激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論課件

激光與物質(zhì)相互作用秦應(yīng)雄博士副教授電話：027－（辦公室）

Email：大學(xué)本科課程-2011Laser-MatterInteraction朱海紅博士教授電話：027－（辦公室）

Email：激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論序論二、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)相互作用概述激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論一、激光與物質(zhì)相互作用概述激光熔覆系統(tǒng)與工藝激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論平行的單色的相干的高功率密度非接觸無(wú)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(lì)源

(泵浦燈,半導(dǎo)體或放電激勵(lì))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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（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(shì)激光是一種能在空間上和時(shí)間高度集中的電磁波。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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(shí)，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(dòng)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(guò)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？激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論1.2激光與物質(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(guò)程(a)激光束的空間特性(b)傳輸與聚焦方式激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論(3)作用對(duì)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(kuò)散率等激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論(4)能量轉(zhuǎn)移和傳遞過(guò)程(a)轉(zhuǎn)移過(guò)程：光能轉(zhuǎn)化熱能光能直接作用在微觀粒子上(b)傳遞過(guò)程：熱傳導(dǎo)、對(duì)流、傳質(zhì)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論(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(dòng)力、光去除(d)激光等離子體(e)超強(qiáng)超快激光作用激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論(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(cè)等微納制造、探索微觀結(jié)構(gòu)(c)超強(qiáng)超快激光：激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論物理化學(xué)生命科學(xué)技術(shù)激光微量元素檢測(cè)光譜相干控制激光冷卻激光催化飛秒化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)確定光學(xué)信號(hào)處理激光視力測(cè)試激光美容激光手術(shù)材料加工通訊技術(shù)時(shí)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)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論(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(jìn)激光器件技術(shù)的發(fā)展。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論(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(jì)激光與物質(zhì)相互作用激光工程試驗(yàn)激光光譜激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論(d)—激光及激光應(yīng)用與諾貝爾獎(jiǎng)1964：量子電子學(xué)、微波量子振蕩器、激光美國(guó)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(guó)的肖洛,瑞典的西格班1981：激光光譜學(xué)與電子光譜學(xué)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論1997：激光冷卻、捕獲原子美籍華人朱棣文、美國(guó)的菲利普斯、法國(guó)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(huì)“杰出青年研究獎(jiǎng)”。(d)—激光及激光應(yīng)用與諾貝爾獎(jiǎng)（2）激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論1.3課程研究對(duì)象重點(diǎn)關(guān)注：激光與物質(zhì)相互作用過(guò)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(guò)程。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論二、激光與物質(zhì)相互作用的發(fā)展

高強(qiáng)度激光束在加熱金屬材料的過(guò)程中，會(huì)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(shí)現(xiàn)不同的激光加工應(yīng)用。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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光表面強(qiáng)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)變激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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(yáng)電池板裝置準(zhǔn)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(yáng)能應(yīng)用激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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）

激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光熔化焊接應(yīng)用汽車安全氣囊金剛石鋸片金剛石鉆頭激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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

材料去除激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論2.3激光氣化應(yīng)用（2）CuttingdirectionAssistantgasnozzleSpacebetweennozzle&workpieceMeltmaterialCuttingslotGasflow激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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(zhǎng)的紫外激光，打在硫化氫等分子上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過(guò)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(gè)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。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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(píng)論聚焦》2008年22卷8月1日紫外光固化快速成型2010，獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論2.5激光作用等離子體激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光等離子體模擬particleelectrondensityfluidtemperaturemagneticfieldelectricfield激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光等離子體及應(yīng)用1--沉積薄膜脈沖激光沉積光電功能薄膜材料激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光等離子體及應(yīng)用2--沖擊強(qiáng)化能大大提高材料的耐磨性、疲勞壽命和耐腐蝕性；能對(duì)鈦、鋁等合金進(jìn)行有效強(qiáng)化激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光等離子體及應(yīng)用3—激光推進(jìn)高效率、低成本發(fā)射微納衛(wèi)星；衛(wèi)星軌道維持及變軌激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光等離子體應(yīng)用－激光推進(jìn)運(yùn)行中的光船。所見(jiàn)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(shí)，會(huì)不斷加熱空氣直至燃燒。空氣燃燒會(huì)產(chǎn)生閃光

