飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展

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激光与晶体的相互作用研究

激光与晶体的相互作用研究作者：刘雪华王林杰吴迪来源：《知识文库》2020年第10期研究激光与晶体的相互作用，既可以提供激光在晶体加工领域的理论支持又能推进激光在各个领域内的应用，还能分析和完善激光与晶体的相互作用的机制。

本文综合论述了激光与各种晶体物质之间的相互作用，以及相互作用发生的运行规则和原理，浅析多光子离化和等离子吸收激光能量等非线性现象，并通过经典的光学模型阐释激光与晶体之间的作用的应用前景。

晶体材料因其特殊的光电和机械性能被广泛应用到激光光电子技术、高能物理、家用电器等多个领域，在信息技术产业中发挥了支柱作用，众多学者越来越关注有关激光与晶体间相互作用所引发的结构和性能变化的研究。

1.1 激光技术的发展历程和评述早在1916年，伟大的物理学家爱因斯坦就提出了一套光与物质相互作用的全新技术理论。

1958年，诺贝尔物理学奖获得者肖洛和汤斯发现，当一种物质受到与它自身震荡频率相同的能量激发时，能够产生高轻度和高平行度的不发散的强光，这种实现光放大的强光就是激光。

直至1960年，随着世界第一个红宝石激光器的诞生，激光引起了科学界的强烈反响，吸引了世界各国科学实验室的广泛关注和研究，人们投入了更多的精力研究物质间的相互作用，取得的科研成果很快地应用到物理、化学等各项科学技术中去。

我们可以运用激光进行各种材料的精加工，除了激光打孔、焊接、热处理等常见的技术外，还可运用到3D打印新技术，比如通过激光打印技术打印出金属造的人体骨骼造福人类。

1.2 激光与晶体材料间相互作用的理论基础激光与晶体材料的相互作用的理论基础包括非线性光学、激光光谱学和及光化学，这些理论完整阐述了激光与晶体的相互作用的特点和性质，是研究激光与晶体的相互作用的重要理論基础和研究手段。

