激光与物质相互作用完整ppt课件
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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。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
20
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
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
15
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。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
16
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。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
14
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。
光与物质相互作用 ppt课件
激光原理及其应用 举例
产生激光的基本条件
根据玻尔兹曼分布律,热平衡时具有能量Ei的
E2
原子数
Ni AeEi /kT
E!
在能级E1和E2的原子数之比
N E2 E1
e 2
kT
N1
在能级E1-E2的=1eV,T=300K,
则原子数之比约为10-40.
激光原理及其应用 举例
E2 ● ● ●
h
N2
• 发光的两个主要特征 发出的总辐射中超出热辐射的部分； 当激发源停止对物体的作用后，发光现象还会持续一定的时间。
发光的物理研
究
2.发光的分类
•按被激发的方式分类 –光致发光photoluminescence –电致发光electroluminescence –阴极射线发光cathode luminescence –X射线发光及高能粒子发光 –化学发光 –生物发光
若向红外区域延伸，在吸 收带(图中R点)附近，明显 偏离正常色散曲线
过了吸收带重新进入透明波段 时，曲线又逐渐恢复为正常色 散曲线
石英的色散曲线
总结 物质的色散曲线都是由正常色散区域和在一定的波长区域 内，都会有选择吸收，在这些区域中总是表现出反 常色散。
光源
单色仪
样品室
计算机输 出装置
放大仪
紫外－可见光分光光度计原理图
检测仪
光的吸收
若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的原子吸收光谱。所
谓原子化就是使待测样品中的原子达到雾化状态，并保证雾化原子处于 基态。这样一旦有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。
每种元素都有其特征吸收波长和吸收光谱 原子吸收光谱广泛应用于定量分析中
光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对比尔定律产生 影响 。
激光与物质相互作用第二讲基础
大学本科课程
设计：李波
激光与物质相互作用
第一章 激光与物质相互作用基础
秦应雄 博士 副教授ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
朱海红 博士 教授
电话：027－87541774（办公室） 电话：027－87544774（办公室）
18971281421 Email：qyx@
13016467839
Email：zhuhh@
产生
a)
c) b)
设计：李波
a) 激光激活介质
(气体, 固体 或 半导体)
b) 激励源
(泵浦灯, 半导体 或 放电激励)
c)
c) 光学谐振腔
(全反和部分反射镜)
特性 优势
电灯泡
发散的 多色的 不相干的
➢ 高功率密度 ➢ 非接触 ➢ 无磨损 ➢ 高精度
编辑课件
激光束
平行的 单色的 相干的
4
：远场发散角
编辑课件
15
C、光束传输因子K与衍射倍率因子 M2
设计：李波
光束参数乘积（BPP）
光束传输过程中，M2因子是一个不变量
编辑课件
16
D、横向模式
设计：李波
矩形厄米高斯光束编辑课件
17
设计：李波
圆形拉盖尔高斯光束
编辑课件
18
平凹腔的数值计算
设计：李波
计算的光束质量参数
编辑课件
19
E、光束的聚焦
