激光与物质相互作用第二讲基础
周炳坤激光原理与技术课件光与物质相互作用
η
=1+
χ ′ (ω )
2
=1+
ne2
mε 0ω0γ
⋅
1
(ω0 − ω)γ −1
+
4(ω
− ω0 γ2
)2
β
=
χ′′(ω )
2
=
−
ne2
2mε 0ω0γ
⋅ 1+
1
4(ω − ω0 )2 γ2
折射率虚部与吸收相关，β 也称为消光系数
（4.2.24）
（4.2.25） （4.2.26） （4.2.32） （4.2.27）
电子的运动方程为：
mx + kx = 0
（4.2.1）
x + ω02 x = 0
式中： ω 0 =
k m
固有振动频率
（4.2.3）
其解为：
x ( t ) = x 0 e iω 0 t ——电子作简谐振动
（4.2.2）
电偶极子振荡时发出的电磁辐射场 E ∝ ex 即： E (t ) = E 0ei(ω0t +ϕ )
Δν = ΔE2 − ΔE1
h
这种加宽是由于量子力学效应产生的，称为自然加宽。相应为自然宽度、
自然轮廓
• 经典理论
辐射原子——电子阻尼振子
E (t) =
x e e −γ t 2
i 2πν0 ⋅t
0
t≥0
其中
−γ
x0e 2
t
0
为振幅，对
x(t)
t<0
作傅立叶变换：
（4.2.10）
∫ x (t ) = +∞ x (ν )e i 2πν t dν −∞
τs
=
3-2 激光与材料相互作用
反常吸收
指通过多重非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能的过程。 这些波所携带的能量，通过各种耗散机制转化为等离子热能。
等离子体对激光的吸收系数：
Z 2 e 6 N e N i ln 2 2 3 c 0 (2me KT ) 3 2 [1 ( pe / 2 ]1 2
T
Z Ne / Ni
激光束
等离子体 工件
2）等离子体对激光的吸收
等离子体通过多重机制吸收激光能量，使温度升高、电离度增大。
正常吸收
逆韧致吸收，是指处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并 且以一定概率与粒子（主要为离子）相互碰撞，把能量交给比较重的 粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。 逆韧致吸收分为线性（电子速度分布为麦克斯韦分布）和非线性 （电子速度分布函数与电场有关）两类，非线性情况发生在极高激光 电场场合。
Localized evaporation
Weld metal
Hump Metal flow
焊接过程中匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的。 气孔的形成：1）局部蒸发引起保护气的侵入；2）合金元素的烧损； 3）激光焊接铝及合金时，在冷却过程中由于氢在铝中的溶解度急剧下 降会形成氢气孔。
在熔池中存在旋转的涡流构造，且能量较大，有强烈 的搅拌力作用。熔池底部产生的较大气泡并非完全依靠上 浮力排除熔池，而是靠金属的流动带出熔池。
羽状等离子云吸收光束能量
匙孔内光束能量减少，等离子体的 产生作用减弱，同时匙孔熔深减小
羽状等离子云逐渐消散
匙孔内光束能量增加，等离子体的 产生作用增加，同时匙孔熔深增大。
4、等离子体在能量传输中的作用
等离子体位于熔池上方的激光传输通道上，它对激光会产 生反射、散射以及吸收，还会对激光产生负透镜效应。
激光与物质相互作用复习大纲
激光与物质相互作用课程复习大纲1. 从激光的特性分析,为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用,并举例说明.2. 高斯光束的空间传输公式，M2因子、K因子，光束参量乘积等的计算，M2因子的传输特性，聚焦光斑大小及焦深的计算及影响因素。
3. 激光切割中，不同板厚的材料，如何选择焦距（长焦距或短焦距），为什么？4. 线偏振光激光是怎么产生的，对激光切割的影响，怎么消除影响。
5. 金属材料对激光的衰减系数、穿透深度、反射率等的计算6. 金属材料对激光反射率的影响因素，各种影响因素的规律和原因。
7. 典型金属与非金属材料对Y AG激光和CO2激光的反射率的特点。
8. 热传导的基本定律，导热微分方程、热导率、热扩散率等基本概念9. 激光作用下非熔凝温度场的解析法（半无限大的判断、半无限大的判断依据、像热源处理边界问题方法、基模高斯光束、光束(TEM00＋TEM01)、矩形均匀光束、任意分布光束等的热作用10、有限差分计算激光作用温度场的基本思想11、工业用的典型固体激光器与气体激光器的比较与发展趋向12、试叙述激光相变硬化的主要机制和激光相变硬化的两个主要条件。
