激光应用专题

1、激光应用专题v激光在计量学中的应用v激光在材料加工中的应用v激光在医学中的应用v激光在科研中的应用激光在计量学中的应用v激光计量的特点v激光干涉计量v激光环境计量v激光陀螺仪激光计量的特点 当测定对象受到激光照射时，激光的某些特性会发生变化，通过测定其响应如强度、速度或种类等，就可以知道测定物的形状、物理、化学性质，以及它们的变化量。 鉴于激光自身的特点，因此它在物理计量方面具有高精度和高灵敏度的特点。激光干涉计量 激光干涉计量的原理是利用激光的特性相干性，对相位变化的信息进行处理，是一种最典型的激光计量方法。通常利用基准反射面的参照光和观测物体反射的观测光产生的干涉，或者是参照光和通过观测物

2、体后相位发生变化的光之间的干涉，就可以非接触地测定至被测物体地距离以及物体地大小、形状等，其测量精度达到光的波长量级，测量精度相当高。 v原理：以代表性的迈克耳逊干涉仪为例，讲解激光干涉计量的基本原理。图6-1 激光干涉测长仪的原理图从光源发出的激光经过透镜变为平行光，并由半透明的分光镜P分成两路。两路光束分别被平面镜M1和M2反射，反射回来的光在半透明镜处产生干涉，形成干涉条纹。利用透镜将该干涉光会聚并传输给光电探测器，便可以看到干涉条纹。如果将M1固定，移动平面镜M2，当移动至M1的光程和M2的光程的差值是波长的整数倍的一半距离时，将引起光电探测器上的观察到的干涉条纹移动，通过计数移动的条

3、纹数n，以及已知的激光波长，即可测量出M2移动的距离。同样利用已知的波长，通过该干涉条纹图样，可观测到物体表面的形状。如果，在P与M2中插入透明的相位物体，同样能够测定该相位的位置或时间性的变化。它可以用于光学元件的应变计量或等离子体的密度计量。激光环境计量（激光雷达） 使用激光的雷达称为激光雷达激光雷达（laser radar），或光雷达（optical radar，optical lidar，light dectection and ranging）。 在雷达中，由发射机发出的无线电波射到空中后，一部分经物体或空气反射后，由雷达的接收器所接收，这部分反射波就被称为雷达信号，它能反映出从反射

4、无线电波的物体到雷达的距离。 激光雷达使用的是由激光器发射的红外线，或可见光，或紫外光。众所周知，在我们所居住的环境中，激光是以300,000公里的恒速度传播的。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，其中一部分的光会被反射回去，而被激光雷达所配备的接收器所接收。当仪器计算出光由激光器射出到返回到接收器的时间2t后， 那么，激光器到反射物体的距离 = 光速X 时间/2，即距离 = ct。 阿波罗计划利用设置在月球的反射镜，精确测定了地球到月球的距离，激光雷达也因此而闻名。激光雷达对大气中的微粒子的探测灵敏度非常的高，利用分光方法，可以测定特定的大气成分的分布，因此称为大气环境计量的最有效手段。

5、光传播遇到折射率不连续处时，将以该处作为新的光波源产生反射，即发生散射现象。散射分为非弹性散射和弹性散射两种类型。弹性又分为瑞利散射和米氏散射。相对于激光波长而言，散射体的尺寸非常小时，称为瑞利散射；与激光波长相当称为米氏散射。通过改变激光波长的测量方式可以区别这两种散射方式。非弹性散射有拉曼散射和布里渊散射。空中发射的激光束能够对距离数百公里以外的空中悬浮物进行主动性的远距离计量。通过计量散射光，就可以测定空气中是否有乱流（米氏散射），以及CO、NO、N2O、SO2、H2S等各种大气污染物的种类及数量（拉曼散射）。激光雷达不仅用于从地表向空中的观测，还可以用于从宇宙对地球大气进行观测。该技术