2010年新一期英國(guó)《自然—光子學(xué)》（NaturePhotonics）雜志刊登報(bào)告說(shuō)，瑞士等國(guó)研究人員向空氣中發(fā)射一種高能量短脈沖激光，它會(huì)使照射路徑上的氮?dú)夥肿雍脱鯕夥肿与x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。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光生物醫(yī)學(xué)臨床治療醫(yī)學(xué)測(cè)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(jì)可以用非接觸地法測(cè)量血流速度；激光流式細(xì)胞計(jì)技術(shù)能對(duì)大量細(xì)胞的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行快速測(cè)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(dú)特的檢查效果。激光聚焦照射并摧毀活細(xì)胞體內(nèi)的某個(gè)區(qū)域；激光誘導(dǎo)細(xì)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)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論激光與生物醫(yī)學(xué)激光美容激光矯正近視激光手術(shù)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論2.7超快超強(qiáng)激光特性超快超強(qiáng)激光主要以飛秒激光的研究與應(yīng)用為主，作為一種獨(dú)特的科學(xué)研究的工具和手段，飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個(gè)方面：

超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用超強(qiáng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用超微細(xì)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(guò)程診斷的作用。飛秒激光尤如一個(gè)極為精細(xì)的時(shí)鐘和一架超高速的“相機(jī)”可以將自然界中特別是原子、分子水平上的一些快速過(guò)程分析、記錄下來(lái)。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論飛秒激光在超強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用(又稱為強(qiáng)場(chǎng)物理)歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強(qiáng)可以非常之高。這樣的強(qiáng)光所對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)會(huì)遠(yuǎn)大于原子中的庫(kù)侖場(chǎng)，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(guò)程的重要工具。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(qiáng)光可以用來(lái)產(chǎn)生相干X射線和其它極短波長(zhǎng)的光，可以用于受控核聚變的研究。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論飛秒激光用于超微細(xì)加工超短、超強(qiáng)和高聚焦能力是飛秒激光的3大特點(diǎn)。飛秒激光脈寬可短至4fs(1fs=10-15s)以內(nèi)，峰值功率高達(dá)拍瓦量級(jí)(1Pw=1015w)聚焦功率密度達(dá)到1020-1022W／cm2。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準(zhǔn)確地集中在限定的作用區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、塑料、聚合物、樹(shù)脂等材料的微納尺寸加工，具有其它激光加工無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：①耗能低，無(wú)熱熔區(qū)，"冷"加工；②可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細(xì)胞組織，甚至是細(xì)胞內(nèi)的線粒體；③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；④對(duì)環(huán)境沒(méi)有特殊要求，無(wú)污染。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論超快超強(qiáng)激光及應(yīng)用1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予埃及和美國(guó)雙重國(guó)籍的物理化學(xué)和化學(xué)物理學(xué)家AhmedH.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(yùn)動(dòng)過(guò)程。超高速探測(cè)—飛秒化學(xué)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論高次諧波以及阿秒脈沖的產(chǎn)生激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論超快激光精密微制造激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論飛秒激光微加工——MEMS新技術(shù)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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–10THz（0.03mm–3mm)激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論1985年貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱隸文小組用三對(duì)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(tuán)被冷卻，溫度達(dá)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(jiǎng)xyz光學(xué)粘團(tuán)原子吸收光子，動(dòng)量減小

2.9激光冷卻與原子捕獲激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論三、課程相關(guān)信息從事基礎(chǔ)理論研究；解決應(yīng)用問(wèn)題；通過(guò)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的現(xiàn)象和問(wèn)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課程目的激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論3.2課程特色交叉性強(qiáng)：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(shí)代性強(qiáng)：結(jié)合當(dāng)前學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，將最新的科研成果融入教學(xué)中來(lái)；啟發(fā)式教育：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；信息量大：擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面；通俗易懂：配合采用圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等多媒體技術(shù)來(lái)講解。激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論3.3基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排（1）第一章緒論（2學(xué)時(shí)）第二章激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)（4學(xué)時(shí)）2.1材料的吸收2.2激光熱源模型及溫度場(chǎng)第三章激光輻照下的熱效應(yīng)及應(yīng)用（8學(xué)時(shí)）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)作用激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論3.3基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排（2）第四章光致等離子體及應(yīng)用（8學(xué)時(shí)）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(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用及應(yīng)用（4學(xué)時(shí)）5.1超快超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)5.2超快超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用應(yīng)用激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論3.3基本教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排（3）第六章激光與生物材料相互作用（4學(xué)時(shí)） 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(jī)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(shí)）

7.1激光制冷

7.2激光約束核聚焦激光與物質(zhì)相互作用第一講-序論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(shí)與學(xué)分：32/2;先修課程：