激光原理及應(yīng)用課件-陳鶴鳴第12章-激光與物質(zhì)的相互作用

第12章激光與物質(zhì)的相互作用1激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.1激光在物質(zhì)中的傳播

12.1.1激光在物質(zhì)中的傳播和吸收激光在物質(zhì)中傳播時，一部分被吸收，剩余部分透過物質(zhì)，此時激光給物質(zhì)施加光壓。有關(guān)這一現(xiàn)象的定律與普通光源一樣，所不同的是，激光的單色性及相干性非常好，因而表現(xiàn)出明顯的干涉、衍射現(xiàn)象。朗伯－比爾（Lambert-Beer）定律：透射率入射光強(qiáng)透射光強(qiáng)物質(zhì)厚度吸收系數(shù)2激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥大氣的透射譜線：表明各吸收線是按照下式在大氣中的CO2分子的振動－轉(zhuǎn)動能級間進(jìn)行躍遷：

3激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.1.2激光的散射光的散射現(xiàn)象是指，當(dāng)光入射至散射體后，在某處發(fā)生極化，并由此發(fā)出散射光。彈性散射：散射光的波長與入射光的波長相同。瑞利（Rayleigh）散射：散射體的尺寸比光波長小得多；米氏（Mie）散射：散射體的尺寸與光波長尺寸差不多;非彈性散射：

拉曼（Raman）散射；

布里淵（Brillouin）散射

4激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥1．米氏散射和瑞利散射在散射體粒子比較大的米氏散射中，前部的散射很強(qiáng)，與散射角有關(guān)的散射光強(qiáng)分布隨粒子的形狀及大小而變化。而在散射體粒子非常小的瑞利散射中，散射光的強(qiáng)度與入射光的四次方成反比，其強(qiáng)度分布前后對稱。內(nèi)側(cè)曲線：與入射線偏振光垂直的偏振光分量外側(cè)曲線：與入射線偏振光垂直和平行的偏振光分量之和球狀粒子的散射光強(qiáng)分布（入射光波長：550nm)5激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥2．布里淵散射由于密度的變化而導(dǎo)致極化率改變時，其中的非傳播性改變就是瑞利散射，這如同媒質(zhì)中不同折射率的粒子形成的散射。另一方面，傳播性改變（聲波）即伴隨有聲子出現(xiàn)時，就是布里淵散射。由于聲子在各向異性物質(zhì)中三個方向的傳播速度不同，因此，在無頻率變化的瑞利散射光的兩側(cè)，分別出現(xiàn)三條布里淵散射譜線。相對于瑞利散射光，低頻率側(cè)的散射光稱為斯托克斯（Stokes）光，高頻率側(cè)的散射光稱為反斯托克斯（antiStokes）光。6激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥3．拉曼散射由于分子振動、轉(zhuǎn)動或電子躍遷而導(dǎo)致極化率改變的情況稱為拉曼散射。瑞利散射和拉曼散射7激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥4．湯姆孫散射光與自由電子的彈性散射稱為湯姆孫（Thomson）散射。散射光的強(qiáng)度分布與散射角存在比例關(guān)系：

隨著入射光波長的縮短，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘橛胁ㄩL變化的康普頓散射。8激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.2激光在晶體中的非線性光學(xué)現(xiàn)象非線性：施加的外力與其作用結(jié)果之間不成線性關(guān)系。

非線性光學(xué)正是利用了物質(zhì)本身的非線性特征。12.2.1倍頻光的產(chǎn)生動態(tài)電場的光進(jìn)入光學(xué)材料時，材料中的原子因質(zhì)量較重而固定不動，但是電子相對較輕，因此會跟從光電場的正、負(fù)周期變化，以的頻率發(fā)生振動。當(dāng)入射光較弱時，電子的移動較小，可以視為單一振動（線性運(yùn)動）；當(dāng)入射光的強(qiáng)度達(dá)到像激光那樣強(qiáng)時，光本身的電場強(qiáng)度也非常大，電子振動變得劇烈，從單一振動變?yōu)榉蔷€性振動。由此產(chǎn)生了入射光頻率以外的振動分量，即倍頻。9激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.2.2相位匹配相位匹配條件成立時（a）和不成立時（b）只有使晶體對應(yīng)入射光和倍頻光的折射率相等，才能實(shí)現(xiàn)相位匹配。相位匹配條件：入射激光的傳播速度是諧波速度的兩倍。