6、的核心是：搭载有激光雷达的人造卫星从宇宙向地球发出激光，并在宇宙中接收来自大气的反射光或散射光，对其进行分析，再利用电波将分析结果传回至地面。因此，利用激光雷达可以跨国界获取全球范围的大气信息，激光雷达成为解决环境问题的最有利的工具。激光陀螺仪激光陀螺仪可以精确地测定旋转角速度。目前已被用于航空飞机、骑车的导激光陀螺仪可以精确地测定旋转角速度。目前已被用于航空飞机、骑车的导航系统。航系统。原理图：原理图：图6-38 环形干涉仪激光器系统示意图激光陀螺仪呈圆形，两束激光在园中逆向传播。激光的工作波长按照光圆周传播的总距离为波长的整数倍的关系自动调整。这里，如果使整个装置以角速度W绕圆的中心轴旋转

7、，当旋转同方向的激光束绕圆周一周时，其传播的光程距离比静止时的稍长，而旋转反方向的激光束的光程距离比静止时稍短。于是两列波因干涉产生差拍（频率差的节拍）。差频可以用 表示。通过测定该差频可以知道旋转角度。LSf/4量常缓慢，也能够充分计结果表明，即使旋转非可以得到：为旋转时，三角形的面积，当以旋转角速度的单边边长为，三角形波长例如，整体装置的激光HzfmS044. 0,4/103rad104m1 . 0nm8 .632227图6-39 光纤陀螺仪示意图光纤陀螺仪。这是一种小型的呈线性关系，即与旋转角速度，相位差卷、面积为光纤绕制cNSSN/8激光在材料加工中的应用v激光材料加工原理v激光加工设

8、备及应用v激光清洁激光材料加工原理加工原理： 从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达10(10(瓦厘米(温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。激光加工大体可分为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。 一般的加工设备有：激光器电源、激光发生器、机床工作台和控制系统。激光发生器的任务是把电能转变为光能，以产生所需要的激光束

9、。然后通过光学系统把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工物件上。机床工作台和控制系统是用于实现工作台的移动和激光加工的连续操作。特点和应用 激光加工的特点是：激光束能聚焦成极小的光点（达微米数量级），适合于微细加工（如微孔和小孔等）；功率密度高，可加工坚硬高熔点材料如钨、钼、钛、淬火钢、硬质合金、耐热合金、宝石、金刚石、玻璃和陶瓷等；无机械接触作用，无工具损耗问题，不会产生加工变形；加工速度极快，对工件材料的热影响小；可在空气、惰性气体和真空中进行加工，并可通过光学透明介质进行加工；生产效率高，例如打孔速度可达每秒10个孔以上，对于几毫米厚的金属板材切割速度可达每分钟几米。激光加工范围目前已成熟的激

10、光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。 激光加工设备及应用我国激光加工产业规模从1990年的1200万元，发展到2007年末的30亿元，十几年间增长了200多倍。目前我国已经形成激光加工机生产企业达150多家，已经形成一支具有相当实力的产业队伍, 其中包括深圳市大族激光科技股份有限公司、华工科技产业股份有限公司、大恒新纪元科技股份有限公司等。 激光打标 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件

11、进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米量到微米 量 级 ， 这 对 产 品 的 防 伪 有 特 殊 的 意 义 。适用标记多种金属材料和部分非金属材料。更适合应用于一些要求更精细、精度更高的场合。 应用于电子元器件、塑胶按键、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯等行业。 半导体端面泵浦激光打标机 半导体侧面泵浦激光打标机 可雕刻金属及多种非金属材料。特别适合应用于一些要求精细、精度高的场合。应用于电子元器件、五金制品、工具配件、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯、精密器械、眼镜钟表、首

12、饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材、医疗器械等行业。 普通金属及合金（铁、铜、铝、镁、锌等所有金属），稀有金属及合金（金、银、钛），金属氧化物，特殊表面处理（磷化、铝阳极化、电镀表面），ABS料（电器用品外壳，日用品），油墨（透光按键、印刷制品），环氧树脂（电子元件的封装、绝缘层）。 灯泵浦YAG激光打标机 可雕刻金属及多种非金属材料 广泛应用于应用于电子元器件、集成电路（IC）、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材、医疗器械等行业。 CO2激光打标机 可以雕刻非金属和部分金属材料。 广泛应用于食品包装、饮料包装、

