强激光与固体靶相互作用中的能量吸收及转化研究

目录

摘要 (i)

Abstract (iii)

第一章绪论 (1)

1.1激光惯性约束聚变与高能量密度物理 (1)

1.1.1激光技术的发展 (1)

1.1.2激光惯性约束聚变 (4)

1.1.3高能量密度物理 (6)

1.2强激光与固体靶相互作用 (8)

1.2.1强激光与固体靶相互作用中的能量吸收 (10)

1.2.2强激光与固体靶相互作用中的X射线产生 (12)

1.3本文的研究背景和主要工作 (15)

第二章激光能量共振吸收与真空加热机制的转化过渡 (17)

2.1基本方程 (18)

2.2电子密度的陡化 (19)

2.3共振吸收机制 (21)

2.4真空加热机制 (24)

2.5本章小结 (26)

第三章电子密度陡化振荡效应对激光能量吸收的影响 (27)

3.1冷等离子体流体模型及电子密度陡化效应的定标率 (27)

3.2电子密度陡化振荡效应对S极化激光能量吸收的影响 (29)

3.2.1二倍频有质动力驱动的电子-等离子体交界面振荡 (29)

3.2.2电子密度陡化振荡效应对S极化激光能量吸收的影响 (31)

3.3电子密度陡化振荡效应对P极化激光能量吸收的影响 (34)

3.3.1基频激光电场纵向分量驱动的电子-等离子体交界面振荡 (34)

3.3.2电子密度陡化振荡效应对P极化激光能量吸收的影响 (36)

3.4理论与实验结果的对比 (39)

3.5本章小结 (40)

第四章辐射流体程序MULTI介绍与开发 (41)

4.1MULTI系列程序简介 (41)

4.2MULTI-2D程序介绍 (44)

4.2.1Lagrange流体力学 (44)

4.2.2轴对称坐标系下的流体力学 (48)

4.2.3时间离散 (49)

4.2.4辐射输运 (50)

4.2.5热传导与束能量沉积 (52)

4.3MULTI-2D激光反射、折射模块的开发 (54)

4.3.1物理模型 (54)

4.3.2数值算法 (56)

4.3.3典型算例 (60)

4.4本章小结 (63)

第五章局部整体点火靶模型中等离子体密度分布演化研究 (65)

5.1局部整体点火靶构型简介 (65)

5.2等离子体填充黑腔的初步理论模型 (67)

5.3局部整体点火靶方案的数值模型建模 (68)

5.4锥靶参数对等离子体密度分布的影响 (70)

5.4.1注入孔壁厚度对等离子体密度分布的影响 (70)

5.4.2注入孔洞半径对等离子体密度分布的影响 (71)

5.4.3反射锥底与注入孔口的距离对等离子体密度分布的影响 (73)

5.4.4反射锥半顶角对等离子体密度分布的影响 (74)

5.4.5注入孔壁内张角对等离子体密度分布的影响 (76)

5.4.6反射锥表面镀层材料对等离子体密度分布的影响 (79)

5.5激光参数对等离子体密度分布的影响 (85)

5.5.1激光光强对等离子体密度分布的影响 (86)

5.5.2激光波长对等离子体密度分布的影响 (87)

5.5.3激光焦斑半径对等离子体密度分布的影响 (89)

5.5.4激光能量沉积比例对等离子体密度分布的影响 (90)

5.6MULTI-2D激光反射、折射模块在局部整体点火靶模型中的应用 (92)

5.7本章小结 (99)

第六章双层金靶方案提升激光-X射线转化效率研究 (101)

6.1双层金靶方案基本构型 (101)

6.2辐射流体数值模拟结果 (102)

6.3靶几何结构参数对X射线转化效率的影响 (105)

6.3.1第一层薄靶厚度对X射线转化效率的影响 (106)

6.3.2两靶层间距离对X射线转化效率的影响 (108)