10激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥雙折射晶體對應(yīng)于入射光的偏振方向有兩個不同的折射率，也就是說，某一方向的偏振光的折射率和與之垂直的偏振光的折射率不同。如果充分利用這一特點(diǎn)，就可能滿足相位匹配。簡而言之，只要入射光相對于晶體成某一角度，就可以做到入射光的折射率與倍頻光的感應(yīng)折射率相等。KDP晶體的折射率基頻波尋常光的折射率；基頻波非常光的折射率；倍頻波尋常光的折射率；倍頻波非常光的折射率。11激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.3激光對物質(zhì)的加熱與蒸發(fā)經(jīng)過空間性、時間性集中的激光照射到材料的表面時，材料表面在激光的作用下將會向外濺射，這一現(xiàn)象稱為激光蒸發(fā)。激光蒸發(fā)示意圖當(dāng)激光波長處于紅外區(qū)，或光致物質(zhì)是金屬時，容易發(fā)生熱效應(yīng)激光蒸發(fā)；當(dāng)激光波長處于紫外區(qū)且光致物質(zhì)是高分子材料時，往往發(fā)生光化學(xué)效應(yīng)激光蒸發(fā)。12激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.3.1激光熱蒸發(fā)因激光照射瞬間噴發(fā)出的高溫氣體或等離子體的現(xiàn)象稱為熱效應(yīng)激光蒸發(fā)。激光熱蒸發(fā)的產(chǎn)生過程激光脈沖寬度越短，材料的熱導(dǎo)率越低，越容易誘發(fā)激光蒸發(fā)，同時，所需的激光入射功率密度的閾值也降低。13激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.3.2光化學(xué)效應(yīng)激光蒸發(fā)在超過閾值的照射強(qiáng)度作用下，由于光化學(xué)作用而引起激光蒸發(fā)，稱為光化學(xué)效應(yīng)激光蒸發(fā)。光化學(xué)效應(yīng)激光蒸發(fā)光化學(xué)效應(yīng)激光蒸發(fā)可認(rèn)為是光子切斷了物質(zhì)內(nèi)部的分子鍵，使材料處于松散狀態(tài)，致使材料蒸發(fā)。

光化學(xué)效應(yīng)蒸發(fā)的必要條件：光子的能量>分子的結(jié)合能。14激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.4激光誘導(dǎo)化學(xué)過程半導(dǎo)體芯片是經(jīng)過了許多的薄膜加工過程制作而成的。在熱分解、等離子體、離子束等能源作用下，分子首先被分解，然后再重新組合制成薄膜，這一過程分別稱為熱過程、等離子體過程等。如果使用激光，薄膜可以做得更微細(xì)、雜質(zhì)含量更少。而這一過程是從化學(xué)反應(yīng)開始的，稱為激光誘導(dǎo)化學(xué)過程。熱反應(yīng)是正向反應(yīng)；激光引起的光化學(xué)反應(yīng)通過有效地進(jìn)行分子（原子）選擇、反應(yīng)場或空間的選擇以及微粒子操作等方式，即使在不升高溫度的情況下也可以發(fā)生15激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.4.1激光切斷分子切斷分子的第一步是使分子吸收光，稱之為激勵光子。切斷分子的首要條件使分子具備的能量要大于解離能，因此激光切斷分子的過程也稱為光解離反應(yīng)。16激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥1.直接解離由于處于分子結(jié)合間的電子偏離位置不同，從而形成結(jié)合和反結(jié)合軌道的電子狀態(tài)。在結(jié)合軌道存在極小的能量值。相反，反結(jié)合軌道對于分離態(tài)來說是比較穩(wěn)定的軌道。在激光作用下，分子一旦被激勵到反結(jié)合軌道，分子結(jié)合鍵便會瞬間斷裂，這就是直接解離。在解離過程中，光激勵時間非常短，只有飛秒級，因此，電子在接收能量的過程中，相對較重的原子核處于近似靜止的狀態(tài)。切斷結(jié)合鍵的激光光子能量必須大于分離能。17激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥2.前期解離首先，在結(jié)合軌道（具有能量的極小值）引起激發(fā)。然后，激發(fā)的粒子遷移到反結(jié)合軌道（分離后相對穩(wěn)定）上，從而導(dǎo)致結(jié)合鍵斷裂。前期解離的壽命是ps:ns

級。3.熱分子解離在結(jié)合軌道產(chǎn)生激勵，處于基底狀態(tài)的結(jié)合軌道上的粒子發(fā)生遷移。因?yàn)榧ぐl(fā)粒子具有很高的振動能量，所以稱之為熱分子。其解離速度較慢，只有ns:us

級。18激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥4.紅外多光子解離利用紅外光依次提高振動能級，可以使振動能量最終超過解離能。紅外多光子解離階梯式激勵：起初，只有適合于分子振動的激光才能被吸收；之后，隨著能級的增加，任何波長都起作用。關(guān)鍵是分子內(nèi)的能量爭奪。這一過程是在極短時間內(nèi)發(fā)生的。因此，吸收了紅外激光的眾多分子是在最薄弱處斷裂的。據(jù)此，可以有目標(biāo)地切斷某一結(jié)合鍵。19激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.4.2激光引起的多光子吸收紅外多光子解離實(shí)質(zhì)就是激光照射下的多光子被吸收的過程。此時的能級就像階梯一樣上升。（a）階梯性的多光子吸收（b）量子力學(xué)性雙光子吸收由于測不準(zhǔn)原理，能量在短時間內(nèi)迅速擴(kuò)散，可以認(rèn)為所到之處都存在能級，在一瞬間內(nèi)，多光子吸收的效率大大增加。20激光原理及應(yīng)用陳鶴鳴趙新彥12.4.3