激光与晶体的相互作用
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。
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。
非线性光学晶体的性能与应用
非线性光学晶体的性能与应用引言：非线性光学晶体是一类具有特殊光学性质的材料，其在光学领域有着广泛的应用。
本文将介绍非线性光学晶体的性能特点以及其在通信、激光技术和生物医学等领域的应用。
一、非线性光学晶体的性能特点1. 非线性效应非线性光学晶体具有非线性效应，即当光强度较高时，晶体的光学性质会发生明显的非线性变化。
这种非线性效应使得晶体在光学调制、频率转换和波长选择等方面具有独特的优势。
2. 高非线性系数非线性光学晶体的非线性系数通常较高，能够将输入光信号进行高效的转换和调制。
这种高非线性系数使得晶体在光学信号处理和光学器件设计中具有重要的应用价值。
3. 宽光学透明窗口非线性光学晶体通常具有宽的光学透明窗口，能够在可见光和红外光等多个波段范围内有效传输光信号。
这种宽光学透明窗口使得晶体在光通信和光传感等领域具有广泛的应用前景。
二、非线性光学晶体的应用1. 光通信非线性光学晶体在光通信领域中有着重要的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现光信号的调制、调制解调和光信号转换等功能。
此外，晶体的宽光学透明窗口使得其可以传输多个波长的光信号，从而提高了光通信系统的传输容量和性能。
2. 激光技术非线性光学晶体在激光技术中也有着广泛的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现激光的频率转换、倍频和混频等功能。
这种功能可以用于激光器的频率调谐、激光脉冲压缩和激光波长选择等方面，为激光技术的发展提供了重要的支持。
3. 生物医学非线性光学晶体在生物医学领域中也有着广泛的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现生物组织的非线性显微成像和光学操控等功能。
这种功能可以用于细胞和组织的高分辨率成像、药物递送和光学治疗等方面，为生物医学研究和临床应用提供了新的手段。
结论：非线性光学晶体具有独特的性能特点和广泛的应用前景。
通过充分利用晶体的非线性效应，可以实现光信号的高效处理和调制，为光通信、激光技术和生物医学等领域的发展提供了重要的支持。
激光蚀刻法制备纳米材料表面微结构特征研究
激光蚀刻法制备纳米材料表面微结构特征研究激光技术在纳米材料研究中具有广泛的应用前景，其中激光蚀刻法是一种有效的制备纳米材料表面微结构的方法。
本文将就激光蚀刻法制备纳米材料表面微结构特征进行研究，探讨其制备过程、表面微结构特征以及相关应用前景。
首先，让我们了解一下激光蚀刻法的制备过程。
激光蚀刻法是利用激光与材料相互作用产生的光热效应来实现纳米材料的表面微结构修饰。
在激光照射下，材料表面会迅速升温，达到熔点以上的温度，形成液态或气态，然后通过光热效应形成不同形状、大小和分布的微结构。
蚀刻深度和蚀刻速率可以通过调整激光功率、蚀刻时间和扫描速度来控制。
接下来，我们将重点讨论激光蚀刻法制备纳米材料表面微结构的特征。
激光蚀刻法可以实现各种各样的微结构特征，如微孔、微凸台、微圆柱等。
这些微结构特征具有尺寸小、分布均匀、形状可控等优点。
例如，通过调节激光功率和扫描速度，可以实现不同直径和间距的微孔阵列。
这些微结构特征的尺寸可以从亚微米到纳米级别，并且可以在不同的材料表面进行实现。