13、医药包装、建筑陶瓷、服装辅料、皮革、织物切割、工艺礼品、橡胶制品、电子元件、外壳铭牌。 紫外激光打标机 食品、医药包装材料打标，打微孔（孔径d10m）。 柔性PCB板打标，划片。 金属或非金属镀层去除。 硅晶圆片微孔、盲孔加工 LCD液晶玻璃二维码打标 手机翻盖打标 玻璃表面标刻 7.3.2 7.3.2 激光切割激光切割1. 激光切割的原理与特点 切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm）使焦点处达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。如图7-17所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。 2. 激光切割的特点图7-15 激光切割头的结构示

14、意图3. 激光切割分类及其机理 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108/cm2左右，是无熔化材料的切割方式 熔化切割: 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107/cm2左右 氧助熔化切割: 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。 7.3.2 7.3.2 激光切割激光切割4. 激光功率: 激光切割时所需功率的大

15、小，是由材料性质和切割机理决定的。 切割速度: 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。 喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的个重要部件。激光切割一般采用同轴(气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距离必须保持不变。 气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。 光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦

16、距的透镜虽然可以得到较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。 7.3.2 7.3.2 激光切割激光切割5. 金属材料的激光切割:二氧化碳激光器成功的用于许多金属的切割实践；利用氧助熔化切割方法切割碳钢板的切缝可控制在满意的宽度范围内 ；大多数合金结构钢和合金工具钢都能够用激光切割方法得到良好的切边质量 ；铝及铝合金不能用氧助熔化切割而要熔化切割机制 ；飞机制造业常用的钛及钛合金采用空气作为辅助气体比较稳妥，可以确保切割质量；大多数镍基合金也可实施氧助熔化切割；铜及铜合金反射率太高，基本上不能用10.

17、6的二氧化碳激光进行切割。 非金属材料的激光切割：塑料、橡胶、木材、纸制品、皮革、天然织物及其它有机材料都可以用激光进行切割，但是木材的厚度需有所限制。无机材料中石英和陶瓷可以用激光进行切割，后者宜用控制断裂切割且不可使用高功率。玻璃和石头一般不宜用激光切割。 激光切割技术激光切割技术 激光切割大都采用重复频率较高的脉冲激光器或连续振荡的激光器。激光切割的原理是基于聚焦后的激光具有较高的功率密度而使工件材料瞬间气化蚀除。工件与激光束要相对移动。大功率CO2气体激光器所输出的连续激光可以切割钢板、钛板、石英、陶瓷等，其工艺效果较好。最新发展的数控激光机还可以进行空间取线的切割。 钢板行业激光切割

18、适用不锈钢板、普通碳钢、铝板、铜箔等金属薄片材料切割,激光器为脉冲氙灯泵浦红外（1064nm）激光器。线材加工行业激光切割用于手机、笔记本电脑、摄录机、数码相机、电子字典等微电子行业产品的内部数据信号排线金属屏蔽层的剥离；可剥单线、排线、平行线、多层线等；特别适用于1MM以下的细小数据线；激光器为半导体泵浦红外（1064nm）激光器。陶瓷行业激光划片、切割 硅晶圆激光切割 主要用于硅晶圆片、IC晶粒的划片和切割；也适用于蓝宝石、薄片陶瓷、聚合物薄膜等材料的划片和精细加工。 激光焊接在电子工业中得到了广泛应用，在焊接时，不需要很高的能量密度使工件材料气化蚀除，而只要将工件的加工区材料稍熔，使其粘

19、合在一起。通常可用减少激光输出功率来实现。激光不仅可以焊接同种材料，而且还可以焊接不同的材料，比如将金属与某些非金属材料焊接在一起。 激光焊接 电池激光焊接IT行业构件激光焊接 电子元器件激光焊接光通讯连接器件激光焊接传感器激光焊接家用五金激光焊接汽车配件激光焊接模具激光补焊首饰激光焊接眼镜激光焊接塑料激光焊接缸垫片激光焊接 笔 记 本 螺 柱 此工件采用铝合金材料制作而成，材料为6061。 要求整个螺柱承受5kgfcm扭矩，垂直拉力20kgf。 1.激光打孔原理：激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图7-13）。加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当

