激光原理課件第十章

10.1.1受控核聚變1.發(fā)展聚變能應(yīng)用是替代化石類燃料與裂變能，推動(dòng)人類文明發(fā)展的理想途徑。

2.聚變時(shí)，參加反應(yīng)的原子核都帶正電，彼此之間互相排斥。粒子必須具有極高的動(dòng)能，才能克服這種排斥作用，彼此接近到足以發(fā)生反應(yīng)的程度。10.1.2磁力約束和慣性約束控制方法1.利用核聚變提取能量有兩個(gè)條件：一是保證充分的反應(yīng)時(shí)間；二是約束高溫等離子體。

2.目前比較實(shí)用的能達(dá)到勞森條件的裝置有兩大類。一是利用一定的強(qiáng)磁場(chǎng)將高溫等離子體進(jìn)行約束和壓縮，使之達(dá)到勞森判據(jù)，即所謂的“磁力約束方法”（magneticconfinementfusion,MCF）。二是慣性約束(inertialconfinementfusion,ICF)法，利用高功率的激光束或粒子束均勻照射用聚變材料制成的微型靶丸，在極短的時(shí)間內(nèi)迅速加熱壓縮聚變材料使之達(dá)到極高的溫度和密度，在其分散遠(yuǎn)離以前達(dá)到聚變反應(yīng)條件，引起核聚變反應(yīng)條件。

3.自20世紀(jì)60年代初梅曼成功地研制出激光器后不久，在美國及前蘇聯(lián)就開始了激光核聚變——慣性核聚變的研究。

10.1.3激光壓縮點(diǎn)燃核聚變的原理1.壓縮點(diǎn)燃的方式有兩種：一種是直接照射方式——多束激光以球?qū)ΨQ方式直接照射在靶丸表面；一種是間接照射方式——將靶丸放入由金等重金屬制成的空腔中，通過激光照射空腔內(nèi)表面產(chǎn)生的X射線再照射靶丸。2.圖10-2表示了從壓縮點(diǎn)燃到核聚變點(diǎn)火、燃燒的全過程。圖10-2

壓縮點(diǎn)燃到核聚變點(diǎn)火燃燒的過程溫度也就降低了。由于這種減速實(shí)現(xiàn)時(shí)必須考慮入射光子對(duì)運(yùn)動(dòng)原子的多普勒效應(yīng)，所以這種減速就叫多普勒冷卻。

1.20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（如，10–10K）狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子的操縱。這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。2.激光冷卻的基本思想是：運(yùn)動(dòng)著的原子在共振吸收迎面射來的光子（圖10-3）后，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動(dòng)量就減小，速度也就減小了。速度減小的值為

10.2激光冷卻3.由于原子速度可正可負(fù)，就用兩束方向相反的共振激光束照射原子（圖10-4）。這時(shí)原子將優(yōu)先吸收迎面射來的光子而達(dá)到多普勒冷卻的結(jié)果。圖10-3

原子吸收光子動(dòng)量減小圖10-4

方向相反的兩束激光照射原子4.實(shí)際上，原子的運(yùn)動(dòng)是三維的。1985年貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣文小組就用三對(duì)方向相反的激光束分別沿x，y，z三個(gè)方向照射鈉原子（圖10-5），在6束激光交匯處的鈉原子團(tuán)就被冷卻下來，溫度達(dá)到了240oK。

10.2激光冷卻5.朱棣文的三維激光冷卻實(shí)驗(yàn)裝置中，在三束激光交匯處，由于原子不斷吸收和隨機(jī)發(fā)射光子，這樣發(fā)射的光子又可能被鄰近的其他原子吸收。一種捕獲原子使之集聚的方法是利用“原子阱”，這是利用電磁場(chǎng)形成的一種“勢(shì)能坑”，原子可以被收集在坑內(nèi)存起來。一種原子阱叫“磁阱”，它利用兩個(gè)平行的電流方向相反的線圈構(gòu)成（圖10-6）。圖10-5

三維激光冷卻示意圖圖10-6

磁阱此力就成為作用在微粒上的力。如圖10-7所示，僅考慮由折射引起的力。1.光捕獲法是利用光的力學(xué)作用，對(duì)微米以下的微小物體，用激光束夾住并使其移動(dòng)的技術(shù)