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109nm
由于激光的单色性好，为精 密度仪器测量和激励某些化 学反应等科学实验提供了极 为有利的手段。
对加工的意义：
与相干性好对应，另外，
设计：李波
激光与物质相互作用
第一章 激光与物质相互作用基础
秦应雄 博士 副教授ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
朱海红 博士 教授
电话：027－87541774（办公室） 电话：027－87544774（办公室）
18971281421 Email：qyx@
13016467839
Email：zhuhh@
产生
a)
c) b)
设计：李波
a) 激光激活介质
(气体, 固体 或 半导体)
b) 激励源
(泵浦灯, 半导体 或 放电激励)
c)
c) 光学谐振腔
(全反和部分反射镜)
特性 优势
电灯泡
发散的 多色的 不相干的
➢ 高功率密度 ➢ 非接触 ➢ 无磨损 ➢ 高精度
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激光束
平行的 单色的 相干的
4
：远场发散角
编辑课件
15
C、光束传输因子K与衍射倍率因子 M2
设计：李波
光束参数乘积（BPP）
光束传输过程中，M2因子是一个不变量
编辑课件
16
D、横向模式
设计：李波
矩形厄米高斯光束编辑课件
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设计：李波
圆形拉盖尔高斯光束
编辑课件
18
平凹腔的数值计算
设计：李波
计算的光束质量参数
编辑课件
19
E、光束的聚焦
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
稳频He—Ne激光器
109nm
由于激光的单色性好，为精 密度仪器测量和激励某些化 学反应等科学实验提供了极 为有利的手段。
对加工的意义：
与相干性好对应，另外，
激光与物质相互作用课件
激光操控
利用激光的能量和方向性，实现对微观粒子的精 确操控，如光镊技术等。
激光与物质相互作
03
用的实验技术
激光光谱技术
原子光谱技术
利用激光激发物质中的原子，测量原子能级的跃迁，从而分析物 质成分和结构。
分子光谱技术
通过测量分子振动和转动能级的跃迁，分析物质的分子结构和化学 键信息。
非线性光谱技术
激光与物质相互作
02
用的应用
激光在材料加工中的应用
激光切割
利用高能激光束对材料进行精确 切割，具有高精度、高效率的特
点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化并连接在 一起，常用于金属材料的焊接。
激光打标
利用激光束在材料表面刻写文字 、图案等标识，具有高清晰度、
耐久性好。
激光在医学领域的应用
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、 光化学作用等，对病变组织进行治疗 。
折射
当激光进入不同介质时， 会发生折射现象，改变光 的传播方向。
激光与物质相互作用的物理过程
光致电离
激光能量足够高时，能够 使物质中的电子从原子或 分子中完全剥离出来，形 成离子。
热效应
激光能量被物质吸收后， 会导致物质局部温度升高 ，产生热效应。
光化学反应
激光能量可以激发物质分 子到激发态，进而发生光 化学反应。
致。
单色性
激光的波长范围非常窄，具有很高 的单色性，有利于精确控制和操作 。
高强度
激光的功率密度非常高，可以在短 时间内对物质产生强烈的相互作用 。
物质对激光的响应
01
02
03
吸收
物质对激光的能量进行吸 收，将光能转化为热能或 其他形式的能量。
利用激光的能量和方向性，实现对微观粒子的精 确操控，如光镊技术等。
激光与物质相互作
03
用的实验技术
激光光谱技术
原子光谱技术
利用激光激发物质中的原子，测量原子能级的跃迁，从而分析物 质成分和结构。
分子光谱技术
通过测量分子振动和转动能级的跃迁，分析物质的分子结构和化学 键信息。
非线性光谱技术
激光与物质相互作
02
用的应用
激光在材料加工中的应用
激光切割
利用高能激光束对材料进行精确 切割，具有高精度、高效率的特
点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化并连接在 一起，常用于金属材料的焊接。
激光打标
利用激光束在材料表面刻写文字 、图案等标识，具有高清晰度、
耐久性好。
激光在医学领域的应用
