2019激光与物质相互作用第一讲序论
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激光原理及应用课件—陈鹤鸣第12章 激光与物质的相互作用
增加。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
20
12.4.3 液体、固体的光化学反应
一般而言，液体中的反应效率比气体中的要小（这里 额效率是指量子吸收量，用单个光子的反应比例表 示）。这是因为能量迁移造成了驰豫，产生了再复合 的逆反应。
光子的能量一部分用于光解离，一部分转变为热能。 一旦产生解离，周围的溶质争相返回形成再复合，称 为“回笼效应”，这也是溶液等物质的量子吸收量变 小的另一个原因
热反应是正向反应； 激光引起的光化学反应通过有效地进行分子（原子）选 择、反应场或空间的选择以及微粒子操作等方式，即使 在不升高温度的情况下也可以发生
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
15
12.4.1 激光切断分子
切断分子的第一步是使分子吸收光，称之为激励光子。 切断分子的首要条件使分子具备的能量要大于解离能， 因此激光切断分子的过程也称为光解离反应。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
16
1. 直接解离
由于处于分子结合间的电子偏离位置不同，从而 形成结合和反结合轨道的电子状态。在结合轨道存 在极小的能量值。相反，反结合轨道对于分离态来 说是比较稳定的轨道。在激光作用下，分子一旦被 激励到反结合轨道，分子结合键便会瞬间断裂，这 就是直接解离。
在解离过程中，光激励时间非常短，只有飞秒级， 因此，电子在接收能量的过程中，相对较重的原子 核处于近似静止的状态。切断结合键的激光光子能 量必须大于分离能。
使材料处于松散状态，致使材料蒸发。 光化学效应蒸发的必要条件：光子的能量 > 分子的结合能。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
14
12.4 激光诱导化学过程
半导体芯片是经过了许多的薄膜加工过程制作而成的。在 热分解、等离子体、离子束等能源作用下，分子首先被分 解，然后再重新组合制成薄膜，这一过程分别称为热过程、 等离子体过程等。如果使用激光，薄膜可以做得更微细、 杂质含量更少。而这一过程是从化学反应开始的，称为激 光诱导化学过程。
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
=
激光原理第0章绪论
1.2、激光制导
激光制导具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本 低、抗干扰性能好、操作简单等优点。其主要制导方式有半 主动制导、主动制导、波束制导。激光制导可同时攻击多个 来袭目标，即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数 枚导弹，打击来袭目标。
29
30
1.3、激光测距与激光雷达(Lidar) 激光测距与普通测距相比，具有远、准、快、抗干扰、无
4
激光的发展历史
从历史来看，任何科学发现或科学发明，都不外是两条道 路：
一、自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后再 产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁等， 这种情况称为“科学发现”；
二、自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但 人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和实 现，如相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为“科学发 明”。而后者则更有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程 就是属于后者。
27
美国雷神公司制造 “百夫长”激光炮
波音公司另外研 发的一款可以安 装在悍马车上的 激光防空武器
28
著名的英－阿马岛战争中，英国就曾经使用了激光武 器对付阿方飞机，导致飞行员失明而机毁人亡。在反坦克、 反潜艇中，激光致盲武器也有很大发展潜力，对准潜望镜入 口发射激光，就会把在用潜望镜观看外部情况的敌方人员的 眼睛损伤，坦克和潜艇也就失去作战能力。侦察卫星靠装在 其中的各种光电传感器侦察地面目标，如果用激光束照射其 中的光电传感器也会使侦察卫星变为"瞎子"。
三 . 波长：极紫外──可见光──亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）
24
四、激光的应用
40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与 多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电 技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激 光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析 技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子 光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激 光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新 的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业 的发展。
激光制导具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本 低、抗干扰性能好、操作简单等优点。其主要制导方式有半 主动制导、主动制导、波束制导。激光制导可同时攻击多个 来袭目标，即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数 枚导弹，打击来袭目标。
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1.3、激光测距与激光雷达(Lidar) 激光测距与普通测距相比，具有远、准、快、抗干扰、无
4
激光的发展历史
从历史来看，任何科学发现或科学发明，都不外是两条道 路：