此外，激光蚀刻法还可以实现三维微结构，如微槽、微沟等，为纳米材料的功能化和性能调控提供了更多可能性。
激光蚀刻法制备的微结构具有多种应用前景。
首先，这些微结构可以用于表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）应用。
由于微结构表面存在大量凸起和孔洞，可以增加表面积，并形成局部电场增强效应，从而提高拉曼信号强度。
这一特点使得激光蚀刻法制备的微结构在化学、生物等领域的分析和检测中具有广泛应用。
其次，这些微结构也可作为纳米材料的模板，用于制备其他功能性纳米材料。
激光蚀刻法制备的微孔阵列可以作为模板用于制备二维材料薄膜；微圆柱结构可以用于制备光学波导器件等。
这些模板具有高度可控的尺寸和形状，可以通过调节激光蚀刻参数实现对模板的精确控制。
最后，这些微结构还具有超润湿性能，可以用于制备超疏水或超亲水表面。
激光与晶体的相互作用
激光与晶体的相互作用作者：梁彬来源：《科技风》2016年第16期摘要：人类社会进入21世纪以来，科学技术水平发展有了质的飞跃。
激光与晶体材料之间的相互作用主要包括多光子离化，等离子吸收激光能量等现象。
本文以激光的内涵为基础，分析激光和晶体之间相互作用的非线性现象，以促进微电子和光电子工业的发展。
关键词：激光；晶体；相互作用一、激光概述（一）激光发展历程激光是自1960年世界上第一台红宝石激光器出现后受到人们的关注，且被越来越多地研究。
对激光的研究极大地推动了光物理的发展。
1964年锁模技术出现后，激光产生的许多非线性现象得以发现，出现了激光与物质材料相互作用的微扰理论。
20世纪70年代，飞秒脉冲激光得以发现，从此激光进入了飞秒激光技术时代。
激光在物理、化学、生物等方面得到广泛的应用。
激光的发现为人们研究物质新现象、新性质提供了便捷有力的手段，是目前具有尖端前沿性质的科学研究领域，可为未来科学技术实现跨越式发展奠定基础。
其中飞秒激光极高的峰值功率密度可用于诱导材料的非线性现象的出现，是激光研究的一个极其重要的方面。
（二）激光与晶体相互作用原理激光与晶体之间相互作用表现为通过二者之间的相互作用机理来改变物质的性状。
激光中超短脉冲激光与晶体材料之间相互作用会出现非线性现象，比如光离效应、等离子吸收激光热量效应等。
超长脉冲激光与晶体之间相互作用是通过使用长脉冲激光对材料进行加工，改变晶体材料的物理形态，使其从固态变为液态，再由液态变为气态，最后经过物质热熔环节的处理，过滤晶体材料中的杂质，实现对晶体材料的加工。
在这个过程中，也能更多地认识到激光本身的特性。
在改变晶体材料物理形态的过程中，长脉冲激光的特性也发生了改变，更能够直观地观察到晶体材料在长脉冲激光照射下性态变化的特殊瞬间。
超短脉冲激光与晶体材料的相互作用则更为复杂，其中发生的非线性效应有多种变化，不易直接地得出研究结论。
二、激光与晶体的相互作用分析对激光与晶体相互作用的研究分析主要从超短激光和超长激光两个方面进行，分别阐述了超短激光与晶体材料的相互作用，超长激光与晶体材料之间的相互作用。
材料对激光的吸收率及影响因素
材料对激光的吸收率及影响因素激光加工原理激光之所以能作为加工手段之一是因为其光作用。
激光的该种光作用主要有光化学反应和光热效应两类。
其中，激光去除加工（如切割、打孔）和激光焊接就是利用了激光的光热效应。
因此，为了获得较为理想的激光切割质量，首先须认识和理解激光与物质的相互作用机理。
激光加工材料的过程可分为如下几个：材料热吸收过程激光辐射到被加工材料表面时,该过程会发生反射、吸收、透射及散射等光学现象。