6.4本章小结 (109)

第七章总结与展望 (111)

致谢 (115)

参考文献 (116)

作者在学期间取得的学术成果 (126)

表目录

表4.1MULTI程序版本信息列表 (42)

表5.1局部整体点火靶模型堵口时刻各能量项占比情况 (98)

图

目录图1.1

激光强度随时间发展演化图................................................................................2图1.2

啁啾脉冲放大技术（CPA ）工作原理图............................................................3图1.3

激光惯性约束聚变中心点火模型原理图............................................................5图1.4

激光惯性约束聚变驱动方式示意图....................................................................6图1.5

高能量密度物理研究所跨越的参数范围............................................................7图1.6

激光烧蚀固体靶模型区域划分图......................................................................13图2.1

共振吸收与真空加热的划界条件图..................................................................20图2.2

共振吸收下的电子及离子密度分布..................................................................21图2.3

真空加热下的电子及离子密度分布..................................................................21图2.4

共振吸收下的磁场及纵向电场分布..................................................................22图2.5

共振吸收下的激光能量吸收系数随归一化光强的变化关系..........................23图2.6

共振吸收下的激光能量吸收系数随激光入射角的变化关系..........................23图2.7

真空加热下的磁场及纵向电场分布..................................................................24图2.8

真空加热下的激光能量吸收系数随归一化光强的变化关系..........................25图2.9

真空加热下的激光能量吸收系数随激光入射角的变化关系..........................25图3.1

密度阶跃位置b z 及电子密度峰值b Ne 随激光强度和初始密度变化情况......28图3.2

S 极化光下的电子密度分布，离子密度分布，磁场分布及电场分布...........29图3.3

S 极化光下的密度阶跃位置b z 及电子密度峰值b Ne 随时间演化情况...........30图3.4

S 极化光下的激光能量吸收效率(t)A 及密度阶跃处介电常数(t)b ε随时间演化情况..............................................................................................................32图3.5

S 极化光不同激光强度下的能量吸收角分布及固定入射角下能量吸收效率随激光强度变化情况......................................................................................32图3.6

S 极化光不同初始密度下的能量吸收角分布及固定入射角下能量吸收效率随初始密度变化情况......................................................................................33图3.7

S 极化光不同电子-离子碰撞系数下的能量吸收角分布及固定入射角下能量吸收效率随电子-离子碰撞系数变化情况....................................................34图3.8

P 极化光下的电子密度分布，离子密度分布，磁场分布及电场分布...........35图3.9

P 极化光下的密度阶跃位置b z 及电子密度峰值b Ne 随时间演化情况...........36图3.10

P 极化光下的激光能量吸收效率(t)A 及密度阶跃处介电常数(t)b ε随时间演化情况..............................................................................................................37图3.11P 极化光不同激光强度下的能量吸收角分布及max f 和opt θ随激光强度变化

情况......................................................................................................................38图3.12P 极化光不同初始密度下的能量吸收角分布及max f 和opt θ随初始密度变化

情况......................................................................................................................38图3.13P 极化光不同电子-离子碰撞系数下的能量吸收角分布及max f 和opt θ随电子

-离子碰撞系数变化情况....................................................................................39图3.14

激光能量吸收角分布理论结果与实验结果对比情况......................................40图4.1

MULTI 程序四面体、三角形及线段划分示意图............................................46图4.2

轴对称坐标系下的网格单元..............................................................................48图4.3

单一网格内的激光射线传播过程示图..............................................................58图4.4

Ray_Tracing 模块结构及功能函数示意图........................................................59图4.5

“凹”型反射槽算例下物质密度及激光射线分布图..........................................61图4.6

聚焦通道算例下物质密度及激光射线分布图..................................................62图4.7

简化Hohlraum 算例下物质密度及激光射线分布图........................................63图5.1

局部整体点火靶构型图......................................................................................66图5.2

