新编实用物理11

第11章现代物理技术激光技术11.1纳米技术11.2等离子体11.3

混沌现象11.411.1激光技术11.1.1激光原理11.1.2激光的产生11.1.3激光的特点11.1.1激光原理激光英文全名为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(LASER)，于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光.科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；

而接着，这些被放出的光子又会撞击其他原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方向前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光，因此强的激光甚至可用作切割钢板.11.1.2激光的产生原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子(所谓自发辐射).当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收，会导致原子从低能级向高能级跃迁(所谓受激吸收)；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子(所谓受激辐射).这些运动往往是同时进行的.在适当的条件下，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，就会有光子射出，从而产生激光.11.1.3激光的特点1.定向发光

激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行.2.亮度极高

激光亮度极高的主要原因是定向发光.大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高.3.颜色极纯

激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此其颜色极纯.激光器的单色性远远超过任何一种单色光源.4.能量密度极大

光子的能量是用E=hν来计算的，.由此可知，频率越高，能量越高.激光频率范围3.846×1014Hz到7.895×1014Hz.

此外，激光还有其他特点：相干性好.闪光时间可以极短.11.1.4激光的应用1.激光加工技术

激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一.激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸等的自由度都很大，特别适用于自动化加工.2.激光快速成形

激光束在计算机的指挥下做完扫描刻划，将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，造出模型.速度快又精致.3.激光切割

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量.4.激光焊接

激光焊接，是指用比切割金属时功率小的激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构.激光焊接技术具有溶池净化效应；激光焊接是不需要任何焊料的;激光可以做成非常精细的焊枪;激光焊接是非接触式焊接.5.激光雕刻

激光雕刻是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料气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雕刻方法.激光雕刻技术是激光加工最大的应用领域之一.6.激光打孔

激光有很好的同调性，把它聚焦成直径很微小的光点(小于1μm)，相当于用来钻孔的微型钻头.激光在聚焦焦点上的激光能量密度很高，足以让材料熔化并气化.5.激光雕刻

激光雕刻是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料气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雕刻方法.激光雕刻技术是激光加工最大的应用领域之一.6.激光打孔

激光有很好的同调性，把它聚焦成直径很微小的光点(小于1μm)，相当于用来钻孔的微型钻头.激光在聚焦焦点上的激光能量密度很高，足以让材料熔化并气化.7.激光蚀刻

激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单，可大幅度降低生产成本，可加工0125～1μm宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造.11.2纳米技术11.2.1纳米技术的概念11.2.2纳米技术的内容11.2.3纳米技术的应用11.2.1纳米技术的概念从迄今为止的研究来看，纳米技术可分为三种概念：

第一种是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术.根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，制造纳米计算机与纳米机器人，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构.这种概念的纳米技术还未取得重大进展.第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小结构的技术.这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限.第三种概念是从生物的角度出发而提出的.生物在细胞和生物膜内本来就存在纳米级的结构.DNA分子计算机、细胞生物计算机，将成为纳米生物技术的重要内容.11.2.2纳米技术的内容1.纳米材料

当物质达到纳米尺度以后，大约是在0.1～100nm这个范围，物质的性能就会发生突变，出现某种特殊性能.这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料.仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料.2.纳米生物学和纳米药物学

如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间相互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等.有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料.新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水，但如粒子为纳米尺度(即超微粒子)，则可溶于水.3.纳米电子学

纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件，纳米结构的光/电性质，纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等.当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。更小是指响应速度要快.更冷是指单个器件的功耗要小.但是，更小并非没有限度.纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的.11.2.3纳米技术的应用1.在陶瓷领域的应用

许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点.2.在微电子学上的应用

例如计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”.3.在生物工程上的应用

分子计算机目前只是处于理想阶段，细菌视紫红质最具前景.其奇特的光学循环特性可用于储存信息，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍.4.在光电领域的应用

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存储、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高.5.在化工领域的应用

