激光技术及其应用课件

激光技术及其应用2015年1月18日1主要内容飞秒激光技术激光与物质相互作用机理微纳加工应用出访院校介绍溅射沉积镀膜技术激光雷达技术总结与期望飞秒激光的主要特点具有激光的共同特点，同时1.超短脉冲1fs=10-15s2.超强功率（瞬时功率，可达到百万亿瓦）当它被聚焦到亚微米的空间区域，激光电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

1、飞秒激光技术SallieGardnerRunning脉冲宽度极短

1fs=10-15秒(电子绕原子核半周的时间)微观世界超快过程的研究物理化学生物学1、飞秒激光技术TimeMicroscopy–femtosecondlaserAhmedH.Zewail

1999NobelPrizeFemto-Chemistry

1、飞秒激光技术1012~1015W1018~1021W/cm2

(E=1011V/cm氢原子库仑场5×109V/cm）极端物理条件光压

109~1012bars

磁场

109高斯

加速度

1021g(1022m/s2)

温度

108聚焦1、飞秒激光技术飞秒激光飞秒激光的产生超快科学（探测认识某些超快物理过程）物理化学生物学超快技术电子学（光电取样）光通讯成像共焦显微

OCT飞秒激光的放大超快超强科学（创造一个极端物理条件）飞秒等离子体强场下电子的相对论运动

Self－channeling相对论自聚焦千兆巴激光压力尾场等离子体波未来科学技术新突破未来科学技术新突破飞秒相干x射线及x激光（高次谐波，汤姆逊效应）

x光显微术,x光印刷术,x光照相激光热核聚变快速点火激光粒子加速器

THz毫米波技术云层放电超高速计算机超高速光通讯生物技术（合成生物分子）医学（OCT）微加工技术1、飞秒激光技术Oscillator

Stretcher（×103-105）Amplifier

（×103）Compressor（÷103-105）啁啾脉冲放大1飞秒激光技术YVO4Ti:soscillatorSESAMGainamplifierStretcherEnergyamplifierCompressorPre-amplifierGRPC1Ti:sPC2532nmNd:YAG532nmNd:YAG532nmNd:YAGTi:sTi:sGRGR1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术抽运光功率提高到１２．５Ｗ后，压缩后脉冲宽度为１２４ｆｓ，此时脉冲宽度最窄，单脉冲能量为１．５６μＪ，峰值功率１２．６ＭＷ1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术2、激光与物质相互作用机理与金属作用的双温方程模型与聚合材料作用的n光子吸收模式与电介质相互作用的动力学方程2、激光与物质相互作用机理ΔXmΔXdzx∝In（x）发生多光子过程的空间区域更小

多光子∝In（t）吸收几率

发生多光子过程的时间范围更小

ΔXd～λΔXm<<λ2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理1975、S.I.Anisimovet.al从一维非稳态热传导方程出发，考虑到超强脉冲时光子与电子及电子与晶格两种不同的相互作用过程，列出了电子与晶格的温度变化微分方程，即双温方程：2、激光与物质相互作用机理1975、S.I.Anisimovet.al从一维非稳态热传导方程出发，考虑到超强脉冲时光子与电子及电子与晶格两种不同的相互作用过程，列出了电子与晶格的温度变化微分方程，即双温方程：2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理与金属作用的双温方程模型与聚合材料作用的n光子吸收模式与电介质相互作用的动力学方程3、微纳加工应用3、微纳加工应用LaserBeamExpanderMirrorLensZ-axisSampleX-YaxisComputer3、微纳加工应用—树脂材料3、微纳加工应用—树脂材料3、微纳加工应用—树脂材料3、微纳加工应用—玻璃GlasswaveguideGlassmachining100umholearrayindoped-glassforfibrealignmentGridstructuresinsoda-limeglassMicro-channelsforopticalswitch3、微纳加工应用—金属20-umstainlesssteelCutwidth:10umS.Steel:20um/50um300umthicknitinol,50umslotCopper:topview(left)andX-view30um/1300um3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他飞秒激光在PMMA材料内部加工三维点阵下层点列（脉冲能量:2.87nJ）