激光与晶体材料的相互作用的物理基础是晶体对激光的吸收。

当晶体处在激光光场中时，由于晶体的折射率较大，某些光线因为反射发生180度的相变，剩下的光线进入晶体本身，能量发生递减。

飞秒激光技术在材料加工中的应用

飞秒激光技术在材料加工中的应用飞秒激光技术是目前材料加工领域中最为炙手可热的一项技术。

飞秒激光具有高能量、高速度和高精度等特点，可以实现对材料的微观加工和细节修整，因此在医学、工业、科学研究等领域中有着广泛的应用。

在本文中，我们将会探讨飞秒激光技术在材料加工中的应用及其优点。

一、飞秒激光技术介绍飞秒激光技术是一种利用飞秒脉冲的高能量激光进行加工的新兴技术。

相比于传统激光，飞秒激光的脉冲时间极短，通常为几百飞秒，即1秒钟内脉冲数达到10的15次，这使得飞秒激光可以实现对材料的微观加工和细节修整。

由于飞秒激光具有极高的能量和速度，能够产生极高的温度和压力，使得材料发生蒸发、熔化等现象，进而实现对材料的切割、二次加工等操作。

同时，由于脉冲时间非常短，飞秒激光加工可以有效避免材料的过度加工和热扰动，从而提高了加工的质量和效率。

二、飞秒激光技术在材料加工中的应用1.微处理飞秒激光在微处理领域中有着广泛的应用。

例如，可以利用飞秒激光切割和打孔微型管道和细长管道，这对于微流体方面的研究和应用有着重要的意义。

同时，飞秒激光还可以实现对一些复杂的微器件和微结构的制造，例如微型精密光学器件、微机械器件等。

2. 二次加工由于飞秒激光加工可以实现对材料的微观处理，因此在二次加工方面有着特殊的优势。

例如，飞秒激光可以用于对材料表面的图案化处理、雕刻以及微观结构的制造等，这对于材料的表面功能化和优化等方面应用具有广泛的应用价值。

3. 切割加工飞秒激光在切割加工方面也有着广泛的应用。

传统激光加工往往因为焦点位置的不稳定和束斑大小的变化等问题而导致加工的质量不稳定，而飞秒激光可以有效解决这一问题，实现对材料的高精度切割加工。

三、飞秒激光技术的优点1.高精度飞秒激光可以实现对材料的微观加工和细节修整，具有极高的加工精度。

由于脉冲时间非常短，也可以避免因为加工时间过长而导致的材料变形等问题，进一步提高了加工的精度和质量。

2.高速度在一些大批量制造的加工场合中，飞秒激光技术具有明显的优势。

飞秒激光技术在科学研究中的应用

飞秒激光技术在科学研究中的应用作为一种新兴的光学技术，飞秒激光技术因其超快速的响应和微小的光学波长而备受瞩目。

在过去的二十年里，飞秒激光技术在材料科学、化学、生物等多个领域都有广泛的应用，成为近几年来最受欢迎的研究工具之一。

本文将介绍飞秒激光技术在科学研究中的应用，并对其未来的应用前景进行展望。

一、飞秒激光技术的基本原理首先需要了解飞秒激光技术的基本原理。

飞秒激光技术是一种超快速的激光技术，其激光脉冲的持续时间仅为飞秒级别，即1秒内发生的次数为10¹⁵，因此也被称为超短激光技术。

飞秒激光技术以一定的泵浦能量输入样品光团，该能量非常的小，无法改变样品的温度，密度等基础性质。

但是，由于超快速的响应特性，飞秒激光与样品相互作用时会产生非常强烈的局部场，将样品加热到非常高的温度，并且经过短暂的时间就会冷却回去。

这一过程类似于一种“烤焦即焕新”的过程，即飞秒激光的微小功率集中于样品的局部区域，将其加温后再冷却，从而使材料的内部结构发生变化。

这样，飞秒激光技术就可以作为一种非常精确而有力的加工工具，将物质加热并产生非常短暂但高度能量密度的局部场，以实现样品上的各种操作。

二、飞秒激光技术在材料科学中的应用飞秒激光技术在材料科学中的应用十分广泛。

首先是在制造纳米器件方面的应用。

利用飞秒激光技术可以制造出非常细微的设备和结构，同时攻克了传统机械加工技术所面临的纳米尺度加工难题，具有更大的预测性和可控性。

这项技术广泛应用于半导体加工、微机电系统制造和纳米器件制造等领域。

另外，飞秒激光技术还可用于材料微观结构分析和表面改性，通过控制激光工艺参数、改变材料表面能量状态，改善材料的物理和化学性能。

例如，使用飞秒激光技术可以制造出非常精细的金属纳米结构，具有优异的可见光透过率和电学性能；同时，它还可以在不影响材料内部结构的情况下改变材料表面的形貌，从而实现材料表面的精密工艺处理，如通过制造非常细密的孔洞或精密的凹凸点阵等得到更多的物理或化学特性。

飞秒激光对单晶金刚石刀具表面的加工

飞秒激光对单晶金刚石刀具表面的加工1. 引言1.1 飞秒激光简介飞秒激光是一种以飞秒激光器为发射源的激光加工技术，其工作原理是利用超短脉冲激光在材料表面产生等离子体，通过等离子体产生的高能粒子对材料进行加工，具有加工精度高、热影响小、无热裂纹、高效率等优点。

