2023年激光与物质相互作用第一讲序论（教学课件）.ppt

设计：秦应雄设计：秦应雄 激光与物质相互作用激光与物质相互作用 秦应雄秦应雄 博士博士 副教授副教授 ：02787541774办公室办公室 18971281421 Email：qyxhust.edu 大学本科课程大学本科课程-20222022 Laser-Matter Interaction 朱海红朱海红 博士博士 教授教授 ：02787544774办公室办公室 13016467839 Email：zhuhhhust.edu 设计：秦应雄设计：秦应雄 序论序论 二、激光与物质相互作用的发展二、激光与物质相互作用的发展 三、课程相关信息三、课程相关信息 一、激光与物质相互作用概述一、激光与物质相互作用概述 设计：秦应雄设计：秦应雄 一、激光与物质相互作用概述一、激光与物质相互作用概述 激光熔覆系统与工艺激光熔覆系统与工艺 设计：秦应雄设计：秦应雄 平行的 单色的 相干的 高功率密度高功率密度 非接触非接触 无磨损无磨损 高精度高精度 a)激光激活介质激光激活介质 (气体气体,固体固体 或或 半导体半导体)b)鼓励源鼓励源 (泵浦灯泵浦灯,半导体半导体 或或 放电鼓励放电鼓励)c)光学谐振腔光学谐振腔 (全反和局部反射镜全反和局部反射镜)发散的 多色的 不相干的 电灯泡 激光束 Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLight Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASERLASER 辐射受激发射光放大激光辐射受激发射光放大激光 c)c)b)a)产生产生 特性特性 优势优势 激光是一种能在空间激光是一种能在空间上和时间高度集中的电上和时间高度集中的电磁波。磁波。设计：秦应雄设计：秦应雄 1.1 1.1 激光与物质相互作用定义激光与物质相互作用定义 激光束投射到物质外表激光束投射到物质外表或内部时，局部能量被或内部时，局部能量被反射，局部被吸收，局部被反射，局部被吸收，局部被传递出去，光能以电子和原传递出去，光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，子的振动激发形式被吸收，从而发生能量的转移与传递，从而发生能量的转移与传递，能量转移与传递引起各种物能量转移与传递引起各种物理、化学和生物等效应与过理、化学和生物等效应与过程，从而由此引出了很多新程，从而由此引出了很多新的应用。的应用。什么是激光与物质相互作用？什么是激光与物质相互作用？设计：秦应雄设计：秦应雄 1.2 1.2 激光与物质相互作用内涵激光与物质相互作用内涵 (1)(1)激光束能量光电子激光束能量光电子 (a)(a)激光的特性激光的特性 (b)(b)激光的参数描述激光的参数描述 (c)(c)激光的选择激光的选择 (2)(2)投射过程投射过程 (a)(a)激光束的空间特性激光束的空间特性 (b)(b)传输与聚焦方式传输与聚焦方式 水 冷 套 聚 焦 透 镜 垫 圈 喷 嘴 套 大 喷 嘴 小 喷 嘴 设计：秦应雄设计：秦应雄 (3)(3)作用对象：物质作用对象：物质 (a)(a)物质类型：物质类型：透明、不透明透明、不透明 金属、非金属金属、非金属 熔凝材料、等离子体、生物组织等熔凝材料、等离子体、生物组织等 (b)(b)物质特性：物质特性：光学特性：反射、透射、吸收等光学特性：反射、透射、吸收等 热学特性：比热容、热传导率、热学特性：比热容、热传导率、热扩散率等热扩散率等 设计：秦应雄设计：秦应雄 (4)(4)能量转移和传递过程能量转移和传递过程 (a)(a)转移过程：转移过程：光能转化热能光能转化热能 光能直接作用在微观粒子上光能直接作用在微观粒子上 (b)(b)传递过程：传递过程：热传导、对流、传质热传导、对流、传质 设计：秦应雄设计：秦应雄 (5)(5)神奇的效应神奇的效应 a a物理效应：物理效应：升温、相变、熔化、气化升温、相变、熔化、气化 激光诱导化学反响激光诱导化学反响 (b)(b)化学效应：化学效应：(c)(c)生物效应：生物效应：光动力、光去除光动力、光去除 (d)(d)激光等离子体激光等离子体 (e)(e)超强超快激光作用超强超快激光作用 设计：秦应雄设计：秦应雄 (6)(6)产生的应用产生的应用 a a激光材料加工：激光材料加工：热处理、焊接、切割、打孔等热处理、焊接、切割、打孔等 沉积薄膜、纳米材料沉积薄膜、纳米材料 (b)(b)激光制备新材料：激光制备新材料：(d)(d)激光军事应用：激光军事应用：高能武器、核聚变等高能武器、核聚变等 (e)(e)激光生物医学：激光生物医学：美容、手术、诊断、生物学等美容、手术、诊断、生物学等 (f)(f)激光光谱、激光探测等激光光谱、激光探测等 微纳制造、探索微观结构微纳制造、探索微观结构 (c)(c)超强超快激光：超强超快激光：设计：秦应雄设计：秦应雄 物理物理 化学化学 生命科生命科学学 技术技术 激光激光 微量元微量元素检测素检测 光谱光谱 相干控制相干控制 激光冷却激光冷却 激光催化激光催化 飞秒化学飞秒化学 标准确定标准确定 光学信光学信号处理号处理 激光视激光视力测试力测试 激光美容激光美容 激光手术激光手术 材料加工材料加工 通讯技术通讯技术 时间同步时间同步 牙科应用牙科应用 激光与物质相互作用是激光应用的重要根底。激光与物质相互作用是激光应用的重要根底。1.2 1.2 为什么学习激光与物质相互作用为什么学习激光与物质相互作用 (a)(a)激光应用根底激光应用根底 设计：秦应雄设计：秦应雄 (b)(b)-激光技术的开展激光技术的开展 2E1E发光前发光前 hh发光后发光后 h1.受激辐射受激辐射 2.调调Q、锁模、倍频等技术的开展都是光与物质相互作用的结果。、锁模、倍频等技术的开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与物质相互作用的成果可以促进激光器件技术的开展。激光器件技术的开展。