一、自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后再 产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电磁等， 这种情况称为“科学发现”；
二、自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物，但 人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和实 现，如相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为“科学发 明”。而后者则更有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程 就是属于后者。
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美国雷神公司制造 “百夫长”激光炮
波音公司另外研 发的一款可以安 装在悍马车上的 激光防空武器
28
著名的英－阿马岛战争中，英国就曾经使用了激光武 器对付阿方飞机，导致飞行员失明而机毁人亡。在反坦克、 反潜艇中，激光致盲武器也有很大发展潜力，对准潜望镜入 口发射激光，就会把在用潜望镜观看外部情况的敌方人员的 眼睛损伤，坦克和潜艇也就失去作战能力。侦察卫星靠装在 其中的各种光电传感器侦察地面目标，如果用激光束照射其 中的光电传感器也会使侦察卫星变为"瞎子"。
三 . 波长：极紫外──可见光──亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）
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四、激光的应用
40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与 多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电 技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激 光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析 技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子 光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激 光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新 的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业 的发展。
激光原理知识点汇总201905
激光原理知识点汇总第一章电磁场和物质的共振相互作用1.相干光的光子描述，光的受激辐射基本概念1)1960年7月Maiman报道第一台红宝石固体激光器，波长694.3nm。
2)光的基本性质：能量ε=hνh: Planck常数，ν :光波频率运动质量m=ε/c2=hv/c2静止质量0动量knhnchnmcp=•===22λππν3)光子的相干性：在不同的空间点、不同时刻的光波场某些特性的相关性相干体积相干面积，相干长度，相干时间光源单色性越好，相干时间越长：相格空间体积以及一个光波摸或光子态占有的空间体积度等于相干体积属于同一状态的光子或同一模式的光波是相干的4)黑体辐射的planck公式在温度T的热平衡下，黑体辐射分配到腔内每个模式上的平均能量1-=kThehEνν腔内单位体积、单位频率间隔内的光波摸式数338chnνπν=Planck公式：11833-==kThechνννπρ单色能量密度，k：Boltzmann常数Bohr定则：νhEE=-125)光的受激放大a.普通光源在红外和可见光波段是非相干光，黑体是相干光黑体辐射的简并度KTnmnmKTnmKTncmKTkThhEn50000,1,110,6.0,3001,60,30010,30,3001)exp(1353=≈=≈==≈==≈==→-==-μλμλμλλννb.让特定、少数模式震荡，获得高的光子简并度21212121338AWABchn===ννρνπρ6)光的自激振荡a.自激振荡概念分数单位距离光强衰减的百自损耗系数)(1)(zIdzzdI-=αdzzIIgzdI)(])([)(..α-=考虑增益和损耗])ex p[()(0zgIzIα-=αααsmsmIgIIIgIg)(1)(0-=→=+=光腔作用: (1)模式选择; (2）提供轴向光波摸的反馈；b.震荡条件等于号是阈值振荡ααα≥→≥-=000)(gIgI sm是工作物质长度llgL...........0δδα≥→=lg0单程小信号增益因子7)激光的特性：单色性、相干性、方向性、高亮性。
激光与物质相互作用课件
激光操控
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。
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。
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相对论激光物质强场相互作用是光与物质相互作用的一个重要研究领域。
随着激光技术的不断发展和应用，人们越来越关注激光与物质之间的相互作用过程，并在此基础上进行了深入探索和研究。
本文将介绍相对论激光物质强场相互作用的基本原理、研究方法和应用前景。
一、基本原理相对论激光物质强场相互作用是基于相对论理论和激光理论的相互结合。
相对论理论是爱因斯坦提出的一种描述运动物体性质的理论，它揭示了运动速度接近光速时的特殊效应。
而激光理论则是描述激光的性质和产生机制的理论。
当相对论激光与物质相互作用时，物质受到的激光辐照会引发一系列的特殊效应，包括自由电子的加速、高能电子和光子的产生等。
二、研究方法研究相对论激光物质强场相互作用的方法主要包括理论计算和实验观测两种。
理论计算通过建立适当的数学模型和物理方程，对相互作用过程进行数值模拟和计算分析。
实验观测则依靠先进的激光设备和实验装置，对相互作用过程进行直接测量和观测。
这两种方法相互结合，可以有效地揭示相对论激光物质强场相互作用的本质和特性。
三、应用前景相对论激光物质强场相互作用在现代科学和技术中具有广泛的应用前景。
首先，相对论激光物质强场相互作用可以用于高能物理实验研究。
激光的强光场可以模拟高能粒子与物质的相互作用，帮助科学家们更好地理解物质的微观结构和性质。
其次，相对论激光物质强场相互作用还可以应用于激光加工和材料改性等领域。
激光可以通过与物质相互作用，实现对材料的精确切割和表面改性，广泛应用于制造业和材料科学领域。
此外，相对论激光物质强场相互作用还在核物理、等离子物理和光学等领域具有重要意义。