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、 光化学作用等，对病变组织进行治疗 。
折射
当激光进入不同介质时， 会发生折射现象，改变光 的传播方向。
激光与物质相互作用的物理过程
光致电离
激光能量足够高时，能够 使物质中的电子从原子或 分子中完全剥离出来，形 成离子。
热效应
激光能量被物质吸收后， 会导致物质局部温度升高 ，产生热效应。
光化学反应
激光能量可以激发物质分 子到激发态，进而发生光 化学反应。
致。
单色性
激光的波长范围非常窄，具有很高 的单色性，有利于精确控制和操作 。
高强度
激光的功率密度非常高，可以在短 时间内对物质产生强烈的相互作用 。
物质对激光的响应
01
02
03
吸收
物质对激光的能量进行吸 收，将光能转化为热能或 其他形式的能量。
激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
精选ppt
9
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
精选ppt
5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
精选ppt
6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
精选ppt
4
第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
光与物质相互作用ppt
06
光与物质相互作用的未来发展
探索新材料
研究新的光与物质相互作用需要不断探索新的材料，发现具有新奇物理性质的材料，如拓扑材料、自旋电子材料等。
发现新物理效应
除了探索新的材料，还需要关注新的物理效应。例如，研究光与物质的相互作用可能会产生一些新的量子效应，如量子隧穿、量子相干性等。
新材料和新物理效应的探索
03
荧光现象的研究和应用涉及化学、生物学、医学和环境科学等领域。例如，荧光染料被用于生物显微镜和免疫分析中，以增强检测的灵敏度和特异性。
03
光与物质相互作用的实验技术
激光光谱学
激光光谱学是一种研究物质与光相互作用的技术，通过测量光谱线的频率、宽度和强度等参数，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
当光在物质中传播时，会与物质的分子或原子相互作用，使它们获得能量并改变其振动或旋转状态，从而产生散射。
拉曼散射可以提供关于物质结构、分子振动和旋转状态等重要信息。
01
当光照射某些物质时，它们会吸收光能并释放出较小的能量，产生荧光现象。
荧光现象
02
荧光现象是由于物质的分子或原子吸收光能后，电子从基态跃迁到激发态，当它们返回基态时释放出光子。
总结词
同步辐射光源具有高亮度、宽波段、高相干性和高偏振度等优点，可以用于研究物质的原子结构、分子结构、化学反应和物理过程等。通过对同步辐射光源的测量和分析，可以获得物质的结构、组成和状态等信息。
详细描述
同步辐射光源
04
光与物质相互作用的应用
激光冷却
激光可以用来冷却原子，使得原子速度降低到非常低的温度，甚至达到纳开尔文级别。这种技术可用于研究量子力学和统计物理中的特异现象。
突破经典物理限制
激光原理与技术PPT(很全面)
激光束质量对应用的影响
分析激光束质量对激光加工、光通信、激光雷达等应用的影响。
激光束的控制与整形
激光束控制技术
探讨通过光学元件、机械装置等手段对激光束进行控制的原理和 方法。
激光束整形技术
介绍将激光束整形为特定形状（如平顶、环形等）的原理和方法， 以及整形后激光束的特性。
激光束控制与整形的应用
阐述激光束控制与整形在材料加工、生物医学、光通信等领域的应 用实例。
激光Байду номын сангаас眼睛的危害
激光束直接照射眼睛，可能导致视网膜烧伤、视力下降甚至失明。防护措施包 括佩戴合适的激光防护眼镜，避免直接观看激光束。
激光对皮肤的危害
激光照射皮肤可能导致烧伤、色素沉着、皮肤癌等。防护措施包括穿戴防护服 、使用防晒霜等。
激光安全标准与防护措施
激光安全标准
国际电工委员会（IEC）和美国国家标准学会（ANSI）等制定了激光安全标准， 对激光产品的分类、标识、使用等做出了规定。
液体激光器
染料激光器
使用有机染料作为增益介质，通 过泵浦光激发染料分子产生激光 ，具有宽调谐范围和短脉冲输出 能力。
液体激光核聚变
利用高功率激光束照射含有氘、 氚等聚变燃料的靶丸，实现核聚 变反应，是惯性约束聚变研究的 重要手段。
半导体激光器