13、激光淬火区横截面为什么时月牙形？在此月牙形区相变硬化有什么特点？14、在激光表面淬火中需要光束的光强分布尽可能均匀，你知道几种能使光束光强分布均匀的措施和方法。
15、在目前激光表面淬火中常对工件进行黑化处理，为什么？常采用的方法有哪些？16、试叙述激光表面熔覆与表面合金化的异同。
17、激光表面熔覆与表面合金化的对合金粉末有什么要求，各自有什么差别。
18. 激光毛化的原理和技术19 试叙述激光深穿透焊接的主要机制，并说明与激光热传导焊接的主要异同。
20在激光深穿透焊接中，何谓壁聚焦效应？21. 激光焊接的净化效应，分析激光焊接的接头质量有可能高于母材的原因。
22、试分析激光深穿透焊接的过程，光致等离子体的产生，对焊接的影响及抑制等离子体的措施23. 激光焊接和激光熔覆过程裂纹产生的原因，如何消除裂纹的产生。
激光与物质相互作用课件
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。
激光与物质相互作用
激光与物质相互作用是一个极其广泛的研究领域，涉及到光学、物理、化学、医学等多个学科。
本文将从激光的基本性质、激光与物质的相互作用、激光应用等方面进行探讨。
一、激光的基本性质激光是一种特殊的光，与一般光有很大的不同。
它是指在一个封闭的光学腔中产生的光，具有高度的单色性、方向性和相位激发性。
这种特殊的光源可以通过控制光的频率、功率、径向模式和纵向模式等特性，产生不同的光束。
激光通常由三个基本部分组成：激光受体（激光介质）、激发体（激光泵浦源）和光腔。
激光受体是一种特殊的物质，通常是晶体或气体，可以在泵浦源的激发下产生光。
激发体则是提供能量的源头，常见的泵浦源包括闪光灯、电子束、激光二极管等。
光腔是一个空腔，它包含了激光受体和激发体，并用来引导光束，保证激光稳定输出。
二、激光与物质的相互作用激光与物质的相互作用是指激光辐射与物质发生的相互作用。
具体来说，激光辐射会引发物质内部的原子、分子、离子等进行相应的反应，从而改变物质的性质和行为。
一般来说，激光与物质的相互作用主要包括两种形式：线性光学和非线性光学。
线性光学是指激光在物质中传播时，遵循麦克斯韦方程组的规律，不会改变激光本身的性质。
而非线性光学则是指激光辐射与物质相互作用时，会引发一些非线性效应，例如激光飞秒脉冲、倍频、和频、差频、自聚焦等。
激光与物质的相互作用在实际应用中有很广泛的应用。
例如，激光切割、激光打标、激光焊接等都是利用激光与物质的相互作用产生的物理效应，实现材料加工和标记等目的。
此外，激光还可以应用于化学、医学等领域，例如激光手术、激光疗法等都是利用激光与生物组织的相互作用，达到治疗和诊断的效果。
三、激光的应用激光在现代科技中应用广泛，不仅有创造性的科学研究价值，而且已成为许多高技术产业的核心元器件，涉及到航空、航天、军事、医疗、工业制造等领域。
以下是一些典型的激光应用举例：1.激光材料加工由于激光具有高能量、高单色性等特点，因此它在材料加工领域中得到了广泛应用。
激光与物质相互作用复习大纲
1、从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？答：（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。
（2）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。
（3）亮度极高：能量密度高。
（4）相关性好：获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。
总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。
2、什么是焦深，焦深的计算及影响因素？答：光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。
光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比，与w12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。
3、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？……..答：波长、温度、材料表面状态波长越短，金属对激光的吸收率就越高温度越高，金属对激光的吸收率就越高材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。