2.光子具有一定的動(dòng)量，當(dāng)光入射到微粒上時(shí)，光動(dòng)量將隨著與微粒的相互作用中所產(chǎn)生的反射、折射、吸收等過程而變化。而力又由動(dòng)量的變化所產(chǎn)生，如果在Δt時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的變化量為ΔP，那么其產(chǎn)生的力F可由下式表示：

10.3.1光捕獲圖10-7

由折射引起的光的動(dòng)量變化及微粒球收到作用力的幾何光學(xué)解釋5.上述的討論中，光所產(chǎn)生的只是使微粒球平移的力，而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要給微粒一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩時(shí)可利用光所具有的角動(dòng)量的方法。3.由上面的分析可知，光所產(chǎn)生的力總是使微粒球向著光束焦點(diǎn)處趨近的。實(shí)際上在滿足一定的條件下，不僅這兩條光線，在光束中的其它光線對(duì)也有同樣的能力，而且在同時(shí)考慮折射光和反射光的情況下也可以得到同樣的結(jié)論。

4.微粒球所受到的俘獲力還與微粒半徑、光束的空間分布、光波長等因素有關(guān)。

10.3.1光捕獲1.單一有機(jī)微粒的制作光壓不單提供微粒操縱手段，從化學(xué)觀點(diǎn)看它還能形成聚合結(jié)構(gòu)。激光的聚光斑點(diǎn)直徑是波長級(jí)的，因此10nm級(jí)的超微粒被吸引到焦點(diǎn)上形成單一微粒。圖10-8模式方法表現(xiàn)其狀態(tài)。10.3.2微粒操縱圖10-8用光鑷子聚合高分子形成單一微粒過程2.細(xì)胞操縱與細(xì)胞融合圖10-9為一種光攝與微分干涉顯微鏡的原理圖。10.3.2微粒操縱圖10-9原理圖一種裝有微分干涉顯微鏡觀察系統(tǒng)的光攝激光化學(xué)過程中最重要的反應(yīng)是切斷分子（分子鍵斷開）。如圖10-10所示，蒸發(fā)之前用激光照射ABC結(jié)合起來的分子,分子鍵斷裂，生成AB和C兩個(gè)碎片，這兩個(gè)碎片分別被蒸發(fā)到基片上再結(jié)合成薄膜，整個(gè)過程ABC分子在

AB和C之間的分子鍵斷裂就是激光誘導(dǎo)發(fā)生的化學(xué)過程。圖10-10激光化學(xué)過程舉例10.4.1激光波長和離解能的關(guān)系

圖10-11激光波長和離解能示意圖如果每一個(gè)分子的離解是由一個(gè)光子照射引起的，每1mol的分子所需要的離解能就等于1mol光子的能量，因而1mol分子的離解能可用下式來表示激光波長和離解能的關(guān)系示意圖如圖10-11所示。10.4.2激光切斷分子

圖10-12激光波長和離解能示意圖1.直接離解圖10-12(a)表示了分子AB直接解離成A+B的情況。

2.前期離解圖10-12(b)所示的是SiH2的生成實(shí)例。

3.熱分子機(jī)理離解與前期分離類似。像甲苯、C60等具有很高分子量的不飽和碳化物的光解離就屬于這種情況。如圖10-12(c)所示

4.紅外多光子離解

利用紅外光依次提高振動(dòng)能級(jí)，可以使振動(dòng)能量最終超過解離能。如圖10-12(d)所示

10.4.3液體、固體的光化學(xué)反應(yīng)

圖10-13回籠效應(yīng)光子的能量一部分用于光解離，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷６坏┊a(chǎn)生解離周圍的溶質(zhì)爭(zhēng)相返回形成再復(fù)合，稱為“回籠”效應(yīng)，這也是溶液等物質(zhì)的量子吸收量變小的另一個(gè)原因。如圖10-13所示。

