2019激光与物质相互作用第一讲序论

3.2 课程特色
➢ 交叉性强：与材料、物理、生物等学科交叉，培养 学生的综合思考能力；
➢ 时代性强：结合当前学科发展动态，将最新的科研 成果融入教学中来；
➢ 启发式教育：培养学生的创新能力；
➢ 信息量大：扩大学生的知识面；
➢ 通俗易懂：配合采用图片、动画、视频等多媒体技 术来讲解。 2020/6/14
2020/6/14
三、课程相关信息
3.1 课程目的
➢ 从事基础理论研究；
➢ 解决应用问题；
➢ 通过本课程的学习，使学生掌握激光与物质相互作用过程中的物 理基础，了解其相关应用，能解释和解决激光应用过程中产生的 现象和问题，为从事激光技术、激光加工、激光合成新材料、激 光2军020事/6/1应4 用与激光生物医学等研究与工作打下良好的基础。
飞秒激光微加工 ——MEMS新技术
2020/6/14
2.8 高功率脉冲太赫兹 光源
频率：0.1THz –10 THz（ 0.03 mm – 3 mm)
解决太赫兹技术应用 瓶颈：高功率光源
2020/6/14
2.9 激光冷却与原子 捕获
z
光学粘团 y
原子吸收光子，动量减小
x
1985年贝尔实验室的朱隶文小组用三对方向相反的激光束 照射钠原子，6束激光交汇处的钠原子团被冷却，温度达到 240k。 2019年朱隶文，塔罗基，和菲利普斯因此而获 诺贝尔物理奖
2020/6/14
(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
2020/6/14
1.2 为什么学习激光与物质相互作用
(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
20激20/6/光14 与物质相互作用是激光应用的重要基础。
2020/6/14
序论
一、激光与物质相互作用概述 二、激光与物质相互作用的发展
三、课程相关信息
2020/6/14
一、激光与物质相互作 用概述
2020/6/14
激光熔覆系统与工艺
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（LASER） 辐射受激发射光放大（激光）
2020/6/14
b.激光深熔焊原理 （高功率密度）
激光熔化焊接应用
汽车安全气囊
20金20/6刚/14石锯片
金刚石钻头
2.3 激光气化及应用（ 1）
Hale Waihona Puke Baidu
激光照射材料 材料熔2020化/6/气14 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
2020/6/14
超快超强激光及应用
超高速探测—飞秒化学
使人类第一次在原子和电子的层面上观察到 这一超快运动过程。
2019年诺贝尔化学奖授予埃及和美国双重国籍的物理化学和化 20学20/物6/14理学家Ahmed H.Zewail
2020/6/14
高次谐波以及阿秒脉冲的产生
超快激光精密微制造
2020/6/14
nozzle
Gas flow Cutting slot
Assistant gas
Space between nozzle & workpiece
2020/M6/1e4lt material
2.4 激光化学与立体光 造型
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。
1.1 激光与物质相互作 用定义
什么是激光与物质相互作用？ 激光束投射到物质表面（
或内部）时，部分能量被反 射，部分被吸收，部分被传 递出去，光能以电子和原子 的振动激发形式被吸收，从 而发生能量的转移与传递， 能量转移与传递引起各种物 理、化学和生物等效应与过 程，从而由此引出了很多新 的应用。
美籍华人朱棣文、美国的菲利普斯、法国的塔罗基
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 2020/6/14 出青年研究奖”。
2019：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
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。
钢轨激光表面强化
激光照射材料
材料反射与吸收
温度快速升高
奥氏体2020转/6/变14
快速冷却
马氏体转变
2.1 激光升温与相变应 用（2）
太阳能应用
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
2020/6/14
大尺寸多晶太阳电池板装置
2.2 激光熔化
a. 热导焊基本原理 （低功率密度）
激光等离子体及应用2--冲 击强化
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
2020/6/14
激光等离子体及应用3—激 光推进
高效率、低成本发射微纳卫星； 卫星轨道维持及变轨
2020/6/14
激光等离子体应用－激光推进
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
激光与生物医学
激光美容 激光手术 2020/6/14
激光矫正近视
2.7 超快超强激光 特性
超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种 独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括 为三个方面：
➢ 超快领域内的应用 ➢ 超强领域内的应用 ➢ 超微细加工中的应用
飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断 的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相 机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分 析、记录下来。
2020/6/14
飞秒激光用于超微细 加工
