激光原理及应用课件-陈鹤鸣第12章-激光与物质的相互作用

第12章激光与物质的相互作用1激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.1激光在物质中的传播

12.1.1激光在物质中的传播和吸收激光在物质中传播时，一部分被吸收，剩余部分透过物质，此时激光给物质施加光压。有关这一现象的定律与普通光源一样，所不同的是，激光的单色性及相干性非常好，因而表现出明显的干涉、衍射现象。朗伯－比尔（Lambert-Beer）定律：透射率入射光强透射光强物质厚度吸收系数2激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦大气的透射谱线：表明各吸收线是按照下式在大气中的CO2分子的振动－转动能级间进行跃迁：

3激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.1.2激光的散射光的散射现象是指，当光入射至散射体后，在某处发生极化，并由此发出散射光。弹性散射：散射光的波长与入射光的波长相同。瑞利（Rayleigh）散射：散射体的尺寸比光波长小得多；米氏（Mie）散射：散射体的尺寸与光波长尺寸差不多;非弹性散射：

拉曼（Raman）散射；

布里渊（Brillouin）散射

4激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦1．米氏散射和瑞利散射在散射体粒子比较大的米氏散射中，前部的散射很强，与散射角有关的散射光强分布随粒子的形状及大小而变化。而在散射体粒子非常小的瑞利散射中，散射光的强度与入射光的四次方成反比，其强度分布前后对称。内侧曲线：与入射线偏振光垂直的偏振光分量外侧曲线：与入射线偏振光垂直和平行的偏振光分量之和球状粒子的散射光强分布（入射光波长：550nm)5激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦2．布里渊散射由于密度的变化而导致极化率改变时，其中的非传播性改变就是瑞利散射，这如同媒质中不同折射率的粒子形成的散射。另一方面，传播性改变（声波）即伴随有声子出现时，就是布里渊散射。由于声子在各向异性物质中三个方向的传播速度不同，因此，在无频率变化的瑞利散射光的两侧，分别出现三条布里渊散射谱线。相对于瑞利散射光，低频率侧的散射光称为斯托克斯（Stokes）光，高频率侧的散射光称为反斯托克斯（antiStokes）光。6激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦3．拉曼散射由于分子振动、转动或电子跃迁而导致极化率改变的情况称为拉曼散射。瑞利散射和拉曼散射7激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦4．汤姆孙散射光与自由电子的弹性散射称为汤姆孙（Thomson）散射。散射光的强度分布与散射角存在比例关系：

随着入射光波长的缩短，逐渐转变为伴有波长变化的康普顿散射。8激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.2激光在晶体中的非线性光学现象非线性：施加的外力与其作用结果之间不成线性关系。

非线性光学正是利用了物质本身的非线性特征。12.2.1倍频光的产生动态电场的光进入光学材料时，材料中的原子因质量较重而固定不动，但是电子相对较轻，因此会跟从光电场的正、负周期变化，以的频率发生振动。当入射光较弱时，电子的移动较小，可以视为单一振动（线性运动）；当入射光的强度达到像激光那样强时，光本身的电场强度也非常大，电子振动变得剧烈，从单一振动变为非线性振动。由此产生了入射光频率以外的振动分量，即倍频。9激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.2.2相位匹配相位匹配条件成立时（a）和不成立时（b）只有使晶体对应入射光和倍频光的折射率相等，才能实现相位匹配。相位匹配条件：入射激光的传播速度是谐波速度的两倍。

10激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦双折射晶体对应于入射光的偏振方向有两个不同的折射率，也就是说，某一方向的偏振光的折射率和与之垂直的偏振光的折射率不同。如果充分利用这一特点，就可能满足相位匹配。简而言之，只要入射光相对于晶体成某一角度，就可以做到入射光的折射率与倍频光的感应折射率相等。KDP晶体的折射率基频波寻常光的折射率；基频波非常光的折射率；倍频波寻常光的折射率；倍频波非常光的折射率。11激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.3激光对物质的加热与蒸发经过空间性、时间性集中的激光照射到材料的表面时，材料表面在激光的作用下将会向外溅射，这一现象称为激光蒸发。激光蒸发示意图当激光波长处于红外区，或光致物质是金属时，容易发生热效应激光蒸发；当激光波长处于紫外区且光致物质是高分子材料时，往往发生光化学效应激光蒸发。12激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.3.1激光热蒸发因激光照射瞬间喷发出的高温气体或等离子体的现象称为热效应激光蒸发。激光热蒸发的产生过程激光脉冲宽度越短，材料的热导率越低，越容易诱发激光蒸发，同时，所需的激光入射功率密度的阈值也降低。13激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.3.2光化学效应激光蒸发在超过阈值的照射强度作用下，由于光化学作用而引起激光蒸发，称为光化学效应激光蒸发。光化学效应激光蒸发光化学效应激光蒸发可认为是光子切断了物质内部的分子键，使材料处于松散状态，致使材料蒸发。

光化学效应蒸发的必要条件：光子的能量>分子的结合能。14激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.4激光诱导化学过程半导体芯片是经过了许多的薄膜加工过程制作而成的。在热分解、等离子体、离子束等能源作用下，分子首先被分解，然后再重新组合制成薄膜，这一过程分别称为热过程、等离子体过程等。如果使用激光，薄膜可以做得更微细、杂质含量更少。而这一过程是从化学反应开始的，称为激光诱导化学过程。热反应是正向反应；激光引起的光化学反应通过有效地进行分子（原子）选择、反应场或空间的选择以及微粒子操作等方式，即使在不升高温度的情况下也可以发生15激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.4.1激光切断分子切断分子的第一步是使分子吸收光，称之为激励光子。切断分子的首要条件使分子具备的能量要大于解离能，因此激光切断分子的过程也称为光解离反应。16激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦1.直接解离由于处于分子结合间的电子偏离位置不同，从而形成结合和反结合轨道的电子状态。在结合轨道存在极小的能量值。相反，反结合轨道对于分离态来说是比较稳定的轨道。在激光作用下，分子一旦被激励到反结合轨道，分子结合键便会瞬间断裂，这就是直接解离。在解离过程中，光激励时间非常短，只有飞秒级，因此，电子在接收能量的过程中，相对较重的原子核处于近似静止的状态。切断结合键的激光光子能量必须大于分离能。17激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦2.前期解离首先，在结合轨道（具有能量的极小值）引起激发。然后，激发的粒子迁移到反结合轨道（分离后相对稳定）上，从而导致结合键断裂。前期解离的寿命是ps:ns

级。3.热分子解离在结合轨道产生激励，处于基底状态的结合轨道上的粒子发生迁移。因为激发粒子具有很高的振动能量，所以称之为热分子。其解离速度较慢，只有ns:us

级。18激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦4.红外多光子解离利用红外光依次提高振动能级，可以使振动能量最终超过解离能。红外多光子解离阶梯式激励：起初，只有适合于分子振动的激光才能被吸收；之后，随着能级的增加，任何波长都起作用。关键是分子内的能量争夺。这一过程是在极短时间内发生的。因此，吸收了红外激光的众多分子是在最薄弱处断裂的。据此，可以有目标地切断某一结合键。19激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.4.2激光引起的多光子吸收红外多光子解离实质就是激光照射下的多光子被吸收的过程。此时的能级就像阶梯一样上升。（a）阶梯性的多光子吸收（b）量子力学性双光子吸收由于测不准原理，能量在短时间内迅速扩散，可以认为所到之处都存在能级，在一瞬间内，多光子吸收的效率大大增加。20激光原理及应用陈鹤鸣赵新彦12.4.3