在目前激光表面淬火中常对工件进行黑化处理，为什么？答：提高材料对激光的吸收率4、简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？答：基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。
应用：激光切割、打孔、焊接等。
高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。
应用：激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。
5、试叙述激光相变硬化的主要机制。
答：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件内部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向内部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。
激光与物质相互作用课件
• 第五节 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 恒定律推得
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!!原因
在于沸点比熔点高得多？？而且气化潜热比熔融 潜热要大一个数量级？？
• 四．二激光在等离子体中的传播和吸收
四．二．一激光在等离子体中的传播
• 激光产生的等离子体的电子密度通常是不均匀的!! 激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向一致 时称为正入射!!否则称为斜入射？？
• 激光电场强度E的方向称为激光的极化方向？？如果激光 是线极化的!!且极化方向处于激光传播方向和等离子体电 子密度梯度方向组成的平面内!!这种情形称为P极化!!极化 方向和这个平面垂直的情形称为s极化？？
• 第四章 靶表面激光等离子体产生与发展
如果蒸气粒子继续吸收激光能星、温度继续升 高？？最后将导致蒸气分子电离!!形成一种高温度 高密度的状态·一等离子体？？本章将从蒸气的电 离、saha方程、流体动力学等角度去揭示等离子 体的点燃机理？？
四．一 等离子体的特性和产生机制
四．一．一等离子体的特性
特别当饱和气化时!!蒸气压力与环境气体压力平衡!!离开 靶面的粒子数与返回靶面的粒子数相等!!呈现动态平衡？？ 饱和气化时其平均速度为零!!表现为气态半空间中的麦克斯 韦分布
当蒸气压力大于环境压力、出现非饱和气
化时．相界面附近蒸气粒子平动态不平衡!! 离开的粒子数多于返回的!!粒子之间经过若 干个平均自由程的相互碰撞后才逐渐达到 平衡!!形成宏观状态一致的蒸气流？？因 此!!相界面附近有一个很薄的介质密度间断 区!!也是蒸气粒子由平动不平衡变为平衡的 过渡区!!称为克努森层？？
激光原理与激光技术目录
目录 第一章 激光基本原理 第二章 辐射场与物质的相互器的稳态工作特性 第五章 光学谐振腔的基本理论
第六章 平行平面腔 第七章 稳定球面腔 第八章 高斯光束 第九章 调Q技术 第十章 锁模技术 第十一章选频、 第十一章选频、选模和稳频技术
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
激光与材料相互作用机理研究
激光与材料相互作用机理研究一、概述激光与材料相互作用机理研究是材料科学领域中的一个重要研究方向。
激光加工技术在制造业中越来越受到重视，因为它具有质量高、效率高、可控性好等优点，被广泛应用于航空制造、汽车制造、电子设备等领域。
在激光加工过程中，激光再材料中的相互作用是一项关键的技术问题。
因此，深入研究激光与材料相互作用机理对于提高激光加工的质量和效率具有重要意义。
二、激光与材料相互作用的基本原理激光与材料相互作用的基本原理是光与物质之间的相互作用。
光在与材料相互作用时会被吸收、反射、散射等，并通过热传导、热辐射等方式作用于材料中，从而导致材料的物理和化学性质发生改变。
激光与材料相互作用的过程可以分为以下几个阶段：1. 光与材料的相互作用：当激光与材料相遇时，光子将能量传递给材料，使其进行状态变化。
2. 吸收过程：材料中的分子吸收光子能量，使它们从基态或低能量状态转变为高能量在态，在此过程中，物质发生热膨胀和蒸发。
3. 热传导和热辐射：被激发的材料分子通过热传导和热辐射方式传递能量。