飞秒激光的原理是利用飞秒激光器产生的极短脉冲激光，脉冲宽度在飞秒（即10^-15秒）量级，能量密度极高，可以在纳秒级别内完成材料加工。

飞秒激光可以实现微米级别的加工精度，适用于对材料进行高精度加工的领域。

飞秒激光在单晶金刚石刀具表面加工中具有重要意义。

金刚石是一种硬度极高的材料，常用于制作刀具等工具。

通过飞秒激光对金刚石刀具表面进行加工，可以提高刀具的耐磨性和耐磨性，延长刀具的使用寿命，提高刀具的加工精度和效率。

飞秒激光加工还可以实现对金刚石刀具表面的精细加工，满足对刀具表面精度要求较高的应用需求。

1.2 单晶金刚石刀具表面加工意义单晶金刚石是一种非常硬的材料，广泛用于制造刀具和磨具。

其硬度高、耐磨性好的特点使得单晶金刚石刀具在加工高硬度材料、超硬合金和非金属材料时表现出色，被广泛应用于精密切削、磨削和加工领域。

在单晶金刚石刀具制造过程中，表面的加工质量对刀具的性能影响尤为重要。

优良的表面质量可以提高刀具的耐磨性和切削性能，延长刀具的使用寿命，提高加工效率。

而飞秒激光作为一种先进的加工技术，具有高精度、无热影响区、无刀具磨损等优点，为单晶金刚石刀具表面加工提供了新的途径。

通过飞秒激光对单晶金刚石刀具表面进行加工，不仅可以实现高精度的加工要求，还可以改善刀具表面的质量和性能。

这对于提高刀具的加工精度、延长刀具的使用寿命具有重要意义，为提高加工效率和降低加工成本提供了新的可能性。

因此，研究飞秒激光对单晶金刚石刀具表面的加工意义重大，对于推动刀具制造技术的发展具有重要意义。

2. 正文2.1 飞秒激光在金刚石刀具表面加工的应用飞秒激光在金刚石刀具表面加工的应用是一种高精度、高效率的加工方法，由于其非热性加工的特点，能够有效避免材料的熔化、氧化和残留应力等问题。

飞秒激光技术在化学反应中的应用研究

飞秒激光技术在化学反应中的应用研究随着科技的不断进步和发展，新的机会和挑战不断涌现。

现代化学也不例外，飞秒激光技术的出现，使得化学研究有了更多的可能性。

而使用飞秒激光技术，可以更加深入的研究化学反应，探究反应机制、反应动力学等重要问题。

一、飞秒激光技术的应用飞秒激光技术是一种高新技术，其波长范围在纳米至亚纳米级别，时间尺度在飞秒至皮秒级别。

使用飞秒激光技术，可以实现对物质的高精度光学控制和探测，同时还能对物质的光学、电子、原子和分子间的相互作用进行研究。

目前，飞秒激光技术的应用范围非常广泛，例如在微加工、光子学、多光子共振成像、化学反应研究等领域有着广泛的应用。

尤其在化学反应研究中，飞秒激光技术被广泛应用于反应动力学、反应机制的研究。

二、飞秒激光技术在化学反应中的应用研究化学反应研究是化学领域中的重要方向之一，研究反应机制和反应动力学，对于实现所期望的反应条件、反应路径、反应速率等有着重要的指导意义。

可以说，化学反应的研究是化学发展的基础和保障。

在传统的化学反应研究中，化学反应的机理和速率往往是模糊的，难以观测，而使用飞秒激光技术，则可以清晰直观地观测到化学反应的机理和速率，从而深入探究其反应规律和机理。

1. 飞秒激光技术观测化学反应动力学化学反应的动力学研究是化学研究的一项重要内容。

在传统的化学反应动力学研究中，通常需要对化学反应中产物的浓度、反应物消耗速率等数据进行分析。

而使用飞秒激光技术，可以跟踪反应过程中分子内键键脆性的变化，直接测量反应的动力学参数，例如反应速率常数、激发态寿命等。

2. 飞秒激光技术探究化学反应机理化学反应的机理是反应动力学的基础。

在飞秒激光技术的帮助下，研究者们通过测量反应物和中间产物的振动频率、分子内脆性、单独反应步骤等参数，探究了众多化学反应的机理。

例如，在石墨烯制备中的反应机理研究中，飞秒激光技术被广泛应用。

研究人员可以通过飞秒激光的 impulsive Raman spectroscopy 技术，实时地测量二氧化碳和氢气在钯催化剂上的反应过程。

飞秒激光3D打印的研究与应用

飞秒激光3D打印的研究与应用随着3D打印技术的不断发展，越来越多的行业开始应用3D打印技术。

尤其是飞秒激光3D打印技术的出现，为3D打印行业带来了新的技术突破，因此在医疗、军事、工业等诸多领域都得到了广泛的应用。

本文将探讨飞秒激光3D打印技术的原理、研究进展以及应用情况。

1. 飞秒激光3D打印技术的原理飞秒激光3D打印技术是一种非接触式的加工技术，其主要原理是将飞秒激光束聚焦在工作材料上，利用飞秒激光的特殊性质对工作材料进行加工。