超短、超强和高聚焦能力是飞秒激光的3大特点。 飞 秒激光脉宽可短至4 fs(1 fs=10-15 s)以内，峰值功率高 达拍瓦量级(1 Pw=1015w)聚焦功率密度达到1020-1022 W／cm2。飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地 集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、 塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它 激光加工无法比拟的优势：①耗能低，无热熔区，"冷" 加工；②可加工的材料广泛：从金属到非金属再到生物 细胞组织，甚至是细胞内的线粒体；③高精度、高质量、 高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限； ④对环境没有特殊要求，无污染。
2020/6/14
二、激光与物质相互作 用的发展
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。
2020/6/14
2.1 激光升温与相变应 用（1）
轧辊激光表面相变硬化
3.3 基本教学内容与学时 安排（2）
第四章 光致等离子体及应用（8学时）
4.1 等离子体的特性及产生
4.2 激光与等离子体中相互作用
4.3 等离子体的诊断技术
4.4 激光等离子体力学效应及应用
第五章 超快超强激光与物质相互作用及应用（4学时 ）
2019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20水20/蒸6/1气4 凝结为水滴。
2.6 激光与生物医学
激光生物医学
激光光谱
2020/6/14
(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
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
2020/6/14 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）
2019：激光冷却、 捕获原子
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。
2020/6/14
2020/6/14
《物理评论聚焦》2019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
2019，获得国家科 技进步一等奖
2020/6/14
飞秒激光在超强领域中的应用(又称为强场物理)归因于具有 一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。这样 的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容 易地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒激光是研究 原子，分子体系高阶非线性、多光子过程的重要工具。与飞 秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强 光可以用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以用于受 控核聚变的研究。
熔凝材料、等离子体、生物组织等
(b) 物质特性：
2020/6/14
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
(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
2020/6/14
(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
2.5 激光作用等离子体
2020/6/14
激光等离子体模拟
particle electron density
fluid temperature
2020/6/14 electric field
magnetic field
激光等离子体及应用1--沉 积薄膜
2020/6/14
脉冲激光沉积光电功能薄膜材料
3.3 基本教学内容与学时 安排（1）
第一章 绪论（2学时） 第二章 激光与物质相互作用基础（4学时）
2.1 材料的吸收 2.2 激光热源模型及温度场 第三章 激光辐照下的热效应及应用（8学时） 3.1 激光相变及应用 3.2 激光熔化及凝固 3.3 激光气化及应用 3.4光化学与热化学作用
2020/6/14
临床治疗
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。
医学测量和诊断 显微外科手术
激光聚焦照射并摧毁活细胞体内 的某个区域；激光诱导细胞融合；激光 裁剪DNA生物大分子等。
2020/6/14
激光多普勒流速计可以
用非接触地法测量血流速度； 激光流式细胞计技术能对大 量细胞的多项指标进行快速 测定；激光光谱分析法大大 提高了分辨率、灵敏度；激 光全息、激光透照等有独特 的检查效果。
产生
a)
c) b)
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
2020/6/14
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
激光束
平行的 单色的 相干的
激光是一种能在空间上 和时间高度集中的电磁 波。
(b)--激光技术的发展
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。
2020/6/14
(c)—课程体系的延续
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
2020/6/14
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 水冷套 聚焦透镜 垫圈 (a) 激光束的空间特性 喷嘴套 (b) 传输与聚焦方式 大喷嘴 小喷嘴
2020/6/14
(3) 作用对象：物质
透明、不透明 (a) 物质类型： 金属、非金属