4. 热损耗：材料受到激光照射后，内部吸收的能量不断积累，超过其耐受的极限，便会发生熔化、汽化、严重的塌陷等不同的物理和化学反应过程。
5. 材料剥落：材料剥落是指激光能量传递到物体表面后，材料出现爆炸性膨胀和极端量热反应，瞬间使物体表面形成高压气体。
此时，材料表面逐渐形成锥型孔洞，并随着气浪的爆发产生的物理冲击力，最终导致材料剥落。
三、激光与材料相互作用机理的影响因素1. 光学特性：光学特性是指材料吸收、散射、反射、透射激光的能力。
不同材料的反射率和吸收率不同，因此激光与材料相互作用过程中其产生的影响也不同。
2. 材料特性：不同材料的熔点、硬度、热导率等物理性质不同，因此激光与材料相互作用的过程中也会产生不同的影响。
3. 激光特性：激光的波长、能量密度、相干性等特性也会影响激光与材料相互作用过程中所产生的反应效果。
四、激光与材料相互作用应用激光具有高能量、高精度、无污染等特点，因此在制造业、医疗和科学研究等领域中，激光与材料相互作用技术正在不断应用和发展。
激光科学中的光与物质相互作用
激光科学中的光与物质相互作用激光科学是一门研究激光产生、传输、控制和应用的学科，在现代科技中发挥着非常重要的作用。
而光与物质相互作用则是激光科学中非常关键的一部分，因为它是激光与实际应用之间的桥梁，可以被广泛应用于生物医学、纳米科技、环境保护等多个领域。
本文将探讨激光与物质的相互作用，介绍光与物质交互中的一些基础概念，以及这些概念在实际应用中的具体应用。
光与物质的交互作用有很多种，其中最重要的一种是吸收，即物质内部分子吸收光子的能量，并将其转换为分子内部能量和动能，从而引起分子的跃迁和损耗。
当光的波长与被照射的物质的分子间的能量相等时，光就会被吸收，而分子则将吸收到的能量转换为热能或其他能量形式。
这样，就可以利用光谱技术来检测物质的成分及其含量。
除了吸收，光和物质之间还有其他重要的交互作用方式。
例如，光可以与物质的表面相互作用，反射、散射或穿透等。
这种相互作用可以用来测定物体表面的形态和结构，并可以被应用于光学成像和遥感等领域。
此外，激光还可以对物质进行基于光束和物质的相互作用的光化学反应。
例如，在工业制造中，激光用于制造高精度微型零件或用于制造高精度图形和数字化设计，能使生产过程更加精确、高效、环保。
近年来，激光在生物医学领域也有了广泛的应用。
光与标记光子结合起来，可以快速高效地识别细胞恶性肿瘤的位置，为病人提供更好的治疗方案。
激光还可用于通过加热前列腺、子宫内膜和其他组织中的肿瘤细胞来治疗恶性肿瘤。
此外，激光还可以透过肌肉、骨骼和脑组织，为医生提供更好的内部图像，以协助医生进行手术治疗。
因此，激光在生物医学领域中的应用前景非常广泛，为病人带来福音。
除了生物医学领域外，激光在纳米科技领域也有着广泛的应用。
通过微纳加工技术，利用激光能够量子隧穿效应和光电子效应的特性，将光打入纳米结构中，通过物理和化学方法控制光的传输和吸收，进而实现控制和改变材料的性能、结构及其性质。
这些技术可以用来制造各种微型零部件和纳米系统，为微纳机电领域提供了诸多的应用。
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
激光与物质相互作用的原理研究
激光与物质相互作用的原理研究激光科技在我们生活中已经发挥着越来越重要的作用，而人们对于激光技术的兴趣也随之升温。
那么，激光与物质相互作用的原理又是什么呢？一、光子的基本原理光子是光的基本单位，在光与物质相互作用时光子起着至关重要的作用。
在激光技术中，由于激光光束的能量较高，光子的数目也相对较多，因此光子与物质相互作用时所带的能量也更大。
当光子与物质相互作用时，光子的能量会转移给物质，而导致一系列的化学、物理反应等。
二、物质的基本原理物质是由分子或原子组成的，而分子或原子之间间距较小且有相互作用力。
当激光光束与物质相互作用时，光子会将能量传递给物质中的分子或原子，使其分子或原子的运动状态发生改变。
三、激光与物质相互作用的过程激光与物质相互作用的过程一般包括以下几个方面：1、光的吸收。
激光打在物质表面上，光子会被物质表面吸收，其中一部分光子被物质吸收后能量被转换成热能释放出来，这种过程称为热吸收过程。
2、反射。
当激光打在物质表面时，光子有一部分会被物质表面反射回来，其中一部分日后的能量也会被物质表面吸收，这种过程称为漫反射。
3、透射。
当激光打在物质表面时，光子有一部分会穿过物质表面，这种过程称为透射。
4、发射。
当物质被激发时，物质中的分子或原子会吸收光子并将其激发，产生发射光子的现象。
这种现象称为原子、分子或物质的发射过程。
四、激光技术的应用了理论基础，也使激光技术应用更加广泛。
