2011激光与物质相互作用第一讲序论

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
设计：秦应雄
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
设计：秦应雄
运行中的光船。所见亮光是在飞 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
设计：秦应雄
激光生物医学
临床治疗
设计：秦应雄
1. 受激辐射
E2
h
E1
发光前
h h
发光后
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
设计：秦应雄
几何 光学
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
设计：秦应雄
激光等离子体模拟
设计：秦应雄
particle electron density
fluid temperature
electric field
magnetic field
激光等离子体及应用1--沉积薄膜
设计：秦应雄
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
设计：秦应雄
设计：秦应雄
(5) 神奇的效应
（a）物理效应： 升温、相变、熔化、气化 (b) 化学效应： 激光诱导化学反应 (c) 生物效应： 光动力、光去除 (d) 激光等离子体 (e) 超强超快激光作用
设计：秦应雄
(6) 产生的应用
（a）激光材料加工： 热处理、焊接、切割、打孔等 (b) 激光制备新材料： 沉积薄膜、纳米材料 (c) 超强超快激光： 微纳制造、探索微观结构 (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
激光照射材料
材料反射与吸收
温度快速升高
奥氏体转变
快速冷却
马氏体转变
2.1 激光升温与相变应用（2）
设计：秦应雄
太阳能源自文库用
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
硅退火工艺原理图
大尺寸多晶太阳电池板装置
2.2 激光熔化
设计：秦应雄
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
设计：秦应雄
汽车安全气囊
金刚石锯片
金刚石钻头
2.3 激光气化及应用（1）
设计：秦应雄
激光照射材料 材料熔化气化
材料反射与吸收
温度快速升高
激光烧蚀
材料去除
2.3 激光气化应用（2）
Cutting direction
nozzle
Gas flow Cutting slot
Assistant gas
设计：秦应雄
设计：秦应雄
设计：秦应雄
设计：秦应雄
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) 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
设计：秦应雄
水冷套 聚焦透镜 垫圈 喷嘴套 大喷嘴 小喷嘴
Space between nozzle & workpiece
Melt material
设计：秦应雄
2.4 激光化学与立体光造型
设计：秦应雄
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。
二、激光与物质相互作用的发展 设计：秦应雄
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）
设计：秦应雄
轧辊激光表面相变硬化
钢轨激光表面强化
设计：秦应雄
(3) 作用对象：物质
透明、不透明 (a) 物质类型： 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
设计：秦应雄
(4) 能量转移和传递过程
光能转化热能 (a) 转移过程：
光能直接作用在微观粒子上
(b) 传递过程： 热传导、对流、传质
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”。
1999：化学 反应飞秒 光谱学
1.3 课程研究对象
超快超强激 光与物质
物质凝聚 相到气相
激光
生物组织
设计：秦应雄
等离子体
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 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。
(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
设计：秦应雄
美国的汤斯、苏联的巴索夫和普洛霍洛夫
1981：激光光谱学与 电子光谱学 美籍荷兰人的布洛姆伯根、美国的肖洛,瑞典的西格班
(d)—激光及激光应用与诺贝尔奖（2）
设计：秦应雄
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
1.2 为什么学习激光与物质相互作用
设计：秦应雄
(a) 激光应用基础
物理
光谱
相干控制 激光冷却
光学信 号处理
标准确定 时间同步
激光催化 飞秒化学
通讯技术
化学
激光
技术
微量元 素检测
激光视 力测试
材料加工
激光美容
激光手术
生命科 学
牙科应用
激光与物质相互作用是激光应用的重要基础。
(b)--激光技术的发展
激光手术刀、治疗视网膜
裂孔、眼底病变、矫正屈光不 正，清除血管堵塞物，激光结 合光敏药物治疗恶性肿瘤，激 光美容等。
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。
设计：秦应雄
《物理评论聚焦》2008年22卷8月1日 飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构
紫外光固化
小零件
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