局部整体点火靶二维简化模型示意图..............................................................69图5.3

不同注入孔壁厚度下1ns 时刻等离子体密度分布图......................................70图5.4

不同注入孔壁厚度下1ns 时刻纵、横向密度分布图......................................71图5.5

不同注入孔洞半径下1ns 时刻等离子体密度分布图......................................72图5.6

不同注入孔洞半径下1ns 时刻纵、横向密度分布图......................................72图5.7

不同锥底与注入孔距离下1ns 时刻等离子体密度分布图..............................73图5.8

不同锥底与注入孔距离下1ns 时刻纵、横向密度分布图..............................74图5.9

不同锥靶半顶角下1ns 时刻等离子体密度分布图..........................................75图5.10

不同锥靶半顶角下1ns 时刻纵、横向密度分布图..........................................75图5.11

初始时刻，不同注入孔壁内张角的物质密度分布图......................................76图5.12

不同注入孔壁内张角下1ns 时刻等离子体密度分布图..................................77图5.13

不同注入孔壁内张角下1ns 时刻纵、横向密度分布图..................................78图5.14

不同注入孔壁内张角下1.5ns 时刻等离子体密度分布图...............................78图5.15

不同注入孔壁内张角下1.5ns 时刻纵、横向密度分布图...............................79图5.16

不同镀层厚度下0ns 时刻等离子体密度分布图..............................................80图5.17

不同镀层厚度下1ns 时刻等离子体密度分布图..............................................81图5.18

不同镀层厚度下1ns 时刻纵、横向密度分布图..............................................81图5.19

不同镀层材料下0ns 时刻等离子体密度分布图..............................................82图5.20

不同镀层材料下1ns 时刻等离子体密度分布图..............................................83图5.21不同镀层材料下1ns 时刻纵、横向密度分布图. (83)

图5.22不同锥靶材料下0ns时刻等离子体密度分布图 (84)

图5.23不同锥靶材料下1.5ns时刻等离子体密度分布图 (85)

图5.24不同锥靶材料下1.5ns时刻纵、横向密度分布图 (85)

图5.25不同激光光强下1ns时刻等离子体密度分布图 (86)

图5.26不同激光光强下1ns时刻纵、横向密度分布图 (87)

图5.27不同激光波长下1ns时刻等离子体密度分布图 (88)

图5.28不同激光波长下1ns时刻纵、横向密度分布图 (88)

图5.29不同激光焦斑半径下1ns时刻等离子体密度分布图 (89)

图5.30不同激光焦斑半径下1ns时刻纵、横向密度分布图 (90)

图5.31不同激光能量沉积比例下1ns时刻等离子体密度分布图 (91)

图5.32不同激光能量沉积比例下1ns时刻纵、横向密度分布图 (91)

图5.33局部整体点火靶模型网格划分示意图及初始密度分布图 (93)

图5.34局部整体点火靶模型0.5ns时刻各物理量分布图 (94)

图5.35局部整体点火靶模型1.0ns时刻各物理量分布图 (95)

图5.36局部整体点火靶模型1.5ns时刻各物理量分布图 (96)

图5.37局部整体点火靶模型2.3ns时刻各物理量分布图 (97)

图5.38局部整体点火靶模型各能量项随时间演化情况 (98)

图6.1双层金靶方案示意图 (102)

图6.2双层金靶流线图 (103)

图6.3双层金靶与普通靶能量份额随时间演化图 (104)

图6.4双层金靶与普通靶X射线时间积分能图 (105)

图6.5普通靶情况下辐射能、电子内能以及离子动能转化效率随厚度变情况 (106)

图6.6双层金靶下总辐射能E rad、电子内能E ie以及离子动能E ki转化效率随第一层靶厚度d1变化情况；第一层靶与第二层靶的电子内能及离子动能转化

效率随d1变化情况 (107)