其中，散射或反射、透射会损失部分能量，而被吸收的大量光子通过与金属晶格的相互作用而转换成材料的热能，从而致使被加工材料表面发生温升。
在转换过程中，材料对激光的吸收率与材料的类型和结构、激光波长及是否偏振等参数有关。
由于吸收热较低，该阶段不能用于一般的热加工。
材料被加热过程当激光辐射到被加工材料时,其中，被吸收的那部分能量使内部晶格的热振动转换为热能。
转化后的热能以热传导的方式由外向里在被加工材料内部及四周扩散,从而形成温度场,从而达到加热的目的，该温度场致使其变性。
该过程为材料表面熔化和汽化做准备。
材料表面熔化和汽化过程当材料表面温度超过其熔点时，材料表面开始熔化，形成熔池，熔池外主要是传热，并随着热影响区不断向内部扩散，熔化也开始向内部发展。
当材料表面温度达到其气化点后，激光束可使材料表面产生气化和等离子体辐射。
随着照射时间的持续，熔池的表面将产生气化，并开始生成等离子体，进而形成表面烧蚀，从而达到去除材料的目的。
冷却、凝固过程当激光作用结束后,被加工区的材料开始冷却降温,熔化的材料重新凝固,形成新的表层。
该表层的形成会影响激光加工的质量，应尽量避免其形成或减小其形成面积。
激光加工实质上就是激光与物质之间的相互作用。
激光与物质的相互作用是指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。
拉曼光谱的应用原理和应用
拉曼光谱的应用原理和应用1. 拉曼光谱的应用原理拉曼光谱是一种非常重要和广泛应用的光谱技术，它基于拉曼散射现象，通过测量分子和晶体材料中分子振动引起的频率和强度的光散射来分析样品的性质和组成。
其原理如下：1.1 拉曼散射现象当激光等特定波长的光照射到样品上时，其中一部分光会发生散射。
拉曼散射分为斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射两种。
斯托克斯拉曼散射发生在照射光的频率低于样品分子的振动频率时，而反斯托克斯拉曼散射则发生在照射光频率高于样品分子振动频率时。
1.2 拉曼散射频率的变化拉曼散射频率的变化与样品中分子和晶体的振动能级有关。
当激光照射到样品上时，部分光子与样品中的分子或晶体发生相互作用，能量发生转移，导致光子频率的变化。
根据振动能级的不同，拉曼散射频率可分为拉曼位移和反拉曼位移，代表了样品分子或晶体的不同振动模式。
1.3 波长的选择和激光的特性激光的波长选择对拉曼光谱的应用至关重要。
优选的波长有利于增强拉曼散射信号，并避免干扰信号的产生。
激光的特性，如照射功率、光束直径、聚焦方式等，也会对拉曼光谱的测量结果产生影响。
2. 拉曼光谱的应用拉曼光谱在各个领域都有广泛的应用，以下列举了一些常见的应用领域和具体的应用案例：2.1 材料科学•分子结构鉴定：通过测量拉曼散射光谱，可以确定分子的结构、组成和化学键的情况，对材料的性能研究具有重要意义。
•晶体学研究：拉曼光谱可以用于晶体的物理和化学特性的研究，如晶格振动模式的确定。
•材料表征：拉曼光谱可用于分析材料的表面形貌、纳米结构等。
2.2 生命科学•药物分析：拉曼光谱可以用于药物的结构鉴定、药物成分的定量、药物质量控制等。
•生物体内组分鉴定：拉曼光谱可以应用于生物体内组分的鉴定，如血液、尿液、体液中的代谢产物、蛋白质等。
•活体分析：拉曼光谱可以在非侵入性的条件下对生物体进行实时、实空间的分析，例如肿瘤组织的鉴定、癌症细胞的检测。
2.3 环境科学•空气污染监测：拉曼光谱可以检测和分析大气中的污染物，如VOCs （挥发性有机化合物）。
能源科学技术：激光加工技术(强化练习)