10.5.1拉曼光譜1.拉曼光譜的基本原理

拉曼光譜的基本原理基于拉曼效應(yīng)，即光通過介質(zhì)后發(fā)生散射并發(fā)生頻率漂移。

拉曼效應(yīng)的量子解釋：當(dāng)能量為的光子作用于物體的分子時(shí)，可以產(chǎn)生兩類碰撞，一類為“彈性碰撞”，能量不變，散射頻率與入射頻率相同，這屬于瑞利散射；另一類為“非彈性碰撞”，在這種碰撞過程中，入射光子可能把一部分能量轉(zhuǎn)移給分子。此時(shí)，散射后的光子的頻率變小，即：即所謂譜線斯托克斯位移；另外，也有可能從分子獲得一部分能量。此時(shí)，散射后的頻率變大，即：

此式表征譜線反斯托克位移。式中ΔE代表分子內(nèi)部二個(gè)量子化能級(jí)之差，所以通過測(cè)定拉曼散射光譜則可以得知分子能級(jí)結(jié)構(gòu)，從而識(shí)別分子的種類。

10.5.1拉曼光譜2.各種類型的拉曼效應(yīng)（1）共振拉曼效應(yīng)

（2）幾種非線性拉曼效應(yīng)

反拉曼效應(yīng)：也叫拉曼吸收。它的過程是當(dāng)一分子體系被頻率為ν的單色激光及一連續(xù)光束(包括ν的反斯托克線的頻段)照射時(shí)，在ν十Δν(Δν＞0)處，連續(xù)光束被分子體系所吸收，在連續(xù)譜帶上出現(xiàn)清晰的吸收銳線。受激拉曼效應(yīng)：當(dāng)入射到分子體系的激光束的光強(qiáng)或功率密度超過一定水平(閾值)時(shí)，散射光的強(qiáng)度突然大幅度地驟增(可達(dá)到與入射激光束光強(qiáng)相比的程度)；同時(shí)，散射光束的空間發(fā)射角明顯變小，散射光譜的寬度明顯變窄，具有激光發(fā)射的一切特點(diǎn)。超拉曼效應(yīng)：又稱高次拉曼效應(yīng)。它的產(chǎn)生過程及特點(diǎn)是，當(dāng)入射光足夠強(qiáng)而還不足以出現(xiàn)受激拉曼效應(yīng)時(shí)，觀察到2νo＋Δν、甚至3νo＋Δν(Δν為拉曼頻移)的散射，散射光很弱。（3）相干拉曼光譜3.激光拉曼光譜的應(yīng)用10.5.2空間高分辨率的激光顯微光譜1.激光顯微光譜分析實(shí)驗(yàn)裝置主要由激光器、顯微光學(xué)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、攝譜儀或光量計(jì)四部分組成。如圖10-14所示

圖10-14激光顯微光譜分析實(shí)驗(yàn)裝置

10.5.2空間高分辨率的激光顯微光譜2.采用釹玻璃激光器作光源，其λ＝1.06μm，有效直徑一般為6mm，則α≈2×10－4弧度。但是，實(shí)際上有偏離軸向的振蕩模式，因而觀察到的α值比計(jì)算值大，一般為10－3弧度。這種激光束被焦距為f的顯微物鏡聚焦于樣品表面，其光斑直徑(見圖10-15)為

圖10-15激光在樣品表面的光斑

10.5.3頻率高分辨的雙光子光譜1.由于原子（分子或離子）的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，造成了譜線頻率的位移(相對(duì)于靜止的粒子)：

如果所有原子都處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么譜線的多普勒增寬就可以消除，所有能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)都可以分辨。

2.運(yùn)用相反光束的雙光子吸收法，可以消去多普勒增寬。若從正向光束吸收光子的頻率為

從反向光束中吸收的光子的頻率則為：同時(shí)吸收這二個(gè)光子而產(chǎn)生的量子躍遷的頻率為：它與原子的熱運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，所以沒有多普勒增寬發(fā)生10.5.4時(shí)間高分辨率的激光閃光光譜圖10-16為用來測(cè)量有機(jī)分子或生物分子熒光光譜及壽命的實(shí)驗(yàn)裝置。鎖模釹玻璃激光器發(fā)出微微秒的脈沖激光，由分束器把光分成兩路。一路經(jīng)ADP晶體倍頻后，由透鏡聚焦射入樣品室以使樣品分子受到激勵(lì)。另一路首先經(jīng)透鏡在水池內(nèi)