3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他Laserbeam4、出访院校介绍原则已有交流基础或合作关系通过联系人介绍自己联系NaplesandtheUniversityFedericoIINaplesViewofthegulfAsquareAsmallstreetUniversityFedericoIINowadaystheuniversityismadeupofthirteenschools,eightytwodepartments,anacademicstaffofmorethan3,120individualsandanadministrativestaffofmorethan4,500.Currentstudentenrollmentisstillabout97,000.课题背景中国－意大利合作项目研究人员往来政府资助基金（GrantNo.N10MO2）:Ultrafastlaserablationofsolidtargetsandnanoparticlessynthesis，2010.1－2012.12课题背景CNR-SPIN:意大利国家研究委员会-超导与新材料器件研究所—MaMafund课题背景CNR-SPIN:意大利国家研究委员会-超导与新材料器件研究所—MaMafundDTUFotonikJørgenSchouTechnicalUniversityofDenmarkMainactivityFundamentalsoflaserablation

课题背景CNR-SPIN:意大利国家研究委员会-超导与新材料器件研究所—MaMafundDTU-TechnicalUniversityofDenmarkDTUEnergyConversionDepartmentofEnergyConversionandStorageNiniPryds(HeadofSection)MainactivitiesEnergymaterials;Oxides;PLD课题背景ChinaNationalScholarshipFund

5溅射沉积镀膜技术LegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL25溅射沉积镀膜技术Laserbeamlaserbeamsubstratevacuum/backgroundgastargetlaserproduced

plasmaplume

③

Surfaceprocessing①TransientPlasma②NPs&NPs-assembledfilmsOtherfieldsofapplicationLIBSformaterialanalysisIonbeamgenerationEUVlightgenerationm-thrusterforsatellites3Dstructuring(dielectrics)Templatesforcellgrowth..................实验条件介绍5实验条件介绍-Stefanno实验条件介绍-Saleno实验条件介绍-DTU-1JørgenSchouNiniPryds(HeadofSection)主要科研工作完成金属（Cu、Fe）、半导体（Si）以及化合物（TiO2）样品的烧蚀电子、离子空间时域分布进行分析以及纳米颗粒沉积特性实验研究；与丹麦技术大学（TechnicalUniversityofDenmark<DTU>）光子工程系（DepartmentofPhotonicsEngineering）和能量转换与存贮系（DepartmentofEnergyConversionandStorage）开展纳秒激光与蛋白质（Protein）作用烧蚀阈值实验和纳秒激光与Al2O3作用是等离子羽状物的空间分布以及飞行光谱的采集与处理实验分析研究；利用业余时间积极开展第二科研方向Caliposo激光雷达信号数据处理工作。PlumetargetAtomicNPsDepositedNPselectronssubsystemheatinglatticeheatingelectrons-to-latticeenergytransferTimeduringpulseafterpulsefspsnstargetmeltinganddecompositionmaterialejectionandplumeexpansiontp---------------------electronslattice+++++++++++++++++++-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-equilibriumablationPhotoofasilverfsablationplume...atlatertime5溅射沉积镀膜技术5溅射沉积镀膜技术LegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL25.1Langmuirprobe探测离子实验研究5.1Langmuirprobe探测离子实验研究激光脉冲能量为10.7J/cm2时铜离子时间飞行（TOF）不同角度电压和电流强度曲线5.2等离子体ICCD分析研究ICCDL2NanoparticlesplumeemissionAtomicplumeemission01015.2等离子体ICCD分析研究ICCDL25.2等离子体ICCD分析研究Ahigh-mobilitytwo-dimensionalelectrongasatthespinel/perovskiteinterfaceofγ-Al2O3/SrTiO3Y.Z.Chen,2013,NatureCommunications