总结：相对论激光物质强场相互作用是光与物质相互作用的重要研究领域。
通过研究相对论激光物质强场相互作用的基本原理、研究方法和应用前景，我们可以更好地理解和应用激光技术。
在未来的科学研究和技术发展中，相对论激光物质强场相互作用将发挥越来越重要的作用，为我们带来更多的科学发现和技术创新。
激光物理第8章场与物质的相干作用精品PPT课件
这种形式的 解。令
Cb0teit
(5.5.6）
• 将 （ 5.5.4 ） （ 5.5.5 ） 、 （ 5.5.6 ） 代 入
（5.5.3），有 i
eit
t
2
1
it
e
t
2
2
2
iE0D 2
Cao
t
e e t 2
i0 t
•
其解为：
Ca 0 t
2 ei0t E0D
• （5.5.4）~（5.5.6）以及上式代入（5.5.2），
C b ot Ai1 etBie 2t
C a 0t E 2 0 D e i 0 t A1 e i1 t B2 e i2 t C b ot Ai1 etBie 2t
• 假定初始时刻原子处于b态
C a 0 0 0 C b 0 0 1
(5.5.9）
得到
A B 1A 1 B 2 0
A与B的 解为：A2
B1 (5.5.10）
其中： 12 02D 0E2 (5.5.11）
Ca0 t
2 ei0t 1 2
E0D
ei1t ei2t
2 ei0t E0D
1
4
DE0
2
e2i 0
t
eit / 2 eit / 2
iDE0
e2i 0t
sint
2
(5.5.12）
初始时刻原子处于下能态b态，在辐射场的作用下， t时刻已跃迁到上能态a能态的几率为：
2
P atCa0t2E 0Det
si2n t
2
(5.5.13）
这就是拉比强信号解的结果
PatE0D2
e
t
sin2t 2
2019-三章光和物质的相互作用-文档资料
原子不是孤立的，发光原子是不断
原子之间存在相 运动（热运动）
互作用，由这些 着的，发出的光
干扰引起的加宽 波将产生多普勒
效应统称为压强 频移。不同原子
加宽。碰撞加宽 具有不同的热运
是其中一种
动速度，因此发
出的光波的频移
大小也不同
二、受激跃迁几率
原子和准单色光相互作用时的受激跃迁几率：
W 2 1 B 2 g ~ ( 1 ,0 ), W 1 2 B 1 g ~ ( 2 ,0 )
2）固体工作物质的均匀加宽
固体工作物质中由于离子－晶格热驰豫过程形成的无 辐射跃迁（该跃迁产生的能量转化为晶格振动的能量） 导致离子在激发态年级上的寿命缩短，从而造成谱线 的均匀加宽。
H212
1 (11)
2 s nr
（下能级为基态）H1源自21 (2
1 )
1
（下能级不为基态）
本章小结/内容提要
一、谱线加宽和线型函数
1、线型函数定义
自发辐射光功率的归一化分布函数称作该自发辐
射谱线的线型函数，定义为 线型函数的特点：
g(,0)
P(
P
)
1）满足归一化条件： g(,0)d 1
2）在=0时有最大值 3）如果满足，则式中的称为谱线宽度。自发辐射
的谱线宽度也称作荧光线宽。 g(02,0)g(0 2,0)
• 速率方程理论：量子理论的简化形式，从 光子（量子化的电磁场）与物质原子的相 互作用出发，忽略了光子的相位特性和光 子数的起伏特性，只能给出激光的强度特 性
• 激光器的严格理论是建立在量子电动力学 基础上的量子理论，它在原则上可以描述 激光器的全部特性。
• 用不同近似程度的理论去描述激光器的不 同层次的特性，每种近似理论都揭示出激 光器的某些规律，但也掩盖着某些更深层 次的物理现象。
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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。
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
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） 5.1 超快超强激光与物质相互作用基础 5.2 超快超强激光与物质相互作用应用
3.3 基本教学内容与学时安排（3）
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；
设计：秦应雄
➢ 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 光军事应用与激光生物医学等研究与工作打下良好的基础。
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
(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
超快超强激光及应用
超高速探测—飞秒化学
设计：秦应雄
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 学物理学家Ahmed H.Zewail
设计：秦应雄
高次谐波以及阿秒脉冲的产生
超快激光精密微制造
设计：秦应雄
设计：秦应雄
飞秒激光微加工 ——MEMS新技术
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”。
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
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。
➢ 无磨损
➢ 高精度
1.1 激光与物质相互作用定义
设计：秦应雄
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。
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
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
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
飞秒激光用于超微细加工
设计：秦应雄
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。
2.8 高功率脉冲太赫兹光源
设计：秦应雄
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
2.9 激光冷却与原子捕获
设计：秦应雄
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
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
设计：秦应雄
第六章 激光与生物材料相互作用（4学时） 6.1 生物组织的光学性质 6.2 激光与生物组织相互作用机理 6.3 激光医学应用