例如将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品，则可以有效地遮蔽紫外线.将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用.6.在医学上的应用使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品.纳米材料粒子将使药物在人体内传输更为方便.7.在传感器方面的应用传感器是纳米技术应用的一个重要领域.随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面.例如，将微型传感器装在包装箱内，可通过全球定位系统，对贵重物品的运输过程实施跟踪监督；在食品工业领域，这种微型传感器可用来监测食物是否变质，如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状况等.11.3等离子体11.3.1等离子体的分类11.3.2等离子体的应用11.3.1等离子体的分类1.按等离子体温度分

(1)高温等离子体：如太阳、受控热核聚变等离子体.(2)低温等离子体：

热等离子体：稠密高压(1atm以上)，如电弧、高频和燃烧等离子体.

冷等离子体：气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等.

2.按等离子体所处的状态分

(1)平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体，如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体.(2)非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体，如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的等离子体.11.3.2等离子体的应用1.等离子体冶炼

用于冶炼普通方法难以冶炼的材料，用于简化工艺过程，用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末.等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染.2.等离子体喷涂

用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到部件上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，可大大提高喷涂质量.3.等离子体焊接

可用于焊接钢、合金钢、铝、铜、钛等及其合金.特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快.还可用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大.4.等离子体刻蚀在半导体制造技术中，等离子体产生的带能粒子在强电场下，朝硅片表面加速，这些粒子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料，从而完成一部分的硅刻蚀.5.等离子体隐身在军事领域应用于飞行器的隐身.6.等离子体核聚变托克马克及ITER装置，都是研究核聚变应用发电的实例.11.4混沌现象11.4.1混沌的概念和特征11.4.2检测实际系统中存在混沌现

象的意义11.4.3检测混沌现象的几种方法11.4.1混沌的概念和特征

简单地说，混沌是一种确定系统中出现的无规则运动.混沌理论所研究的是非线性动力学混沌，目的是要揭示貌似随机的现象背后可能隐藏的简单规律，以求发现一大类复杂问题普遍遵循的共同规律.具体来说，混沌包括如下特征：

(1)内在的随机性，系统是由完全确定的方程描述的，无需附加任何随机因数，但仍会表现出类似随机性的行为.(2)分形的性质.

(3)标度不变性，是一种无周期的有序.(4)对初始条件的敏感依赖性.只要初始条件稍有偏差或存在微小的扰动，系统的最终状态出现就会巨大的差异.因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的.11.4.2检测实际系统中存在混沌现象的意义

传统上，人们把信号分为确定性信号和随机过程.然而这样的分类忽略了另一类极为重要的信号——混沌信号.混沌信号的波形是非常不规则的，表面上看来就像噪声，但实际上它却是由确定性的规则产生的，这种规则有时是很简单的.人们完全可以利用混沌的规律对系统进行短期的行为预测，这样比传统的统计学方法更加有效.

此外，在大多数情况下，当我们确认系统中存在混沌时，可以利用混沌学的原理将混沌信号从有用的信号中滤除，从而达到改善信噪比的结果，而这比应用传统的滤波方法更有效.11.4.3检测混沌现象的几种方法1.功率谱最为人们所熟识且应用最多的一种表征复杂时间序列特性的统计量是功率谱(powerspectrum)，它把复杂的时间序列分解成不同频率正弦振荡的叠加.给定频率处功率谱值与频率正弦波系数的平方成正比.典型的功率谱有一个或多个尖峰，它们对应于信号中出现的主要频率.除这些主峰外，其他频率也可能出现，不过幅度较低，而且功率谱通常分布在一个宽频带上.2.相空间重构

混沌的产生是系统整体稳定性和局部不稳定性共同作用的结果，局部的不稳定性使它具有对初值的敏感性，而整体的稳定性则使它在相空间(又称状态空间)表现出一定的分形结构，这种结构被称为混沌吸引子.正是这种精密的吸引子结构，使我们可以利用它来达到分辨噪声与混沌的目的.3.李雅谱诺夫指数和维数

有关非线性动力学的研究工作已提出了一些定量刻划