边发射半导体激光器
电流注入半导体PN结，电子与空穴 复合释放能量形成激光输出，具有体 积小、效率高、寿命长等优点。
激光手术
利用激光的高精度和可控性，进行微 创手术操作，如眼科手术、皮肤科手 术等。
生物医学成像
利用激光的高亮度和方向性，对人体 内部组织进行光学成像，以辅助医学 诊断和治疗。
05
激光测量与检测技术
激光物理第8章场与物质的相干作用精品PPT课件
这种形式的 解。令
Cb0teit
(5.5.6）
• 将 （ 5.5.4 ） （ 5.5.5 ） 、 （ 5.5.6 ） 代 入
（5.5.3），有 i
eit
t
2
1
it
e
t
2
2
2
iE0D 2
Cao
t
e e t 2
i0 t
•
其解为：
Ca 0 t
2 ei0t E0D
• （5.5.4）~（5.5.6）以及上式代入（5.5.2），
C b ot Ai1 etBie 2t
C a 0t E 2 0 D e i 0 t A1 e i1 t B2 e i2 t C b ot Ai1 etBie 2t
• 假定初始时刻原子处于b态
C a 0 0 0 C b 0 0 1
(5.5.9）
得到
A B 1A 1 B 2 0
A与B的 解为：A2
B1 (5.5.10）
其中： 12 02D 0E2 (5.5.11）
Ca0 t
2 ei0t 1 2
E0D
ei1t ei2t
2 ei0t E0D
1
4
DE0
2
e2i 0
t
eit / 2 eit / 2
iDE0
e2i 0t
sint
2
(5.5.12）
初始时刻原子处于下能态b态，在辐射场的作用下， t时刻已跃迁到上能态a能态的几率为：
2
P atCa0t2E 0Det
si2n t
2
(5.5.13）
这就是拉比强信号解的结果
PatE0D2
e
t
sin2t 2
激光与物质的相互作用
pt
ext
p0
e
2
t
e0t
发出的电磁波为：
E
E0
e
2
t
ei0t
（3）受激吸收和色散的经典理论
物质原子在电磁场作用下产生感应电极化强度，改 变物质的介电常数，导致物质对电磁波的吸收和色散。
单电子原子物质在电场E(z,t)中，作用于单电子原子 的力 。
eE(z,t) eE(z)eit
将解 x x0eit 代入
G
I
1
z
dI z
dz
2
c
c
"
H
ne2
m 0c
1
1
4 0
2
2
ne2
4m 0
c
2
0
2
2
H
2
H
g
ne2
4m 0c
2
0
2
H
2
2
将-n换成n有
H
g
ne2
4m 0c
2
0
2
H
2
2
同样有：
1
ne2
16 2m
0
0
0
0
2 H
2
2
H
g
ne2
4m 0c
0
2
2
H
2
p p(v)dv
（i）线型函数
g(v, v0 )
p(v) p
（ii）满足归一化条件：
g(v, v0 )dv
p(v) p
dv
p Dp
1
（iii）谱线的线宽：g (0
v 2
, v0 )
g(v0, v0 ) 2
激光与物质相互作用(课堂PPT)
后的时间。
4
tn
l 2Tn 2
4at
2aA2
Ps
2 0
激 光 等 离 子
tn是激光照射材料表面到材料熔化所需的时间 对于大多数金属而言， Ll 0.5 clTn
体 近似成立，所以溶化波前的深度为
z(t)
0.16a A Ps 0
Ll
(t
tn )
5
激 光 等 离 子 体
6
• 在所作用的激光脉宽一定时，应调整作用激光的 功率密度，以便在激光脉冲结束时材料表面恰好
• 第3节 靶材气化时的Knudsen(克努森)层
从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦克
激 光 等
斯韦速率分布.而且这些气化粒子的速度方向均是离 开靶表面方向。
离 子 这种各向异性的速率分布是通过蒸气粒子相耳碰撞
体 形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平
均自由程内进行，这一区域称为Knudsen层。
30
作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短；
一般气化时间比熔融时间高出一个数量级，原
激 因在于沸点比熔点高得多。而且气化潜热比熔融 光 潜热要大一个数量级。 等
离 子
激光加热靶材且至气化过程中，有两个非常重要的物理
体 量：激光与靶材的热耦合系数，激光能量中被转化为靶
的热能的部分。
质量迁移率：m/E，材料气化而损失的质量与激光能量
16
激 光 等 离 子 体
17
激 光 等 离 子 体
