激光原理及应用课件—陈鹤鸣第12章 激光与物质的相互作用

增加。
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12.4.3 液体、固体的光化学反应
一般而言，液体中的反应效率比气体中的要小（这里 额效率是指量子吸收量，用单个光子的反应比例表 示）。这是因为能量迁移造成了驰豫，产生了再复合 的逆反应。
光子的能量一部分用于光解离，一部分转变为热能。 一旦产生解离，周围的溶质争相返回形成再复合，称 为“回笼效应”，这也是溶液等物质的量子吸收量变 小的另一个原因
热反应是正向反应； 激光引起的光化学反应通过有效地进行分子（原子）选 择、反应场或空间的选择以及微粒子操作等方式，即使 在不升高温度的情况下也可以发生
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12.4.1 激光切断分子
切断分子的第一步是使分子吸收光，称之为激励光子。 切断分子的首要条件使分子具备的能量要大于解离能， 因此激光切断分子的过程也称为光解离反应。
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1. 直接解离
由于处于分子结合间的电子偏离位置不同，从而 形成结合和反结合轨道的电子状态。在结合轨道存 在极小的能量值。相反，反结合轨道对于分离态来 说是比较稳定的轨道。在激光作用下，分子一旦被 激励到反结合轨道，分子结合键便会瞬间断裂，这 就是直接解离。
在解离过程中，光激励时间非常短，只有飞秒级， 因此，电子在接收能量的过程中，相对较重的原子 核处于近似静止的状态。切断结合键的激光光子能 量必须大于分离能。
使材料处于松散状态，致使材料蒸发。 光化学效应蒸发的必要条件：光子的能量 > 分子的结合能。
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12.4 激光诱导化学过程
半导体芯片是经过了许多的薄膜加工过程制作而成的。在 热分解、等离子体、离子束等能源作用下，分子首先被分 解，然后再重新组合制成薄膜，这一过程分别称为热过程、 等离子体过程等。如果使用激光，薄膜可以做得更微细、 杂质含量更少。而这一过程是从化学反应开始的，称为激 光诱导化学过程。
当入射光较弱时，电子的移动较小，可以视为单一振动
（线性运动）；当入射光的强度达到像激光那样强时，光
本身的电场强度也非常大，电子振动变得剧烈 ，从单一
振动变为非线性振动。由此产生了入射光频率以外的振动
分量，即倍频。
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12.2.2 相位匹配
相位匹配条件：
入射激光的传播速度是 谐波速度的两倍。
第12章 激光与物质的相互作用
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12.1 激光在物质中的传播
12.1.1 激光在物质中的传播和吸收
激光在物质中传播时，一部分被吸收，剩余部分透过 物质，此时激光给物质施加光压。有关这一现象的定 律与普通光源一样，所不同的是，激光的单色性及相 干性非常好，因而表现出明显的干涉、衍射现象。
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2. 前期解离
首先，在结合轨道（具有能量的极小值）引起激发。 然后，激发的粒子迁移到反结合轨道（分离后相对稳 定）上，从而导致结合键断裂。
前期解离的寿命是 ps: ns 级。
3. 热分子解离
在结合轨道产生激励，处于基底状态的结合轨道上的 粒子发生迁移。因为激发粒子具有很高的振动能量， 所以称之为热分子。
朗伯－比尔（Lambert-Beer）定律：
透射光强
T
I
ed
I0
透射率
入射光强
物质厚度 吸收系数
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大气的透射谱线：
表明各吸收线是按照下式在大气中的CO2分子的振动－ 转动能级间进行跃迁：
h E2 E1
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12.1.2 激光的散射
光的散射现象是指，当光入射至散射体后， 在某处发生极化，并由此发出散射光。
激光蒸发。
激光蒸发示意图
当激光波长处于红外区， 或光致物质是金属时，容 易发生热效应激光蒸发； 当激光波长处于紫外区且 光致物质是高分子材料时， 往往发生光化学效应激光 蒸发。
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12.3.1 激光热蒸发
因激光照射瞬间喷发出的高温气体或等离子体 的现象称为热效应激光蒸发。
弹性散射：散射光的波长与入射光的波长相同。
瑞利（Rayleigh）散射：散射体的尺寸比光 波长小得多；
米氏（Mie）散射：散射体的尺寸与光波长 尺寸差不多;
非弹性散射：