图6.7双层金靶下总辐射能E rad、电子内能E ie以及离子动能E ki转化效率随两靶层间距离d2变化情况；第一层靶与第二层靶的电子内能及离子动能转化

效率随d2变化情况 (108)

长脉冲激光与金属相互作用影响分析

第26卷第6期 2011年12月光电技术应用 ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATION Vol.26，No.6 December，2011 1高功率激光对靶面的作用 高功率激光光束作用于靶材时，靶表面吸收大量激光能量，引起温度升高、熔融、气化、喷溅等现象。具体过程依赖于激光参数（能量、波长及脉宽等）、材料特征和环境条件。一般说来，在不同数量级的激光功率密度作用下靶表面发生的物理现象是[1]：103-104W/cm2104-106W/cm2106-108W/cm2108-1010W/cm2 加热熔融气化等离子体 激光与物质相互作用时产生两个典型效应:二次非线性光学效应和高压冲击波（光力学）效应。当高功率激光辐照在靶材上时，一部分被靶材表面反射，一部分通过靶材透射，一部分散射，而大部分则被靶材吸收[2]。 1.1强激光对物质作用的研究现状 国内外科学工作者在高功率激光与物质相互作用方面做了大量的研究工作。其中以美国和前苏联 ·激光技术· 长脉冲激光与金属相互作用影响分析 任天宇，王洋，薛阳 （长春理工大学，吉林长春130012） 摘要：通过使用1064nm，Nd:YAG长脉冲激光作用在金属材料从理论和数值模拟的角度研究各种因素对激光加热效应的影响。针对国内外目前长脉冲激光与物质相互作用研究的现状，分析和模拟了长脉冲激光与材料相互作用过程中的各种现象和问题，特别是对长脉冲激光与金属相互作用时的温度场及应力场进行了较全面的理论分析。就靶材物质对激光的反射、吸收和转化的基本机制，激光对金属材料加热的温度场、应力场及其熔融的温度场和固-液态界面的移动速度及液态质量迁移、激光引起材料的气化、烧蚀的质量迁移，进行了系统的讨论。 关键词：激光与金属相互作用；数值模拟；数值研究 中图分类号：TN249文献标识码：A文章编号：1673-1255（2011）06-0028-05 Analysis of Long Pulse Laser-metal Interaction REN Tian-Yu,WANG Yang,XUE Yang (Changchu University of Science and Technology,Changchun130012,China) Abstract:The effect of a variety of factors on the laser heating from the theory and numerical simulation, by using1064nm Nd:YAG long pulse laser interaction with metal.The phenomenon and problem in the pro?cess of the laser-matter interaction are analyzed and simulated,as for laser-metal interaction research at home and abroad,especially the temperature field and stress field of the long pulse laser-metal interaction are ana?lyzed theoretically.The effect of the basic mechanism of the laser reflection,the absorption and the transforma?tion on the target material,the temperature field,the stress field and the melting temperature of the metal mate?rial heated by the laser,the moving velocity of the solid-liquid interface,the liquid mass transfer,the material gasification and the ablation mass transfer are analyzed. Key words:laser-metal interaction;numerical simulation;numerical research 收稿日期：2011-12-10 基金项目：国家自然科学基金（61077024/F050205） 作者简介：任天宇（1983-），男，浙江绍兴人，博士研究生，研究方向为物理电子学；王洋（1982-），女，吉林长春人，博士研究生，研究方向为物理电子学.

