激光与物质相互作用课件

激光与物质相互作用激光与物质相互作用，指的是激光照射到物质表面时发生的物理现象激光是一种高度集中、单色、相干的光源，其能量密度高、方向性好、频率单一等特点使其在物质与激光相互作用过程中展现出独特的效应by课程简介激光与物质相互作用激光加工技术激光在生物医学中的应激光在光学与通信中的用应用介绍激光与物质相互作用的基探讨激光加工技术在工业生产本原理和应用中的应用，例如激光切割、焊分析激光在生物医学领域中的介绍激光在光通信、雷达和传接和表面处理应用，例如激光治疗、诊断和感器等方面的应用成像激光的种类与特性激光种类激光特性激光种类繁多，根据工作物质、波长、功率、脉冲宽度等分类，常激光具有单色性、方向性、相干性、高亮度等特性，这些特性赋予见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器、自由电了激光独特的功能和广泛的应用价值子激光器等波长与应用功率与用途不同的激光波长对应不同的应用领域，例如紫外激光用于微细加工激光功率决定了其能量输出，高功率激光用于切割、焊接、表面改，可见光激光用于光学存储，红外激光用于遥感等性等工业应用，低功率激光用于医疗、通信等领域激光产生机理能级跃迁原子从低能级跃迁到高能级，吸收能量，然后从高能级跃迁回低能级，释放能量，以光的形式释放受激辐射一个处于激发态的原子受到特定频率的光子激发，会释放与入射光子相同频率的光子，形成受激辐射光学谐振腔谐振腔由两面平行且具有高反射率的镜子构成，反射光在腔内多次往返，并与腔内原子发生多次受激辐射，增强激光强度激光输出当激光在腔内积累到足够强度后，一部分激光会通过其中一面部分透射的镜子输出，形成激光束激光发射过程光学谐振腔1激光产生于光学谐振腔内，由光学元件组成增益介质2增益介质吸收能量，激发原子跃迁，实现能量放大反馈机制3谐振腔镜面反射光束，增强能量，形成激光能量传递4激发态原子跃迁，发射光子，能量传递给其他原子，实现激光输出激光能量传输自由空间传输1激光束通过空气或真空传播，例如激光雷达、光通信光纤传输2激光束通过光纤传播，应用于光纤通信、光纤传感等波导传输3激光束在波导结构中传播，应用于集成光学器件，例如激光器芯片激光和物质相互作用机理光电效应热效应光子能量大于电子逸出功，电子被激激光能量被物质吸收，物质温度升高发至高能级，甚至脱离原子束缚，产，产生热量，可用于材料加工、焊接生光电子、切割等化学效应光压效应激光能量引起化学键断裂、生成新物光子具有动量，激光照射物质时，光质，例如激光诱导化学反应，用于合子动量传递给物质，产生光压，可用成材料、催化剂等于操控微粒、卫星等热光作用概述影响因素激光能量转化为热能，使材料温度升高激光功率密度、照射时间、材料特性、环材料发生物理变化，例如熔化、汽化、升境温度等因素影响热光作用效果高功率华常见的激光加工方式，如激光切割、密度激光更容易产生热光作用材料的热激光焊接、激光打标等导率影响热量扩散非热光作用光化学作用光电离作用12激光的能量直接作用于分子，引起分子结构的改变例如，利用激光的能量可以将原子或分子中的电子激发到更高的能级，甚至激光切割聚合物材料可以使电子脱离原子或分子，形成离子例如，利用激光进行光谱分析光致发光光场相互作用34激光的能量可以激发物质中的原子或分子，使其跃迁到更高的能激光的能量可以与物质中的原子或分子发生相互作用，改变其运级，然后跃迁回基态时会发射出光子例如，利用激光进行荧光动状态或能量状态，例如激光冷却原子标记和成像激光加工基本原理能量转换1激光束照射材料表面，光能转换为热能热效应2材料温度升高，熔化或汽化材料去除3熔化或汽化的材料被去除，形成切割、雕刻或焊接表面改性4激光与材料相互作用，改变表面性质激光加工利用激光束的高能量密度，将光能转换为热能，使材料熔化或汽化，从而实现切割、焊接、雕刻等加工工艺材料激光加工激光切割激光焊接激光表面改性激光微加工激光切割是使用激光束切割材激光焊接是一种利用激光束热激光表面改性是指通过激光束激光微加工是指使用激光束对料的过程这种技术精确且快量熔化材料，从而将它们连接照射材料表面，改变其结构和材料进行微米级甚至纳米级的速，广泛应用于金属加工行业在一起的技术它可以实现高性能的过程它可以改善材料加工，制造三维微结构精度和高质量的焊接的耐磨性、耐腐蚀性等激光切割高精度切割材料适用性广切割速度快应用广泛激光切割可实现复杂形状的精激光切割可用于切割各种材料激光切割速度快，效率高，可激光切割广泛应用于制造业、准切割，避免传统机械切割的，包括金属、塑料、木材和陶大幅提高生产效率航空航天、汽车和医疗等领域毛刺和变形瓷激光钻孔高精度激光钻孔精度高，可实现微米级甚至纳米级尺寸的孔洞加工热影响区小激光钻孔热影响区小，不会对材料造成明显的热损伤，有利于保持材料的完整性灵活激光钻孔可以加工各种形状的孔洞，包括圆形、方形、椭圆形等，并可实现任意角度的孔洞加工激光焊接热熔原理精确控制激光束照射工件表面，使材料迅激光焊接可精确控制熔化深度和速熔化，形成熔池宽度，实现高精度焊接高效率优异性能激光焊接速度快，效率高，可大激光焊接接缝美观，无气孔，焊幅缩短焊接时间缝强度高激光表面改性