激光技术已经在许多领域得到广泛应用，如激光切割、激光打印、激光治疗、激光显示等等。
激光切割是指利用激光技术，将所需切割或加工的物体表面通过光子能量的剪切作用进行切割加工。
激光打印是应用激光技术制作各种图案或文字，常见于标识、广告、海报等制作。
激光治疗指将激光技术应用于医疗上，由于激光的微切割和光照射等效应，可以对人体疾病的诊断和治疗起到一定的作用。
激光显示是指通过激光技术制作出各种显示设备，包括投影仪、激光扫描仪、激光显示器等等。
激光与物质相互作用理论
本书的第五章至第七章主要介绍了激光与物质相互作用的应用。其中，第五 章介绍了激光在材料加工领域的应用，如激光切割、激光焊接等；第六章则主要 介绍了激光在生物医学领域的应用，包括激光医学、生物光子学等；第七章则主 要探讨了激光在环境科学领域的应用，如激光雷达、激光光谱学等。
本书的第八章至第十章主要介绍了激光与物质相互作用实验中常用的技术和 仪器。其中，第八章介绍了实验所需的硬件设备，如激光器、光学系统等；第九 章则着重于实验数据的采集和分析方法；第十章则主要介绍了实验过程中的一些 技巧和注意事项。
《激光与物质相互作用理论》是一本对激光与物质相互作用领域具有重要参 考价值的书籍。无论是对于从事该领域研究的科研人员，还是对于对该领域感兴 趣的学生和学者，这本书都具有很高的阅读价值。通过阅读这本书，读者可以深 入了解激光与物质相互作用的基本原理和应用前景，掌握相关的实验技术和仪器 使用方法。本书的目录结构也为读者提供了一个清晰的思路和框架，有助于更好 地理解和掌握书中的内容。
本书介绍了激光与物质相互作用的基本物理原理，包括光的吸收、散射、透射等基本现象，以及 这些现象背后的量子力学和经典物理学的理论解释。这些理论为后续的讨论提供了基础。
接下来，本书深入探讨了激光与原子、分子及固体的相互作用。其中，重点讨论了激光与原子和 分子的相互作用，包括激光激发、电离、解离等过程，以及这些过程中产生的各种现象，如共振、 多光子吸收、非线性光学等。本书还详细介绍了激光与固体材料的相互作用，包括热力学性质、 光学性质以及相变等方面的讨论。
然后，本书进一步探讨了激光在材料加工、医学诊断和治疗以及科学研究等领域的应用。
在材料加工方面，本书介绍了激光切割、激光打标等工艺；在医学诊断和治疗方面，本书介绍了 激光在皮肤科、眼科、神经科等的应用；在科学研究方面，本书介绍了激光在物理、化学、生物 等领域的应用。
材料科学中激光与物质相互作用的机理
材料科学中激光与物质相互作用的机理激光技术在当今的现代科学中发挥着越来越重要的作用。
尤其在材料科学中，激光技术为研究材料的物理、化学、结构与性能等方面提供了许多新的研究方法，促进了材料科学的快速发展。
所以，深入探究材料科学中激光与物质相互作用的机理，对于加深对材料的认识，提高材料的性能，具有重要的意义。
激光是一种以高强度、高单色性、高相干性的光束作为工具，进行精密加工的技术。
它在材料科学中应用十分广泛。
激光对材料的作用主要通过激光与物质相互作用来实现。
那么，激光与物质相互作用的机理是什么呢？激光与物质相互作用的机理主要涉及激光照射下光与物质相互的吸收、反射、透射、散射等过程。
激光光束在材料表面或内部聚焦后，能量密度极高，瞬间加热物质，由此产生光化学效应和热化学效应。
光化学效应是指激光在材料表面或内部的相互作用中，激发物质发生反应或分解。
当激光穿透材料时，部分能量被物质吸收，让其温度升高。
此时，高等电子激发跃迁，能带结构发生变化，从而改变原子、分子的构型、状态等。
这时，物质的化学反应便是光化学效应的一种。
比如，激光脱附效应是将材料表面吸附的分子通过激光引发的局部加热而去除。
这种效应广泛用于纳米材料的制备。
同时，也有被广泛用于光催化、光治疗等领域。
另外，激光还会通过热化学效应影响材料。
当激光高能量聚焦在材料上时，材料瞬间产生极高温度（数千摄氏度），并产生大量的热能。
由于这种高温状态下的短暂过程，产生了高温熔融、凝固、沉积等过程。
比如生产中通常采用激光切割材料。
激光在材料表面或内部形成的高能量损伤区域，对材料表面或内部快速加热，导致区域内的物质在高温下蒸发和溢出，从而实现了激光切割的目的。
激光切割主要应用于工程陶瓷、金属、半导体、光学玻璃等材料的精密加工。
总之，探究材料科学中激光与物质相互作用的机理，对于加深对材料的认识，提高材料的性能具有重要的意义。
在日后的实践中，科学家们将通过深入研究，推动激光技术在材料科学中的应用，促进材料科学的可持续发展。
激光与物质相互作用第二讲基础1
利用激光准直仪可使长 为2.5km的隧道掘进偏差 不超过16nm.