能源科学技术：激光加工技术（强化练习）1、问答题激光器的频率牵引过程指的是与纵模间相关的物理过程，请简述物理机理？正确答案：当激光器的纵模频率与增益介质的中心频率不重合时，纵模频率在振荡过程中会牵向中心频率靠拢。
由于腔内（江南博哥）增益介质的折射率吧对振荡频率存在色散，这种色散关系与激活介质的增益系数及增益曲线有关。
在有源腔中，由于增益物质的色散，纵模频率比无源腔纵模频率更靠近谱线中心频率，则就是频率牵引。
2、问答题从激光加工工艺上考虑，如何打一个高质量的孔？激光打孔中，一般采用什么离焦量，为什么？正确答案：采用较短的脉冲；选择前后沿陡的波形打孔；基模进行打孔；一定的正离焦；多脉冲打孔、高峰值功率、材料的热扩散系数低等。
一定的正离焦，破坏机理主要是材料的蒸发，此时打出的孔比较深，孔的入口处直径较小，孔的锥度较小，打孔效果好。
焦点在工件内部（负离焦）时，激光以会聚方式进入材料，孔壁不能（或很少能）直接接受光通量，因此，液相多气相少，汽化时蒸气压力不太大，喷射力小，孔形锥度较大，打孔质量有好有坏。
过分的入焦和离焦使被加工点的能量密度大大下降，孔深大大减小3、问答题请描述空间烧孔效应的物理过程。
正确答案：当频率一定的纵模在腔内形成稳定振荡事产生一个驻波场。
波腹处光强最大，波节处光强最小，消耗反转粒子数后，波腹处光强最小而波节处光强最大，则形成了空间烧孔。
可见空间烧孔的形成过程由驻波腔和粒子空间转移慢引起的。
4、问答题激光器的振荡阈值中有翻转粒子数阈值和增益阈值，它们和那些物理量相关？正确答案：不同模式（频率）具有不同的受激辐射截面，反转粒子数密度不同，则反转粒子数阈值不同；阈值增益系数由单程损耗决定，不同纵模具有相同的阈值，不同横模具有不同的单程损耗，其阈值增益不同。
5、问答题激光3D打印有什么方法？各自特点？适用材料？正确答案：激光立体印刷术：以高分子聚合反应为基本原理，适用于塑料铸型。
选择性激光烧结技术，选择性激光熔化技术：以烧结和熔化为基本原理，适用于金属实体。
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激光与晶体的相互作用
一、激光概述
（一）激光发展历程
激光是自1960年世界上第一台红宝石激光器出现后受到人们的关注，且被越来越多地研究。
对激光的研究极大地推动了光物理的发展。
1964年锁模技术出现后，激光产生的许多非线性现象得以发现，出现了激光与物质材料相互作用的微扰理论。
20世纪70年代，飞秒脉冲激光得以发现，从此激光进入了飞秒激光技术时代。
激光在物理、化学、生物等方面得到广泛的应用。
激光的发现为人们研究物质新现象、新性质提供了便捷有力的手段，是目前具有尖端前沿性质的科学研究领域，可为未来科学技术实现跨越式发展奠定基础。
其中飞秒激光极高的峰值功率密度可用于诱导材料的非线性现象的出现，是激光研究的一个极其重要的方面。
（二）激光与晶体相互作用原理
激光与晶体之间相互作用表现为通过二者之间的相互作用机理来改变物质的性状。
激光中超短脉冲激光与晶体材料之间相互作用会出现非线性现象，比如光离效应、等离子吸收激光热量效应等。
超长脉冲激光与晶体之间相互作用是通过使用长脉冲激光对材料进行加工，改变晶体材料的物理形态，使其从固态变为液态，再由液态变为气态，最后经过物质热熔环节的处理，过滤晶体材料中的杂质，实现对晶体材料的加工。
在这个过程中，也能更多地认识到激光本身的特性。
在改变晶体材料物理形态的过程中，长脉冲激光的特性也发生了改变，更能够直观地观察到晶体材料在长脉冲激光照射下性态变化的特殊瞬间。
超短脉冲激光与晶体材料的相互作用则更为复杂，其中发生的非线性效应有多种变化，不易直接地得出研究结论。