20、选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。 7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔图7-13 激光打孔机的基本结构示意图2.激光打孔时材料的去除主要与激光作用区内物质的破坏及破坏产物的运动有关。严格分析激光打孔的成因需要解决激光打孔时产生的蒸气和粘性液体沿孔壁流动的动力学问题，这里只根据一些实验关系，建立一个唯象的描述对激光打孔的激光束几何参数和总能量与孔的深度和孔径之间的关系进行估算 7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔图7-14 激光打孔几何原理简图 2. 激光打孔的激光束几何参数和总能量与孔的深度和孔径之间的关系进行估算。如图7-14的激光打孔原理简图 如果在t时刻孔的

21、底面半径为r(t)，孔深为h(t)，则有 thtgrtr0考虑材料从孔底蒸发，而熔化的液体从孔壁流走，t时刻的能量守衡方程为 drthtrLdhtrLdttPMB22当 时，可以近似解出用激光加工的总能量表示的孔深度和孔径为 0)(rth31223MBLLtgEh3123MBLLEtghtgr7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔图7-14离焦量对打孔质量的影响3. 激光打孔工艺参数的影响 脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。 激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光

22、聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（图7-15）。 7.3.1 7.3.1 激光打孔激光打孔3. 激光打孔工艺参数的影响 被加工材料对打孔的影响 脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。 材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。 4.应用实例：用激光加工系统打薄板筛孔 图

23、7-15 薄板打孔效果图 激光打孔利用激光束的高能密度特性，可以对金属、非金属进行打孔加工，尤其是微细孔加工。一般机械钻孔直径都在几毫米或零点几毫米上，而激光则能加工小至几微米的小孔，这是对钟表上的宝石轴承打孔，激光打孔只是利用激光束，而不需要切削工具，因此不存在工具损耗或工具变形等问题。激光打孔适合于自动化高束连续打孔，过去，机械加工工序多、效率低。现在采用激光打孔工件自动传送，每分钟可连续加工几十件，其加工速度高，热影响区很小。能加工各种高强高硬的金属、非金属材料。加工好的宝石轴承进行最后的检验。激光打孔在加工各种角度的斜孔、薄壁零件上的小孔、难加工金属材料及复合材料上微小孔方面，更具有优

24、越性。 这些叶片小孔都是用激光打孔加工而成，尤其是许多斜孔用激光打孔时更为容易。这件工艺品也是用激光打孔加工而成的。 激光加工技术的发展趋势激光加工技术的发展趋势 1.数控化和综合化 把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。 2.小型化和组合化 国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。 3.高频度和高可靠性 目前，国外YAG激光器的重复频度已达2000次/秒，二极管阵列泵浦的N

25、d：YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到12万小时。 4.采用激元激光器进行金属加工 这是国外激光加工的一个新课题。激元激光器能发射出波长157350纳米的紫外激光, 大多数金属对这种激光的反射率很低, 吸收率相应很高, 因此, 这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。 激光在医学方面的应用v激光与生物体的相互作用v医用激光设备v光动力学治疗1.假设生物体中入射的单色平行光强度为I0。若生物体是均匀的吸收物质（ a0为吸收系数，见图8-1 ），入射深度为x处的光强度I为8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性在不能忽略散射的条件下，上式可用衰减系数at和散射系数

26、as改写为 xaII00exp xaIItexp00aaast图8-1 生物体中的光衰减特性 2.如图8-2（a）所示，单一微粒所引起的光散射在所有方向上都存在。但是如图8.2（b）所示的多重散射时（反复多次散射），光在生物体内扩散，变得近似于各向同性散射。 8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性图8-2 生物体中散射光的特性 3.如图8-3所示为生物体与光的各种相互作用的示意图8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性图8-3 生物体与光的各种相互作用的示意图 4. 由图8-4可知，在7001500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学