手电筒的光射到～m处， 扩展成很大的光斑。
激光准直、导向和测距就是利用 方向性好这一特性。
对加工的意义： d f
发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力 密度高。
（2） 单色性好
设计：李波
激光的单色性比普通光高 倍10. 10
单色性最好的氪灯Kr86 Δ=4.7×10-3 nm
高次谐波的产生与叠加
1.4 频谱特性
波长、谱线宽度和轮廓等
常用激光器波长表
激光器名称
介质
光频数
N2 He-Ne 红宝石Cr3+ Nd：YAG(掺钕的钇铝石榴石) Nd:YLF(Nd:YLF(掺钕氟化钇锂) Nd:YLF(Nd:YLF(掺钕氟化钇锂)
CO2 Ho：YAG（钬激光） Ho：YLF（钬激光）
设计：李波 圆形拉盖尔高斯光束
平凹腔的数值计算
设计：李波
计算的光束质量参数
E、光束的聚焦
设计：李波 聚焦半径
rfoc f 0
焦深：
掌握聚焦半径、焦深与透镜焦距、光束本身参数的关系
不同焦距
设计：李波
设计：李波
不同光斑大小
设计：李波
设计：李波
不同光束质量
设计：李波
1.2 光束的空间特性小结
0
0
（c）二阶矩阵定义： 首先定义光束的重心
设计：李波
B、光束传输与特征参数的定义
设计：李波
高斯光束传输公式： Z0：束腰位置； W0：束腰半径；
：远场发散角
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
激光与物质相互作用的物质基础
激光与物质相互作用的物理基础2. 激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。
近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。
激光是一种特定介质（如红宝石、钇铝石榴石或CO2）在电、光或者其他能量的激发下反复振荡、放大后射出的一束光子流。
这束光子流波长单一（单色性好），发散角小（方向性好），具有相干、高能、高亮度等特性，经聚焦后可达到很高的功率密度（106～1012W/cm2），用它做热能源，对材料或者零件可以进行高效率、高精度的加工。
激光与物质的相互作用是激光加工的物理基础。
因为激光首先被材料吸收并转化为热能，才能用不同功率密度或能量密度对其进行加工。
当激光作用到被加工材料上，光波的电磁场与材料即会产生相互作用，这一相互作用过程主要与激光的功率密度、激光的作用时间、材料的密度、材料的熔点、材料的相变温度、激光的波长和材料表面对该波长激光的吸收率、导热率等有关[11]。
一、激光与物质相互作用物理过程高功率激光光束作用于物体表面时，物体表面将吸收大量的激光能量，引起温度升高、熔化、气化和喷溅等现象。
具体过程依赖于激光参数（能量、波长及脉宽等）、材料特征和环境条件。
当激光的作用时间较短，功率密度较低，为103～104W/cm2时，大部分入射光被吸收，材料温度逐渐升高，这种情况下，一般只能加热材料，不能熔化和气化材料，如图2-1a)所示；当激光的功率密度升高到104～106W/cm2时，温度达到材料的熔点，材料开始熔化，形成熔池，如图2-1b)所示；当激光的功率密度升高到达106～108W/cm2时，达到材料的气化点，材料开始气化和蒸发，形成等离子体，如图2-1c)所示；再进一步提高激光功率密度到108W/cm2以上，并加长辐射时间，此时材料表面强烈气化，形成较高电离度的等离子体，一方面它阻碍了激光对材料的辐射，另一方面在较大的气化碰撞压力下，材料表面生成小孔，增强了材料对激光的吸收，如图2-1d)所示[23]。
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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
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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
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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，
聚焦球差小
7
（3）亮度极高
设计：李波
激光是当代最亮的光源，只有氢弹 爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。 太阳光亮度大约是103瓦／(厘米2.球面 度)，而一台大功率激光器的输出光亮 度经太阳光高出7～14个数量级。
设计：李波 聚焦半径
rfoc f 0
焦深：
掌握聚焦半径、焦深与透镜焦距、光束本身参数的关系
编辑课件
20
不同焦距
设计：李波
编辑课件
21
设计：李波
编辑课件
22
不同光斑大小
设计：李波
编辑课件
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设计：李波
不同光束编质辑课件量
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设计：李波
1.2 光束的空间特性小结
A、光束半径定义 B、光束传输与特征参数的定义 C、光束传输因子K与衍射倍率因子M2 D、横向模式 E、光束的聚焦
光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章
的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。
激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从激
光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把
它们会聚到一点上，把能量高度编辑课集件 中起来。
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设计：李波
小结
（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力 密度高。
利用激光准直仪可使长 为2.5km的隧道掘进偏差 不超过16nm.