第七章 激光与物质相互作用的新理论、新方法及新 应用（2学时） 7.1 激光制冷 7.2 激光约束核聚焦
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， 促使水蒸气凝结为水滴。
2.6 激光与生物医学
设计：秦应雄
激光生物医学
临床治疗
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
电灯泡
发散的 多色的 不相干的
激光束
平行的 单色的 相干的
激光是一种能在空间上
优势
➢ 高功率密度 ➢ 非接触Biblioteka 和时间高度集中的电磁 波。
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
激光等离子体及应用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
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
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
3.3 基本教学内容与学时安排（2） 设计：秦应雄
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）
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》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
2.5 激光作用等离子体
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。
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。
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
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） 5.1 超快超强激光与物质相互作用基础 5.2 超快超强激光与物质相互作用应用
3.3 基本教学内容与学时安排（3）
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；
设计：秦应雄
➢ 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 光军事应用与激光生物医学等研究与工作打下良好的基础。
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
(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
超快超强激光及应用
超高速探测—飞秒化学
设计：秦应雄
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 学物理学家Ahmed H.Zewail
设计：秦应雄
高次谐波以及阿秒脉冲的产生
超快激光精密微制造
设计：秦应雄
设计：秦应雄
飞秒激光微加工 ——MEMS新技术
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”。
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
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。
➢ 无磨损
➢ 高精度
1.1 激光与物质相互作用定义
设计：秦应雄
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。
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
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
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
飞秒激光用于超微细加工
设计：秦应雄
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。
2.8 高功率脉冲太赫兹光源
设计：秦应雄
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
2.9 激光冷却与原子捕获
设计：秦应雄
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
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
设计：秦应雄
第六章 激光与生物材料相互作用（4学时） 6.1 生物组织的光学性质 6.2 激光与生物组织相互作用机理 6.3 激光医学应用
第七章 激光与物质相互作用的新理论、新方法及新 应用（2学时） 7.1 激光制冷 7.2 激光约束核聚焦
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， 促使水蒸气凝结为水滴。
2.6 激光与生物医学
设计：秦应雄
激光生物医学
临床治疗
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
电灯泡
发散的 多色的 不相干的
激光束
平行的 单色的 相干的
激光是一种能在空间上
优势
➢ 高功率密度 ➢ 非接触Biblioteka 和时间高度集中的电磁 波。
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
激光等离子体及应用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
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
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
3.3 基本教学内容与学时安排（2） 设计：秦应雄
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）
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》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
2.5 激光作用等离子体
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。