在下面处理过程中，假设所有后向散射蒸气粒 子凝固到靶表面上，并将蒸气近似为理想气体 来处理，那么1mol理想气体内能为
18
激 光
代入分布函数式并积分，得到Knudsen层的质量、动 量、能量守恒方程
《激光原理》PPT课件
对未来学习建议
深入学习激光原理相关知识
包括激光器设计、激光光束质量控 制、非线性光学等，为从事激光相 关领域工作打下坚实基础。
关注前沿动态
及时了解激光领域的最新研究进展 和前沿动态，把握发展趋势。
拓展跨学科知识
学习光学、电子学、材料学等相关 学科知识，拓宽视野，为深入研究 激光技术提供多维度支持。
实践与应用
通过实验操作、项目实践等方式， 将所学知识应用于实际问题的解决 中，提升实践能力和创新能力。
THANKS
感谢观看
液体染料激光器技术特点
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
半导体材料发光机制及器件结构
半导体材料发光机制
半导体材料中的电子在导带和价带之间跃迁时，会释放出能量并以光子的形式发出。通过 控制半导体材料的能带结构和载流子浓度，可以实现不同波长的激光输出。
量子点激光器优势
宽频带可调谐、低阈值电流、高稳定性等
其他新型激光器简介
表面等离激元激光 器
利用表面等离激元效应实现光放大和激光
微腔激光器
利用微纳加工技术实现高品质因子微腔，实现低阈值激光
生物激光器
利用生物组织或细胞中的荧光物质实现激光输出，具有生 物相容性和可降解性等优点。
06
激光调制、检测与应用 技术
典型案例分析：激光雷达测距系统
工作原理
激光雷达测距系统通过发射激光 束并接收目标反射回来的光信号 ，根据光信号的时间差或相位差 计算出目标距离。
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在每一时刻均存在稳定状态解，然后将所有的点
激 的解集合。
光
等
离
子 体
对于蒸发稳定状态，可从温度和蒸气的质量变化率来 计算蒸气压力
.
11
• 在更高的强度下，激光和蒸气之间的相互作用变 得重要了，温度很高以致部分靶蒸气原子处于激
激 发状态，另外随着蒸气密度的加大，逆韧致辐射 光 过程加强了。 等 离 子 体
.
26
激 光 等 离 子 体
.
27
• 饱和蒸气压力和Knudsen层温度Ts的函数关系 激 光 等 离 子 体
.
28
激 光 等 离 子 体
.
29
• 第5节 气化时间的估计
假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同，且不
激 随温度变化，那么气化厚度为d ,:的金属所需时间可由能量守 光 恒定律推得 等 离 子 体
.
12
• 考虑熔融潜热
激 光
稳态蒸发解为
等
离
子
体
.
13
激 光 等 离 子 体
.
14
激 光 等 离 子 体
铝靶吸收了功率密度为107W/cm2的激光后温度分布
.
15
• 第3节 靶材气化时的Knudsen(克努森)层
从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦克
激 光 等
斯韦速率分布.而且这些气化粒子的速度方向均是离 开靶表面方向。
光 得很复杂；原因主要因为材料熔化要吸收熔化热；
等 离
其次材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。
子
体
.
2
• 激光照射到材料表面时，材料表面温度按热传导的规
律升高，但表面温度达到熔点Tm，等温面(熔化波前)
激 以一定的速度向材料内部传播。其传播速度取决于激 光 光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。 等 离 子等温面传播的最大距离为最大熔化深度，该物理量是 体激光焊接中的重要参数。为使问题简化，在激光加热
热；t是 熔化开始
z(0 ) 0
后的时间。
.
4
tn
l 2Tn2
4at 2aA2 Ps 02
激 光 等 离 子
tn是激光照射材料表面到材料熔化所需的时间 对于大多数金属而言， L l 0 . 5 clT n
体 近似成立，所以溶化波前的深度为
z(t)
0.16aAPs0
Ll
(t
tn)
.
5
激 光 等 离 子 体
离 子 这种各向异性的速率分布是通过蒸气粒子相耳碰撞
体 形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平
均自由程内进行，这一区域称为Knudsen层。
.
16
激 光 等 离 子 体
.