《激光原理》复习

一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分) 1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。 A. q kL π22= B. q L C q 2= ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。（δφ为往返相移） A. l r r G q ) ln(,2210- ≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφ C. 0, 20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ 3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。 A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共心腔 4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。 A. 单程损耗因子 B. 腔内光子平均寿命 C. Q 值与无源线宽 D. 小信号增益系数 5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。 A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D. 相同谐振频率 6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。 A ． F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.F L L 11121=+ 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的 C 。 A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零； B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关； C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比； D. 自发辐射光相干性好。 8.入射光作用下， C A. 均匀加宽只有部份原子受激辐射或受激吸收； B. 非均匀加宽全部原子受激辐射或受激吸收；

激光与材料的相互作用

激光与材料的相互作用 发布日期:2007-10-04 我也要投稿!作者:网络阅读: [ 字体选择：大中小] 680 作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑，无需直接接触，即可与材料发生相互作用。激光的性能不断提高，现在的激光具有各种不同的波长、功率和脉冲宽度，这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。为了更好地了解激光的潜能，工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。在决定使用何种激光前，工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行医疗材料加工。了解这些知识后，工程师设计医疗器械时就能做出正确的决定。 激光在器械加工中的应用机会 激光可用于器械制造的许多加工环节中。例如，激光切割便是一种常见用途，常用于制造支架等小型器械。激光还可用于加工通沟或盲孔。该技术可用于加工医疗诊断设备的微流体通道以及给药用微量注射器的小孔。目前，人们正利用激光加工技术研制用于芯片实验室上的微型传感器和传动器上的硅制微型机械。激光焊接和打标常用于植入器械和手术器械的制造中。此外，激光还常用于表面纹理加工中，例如：可用于矫形外科植入物的表面处理上，提高表面的粘附性。 激光工作原理 激光的工作原理较为简单。通过一个光子激发其他光子，使大量光子以光束的形式一起发射出去。肉眼可能无法看见的光束由激光腔中发射出去，然后被传导至材料加工工作站中。根据激光波长的不同，光束可通过光纤传播或者经光学元件直接传播。 目前使用的激光大都早在20世纪60年代就已经问世，包括Nd:Y AG激光、二氧化碳激光和半导体激光。激光器集成到工业用机械中经过了数年的时间，尽管技术已经成熟，但激光器仍在不断改进，例如：人们研制出能产生很短脉冲宽度的如皮秒和飞秒激光器。此外，激光材料在光纤激光器、光碟激光器和焊接用绿光激光器内的独特排列进一步丰富了材料加工的方法。 表I. 材料加工中常用的激光波长。(点击放大) 材料加工所用激光波长从紫外线一直到红外线，包括了可见光谱。常用激光类型及其波长列于表I中。除激光类型外，选择激光时还要考虑其他许多方面，例如：激光腔的设计、光学传送元件和激光与材料相互作用。最为关键的是，医疗器械设计人员必须了解激光束如何与不同器械材料发生相互作用以及如何用于材料加工中。 激光与材料的相互作用

8.第八章激光在医学中的应用

第8章 激光在医学中的应用 激光医学是激光技术和医学相结合的一门新兴的边缘学科。1960年，Maiman 发明第一台红宝石激光器，1961年，Campbell 首先将红宝石激光用于眼科的治疗，从此开始了激光在医学临床的应用。1963年，Goldman 将其应用于皮肤科学。同时，值得关注的是二氧化碳激光器的作为光学手术刀的出现，逐渐在医学临床的各学科确立了自己的地位。1970年，Nath 发明了光导纤维，到1973年通过内镜技术成功地将激光导入动物的胃肠道，自此实现了无创导入技术的飞速发展。1976年，Hofstetter 首先将激光用于泌尿外科。随着血卟啉及其衍生物在1960年被发现，Diamond 在1972年首先将这种物质用于光动力学治疗。在医学领域中，激光的应用范围非常广泛，不仅在临床上激光作为一种技术手段，被各临床学科用于疾病的诊断和治疗，而且在基础医学中的细胞水平的操作和生物学领域中激光技术也占有重要地位。另外，还可以利用激光显微加工技术制造医用微型仪器。再者，利用全息的生物体信息的记录及医疗信息光通信等与信息工程有关的领域，从广义来讲，也属于激光在医学中的应用。本章主要对医学临床，重点是激光对诊断和治疗领域中的应用进行论述。 由于诊断和治疗在本质上都是利用激光与生物体的相互作用，因此，有必要首先对这些基础进行介绍。在8.1节中归纳介绍了生物体的光学特性、激光对生物体的作用、激光在生物体中的应用特点等内容；然后在8.2节中通过典型的治疗应用实例，介绍了激光在外科、皮肤科、整形外科、眼科、泌尿外科、耳鼻喉科等领域中的治疗和光动力学治疗等；在8.3节中重点围绕诊断中的应用，介绍了生物体光谱测量、激光计算机断层摄影（光学CT ）、激光显微镜等。在8.4节中，对激光在医学中的应用的激光装置与激光转播路线的开发动向进行介绍。最后8.5节对激光医学的前景作了展望。 8.1 激光与生物体的相互作用 8.1.1 生物体的光学特性 假设生物体中入射的单色平行光强度为0I ，若生物体是均匀的吸收物质，根据1.5节证明的(1-89)式,入射深度为x 处的光强度I 可用下述关系式表示 ()x a I I 00exp -= (8-1) 其中0a 为吸收系数（参见图8.1）。但是，由于生物体对光是很强的散射体，因此生物体内光的衰减不仅由于吸收，而且取决于散射的影响。在不能忽略散射的条件下，上式可用衰减