27、之窗。 图8-4 软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系 5.图8-5所示的是软组织中各种激光波长的光渗透长度的大致数量。光渗透长度在近红外附近较大，在3m以上的红外域或300nm以下的紫外域中较小。组织的种类不同，光渗透长度对波长的依赖性也变化。 8.1.1 8.1.1 生物体的光学特性生物体的光学特性图8-5 软组织中各种激光的穿透深度 1.激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。激光对于受照射的组织有四方面的作用即热力作用(thermal action)、机电作用(electro-mechanical action)、激光消融作用(photoablative action)和光化学作用(

28、photochemical action)。 8.1.2 8.1.2 激光对生物体的作用激光对生物体的作用2.各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。 8.1.3 8.1.3 激光对生物体的作用激光对生物体的作用对生物体应用激光的优点有以下四个方面：首先，人们日常工作生活在表现为光的电磁场中，除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。其次，在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地对生物体应用，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；第三，利用激光的高度

29、的方向性，将其会聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能。最后，光与生物体进行着极其多种多样的相互作用，至今被利用的还只是很少的一部分，还需要今后开发更加多种多样的新的应用。 1.固体激光器 8.4.1 8.4.1 医用激光光源医用激光光源固体激光器所使用的是晶体和非晶体类型的工作物质，大体上可分为氟化物、盐类和氧化物三大类。临床上常用的是红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG），可用作手术刀和照射治疗等方面。2.气体激光器 (1)惰性原子气体激光器 (2)分子气体激光器 （3）离子气体激光器 3.半导体激光器 半导体激光器的工作物质是半导体，作为半导体激光的材

30、料有几十种，医学上常用的是砷化镓、铝砷化镓等。 4.液体激光器 液体激光器主要是指有机液体激光器，常用的是染料激光，输出波长连续可调（通过变换工作物质的成分、浓度等方法）、工作物质多（已有一百多种染料中得到受激发射），而且可以得到连续或者高重复频率的振荡，所以用途相当广泛。1.光纤（实心光纤） 8.4.2 8.4.2 医用激光传播用光纤医用激光传播用光纤（1）医用激光的光束直径通常是数十至数百微米，因此一般采用多模光纤。激光以很小的光束直径聚光时，功率密度过高会引起光纤材料的损伤。由于这种限制，常常不能使用细光纤。 （2）实用上，目前最广泛使用的是石英玻璃光纤，如图8-22所示1m附近损失最低

31、，适合用于Nd：YAG激光器等的近红外激光的传播。 图8-22 石英玻璃光纤的损失光谱 1.空心光纤 8.4.2 8.4.2 医用激光传播用光纤医用激光传播用光纤（1）空心光纤是用空气（或气体）作为芯的细管状的纤维，激光在这种管内壁上边反射边传播。这种空心光纤除了光纤端部没有反射损失，因而能得到很高的传播效率。 （2）空心光纤的典型结构如图8-23表示。图8-23（a）为金属矩形空心波导，它的研究历史最长。目前作为高功率激光传播光路，有望的是图8-23（b）及图8-23（c）的形状。图8-23（b）为单晶Al2O3空心波导。图7-23（c）为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤，光纤的支撑管可采

32、用金属或玻璃。 图8-23 空心光纤的结构 1.某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，因此给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经一定时间后，在病变部位照射激光。可以有选择地破坏癌症细胞，这种方法称为光动力治疗（PDT:photodynamic therapy）或光化学治疗。 光动力学治疗光动力学治疗2.使用的光敏感性物质有血卟啉衍生物（HpD），如图8-11所示，它在紫外域上具有称为Soret带的强的吸收带，又在可见域中具有称为Q带的弱的吸收带。 图8-11 光敏感物质(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光谱光动力学治疗（Photodynamic Therapy）The way that PDT work

33、s in patients in shown below: A p a t i e n t comes to the clinic with a tumour. The photosensitiser i s g i v e n b y i n j e c t i o n .After time the photosensitiser concentrates in the tumour. The photosensitiser is activated by light. The tumour is selectively destroyed. 3.图8-12中所示的是光动力治疗的反应机制的

34、示意图。 8.2.7 8.2.7 光动力学治疗光动力学治疗图8-12 光动力治疗的反应机制的示意图Photodynamic therapy (PDT) is a special form of phototherapy, a term which includes all treatments which use light to induce reactions in the body which are of benefit to patients. Photosensitisers Photosensitisers are molecules which have the special

