激光与物质相互作用第一讲序论优秀PPT.ppt
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1、激光与物质相互作用第一讲序论你现在浏览的是第一页,共51页序论序论二、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你现在浏览的是第二页,共51页一、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你现在浏览的是第三页,共51页+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,固体 或 半导体)b)激励源激励源 (泵浦灯,半导体 或 放电激励)c)光学谐振腔光学谐振腔 (全反和部分反射镜)-发散
2、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 Radiation(LASERLASER)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上和激光是一种能在空间上和时间高度集中的电磁波。时间高度集中的电磁波。你现在浏览的是第四页,共51页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 激光束激光束投射到物质表面投射到物质表面(或内部)
3、时,部分能量被(或内部)时,部分能量被反射,部分被吸收,部分被反射,部分被吸收,部分被传递出去,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,从而发生能量的从而发生能量的转移与传递转移与传递,能量转移与传递引起各种能量转移与传递引起各种物物理、化学和生物等效应理、化学和生物等效应与过与过程,从而由此引出了很多程,从而由此引出了很多新的新的应用应用。什么是激光与物质相互作用?什么是激光与物质相互作用?你现在浏览的是第五页,共51页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
4、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你现在浏览的是第六页,共51页(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你现在浏览的是第七页,共5
5、1页(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、传质你现在浏览的是第八页,共51页(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应激光诱导化学反应(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你现在浏览的是第九页,共51页(6
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:你现在浏览的是第十页,共51页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
7、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基础。激光与物质相互作用是激光应用的重要基础。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)激光应用基础激光应用基础你现在浏览的是第十一页,共51页(b)-(b)-激光技术的发展激光技术的发展发光前发光前发光后发光后1.受激辐射受激辐射2.调调Q、锁模、倍频等技术的发展都是光与物质相互作用
8、的结果。、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与物质相互作用的成果可以促进激光器件技术的发展。激光器件技术的发展。你现在浏览的是第十二页,共51页(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你现在浏览的是第十三页,共51页(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
9、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你现在浏览的是第十四页,共51页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:化学反:化学反应飞秒光应飞秒光谱学谱学仲冬平,我校仲冬平,我校8585届届激光物理专业毕业激光物理专业毕业生,生,20092009年度华人年度华人物理学物理学会会“杰出青杰出青年研究奖年研究奖”。
10、(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)你现在浏览的是第十五页,共51页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、化学和生物效应等基本物理过程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。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你现在浏览的是第十六页,共51页二、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 高强度激光束在加热金属材料的过程高强度激光束
11、在加热金属材料的过程中,会产生温升,相变,熔化,汽化,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,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。物理现象可是实现不同的激光加工应用。你现在浏览的是第十七页,共51页2.1 2.1 激光升温与相变应用(激光升温与相变应用(1 1)轧辊激光表面相变硬化轧辊激光表面相变硬化钢轨激光表面强化钢轨激光表面强化 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
12、变你现在浏览的是第十八页,共51页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 准分子激光退火及准分子激光退火及再结晶后形成的高再结晶后形成的高度有序的多结晶硅度有序的多结晶硅层层 太阳能应用太阳能应用你现在浏览的是第十九页,共51页2.2 2.2 激光熔化激光熔化a.a.热导焊基本原理热导焊基本原理(低功率密度)(低功率密度)b.b.b.b.激光深熔焊原理激光深熔焊原理激光深熔焊原理激光深熔焊原理(高功率密度)(高功率密度)(高功率密度)(高功率密度)你现在浏览的是第二十页,共51页激光熔化焊
13、接应用激光熔化焊接应用汽车安全气囊汽车安全气囊 金刚石锯片金刚石锯片金刚石钻头金刚石钻头 你现在浏览的是第二十一页,共51页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 材料去除材料去除你现在浏览的是第二十二页,共51页2.3 2.3 激光气化应用(激光气化应用(2 2)Cutting directionAssistant gasnozzleSpace between nozzle&workpieceMelt materialCutting slotGas flow你
14、现在浏览的是第二十三页,共51页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,可激光化学:激光携带着高度集中而均匀的能量,可精确地打在精确地打在分子的键分子的键上,比如利用不同波长的紫外激光,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,则打在硫化氢等分子上,改变两激光束的相位差,则控控制了该分子的断裂过程制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的。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,方法,十分精确和有效地把能量打在分子身上,触发某触发某种预期的反应。种预期的反应。激光制药激
15、光制药是激光化学第一个得益的领域。应用激光化学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。在一旁,使得某些药物变得更安全可靠。你现在浏览的是第二十四页,共51页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20082008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20102010,获得国家科技进,获得国家科技进步一等奖步一等奖你现在浏览的是第二十五页,共51页2.5
16、2.5 激光作用等离子体激光作用等离子体你现在浏览的是第二十六页,共51页激光等离子体模拟激光等离子体模拟particle electron densityfluid temperaturemagnetic fieldelectric field你现在浏览的是第二十七页,共51页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你现在浏览的是第二十八页,共51页激光等离子体及应用激光等离子体及应用2-2-冲击强化冲击强化能大大提高材料的耐磨性、疲劳寿命和耐腐蚀性;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
17、效强化能对钛、铝等合金进行有效强化你现在浏览的是第二十九页,共51页激光等离子体及应用激光等离子体及应用3 3激光推进激光推进高效率、低成本发射微纳卫星;高效率、低成本发射微纳卫星;卫星轨道维持及变轨卫星轨道维持及变轨你现在浏览的是第三十页,共51页激光等离子体应用激光推进激光等离子体应用激光推进 运行中的光船。所见亮光是在运行中的光船。所见亮光是在飞行器边缘下方燃烧的空气。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至燃烧。空气燃烧会产生闪光 20102010年新一期英国年新一期英国自然自然光子学光子学(Natu
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