2011激光与物质相互作用第一讲序论
激光与物质相互作用的应用及原理
激光与物质相互作用的应用及原理1. 引言激光技术作为一种高度聚焦、高能量密度、单色性好的光源，其与物质相互作用的应用领域越来越广泛。
本文将介绍激光与物质相互作用的一些应用及其原理。
2. 材料加工激光在材料加工领域具有广泛的应用。
激光通过聚焦后的高能量密度，可以对各种材料进行切割、打孔、焊接等加工操作。
以下是激光材料加工应用的一些原理：•切割：激光加工中最常见的应用之一。
激光通过高能量聚焦，使材料发生熔化或气化现象，从而实现切割作业。
•打孔：激光束通过高能量聚焦，使材料在被烧蚀的同时发生熔化，从而形成孔洞。
•焊接：激光通过高能量聚焦，使材料局部熔化，然后冷却后形成焊缝。
激光材料加工的优势主要体现在精度高、速度快、热影响区小等方面。
3. 激光医学应用激光在医学领域的应用也十分广泛。
激光手术是一种非侵入性的治疗方法，可用于切除、蒸发和凝固组织。
以下是激光医学应用的一些原理：•激光手术：激光通过高能量聚焦，可以切割和蒸发生物组织。
激光手术具有创伤小、出血少和恢复快的特点。
•激光美容：激光可以用于美容领域中的病症治疗、皮肤重建和皮肤再生等方面。
•激光疗法：激光通过对病人身体组织的照射，可用于治疗多种疾病，如肿瘤、静脉曲张等。
激光医学应用的优势主要体现在精准治疗、创伤小、恢复快等方面。
4. 激光测量技术激光测量技术是利用激光与物体相互作用的原理进行测量的一种精确测量方法。
以下是激光测量技术的一些应用：•激光雷达：通过利用激光束对目标物体进行扫描，可以测量目标物体的距离、速度和位置等信息。
•激光测距仪：通过测量激光束从发射到接收的时间来计算距离，可用于测量远距离。
•激光显微镜：利用激光对样品进行照射，可以实现高分辨率、高对比度的显微观察。
激光测量技术的优势主要体现在测量精度高、非接触式测量、适用于各种物体等方面。
5. 激光通信技术激光通信技术是利用激光将信息传输的一种无线通信技术。
以下是激光通信技术的一些原理：•光纤通信：利用激光将信息通过光纤传输，具有大带宽、抗干扰能力强等特点。
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
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。
相对论激光物质强场相互作用
相对论激光物质强场相互作用概述：相对论激光物质强场相互作用是一个重要的研究领域，在这个领域中，光与物质之间的相互作用被强烈地影响和调控。
本文将就相对论激光物质强场相互作用的基本原理、实验研究以及应用前景进行探讨。
第一部分：基本原理相对论激光物质强场相互作用是相对论激光与物质之间的一种相互作用方式。
相对论激光的特点在于其强度和频率均处于极端高值的范围，因此对物质产生了极为特殊的影响。
1. 相对论激光的特点相对论激光是指强度和频率都非常高的激光，其强度通常超过10^18瓦特/平方厘米，频率通常处于光子能量与电子静质量的比值附近。
这样高强光场下，电荷在电磁场中运动的动能将接近其静质量能量，从而引发相对论效应。
2. 物质与相对论激光的相互作用相对论激光与物质的相互作用是一个复杂的过程，包括相对论电子动力学、电子QED过程以及强相互作用等方面。
其中，相对论电子动力学研究了电子从相对论激光中获得能量并与周围粒子相互作用的过程；电子QED过程研究了高能电子在极强电磁场中的行为；强相互作用研究了相对论激光与原子核、电子等物质之间的相互作用。
第二部分：实验研究在相对论激光物质强场相互作用的研究中，实验是十分重要的手段。
通过实验研究，人们可以观察到相对论激光与物质之间的相互作用现象，验证理论模型并推动学科发展。
1. 相对论激光的实验装置相对论激光的实验装置通常由激光源、聚焦系统、目标样品以及相关的探测器和测量设备等组成。
激光源通常采用超快激光器，能够产生具有极高强度和频率的激光。
聚焦系统用于调节激光的焦点位置和强度分布，以达到与目标物质相互作用的目的。
2. 实验研究进展通过实验研究，人们已经取得了一系列有关相对论激光物质强场相互作用的重要成果。
例如，实验观测到了高强激光与固体、液体和气体样品相互作用时的物质响应，如位移、形变、离子化和电子释放等现象。
同时，还研究了相对论激光在纳米材料、等离子体和强磁场等条件下的行为，并在高能粒子、核聚变等领域提供了新的研究思路和技术手段。
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
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2.6 激光与生物医学
设计：秦应雄
激光生物医学
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。
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
(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
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
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
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
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பைடு நூலகம்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
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
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
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）
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
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
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。
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
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。
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