35、 property of absorbing light energy and using this energy to carry out chemical reactions in cells and body tissues. The photosensitiser must be able to absorb light in order to work and this places a requirement on its absorption spectrum or colour. For most purposes, we wish to use red light becau

36、se it penetrates tissues better than blue light. Types of Photosensitisers Haematoporphyrin and Photofrin 10.1.1 10.1.1 受控核聚变受控核聚变1.发展聚变能应用是替代化石类燃料与裂变能，推动人类文明发展的理想途径。 2.聚变时，参加反应的原子核都带正电，彼此之间互相排斥。粒子必须具有极高的动能，才能克服这种排斥作用，彼此接近到足以发生反应的程度。 10.1.2 10.1.2 磁力约束和惯性约束控制方法磁力约束和惯性约束控制方法1.利用核聚变提取能量有两个条件：一是保证充分的反应

37、时间；二是约束高温等离子体。 2.目前比较实用的能达到劳森条件的装置有两大类。一是利用一定的强磁场将高温等离子体进行约束和压缩，使之达到劳森判据，即所谓的“磁力约束方法”（magnetic confinement fusion, MCF）。二是惯性约束(inertial confinement fusion, ICF)法，利用高功率的激光束或粒子束均匀照射用聚变材料制成的微型靶丸，在极短的时间内迅速加热压缩聚变材料使之达到极高的温度和密度，在其分散远离以前达到聚变反应条件，引起核聚变反应条件。 3.自20世纪60年代初梅曼成功地研制出激光器后不久，在美国及前苏联就开始了激光核聚变惯性核聚变的研

38、究。 10.1.3 10.1.3 激光压缩点燃核聚变的原理激光压缩点燃核聚变的原理1.压缩点燃的方式有两种：一种是直接照射方式多束激光以球对称方式直接照射在靶丸表面；一种是间接照射方式将靶丸放入由金等重金属制成的空腔中，通过激光照射空腔内表面产生的X射线再照射靶丸。 2.图10-2表示了从压缩点燃到核聚变点火、燃烧的全过程。 图10-2 压缩点燃到核聚变点火燃烧的过程激光在科研当中的应用激光在科研当中的应用 光解反应动力学简介光解反应动力学简介 实验装置实验装置 举例举例光解反应动力学光解反应动力学 光解反应动力学它主要研究分子吸收光子后发生分解反应产生光解碎片的过程以及光解碎片的内能态分布和

39、空间分布等。 二十世纪50年代，英国剑桥大学R. G. W Norrish与G. Porter 等人1-4首次探测了光解碎片的内能态分布并开创了这一崭新学科。十几年后美国加州大学K. Wilson5及美国哥伦比亚大学R. Bersohn等人6第一次测量了光解产物的平动能分布和角分布，之后使得这一学科得到了迅速的发展。尤其在最近几十年里，光解反应动力学取得了巨大的发展，它深入到物理化学和化学物理的各个领域，包括环境化学、团簇化学、表面化学及大气化学等等。 1.Nature, 1953, 172, 71. 2.Proc. Roy. Soc. A, 1952, 210, 439.3.Faraday

40、Soc. Discussions, 1950, 9, 60.4.Proc. Roy. Soc. A, 1950, 200, 284.5.Rev. Sci. Instrum, 1970, 41, 1066.6.J. Chem. Phys. 1971, 55, 1908. 光解反应动力学研究的实际意义光解反应动力学研究的实际意义F O2 +hv 2O O3 + hv O2+O O+O2+M O3+M O3+O 2O2 Net: 3O2 2O3 Net: 2O3 3O2 F Cl+O3ClO+O2 Br+ O3 BrO + O2 ClO+OCl+O2 O + BrO Br + O2Net: O3+O

41、O2+O2 Net: O+O3 2O2F 光解产生的光解产生的OH，NO，NO2等自由基对于臭氧层的破坏、酸雨等自由基对于臭氧层的破坏、酸雨的形成、光化学烟雾的产生等等都起着非常重要的作用。的形成、光化学烟雾的产生等等都起着非常重要的作用。7. H. S. Johnston, “Atmospheric ozone”, Annu. Rev. Phys. Chem., 1992, 43, 18. D. E. Heard, “Atmospheric field measurements of the hydroxyl radical ”, Annu. Rev. Phys. Chem. 2006, 5