手电筒的光射到～m处， 扩展成很大的光斑。
激光准直、导向和测距就是利用 方向性好这一特性。
对加工的意义： d f
发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力
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密度高。
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（2） 单色性好
设计：李波
激光的单色性比普通光高
倍10. 10
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一、激光束的特性与描述
设计：李波
思考题
1、从激光束的特性分析，激光束为什么 能用于热加工，对激光与物质相互作用 有什么益处？
2、如何理解M2因子是一个不变量？
3、理解聚焦半径、焦深之间的关系，如 何应用？
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1.1 激光束的特点
（1） 方向性好 （发散角～10 -4弧度）
设计：李波
一束激光射到～38万km的月 球上，光斑的直径只有～ 2km
普通光源的缺陷：增大相干面积、相干长度与增大相干光强是 矛盾的！
激光光源：是把大的相干光强与好的相干性结合起来的强相
干光源。
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激光相干性
设计：李波
时间相干性好（～10 - 8埃），相干长度可达几十公里。
空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。
普通光源的光是向四面八方发射的，光能无法高度集中。普通
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激光的能量在空间上、在时间上高度集中
设计：李波
光能量不仅在空间上高度 集中，同时在时间上也可 高度集中，因而可以在一 瞬间产生出巨大的光热。
在工业上，激光打孔、切割和焊接。 医学上视网膜凝结和进行外科手术。 在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的 测量和卫星大地测量。 在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光 武器
（2）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。聚焦色 差小。
（3）亮度极高：能量密度高，能量光电子的应用基 础。材料加工、医疗、武器等。
（4）相关性高：获得高的相关光强，从激光器发出 的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用 透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。
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1
提纲
一、激光束的特性与描述 二、材料对激光的反射与吸收 三、激光作用材料的能量传输 四、本章小结
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设计：李波
2
一、激光束的特性与描述
1.1 激光束的特点 1.2 激光束的空间特性 1.3 激光束的空间特性 1.4 激光束的频谱特性 1.5 激光束的偏振特性
设计：李波
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3
激光
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1.3 时间特性
设计：李波
激光束可分为连续激光和脉冲激光； 脉冲激光主要参数包括脉冲波形和宽度、脉冲频率、峰值功率、
上占总功率（能量）86.5％处二点间距离之半定义束
宽 86.5%
8.5 6%Ir()rd ＝ 8 r.5 6%Ir()rdr
0
0
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（c）二阶矩阵定义： 首先定义光束的重心
设计：李波
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14
B、光束传输与特征参数的定义
设计：李波
高斯光束传输公式：
Z0：束腰位置； W0：束腰半径；
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（4） 相干性好
设计：李波
（a）时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场 特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。
描述时间相干 ①相干时间：
c
性的等效物理 量：
②相干长度：
Lc
③谱线宽度：
Lc
cc
c 1
（b）空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性 的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。
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1.2 激光束的空间特性
设计：李波
A 光束半径 （a） 1/e2 定义：对于旋转对称光束，在光强（光功率
密度）分布曲线I(r)上（r为径向坐标），最大值Imax
的1/e2 处二点间距离之半定义为束宽 e
I（ e）I＝ ma/x e2
（b） 86.5%环围功率（能量）：即光强分布曲线I（r）