控制激光冷卻激光催化飛秒化學(xué)標(biāo)準確定光學(xué)信號處理激光視力測試激光美容激光手術(shù)材料加工通訊技術(shù)時間同步牙科應(yīng)用激光與物質(zhì)相互作用是激光應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。1.2 為什么學(xué)習(xí)激光與物質(zhì)相互作用(a) 激光應(yīng)用基礎(chǔ)第11頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五(b)-激光技術(shù)的發(fā)展發(fā)光前發(fā)光后1. 受激輻射2. 調(diào)Q、鎖模、倍頻等技術(shù)的發(fā)展都是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果。 激光與物質(zhì)相互作用的成果可以促進激光器件技術(shù)的發(fā)展。第12頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五(c)課程體系的延續(xù)幾何光學(xué)物理光學(xué)激光原理與技術(shù)激光器件與設(shè)計激光與物

6、質(zhì)相互作用激光工程試驗激光光譜第13頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五(d)激光及激光應(yīng)用與諾貝爾獎 1964：量子電子學(xué)、微波量子振蕩器、激光美國的湯斯、蘇聯(lián)的巴索夫和普洛霍洛夫美籍荷蘭人的布洛姆伯根、美國的肖洛,瑞典的西格班1981：激光光譜學(xué)與 電子光譜學(xué)第14頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五1997：激光冷卻、 捕獲原子美籍華人朱棣文、美國的菲利普斯、法國的塔羅基1999：化學(xué)反應(yīng)飛秒光譜學(xué)仲冬平，我校85屆激光物理專業(yè)畢業(yè)生，2009年度華人物理學(xué)會“杰出青年研究獎”。 (d)激光及激光應(yīng)用與諾貝爾獎（2） 第15頁，共51頁，2022年

7、，5月20日，2點24分，星期五1.3 課程研究對象 重點關(guān)注：激光與物質(zhì)相互作用過程中所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換以及所引起的各種力學(xué)、物理、化學(xué)和生物效應(yīng)等基本物理過程。超快超強激光與物質(zhì)生物組織等離子體物質(zhì)凝聚相到氣相激光第16頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五二、激光與物質(zhì)相互作用的發(fā)展 高強度激光束在加熱金屬材料的過程中，會產(chǎn)生溫升，相變，熔化，汽化，熱壓縮激波，蒸汽噴射，等離子體膨脹，波沖擊等復(fù)雜的物理現(xiàn)象，應(yīng)用不同的物理現(xiàn)象可是實現(xiàn)不同的激光加工應(yīng)用。第17頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.1 激光升溫與相變應(yīng)用（1）軋輥激光表面相變硬化鋼軌激

8、光表面強化 激光照射材料材料反射與吸收溫度快速升高奧氏體轉(zhuǎn)變快速冷卻馬氏體轉(zhuǎn)變第18頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.1 激光升溫與相變應(yīng)用（2）硅退火工藝原理圖大尺寸多晶太陽電池板裝置 準分子激光退火及再結(jié)晶后形成的高度有序的多結(jié)晶硅層 太陽能應(yīng)用第19頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.2 激光熔化a. 熱導(dǎo)焊基本原理（低功率密度） b.激光深熔焊原理（高功率密度） 第20頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五激光熔化焊接應(yīng)用汽車安全氣囊 金剛石鋸片金剛石鉆頭 第21頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五

9、2.3 激光氣化及應(yīng)用（1）激光照射材料材料反射與吸收溫度快速升高材料熔化氣化激光燒蝕 材料去除第22頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.3 激光氣化應(yīng)用（2）Cutting directionAssistant gasnozzleSpace between nozzle & workpieceMelt materialCutting slotGas flow第23頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.4 激光化學(xué)與立體光造型 激光化學(xué)：激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，比如利用不同波長的紫外激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激