5.2等离子体ICCD分析研究Ahigh-mobilitytwo-dimensionalelectrongasatthespinel/perovskiteinterfaceofγ-Al2O3/SrTiO3Y.Z.Chen,2013,NatureCommunications

5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究ListofmaterialsAl,Ag,Au,Cu,Pd,…Ni,Co,Fe,Mn,…—

Si,Ge,…—NiFe,CoCu,SmCo,AlN,…—CdS,ZnS,TiO2,ZnO,VO2,…—LSMO,TbDyFe,…—!?What

is

next?!5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究substrateNPshapeatAFMEquivalentsphere

oblateellipsoidwithvolumeVa5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究substrateNPshapeatAFMEquivalentsphere

oblateellipsoidwithvolumeVa5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究脉冲能量为2.23mJ时曝光10s的纳米颗粒AFM扫描图像

脉冲能量为2.23mJ，能流密度为10.7J/cmP2P时曝光10s的纳米颗粒AFM统计图5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究AFMimageofthefilm5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究HysteresisloopofaNickelNPs-assembledfilmAFMimageofanickelNPs-assembledfilm.5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究b)CdS,527nm,440mJ1mm1mmPhotoluminescence5.3沉积纳米颗粒及薄膜实验研究LaserInducedPeriodicSurfaceStructuresThereisnogeneralconsensusontheoriginofripples(LIPSS).Themostconsideredexplanationisbasedonaninterferencebetweentheincidentbeamandascatteredsurfacewave(alsoinformofSurfacePlasmonPolariton)inducedbythesurfaceroughness.Ripples5.4不同波长纳秒、飞秒激光与蛋白质（Lysozyme）作用时烧蚀效率的实验研究

近红外激光烧蚀效率和能流密度关系曲线（a）飞秒激光实验结果（1054nm）（b）纳秒激光实验结果（1064nm，Danmark）6激光雷达技术

Lidarstandsfor"lightdetectionandranging"andisaradar-related("radiowavedetectionandranging")methodtoremotelymeasureatmosphericparameters.Lidarsystemssendoutlaserpulsesanddetectthebackscatteredradiation.Fromthesignals'timedelayandthespeedoflight,thedistancefromthebackscatterlocationcanbedetermined.6激光雷达技术

P0:LaserpowerA:Telescopeareah:Overlapfunctionb:Backscatteringcoefficienta:ExtinctioncoefficientLidarequation(singlescattering):6激光雷达技术

BackscatteringLidar(mono-,multi-wavelengths)

Scanning,VolumeImaging,Depolarization,Fluorescence… Aerosol,Cloud,Dust,Organicdust,…Raman

Lidar,HighSpectralResolutionLidar

Aerosol,Cloud,Dust

Watervapor,Temperature,…DIAL

Lidar

Pollutionmolecules(SO2,CO,CO2,NO2,NO,…),O3,…Doppler

Lidar

WindspeedprofileClassificationbyPrinciple:Groundbased

Atmosphereprofile,3D,localAirborne largearea,Atmosphere,Earthandseasurface,SeabottomSpaceborne

globalClassificationbyPlatform:6激光雷达技术

3DscanningLidar6激光雷达技术

3DscanningLidar6激光雷达技术

SpectroscopyanalysisLidar6激光雷达技术

CharacteristicsofBackscatterLidarSystem

TransmitterLaserNd:YAGorExcimerLaser(XeF)Wavelength1064,532,355nmor351nmOutputenergy1–50mJ/pulsePulserepetitionrate20-1000HzPulsewidth5-20nsBeamdivergence0.2-0.6mradReceiverTelescope35cmNewtonian,f=120cmFieldofview1.5mradFilterbandwidth1-2nmVerticalresolution3m(raw),15m(final)6激光雷达技术

RamanLidarMulti-wavelengthDifferentialAbsorptionLidar(DIAL)AirborneLidarSystem6激光雷达技术