激光原理与技术期末考试A卷答案

………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 电子科技大学2010 -2011 学年第 2 学期期 末 考试 A 卷 一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分) 1. 下列表达式哪一个不是激光振荡正反馈条件： D 。 A. q kL π22= B. q L C q 2=ν C. q L q 2λ= D. q kL π=2 2. 下列条件哪一个是激光振荡充分必要条件： A 。（δφ为往返相移） A. l r r G q ) ln(,2210- ≥-=απδφ B. 0,2≥?-=n q πδφ C. 0,20≥?-=n q πδφ D. 0,20≥-=G q πδφ 3. 下列腔型中，肯定为稳定腔的是 C 。 A. 凹凸腔 B. 平凹腔 C. 对称共焦腔 D. 共心腔 4. 下面物理量哪一个与激光器阈值参数无关， D 。 A. 单程损耗因子 B. 腔内光子平均寿命 C. Q 值与无源线宽 D. 小信号增益系数 5. 一般球面稳定腔与对称共焦腔等价，是指它们具有： A 。 A.相同横模 B.相同纵模 C.相同损耗 D . 相同谐振频率 6. 下列公式哪一个可用于高斯光束薄透镜成像 A 其中if z q +=，R 为等相位面曲率半径，L 为光腰距离透镜距离。 A ． F q q 11121=-；B. F R R 11121=-；C. F L L 11121=-；D.F L L 11121=+

………密………封………线………以………内………答………题………无………效…… 7. 关于自发辐射和受激辐射，下列表述哪一个是正确的？ C 。 A. 相同两能级之间跃迁，自发辐射跃迁几率为零，受激辐射跃迁几率不一定为零； B. 自发辐射是随机的，其跃迁速率与受激辐射跃迁速率无关； C. 爱因斯坦关系式表明受激辐射跃迁速率与自发辐射跃迁速度率成正比； D. 自发辐射光相干性好。 8.入射光作用下， C A. 均匀加宽只有部份原子受激辐射或受激吸收； B. 非均匀加宽全部原子受激辐射或受激吸收； C. 均匀加宽原子全部以相同几率受激辐射或受激吸收 ； D. 非均匀加宽全部原子以相同几率受激辐射或受激吸收。 9. 饱和光强 C A ．与入射光强有光 B. 与泵浦有关； C. 由原子的最大跃迁截面和能级寿命决定； D. 与反转集居数密度有关。 10. 下列条件哪一个是激光器稳定振荡条件？ A A.t v G I v G =),(；B. t G v v G =),(00；C.t G v v G ≥),(00；D.t v G I v G ≥),( . 填空题（共20分，共20空，每空1分) 1. 电光效应是指在外加电场的作用下，晶体的 折射率椭球 发生变形，使沿特定方向传播的线偏振光 折射率 发生相应变化。 2. KDP 晶体沿纵向加电压，折射率椭球感应主轴旋转了 45度，如果所加的电