在飞秒激光束作用下，材料表面的电子被迅速加速而凝聚在一起，形成具有高密度的等离子体。

等离子体产生高温和高压，这种高能量的作用下可以使工作材料发生相变，形成微小的结构和复杂的形状。

通过对激光束的控制和调整，可以在微纳米级别对材料进行精确的加工和控制。

2. 飞秒激光3D打印技术的研究进展随着飞秒激光3D打印技术的不断发展，一批科研人员在该领域取得了重要的创新成果。

例如，美国麻省理工学院和哈佛大学的研究人员合作利用飞秒激光3D 打印技术打印出了一种具有高效控制能力的机器人。

这种机器人的身体、腿和传感器都是一体化设计，具有诸如检测、机械臂和光学感应等多种功能。

此外，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所也在飞秒激光3D打印技术方面取得了显著成果。

该研究所推出了一种基于飞秒激光3D打印技术的坑道模拟流体力学实验系统，能够准确模拟地下流体的动力和热学过程，实现了地下资源勘探的高精度模拟。

3. 飞秒激光3D打印技术的应用情况由于飞秒激光3D打印技术在精度和制造效率方面都具有显著的优势，因此在医疗、军事、工业以及文物保护等领域得到了广泛应用。

在医疗方面，飞秒激光3D打印技术可以快速精确地制造出人体骨骼和血管模型，提高手术过程的精细程度和安全性。

此外，利用该技术还可以制造出高精度的矫形器和义肢，帮助很多残疾人重获自由。

在军事方面，飞秒激光3D打印技术可以制造出高精度的光学器件和构建具有隐身效果的材料。

飞秒激光直写铌酸锂晶体半包层光波导　

1 550 nm 激光的波导有着十分广阔的应用前景。
在先前的工作中,已经在铌酸锂晶体中制备了性能优良的包层型光波导,目前尚未在铌酸锂晶体制备半
包层光波导。为了证明半包层光波导的可行性,本文采用飞秒激光在铌酸锂晶体中制备了 3 种直径不同的
半包层型光波导,测试其在 633 及 1 550 nm 波长下的传输性能,并利用模拟软件对其进行模拟。
物镜收集波导后端面的出射光。本文利用 CCD 分析记录波导传输近场模式,利用功率计测量记录波导的入
射光功率和出射光功率,利用 Rsoft 软件对波导的传输模式进行模拟。通过端面耦合所测得数据计算波导的
插入损耗并通过入射光模式半径和波导模式半径的转换效率估算波导的耦合损耗,从而计算波导的传输损
耗,并对波导的传输性能进行比较。
2. State Key Laboratory of Crystal Materials, School of Physics, Shandong University, Jinan 250100, China)
Abstract:In this paper, the semi-cladding waveguides with diameters of 30, 40 and 50 μm were successfully prepared in
此外,光波导在激光技术、传感技术、医疗成像和生物传感等领域有着重要应用,比如在激光技术领域,光波
导可用于精确控制激光束的路径、调制激光的频率、相位和强度等特性;在传感技术领域,光波导传感器能够
收稿日期:2024-01-12
基金项目:国家自然科学基金(20211062020035,12134009)
人工晶体学报
第 53 卷第 3 期

飞秒激光在晶体中传输的级联非线性过程

飞秒激光在晶体中传输的级联非线性过程飞秒激光以其独特的优势：即出射的激光宽带宽限度低不超过 0.30nm，能够实现持续波长单一，具有强烈的穿透能力，传输效率高等特性，在晶体中被广泛应用于传输和级联。