AirborneLidarSystem6激光雷达技术

6激光雷达技术

CALIPSO卫星主要载荷包括：正交偏振云和气溶胶激光雷达CALIOP宽视场相机WFC成像红外辐射计IIRCALIP是一台偏振敏感双波长（532nm/1064nm）激光雷达92

Caliop激光雷达CALIPSO卫星在轨道上的运行速度是7km/秒激光器二极管泵浦一缕石榴石晶体激光器脉冲能量532nm的为110mJ1064nm的为110mJ重复频率20.16Hz脉冲长度20ns线宽532nm：30pm；1064nm：100pm极化纯度>1000:1（532nm）光束发散角100urad（在光束扩展之后）瞄准范围±1°，分辨率1.6μrad激光的环境18psia，干燥的空气93

CALIOP发射接收系统光学路径946激光雷达技术

96数据空间分辨率6激光雷达技术

6激光雷达技术

5XbeamexpandersNapoliLidarExperimentalSetup387nmRaman407nmRaman355nmElastic532nmElastic607nmRamanSummaryofMulti-wavelengthRamanLidarLaserSourceNd-YAGWavelength355,532,1064nmPulseduration5nsecPulseEnergy100mJ@355nm90mJ@532nm300mJ@1064nmReperate20HzDivergence0.1mrad@1064nm0.1mrad@532nm0.1mrad@355nmReceiversystemTelescopeNewtonian30cmFieldofView1.3mradElasticChannel355nmBW0.5nm532nmBW0.5nmDepolarizationChannel532nmParallel&PerpendicularN2RamanChannel386.7nmBW0.5nm607nm

BW1.0nmH2ORaman406.7nmBW0.5nmPBLdevelopmentLidarCharacterizationofVolcanicDustMt.EtnaEruptionEvents(July-August2001)发表论文成果106ConferenceofLaserAblation-COLA,2013.10.06-11发表论文成果1.LixiaSang,HongjieZhang,XiaochangNi,K.K.Anoop,RosalbaFittipaldi,XuanWang,SalvatoreAmoruso,Hydrogen-evolvingphotoanodeofTiO2nanoparticlesfilmdepositedbyafemtosecondlaser,InternationalJournalofHydrogenEnergy,2015,40(1):779-785

2.YaoHuan,NiXiaochang,WangXuan,LiTong,XuLijuan,SongZhenming.TherelevantresearchonAODandconcentrationofPM2.5pollutant[A];TheSecondInternationalConferenceonFrontiersinOpticalImagingTechnologyandApplication[C];20143.XiaochangNi,LixiaSang,HongjieZhang,AnoopK.K.,S.Amoruso,XuanWang,R.Fittipaldi,TongLi,MinglieHu,LijuanXu,FemtosecondlaserdepositionofTiO2nanoparticle-assembledfilmswithembeddedCdSnanoparticles,OptoelectronicsLetters.10（1）43-46，20144.XiaochangNi,K.K.Anoop,X.Wang*,D.Paparo,S.Amoruso,R.Bruzzese,Dynamicsoffemtosecondlaser-producedplasmaions,AppliedPhysicsA,2014,117:111–1155.XiaochangNi*,AnoopK.K,MarioBianco,SalvatoreAmoruso,XuanWang,TongLi,MinglieHu,ZhenmingSong,Iondynamicsinultrafastlaserablationofacoppertarget,ChineseOpticsLetters,2013,11(9):093201-56.D.K.Pallotti,X.Ni,R.Fittipaldi,X.Wang,S.Lettieri,A.Vecchione&S.Amoruso,Laserablationanddepositionoftitaniumdioxidewithultrashortpulsesat527nm,Appl.Phys.B,2015,s00340-015-6024-17.K.K.Anoop,XiaochangNi,XuanWang,RiccardoBruzzese,andSalvatoreAmoruso,SpectrallyResolvedImagingofUltrashortLaserProducedPlasma,IEEETRANSACTIONSONPLASMASCIENCE,2014,VOL.42,NO.10:2698-26998.K.K.Anoop,