42、7, 191.光解反应及其分类AB + Nphotonhv (AB)* A() + B()光解反应： 吸收光子的数目吸收光子的数目N Nphotonphoton： 使用的光解光源：使用的光解光源： 激发态络合物的解离过程：激发态络合物的解离过程： 光解反应的分类：光解反应动力学的研究方法R 激光诱导荧光（激光诱导荧光（LIF）方法）方法R 碎片的发射光谱方法碎片的发射光谱方法 R 共振增强多光子电离（共振增强多光子电离（REMPI）方法）方法 R 多普勒光谱多普勒光谱(Doppler Profile)方法方法 R 时间飞渡质谱（时间飞渡质谱（TOF）方法）方法 R 离子成像方法离子成像方法 实

43、验装置实验装置GCR-170 YAGHD-500 Dye LaserHT-1000(FD)KDP CrystalSR250 BoxcarComputerphotolysisprobetrigger photolysis cell1064266(355)532A/D changesignalsignalsignal Nd: YAG 激光器（ SpectraPhysics，GCR-170，10 Hz，10 ns）输出的一部分1064 nm基频光经倍频后输出355 或532 nm 的光，用来泵浦一台染料激光器（Lumonics， HD-500），染料激光器输出来的光再经过一台倍频器（Lumonics

44、， HT-1000）二倍频后用做探测激光光源，探测激光的扫描速度为0.01 nm/s。剩余部分1064 nm基频光经四倍频或三倍频后变为266 或355 nm的光，用作解离激光光源。解离激光的能量控制在每个脉冲1.5 mJ左右，探测激光的能量控制在每个脉冲小于0.2 mJ左右。解离激光和探测激光对射进入反应池，利用光路延迟，探测光与解离光的相对延后约15 ns。这样既可以保证两束激光很好地分离，又可以使光解碎片为初生态产物。产物碎片的荧光信号用光电倍增管（ PMT ）接收，PMT的输出信号送入取样积分器Boxcar（StanfordSR250），Boxcar在探测激光的同步触发下对信号进行同步

45、取样。245.0290.0335.0380.0Wavelength (nm)10.020.030.0Transmisson (T%)UV-308 nm滤光片透过率曲线 CR161-PMT响应曲线 光谱拟合方法:光谱谱线位置的确定光谱谱线强度的确定光谱拟合的目的：得到较为准确的初生态产物碎片OH的内能态分布的信息LIF光谱谱线位置的确定：OH自由基的电子基态为X 2态，第一电子激发态为A 2态，它们之间的电子跃迁形成了它的所谓带光谱，左图描述了OH自由基的电子基态与第一电子激发态的势能曲线。对称性选择定则： ,/,/根据跃迁选择定则,得到OH自由基A2+X2的12个转动支：21112111211

46、1232,:PPQQRR221222122212212,:PPQQRR由于实验仪器分辨率的限制，前述12个转动跃迁分支中，只有8个分支是可以分辨的。在Born-Oppenheimer近似下，可以把电子的运动与原子核的运动分开考虑，能够把能量进行分离，对于电子态不同的分子的振动和转动： E = Ee + Ev + Ev-r= Ee + hcG(v) + hcFv(J) 其中Ee 为电子项；G(v)是振动项；Fv(J)为给定振动能级中的各转动项。 4ee3ee2eee)21v(z)21v(y)21v()21v(G(v) E 转动项可以表示为: 其中 2)21()21(vvBBeeev)21( vDDeev)2458(32eeeeeeeeeeBBDHV He = )12(3223eeeeeBDE 振动项可以表示为： 33v22vvv)1J(JH)1J(JD)1J(JB)J(Fh= E2 - E1 =E为了准确标定解离碎片 OH 激光诱导荧光光谱中每条谱线所对应的转动态，我们需要将实验所得光谱与理论拟合光谱相对照。激光诱导荧光光谱