设计：秦应雄设计：秦应雄 (c)(c)课程体系的延续课程体系的延续 几何几何 光学光学 物理物理 光学光学 激光原理激光原理 与技术与技术 激光器件激光器件 与设计与设计 激光与物质激光与物质 相互作用相互作用 激光工程激光工程 试验试验 激光光谱激光光谱 设计：秦应雄设计：秦应雄 (d)(d)激光及激光应用与诺贝尔奖激光及激光应用与诺贝尔奖 19641964：量子电子学、微波量子振荡器、激光：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美国的汤斯、苏联的巴索夫和普洛霍洛夫 美籍荷兰人的布洛姆伯根、美国的肖洛美籍荷兰人的布洛姆伯根、美国的肖洛,瑞典的西格班瑞典的西格班 19811981：激光光谱学与：激光光谱学与 电子光谱学电子光谱学 设计：秦应雄设计：秦应雄 19971997：激光冷却、：激光冷却、捕获原子捕获原子 美籍华人朱棣文、美国的菲利普斯、法国的塔罗基美籍华人朱棣文、美国的菲利普斯、法国的塔罗基 19991999：化学：化学反响飞秒反响飞秒光谱学光谱学 仲冬平，我校仲冬平，我校8585届激光物理专业届激光物理专业毕业生，毕业生，20222022年年度华人物理学会度华人物理学会“杰出青年研究杰出青年研究奖。奖。(d)(d)激光及激光应用与诺贝尔奖激光及激光应用与诺贝尔奖2 2 设计：秦应雄设计：秦应雄 1.3 1.3 课程研究对象课程研究对象 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、化学和生物效应等根本物理过程。及所引起的各种力学、物理、化学和生物效应等根本物理过程。超快超强激超快超强激 光与物质光与物质 生物组织生物组织 等离子体等离子体 物质凝聚物质凝聚 相到气相相到气相 激光激光 设计：秦应雄设计：秦应雄 二、激光与物质相互作用的开展二、激光与物质相互作用的开展 高强度激光束在加热金属材料的过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，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应用不同的物理现象可是实现不同的激光加工应用。激光加工应用。设计：秦应雄设计：秦应雄 2.1 2.1 激光升温与相变应用激光升温与相变应用1 1 轧辊激光外表相变硬化轧辊激光外表相变硬化 钢轨激光外表强化钢轨激光外表强化 激光照射材料激光照射材料 材料反射与吸收材料反射与吸收 温度快速升高温度快速升高 奥氏体转变奥氏体转变 快速冷却快速冷却 马氏体转变马氏体转变 设计：秦应雄设计：秦应雄 2.1 2.1 激光升温与相变应用激光升温与相变应用2 2 硅退火工艺原理图硅退火工艺原理图 大尺寸多晶太阳电池板装置大尺寸多晶太阳电池板装置 准分子激光退火准分子激光退火及再结晶后形成及再结晶后形成的高度有序的多的高度有序的多结晶硅层结晶硅层 太阳能应用太阳能应用 设计：秦应雄设计：秦应雄 2.2 2.2 激光熔化激光熔化 a.a.热导焊根本原理热导焊根本原理低功率密度低功率密度 b.b.激光深熔焊原理激光深熔焊原理高功率密度高功率密度 设计：秦应雄设计：秦应雄 激光熔化焊接应用激光熔化焊接应用 汽车平安气囊汽车平安气囊 金刚石锯片金刚石锯片 金刚石钻头金刚石钻头 设计：秦应雄设计：秦应雄 2.3 2.3 激光气化及应用激光气化及应用1 1 激光照射材料激光照射材料 材料反射与吸收材料反射与吸收 温度快速升高温度快速升高 材料熔化气化材料熔化气化 激光烧蚀激光烧蚀 材料去除材料去除 设计：秦应雄设计：秦应雄 2.3 2.3 激光气化应用激光气化应用2 2 Cutting direction Assistant gas nozzle Space between nozzle&workpiece Melt material Cutting slot Gas flow 设计：秦应雄设计：秦应雄 2.4 2.4 激光化学与立体光造型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，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，比方利用不同波长的紫外可精确地打在分子的键上，比方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，激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束的相位差，那么控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉那么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冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上，上，触发某种预期的反响。触发某种预期的反响。激光制药是激光化学第一个得益的领域。应用激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平安可靠。要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得更平安可靠。设计：秦应雄设计：秦应雄 小零件小零件 飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构?物理评论聚焦物理评论聚焦?2022?2022年年2222卷卷8 8月月1 1日日 紫外光固化紫外光固化 快速成型快速成型 20222022，获得国家科技，获得国家科技进步一等奖进步一等奖 设计：秦应雄设计：秦应雄 2.5 2.5 激光作用等离子体激光作用等离子体 设计：秦应雄设计：秦应雄 激光等离子体模拟激光等离子体模拟 particle electron density fluid temperature magnetic field electric field 设计：秦应雄设计：秦应雄 激光等离子体及应用激光等离子体及应用1 1-沉积薄膜沉积薄膜 脉冲激光沉积光电功能薄膜材料脉冲激光沉积光电功能薄膜材料 设计：秦应雄设计：秦应雄 激光等离子体及应用激光等离子体及应用2 2-冲击强