拉曼（Raman）散射； 布里渊（Brillouin）散射
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1．米氏散射和瑞利散射
在散射体粒子比较大的米氏散射中，前部的散射很强，与 散射角有关的散射光强分布随粒子的形状及大小而变化。 而在散射体粒子非常小的瑞利散射中，散射光的强度与入 射光的四次方成反比，其强度分布前后对称。
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12.4.2 激光引起的多光子吸收
红外多光子解离实质就是激光照射下的多光子被 吸收的过程。此时的能级就像阶梯一样上升。
（a）阶梯性的多光子吸收 （b）量子力学性双光子吸收
由于测不准原理，能量在短时间内迅速扩散，可以认为所
到之处都存在能级，在一瞬间内，多光子吸收的效率大大
n10 基频波寻常光的折射率；
n1e 基频波非常光的折射率；
n20 倍频波寻常光的折射率；
n2e 倍频波非常光的折射率。
KDP晶体的折射率
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12.3 激光对物质的加热与蒸发
经过空间性、时间性集中的激光照射到材料的表面时， 材料表面在激光的作用下将会向外溅射，这一现象称为
内侧曲线：与入射线偏振光垂直的偏振光分量 外侧曲线：与入射线偏振光垂直和平行的偏振光分量之和
球状粒子的散射光强分布（入射光波长：550 nm)
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2．布里渊散射
由于密度的变化而导致极化率改变时，其中的非传播性改 变就是瑞利散射，这如同媒质中不同折射率的粒子形成的 散射。另一方面，传播性改变（声波）即伴随有声子出现 时，就是布里渊散射。
B
0
2nVp c
0
sin 2
由于声子在各向异性物质中三个方向的传播速度不同，因 此，在无频率变化的瑞利散射光的两侧，分别出现三条布 里渊散射谱线。相对于瑞利散射光，低频率侧的散射光称 为斯托克斯（Stokes）光，高频率侧的散射光称为反斯托 克斯（anti Stokes）光。
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只有使晶体对应入射光和 倍频光的折射率相等，才 能实现相位匹配。
相位匹配条件成立时（a） 和不成立时（b）
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双折射晶体对应于入射光的偏振方向有两个不同的折射率， 也就是说，某一方向的偏振光的折射率和与之垂直的偏振光 的折射率不同。如果充分利用这一特点，就可能满足相位匹 配。简而言之，只要入射光相对于晶体成某一角度，就可以 做到入射光的折射率与倍频光的感应折射率相等。
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3．拉曼散射
由于分子振动、转动或电子跃迁而导致极化率改 变的情况称为拉曼散射。
瑞利散射和拉曼散射
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4．汤姆孙散射 光与自由电子的弹性散射称为汤姆孙（Thomson）散射。
散射光的强度分布与散射角 存在比例关系：
(1 cos2 ) 2
随着入射光波长的缩短，逐渐转变为伴 有波长变化的康普顿散射。
激光热蒸发的产生过程
激光脉冲宽度越短，材料的热导率越低，越容易诱发激光 蒸发，同时，所需的激光入射功率密度的阈值也降低。
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12.3.2 光化学效应激光蒸发
在超过阈值的照射强度作用下，由于光化学作用 而引起激光蒸发，称为光化学效应激光蒸发。
光化学效应激光蒸发
光化学效应激光蒸发可认为是光子切断了物质内部的分子键，
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12.2 激光在晶体中的非线性学现象
非线性：施加的外力与其作用结果之间不成线性关系。
非线性光学正是利用了物质本身的非线性特征。
12.2.1 倍频光的产生
动态电场的光进入光学材料时，材料中的原子因质量较
重而固定不动，但是电子相对较轻，因此会跟从光电场
的正、负周期变化，以 31014 Hz 的频率发生振动。
其解离速度较慢，只有 ns: us 级。
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4. 红外多光子解离
利用红外光依次提高振动能级，可以 使振动能量最终超过解离能。
阶梯式激励：
起初，只有适合于分子振动的 激光才能被吸收； 之后，随着能级的增加，任何 波长都起作用。
红外多光子解离
关键是分子内的能量争夺。这 一过程是在极短时间内发生的。 因此，吸收了红外激光的众多 分子是在最薄弱处断裂的。据 此，可以有目标地切断某一结 合键。