11.改变材料表面特性

22.提高材料耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性激光表面改性是指利用激光束照射材料表面，改变材料表面物理例如，激光熔覆可以增加材料表面硬度和耐磨性，激光合金化可、化学和力学性能的技术以提高材料耐腐蚀性，激光热处理可以改善材料抗氧化性

33.应用于各种材料表面改性

44.应用领域广泛激光表面改性技术广泛应用于金属、陶瓷、塑料、复合材料等各激光表面改性技术在航空航天、汽车制造、工具制造、模具制造种材料的表面改性、生物医学等领域得到广泛应用激光微加工微型机械制造微电子器件制造三维微结构制造激光微加工可用于制造微型齿轮、微型传感激光微加工技术可以用于制造微型电路、芯激光微加工可以制造微型结构，例如微3D器等复杂微型机械零件片等微电子器件，提高器件性能和集成度型光学元件、微型生物芯片等激光与生物相互作用光热作用光化学作用激光照射生物组织，能量转化为激光激发生物分子，产生光化学热能，导致温度升高，影响细胞反应，改变分子结构，影响细胞结构和功能信号通路和代谢过程光机械作用激光的光压或声波，可以对细胞或组织产生机械压力，影响其形态和功能激光在生物医学中的应用激光治疗激光诊断激光治疗在医学领域得到广泛应用，包括癌症治疗、皮肤病治疗、眼科手术等激光可以精准地靶向特定组织，最大程度地减少对周围组织的伤害激光在诊断方面也发挥着重要作用，例如，激光诱导荧光光谱可以用于检测早期癌症，激光散射技术可以用于分析细胞结构和功能激光在光学成像中的应用

11.激光扫描显微镜

22.光学相干断层扫描利用激光扫描样品，实现高分利用激光干涉技术，实现组织辨率成像，广泛应用于生物医内部结构的三维成像，可用于学研究眼科诊断、皮肤病诊断等

33.激光诱导荧光显微镜利用激光激发样品产生荧光，实现特定物质的成像，应用于免疫荧光成像、细胞标记等激光传感器原理利用激光束照射目标，并根据反射光的特性来获取目标的信息类型距离传感器•速度传感器•位移传感器•应用工业自动化、汽车导航、医疗诊断、环境监测激光通信系统特点高带宽、低延迟、抗干扰性强、保密性高，广泛应用于卫星、深空探测、军事等领域类型分为地面激光通信、航空激光通信、空间激光通信，其中空间激光通信主要用于卫星间通信和地球与卫星之间的通信激光雷达工作原理应用领域激光雷达通过发射激光束并测量激光雷达广泛应用于自动驾驶、反射光的时间来确定目标的距离地图测绘、环境监测等领域和形状优势激光雷达具有高精度、高分辨率和抗干扰性等优点激光光谱分析原子发射光谱法拉曼光谱法利用激光激发原子，根据发射光利用激光与分子相互作用，通过谱特征进行元素分析分析散射光谱，获得分子结构信息红外光谱法激光诱导击穿光谱法利用激光在红外波段的特性，探通过激光击穿样品，分析产生的测分子振动和转动能级，进行物等离子体发射光谱，实现微量元质鉴定素分析激光干涉测量干涉原理利用光波叠加产生的干涉现象，测量长度、位移、角度等物理量应用领域精密测量、材料科学、光学检测、医学诊断等优势高精度、高灵敏度、非接触测量、全息记录等优势激光冷却与俘获原子多普勒冷却利用激光与原子的相互作用，通过吸收和发射光子，降低原子的速度磁光阱利用磁场和激光，构建一个三维势阱，将原子捕获在阱中蒸发冷却通过将温度较高的原子从阱中去除，降低剩余原子的温度激光的发展趋势高功率、高效率多元化应用场景持续创新超短脉冲激光新型激光器将拥有更高的功率激光技术将应用于更多领域，激光研究将不断突破，开发出超短脉冲激光在材料加工、生和效率，更适合于工业和科学如医疗、通信、制造、国防等更先进、更高效的激光技术物医学等领域将发挥重要作用应用激光安全与防护激光安全规范防护设施遵守国家标准和相关法规，制定使用激光防护眼镜、安全屏障、操作规范，建立安全管理制度遮光罩等设备，有效阻挡激光辐射个人防护安全培训避免直接接触激光束，穿戴合适定期对操作人员进行激光安全培的防护服，尽量减少暴露在激光训，提高安全意识，掌握安全操辐射环境中的时间作技能实验演示与讨论激光切割演示1使用激光切割机演示切割不同材料的过程，如金属、木材和塑料，并观察切割效果激光焊接演示2使用激光焊接机演示焊接不同材料，例如金属和陶瓷，并观察焊接接头的质量激光打标演示3使用激光打标机演示在材料上打标，例如在金属上刻字或图案，并观察打标效果总结与展望激光技术的发展方向激光技术应用的扩展激光技术的社会影响激光技术正在不断发展，未来的激光技术将激光技术将应用于更广阔的领域，如医疗、激光技术将改变我们的生活方式，为社会发更加高效、智能、便捷、安全通信、制造、能源等展带来巨大贡献参考文献书籍期刊网站•激光原理与技术•物理学报•中国激光网•激光加工技术•光学学报•光学与光电子学专业网站•激光与物质相互作用•激光与光电子学进展•激光技术应用网站。