17
激 光 等 离 子 体
在下面处理过程中，假设所有后向散射蒸气粒
子凝固到靶表面上，并将蒸气近似为理想气体
来处理，那么1mol理想气体内能为
子 的。
体
4)靶周围气体均匀且静止。
5)与气体喷溅速度相比，靶表面后退速率很
慢
.
23
整个区域分为三部分，1、表示 稳态气体，2、表示受扰动气
激 体;3、为Knudsen层邻近气体 光 等 冲击波后的气体速度 离 子 体
.
24
激 光 等 离 子 体
.
25
激 Ma3表示接触间断面蒸气中的马赫数 光 等 离 子 体 代入V2
•
离
首先，靶表面达到熔点温度时，就形成一个熔融 层，然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸
子 收的激光能流变为蒸发的潜热、气化质量的动能
体 和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。最后，
在强度不是很高的条件下，喷溅蒸气不能形成强
吸收，系统达到一个稳定状态。
.
9
激 光 等 离 子 体
.
10
• 若激光加热能量分布随时一间变化，则必须假定
z z
l dt
l
Tl z
a Ps0 z
0,t
0
T1 T 2 T n z z (t ), t 0
l i m l i m T ( z , t ) T ,
z
z
T2 0 z
T2 ( z,0 ) T1( z )
0
别表示液 相和固相，
Tn代表 融化温度；
Ll为材料
的熔化潜
.
30
作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短；
一般气化时间比熔融时间高出一个数量级，原
激 因在于沸点比熔点高得多。而且气化潜热比熔融
光 潜热要大一个数量级。
等
离 子 体
激光加热靶材且至气化过程中，有两个非常重要的物理 量：激光与靶材的热耦合系数，激光能量中被转化为靶
的热能的部分。
质量迁移率：m/E，材料气化而损失的质量与激光能量
.
18
激 光
代入分布函数式并积分，得到Knudsen层的质量、动 量、能量守恒方程
等
离
子
体
.
19
激 光 等 离 子 体
.
20
• 变换一下得靶表面蒸汽的温度、密度与靶材密度、 表面温度的关系。
激 光 等 离 子 体
.
21
•Knudsen层的蒸气马赫数Ma为
激
光
等 离
马赫数:Mach number
的比值，与激光功率密的分布、脉冲结构、光斑大小及
材料本身的特性等都有关。
.
31
• 调Q或锁模激光， m/E的值在1-10g/J，而对自由振荡 脉冲激光、其脉宽为毫秒量级m/E 为102g/J数量级
• 第2章 激光熔融与气化
激
光
等 • 激光加热材料表面使得其表面的温度
离 子 体
升高、当表面温度达到材料的熔点时， 将发生熔融现象；继续加热到材料表
面温度达到气化温度时，表面将发生
汽化现象。
.
1
§1 激光熔融现象
• 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表
激 面已有部分被熔化．而且熔化区的出现使热传导变
子 定义1：在某一介质中物体运动
体 的速度与该介质中的声速之比。
定义2：流场中某点的速度与该 点处的声速之比
.
22
• 第4节Knubsen层外的蒸气流动
五条假没:
激 光 等 离
1)作用激光近似作为顶帽型(top-hat)处理。 2)激光脉冲开始时，就有蒸发现象 3)激光脉冲期间，靶表面靶物质喷溅是稳定
和熔化期间材料的热特性保持不变，且激光强度恒定，
均匀地作用于材料表面，熔化（液相区）也均匀地出
现在某一平面上，并假设等温面z（t），边界条件为：
.
3
Ti t
a li
2T i z2
i
1, 2 ,...
•
式中下标 1，2分
激 光 等 离 子 体
T 2 T1 L l d z (t ) z z (t ), t
.
6
• 在所作用的激光脉宽一定时，应调整作用激光的 功率密度，以便在激光脉冲结束时材料表面恰好
激 达到气化温度，以获取最大的熔化深度。 光 等 溶蚀时间tn可由热平衡方程近似出 离 子 体
.
7
激 光 等 离 子 体
.
8
• 第2节 靶材的气化模型
• 高强度激光脉冲照射金属靶表面分为几个阶段:
激
光 等