10、光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上， 觸發(fā)某種預(yù)期的反應(yīng)。 激光制藥是激光化學(xué)第一個得益的領(lǐng)域。應(yīng)用激光化學(xué)技術(shù)，不僅能加速藥物的合成，而又可把不需要的副產(chǎn)品剔在一旁，使得某些藥物變得更安全可靠。第24頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五小零件飛秒激光誘導(dǎo)令石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu) 物理評論聚焦2008年22卷8月1日 紫外光固化 快速成型2010，獲得國家科技進步一等獎第25頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.5 激光作用等離子體第26頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24

11、分，星期五激光等離子體模擬particle electron densityfluid temperaturemagnetic fieldelectric field第27頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五激光等離子體及應(yīng)用1-沉積薄膜脈沖激光沉積光電功能薄膜材料第28頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五激光等離子體及應(yīng)用2-沖擊強化能大大提高材料的耐磨性、疲勞壽命和耐腐蝕性；能對鈦、鋁等合金進行有效強化第29頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五激光等離子體及應(yīng)用3激光推進高效率、低成本發(fā)射微納衛(wèi)星；衛(wèi)星軌道維持及變軌第30頁，共5

12、1頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五激光等離子體應(yīng)用激光推進 運行中的光船。所見亮光是在飛行器邊緣下方燃燒的空氣。 當(dāng)激光器發(fā)射脈沖時，會不斷加熱空氣直至燃燒?？諝馊紵龝a(chǎn)生閃光 2010年新一期英國自然光子學(xué)（Nature Photonics）雜志刊登報告說，瑞士等國研究人員向空氣中發(fā)射一種高能量短脈沖激光，它會使照射路徑上的氮氣分子和氧氣分子離子化。這些離子化的空氣分子就成為天然的凝結(jié)核，促使水蒸氣凝結(jié)為水滴。 第31頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五激光生物醫(yī)學(xué)臨床治療醫(yī)學(xué)測量和診斷顯微外科手術(shù) 激光手術(shù)刀、治療視網(wǎng)膜裂孔、眼底病變、矯正屈光不正，清除血

13、管堵塞物，激光結(jié)合光敏藥物治療惡性腫瘤，激光美容等。 激光多普勒流速計可以用非接觸地法測量血流速度；激光流式細胞計技術(shù)能對大量細胞的多項指標(biāo)進行快速測定；激光光譜分析法大大提高了分辨率、靈敏度；激光全息、激光透照等有獨特的檢查效果。 激光聚焦照射并摧毀活細胞體內(nèi)的某個區(qū)域；激光誘導(dǎo)細胞融合；激光裁剪DNA生物大分子等。2.6 激光與生物醫(yī)學(xué)第32頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五激光與生物醫(yī)學(xué)激光美容激光矯正近視激光手術(shù)第33頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.7 超快超強激光特性 超快超強激光主要以飛秒激光的研究與應(yīng)用為主，作為一種獨特的科學(xué)研究

14、的工具和手段，飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個方面： 超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用 超強領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用 超微細加工中的應(yīng)用 飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域中所起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光尤如一個極為精細的時鐘和一架超高速的“相機”可以將自然界中特別是原子、分子水平上的一些快速過程分析、記錄下來。第34頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五 飛秒激光在超強領(lǐng)域中的應(yīng)用(又稱為強場物理)歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強可以非常之高。這樣的強光所對應(yīng)的電磁場會遠大于原子中的庫侖場，從而很容易地將原子中的電子統(tǒng)統(tǒng)剝落出去。因此，飛秒激光是研究原子，分子體系高階非線性、多光子過程

15、的重要工具。與飛秒激光相應(yīng)的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飛秒強光可以用來產(chǎn)生相干X射線和其它極短波長的光，可以用于受控核聚變的研究。第35頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五飛秒激光用于超微細加工 超短、超強和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點。 飛秒激光脈寬可短至4 fs(1 fs=10-15 s)以內(nèi)，峰值功率高達拍瓦量級(1 Pw=1015w)聚焦功率密度達到1020-1022 Wcm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區(qū)域，實現(xiàn)對玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工無法比擬的優(yōu)勢：耗能低，無熱熔區(qū)，冷加