一、激光传输过程1. 入射：入射到晶体内部的激光，经过特定的几何体结构反射，从而实现激光的传输过程。

2. 关联：入射的激光传输的过程中与晶体的电子跃迁辐射相互作用，使传输的能量被聚集，从而增强激光能量密度。

3. 节点：激光传输过程中形成的节点，它可以有效抑制激光在传输过程中的衰减。

4. 导波：经过晶体层之后会形成导波，可以有效避免激光在传输过程中碰撞造成的损坏。

二、激光传输过程中的非线性过程1.剪切波：在激光传输过程中，激光可以在晶体中传导，但内部电子运动存在暂态性变化，形成剪切波，从而影响传输的激光场。

2.偏振效应：晶体的内部结构再接受入射的激光看似是偏振了激光，从而引起进入晶体中的激光传输朝着不同方向，导致激光分布效果不同。

3.超快效应：激光在传输过程中，与电子之间不确定性的作用使激光在微秒时间尺度上发展出超快效应，释放激光的能量。

4.橡皮擦效应：入射激光具有挥发性，传输中会抹去晶体内部的激光，从而影响激光传输的过程。

三、飞秒激光的优势1.穿透性：飞秒激光的独特之处就在于穿透性，可以有效穿透厚度比较大的物体，更有助于激光级联发生。

2.传输效率：飞秒激光具有更高的传输效率，使其成为更有效地传输光能量，从而实现更大规模的级联。

3.宽带宽：飞秒激光具有较低的带宽宽度，可以确保单色激光的稳定性，保证整个级联过程的稳定性。

4.小尺寸：飞秒激光也具有小尺寸的特点，这使得它适合于尺寸要求较高的应用场合，方便灵活的使用。

因此，飞秒激光在晶体中的传输和级联，其独特的特性使它成为持续强势的技术，使人们研究和使用晶体中的级联的各种非线性变化更加容易。

非线性变化的研究有助于人们更好地理解和控制晶体材料的物性现象。

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飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展／晓慧等孙
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飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展
孙晓慧，张修丽，刘烈
（海工程技术大学基础教学学院，上海２１２）上０６０
ＳＵＮａｈｕ，ＺＨＡＮＧｕｌ，ＬＩＬｉＸｉｏｉＸｉｉＵｅ
（ｌｇｆＦｕｄｍｅｔｌＳｕｉｓｈｎｈｉＣｏｌｅｏｎａｎａｔｄｅ，ＳａｇａＵｎｖｒｉｙｏｇｎｅｉｇＳｉｎｅＳａｈｉ０６０ｅｉｅｓｔｆＥｎｉｅｒｎｃｅｃ，ｈｎａ２１２）ｇ
ＬａｅｔＲｅｅｒｈＤｅｅｏｔｓｓａｃｖｌｐｍｅｔｏｎｅａｔｏｅｗｅｎｍｔｓｃｎｄＬａｅｎｆＩｔｒｃｉｎｂｔｅＦｅｏｅｏｓｒａｙｔｌＭａｅｉｌｎｄＣｒｓａｔｒａｓ
性，被广泛用于物理、化学、生物学、电子学等各个领域，外光此在信息传输、处理及存储等现代通讯方面都有着很好的发展前景。当材料与激光相互作用时，长脉冲情况下电子被加热的同时将能量传递给离子，电子与离子始终处在热平衡状态；飞秒而激光情况下，如此短的时间内能量来不及传递给离子，因而在脉