二、激光与晶体的相互作用分析
对激光与晶体相互作用的研究分析主要从超短激光和超长激光两个方面进行，分别阐述了超短激光与晶体材料的相互作用，超长激光与晶体材料之间的相互作用。
最后构建现阶段广泛使用的Docchio 模型对移动损伤的分析，得到高速激光脉冲下对物质损伤的结果，以进一步激发激光的潜能。
（一）非线性效应
超短脉冲激光与晶体材料之间的相互作用主要是晶体材料对激光的能量吸收，分为线性和非线性吸收两种状况。
飞秒激光有非常高的峰值和较窄的脉宽，其与晶体材料的相互作用主要表现为非线性效应。
非线性效应包括光离化、隧道离化以及雪崩离化。
光离化是指物质中受到束缚的电子直接吸收激光中的能量，使电子由价态发展到导态的过程。
根据激光强度和频率的不同，光离化和隧道离化的重要程度也不同。
在低频率、高强度的激光光场中，主要发生的是隧道离化效应。
在隧道离化的过程中，激光的光场直接将受到束缚的电子从原子带上的库仑阱上解放，消除庫仑阱。
在电场很强的激光中，库仑阱就可以被消除，使电子通过量子力学的隧道现象穿过短壁垒，成为自由电子。
非线性现象中的雪崩效应要发生则晶体中必须要带有相当数量的导带电子。
导带电子通过持续不断地吸收激光能量，在与光子的相互作用中满足能量守恒定律。
在满足能量守恒定律过程中，电子要吸收光子能量。
在吸收了一定的光子能量后，导带电子具有了较高能量，能够与其他电子相碰撞，将另一个价带电子激发到导带电子上，就会形成两个低动能的导带电子。
这个过程会使得价带上的导带电子呈几何级数增长，发生雪崩离化效应。
（二）长脉冲激光与晶体材料相互作用
长脉冲激光与晶体的相互作用主要在于长脉冲激光中导带电子的雪崩离化使导带电子的数量呈几何级数增长，导致在激光照射下，激光强度和频率超过了晶体的承受限度，使得晶体发生损伤。
超长脉
冲激光的持续时间较长，导带电子有足够实践通过电子晶格的耦合将能量通过声子传递到整个电子晶格。
这样晶体材料在吸收长脉冲激光能量时就会发生损伤，并产生明显的热效应。
长脉冲激光对晶体材料的照射损伤于能量沉积时间和热扩散时间长短相关。
因此，长脉冲激光对材料的损伤阈值具有不确定性。
此外，在长脉冲激光对晶体产生损伤过程中，如果是缺陷或者不纯的晶体材料，则会使晶体材料的导带电子雪崩离化效应充分进行，对于脉冲宽度只有几秒或者激光频率不高的的脉冲也能对晶体材料产生损伤。
但如果是有缺陷的晶体材料本身都有较高的导带电子浓度，晶体材料在大量吸收激光脉冲能量时会导致损伤阀值大大降低，同时也增加了确定损伤阀值的难度。
因此，在研究长脉冲激光与晶体相互作用过程中，导带电子浓度极为关键。
若晶体材料因各种原因本身带有较多的导带电子，则在激光照射区域中噶生光损伤的概率就会大大增加。
若导带电子数量较少，则发生光损伤的可能性就较小。
（三）Docchio模型
Docchio模型的构建主要是为了用来计算激光照射下光损伤的后果。
这一模型的搭建主要依靠激光与晶体相互作用的理论。
在这一模型中，通过分析激光和晶体之间的相互作用，了解相互作用的机理和物质之间的局限性，研究改进和完善的方法，得出更为精准的分析结果。
通过Docchio模型的对移动损伤的分析，可得出这一结论：如果激光入射强度超过了晶体材料损伤的最大承受限度时，就会出现晶体的光损伤现象。
三、结语
激光和晶体作用研究是目前尖端的科学研究课题，其成果对物理、化学、工程等领域都有巨大的应用价值。
其中飞秒激光与晶体之间的非线性效应复杂多变，还需要投入更多的人力、物力和财力加大研究深度，为经济社会发展做出更大贡献，也有利于促进我国尖端科学技术水平的提升，占领国际激光晶体作用研究的制高点。