16、工；可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細胞組織，甚至是細胞內(nèi)的線粒體；高精度、高質(zhì)量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；對環(huán)境沒有特殊要求，無污染。 第36頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五超快超強激光及應(yīng)用1999年諾貝爾化學(xué)獎授予埃及和美國雙重國籍的物理化學(xué)和化學(xué)物理學(xué)家Ahmed H.Zewail使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程。超高速探測飛秒化學(xué)第37頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五高次諧波以及阿秒脈沖的產(chǎn)生第38頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五超快激光精密微制造第39頁，共

17、51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五飛秒激光微加工MEMS新技術(shù)第40頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五2.8 高功率脈沖太赫茲光源 解決太赫茲技術(shù)應(yīng)用瓶頸：高功率光源頻率：0.1THz 10 THz（ 0.03 mm 3 mm)第41頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五1985年貝爾實驗室的朱隸文小組用三對方向相反的激光束照射鈉原子，6束激光交匯處的鈉原子團被冷卻，溫度達到240k。 1997年朱隸文，塔羅基，和菲利普斯因此而獲諾貝爾物理獎xyz光學(xué)粘團原子吸收光子，動量減小2.9 激光冷卻與原子捕獲第42頁，共51頁，2022年，5月

18、20日，2點24分，星期五三、課程相關(guān)信息從事基礎(chǔ)理論研究；解決應(yīng)用問題；通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握激光與物質(zhì)相互作用過程中的物理基礎(chǔ)，了解其相關(guān)應(yīng)用，能解釋和解決激光應(yīng)用過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象和問題，為從事激光技術(shù)、激光加工、激光合成新材料、激光軍事應(yīng)用與激光生物醫(yī)學(xué)等研究與工作打下良好的基礎(chǔ)。3.1 課程目的第43頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五3.2 課程特色 交叉性強：與材料、物理、生物等學(xué)科交叉，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思考能力；時代性強：結(jié)合當(dāng)前學(xué)科發(fā)展動態(tài)，將最新的科研成果融入教學(xué)中來；啟發(fā)式教育：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；信息量大：擴大學(xué)生的知識面；通俗易懂：配合采用圖片、

19、動畫、視頻等多媒體技術(shù)來講解。第44頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五3.3 基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時安排（1）第一章 緒論（2學(xué)時）第二章 激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)（4學(xué)時） 2.1 材料的吸收 2.2 激光熱源模型及溫度場第三章 激光輻照下的熱效應(yīng)及應(yīng)用（8學(xué)時） 3.1 激光相變及應(yīng)用 3.2 激光熔化及凝固 3.3 激光氣化及應(yīng)用 3.4光化學(xué)與熱化學(xué)作用第45頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五3.3 基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時安排（2）第四章 光致等離子體及應(yīng)用（8學(xué)時） 4.1 等離子體的特性及產(chǎn)生 4.2 激光與等離子體中相互作用 4.3 等離子體的診

20、斷技術(shù) 4.4 激光等離子體力學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用第五章 超快超強激光與物質(zhì)相互作用及應(yīng)用（4學(xué)時） 5.1 超快超強激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ) 5.2 超快超強激光與物質(zhì)相互作用應(yīng)用第46頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五3.3 基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時安排（3）第六章 激光與生物材料相互作用（4學(xué)時） 6.1 生物組織的光學(xué)性質(zhì) 6.2 激光與生物組織相互作用機理 6.3 激光醫(yī)學(xué)應(yīng)用第七章 激光與物質(zhì)相互作用的新理論、新方法及新應(yīng)用（2學(xué)時） 7.1 激光制冷 7.2 激光約束核聚焦 第47頁，共51頁，2022年，5月20日，2點24分，星期五3.4 本課程的相關(guān)信息課程性質(zhì)：激光科學(xué)與工程方向限選課學(xué)時與學(xué)分：32/2;先修課程：大學(xué)物理