ｒｅ。ｕｈａｈｏｌｅｒｔ－ｈｔｎｅｃｔｄａｄｍｕｔｐｏｏ — ｘｉｅｐｏｖｒｉｎｌｍｉｅｃｎｅｉｄｓｃｓｔｅｎｎｉａｗｏｐｏｏ－ｘｉｎｌｉｈｔｎｅｃｔｄｕｃｎｅｓｏｕｎｓｅｃ，ｍｉｒｓｒｃｕｅｚｎｅ — ｃｏｔｕｔｒｓａｄｃｌｒｃｎｒｅｅａｉｎｔ．Ｔｈｔｒｃｉｎｍｅｈｎｓｓｂｔｅｅｔｓｃｎａｅｎｒｓａａｅｉｌｒｉ— ｎｏｏｅｔｅｇｎｒｔｓｅｃｏｅｉｅａｔｃａｉｍｅｗｅｎｆｍｏｅｏｄｌｓｒａｄｃｙｔｌｎｏｍｔｒｓａｅｄｓａｃｉｅｎｈｏｅｔｌａｐｉａｉｎｒｎｌｚｄｒｂｄａｄｔｅｐｔｎｉｐｌｔｓａｅａａｙｅ．ａｃｏ
各种晶体材料由于具有特殊的光学性能、电学性能、机械性能等，被广泛应用到激光和光电子技术、生物医学、高能物理及家用电器等领域，为当代信息技术产业的支柱。对于飞秒激成
光与晶体相互作用而引起的结构及其性质变化等方面的研究，国内外学者给予了广泛关注。已有学者对飞秒激光与多种晶体材料相互作用进行研究并发现双光子、三光子等多光子非线性吸收致上转换发光现象［１。另外在飞秒激光对晶体作用下４０￣］产生各类微结构如光波导［、栅［、心结构［］ “ 光 ” 色。方押
面也有较多研究。
冲与电子相互作用过程中离子保持相对低温，从而可以实现“ 冷
加工” 。另外研究表明飞秒激光情况下，烧蚀作用从一种统计属性转变为一种确定行为，材料具有确定的烧蚀阈值。如果适当控制飞秒激光能流密度，甚至可以得到比衍射极限还小的特征结构。２世纪９ＯＯ年代后，随着飞秒钛宝石激光器的研制成功，飞秒激光进入了材料加工领域。与传统加工用激光器如二氧化碳（）Ｃ激光器、掺钕钇铝石榴石（ＡＧ）Ｙ激光器相比，飞秒激光
本文介绍了飞秒激光与各种晶体材料相互作用方面的研究
现状，阐述了飞秒激光作用后晶体产生的各种现象及具体应用，展望了飞秒激光与晶秒激光与晶体作用的现象及应用
１１多光子吸收致上转换发光．
飞秒激光由于具有峰值功率高、冲宽度短等特性，脉与各种材料相互作用时常常诱导各种非线性过程。中科院上海光机所的董永军等在Ｃ３：Ｑ晶体、ｅ：ｕｓ２单晶、ｅ：ｒＣ３Ｌ２ｉ０７Ｃ。ＣｄＳＯ－２ｉ晶体、ＶＯ４晶、ｅ：ＹＹ单ＣｓＡＰ等多种晶体材料与近
Ｋｅｒｓｙｗｏｄ
ｆｍｔｓｃｎａｅ，ｃｙｔｌｍａｅｉｌｅｏｅｏｄｌｓｒｒｓａｔｒａ，ｍｉｒｓｒｃｕｅｃｏｔｕｔｒ，ｍｕｐｏｏｂｏｐｉｎｈｉｈｔｎａｓｒｔｏ
０引言
由于飞秒激光具有很高的峰值功率、极短的脉冲宽度等特
摘要
用前景。
综述了飞秒激光与各种晶体材料作用的现象，双光予、如多光予非线性吸收致上转换发光现象，各类微
结构、色心结构等；阐述了飞秒激光与各种晶体的作用机制及在各方面的应用；望了飞秒激光与晶体材料作用的应展
关键词飞秒激光晶体微结构多光子吸收
Ａｂｔａｔｓｒｃ
Ｖａｉｕｈｎｍｅａｏｈｎｅａｔｎｂｔｅｅｔｓｃｎａｅｎｒｓａａｅｉｌｒｕｒｏｓｐｅｏｎｆｔｅｉｔｒｃｉｅｗｅｎｆｍｏｅｏｄｌｓｒａｄｃｙｔｌｔｒａｓａｅｓｍｍａｏｍ —