激光与物质相互作用的研究进展讲解

激光与物质相互作用的研究进展 黄庆举 (广东石油化工学院物理系, 广东茂名 525000 引言 1960年激光问世后 , 对我国的工业、 军事等领域产生重要影响 , 激光与物质相互作用也成为了人们主要研究的课题 , 人们运用新技术、新设备 , 对激光的性质、状态进行研究 , 并且应用与各种领域 , 产生重要作用。在激光与物质的相互作用下 , 激光已经成为了探索物性的主要手段 , 在材料与能源上有着应用前景 , 无论是对物理学、化学还是生物、材料学 , 都进行了相互渗透 , 成为重要的研究领域。当 今社会 , 激光与物质相互作用的研究受到各国科研人员的重视 , 人们投入大量的人力、物力、财力, 运用新方法、 新手段进行研究。 1激光与物质相互作用的基础理论非线性光学、激光光谱学以及激光化学是构成激光与物质相互作用的基础理论 , 该理论不仅向人们阐述了激光与物质相互作用的 特点、性质 , 并且对未来的发展做出了相应预测 , 是对激光与物质相互作用的主要研究手段 , 在近几年 ,

三大学科得到了迅速发展 , 对人们的研究产生了良好的理论基础。 1.1非线性光学的表现 非线性光学是激光与物质相互作用的主要理论依据 , 在一定程度上 , 该理论向人们阐述了激光与物质相互作用的主要特点以及过 程。作为新兴学科 , 非线性光学在阐明激光特点的同时, 形成了非线性光学效应, 这种效应, 在以探讨、 观测为基础的同时, 对物质本身进行了研究。非线性研究的对象不仅仅是固体, 现如今以及涉及到气体、液体等物质中。它研究时出现的效应丰富多彩 , 在具备二阶效应的同时, 也产生了瞬间效应。 在非线性光学与物质的不断研究中 , 要注意以下几点 :(1 非线性光学表面与界面的研究 非线性光学表面与界面的研究 , 是对物力与化学研究的表现 [1], 在进行研究时, 表面波与表面光得到了重要研究 , 人们在了解、观察表面波的频率以及斯托克斯喇曼效应时, 对喇曼散射表面的现象进行了研究。在长约 10年的研究中 , 人们发现了表面二次谐波的反射 现象 , 对超晶体的研究也正在进行。 (2 对光学稳态的研究

激光对生物体的作用及这方面的应用

激光也是一种光，从本质上讲它和普通光源如太阳、白炽灯、火焰等所发出的光没有什么区别，因此它具有普通光所具有的性质。由于它是一种电磁波，所以又具有波粒二象性。它遵守反射、折射的定律，在传播中会出现干涉、衍射、偏振等现象。但是，激光又有着和普通光显著不同的特点，如它的单色性、相干性、方向性极好，亮度极高等。因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病的原因之一。 激光美容的原理是通过组织吸收高能量的激光后所产生的光热反应，使局部温度在数秒内骤然升高到数百度或更高，组织发生凝固性坏死，甚至碳化或汽化，与此同时，由于急剧发热，组织的水分突然剧烈丧失，聚焦后，可用以切割或烧灼病变组织。常用于皮肤的激光有二氧化碳激光、红宝石激光、染料激光等。激光美容的优势是显而易见的：操作简便、省时、可同时止血，对于有些大面积斑、痣无须手术切除，自体植皮，可以起到美容和保留原有皮肤功能的双重效果。但是它同其他治疗方法一样，也会有一些副作用，在清除病变组织的同时，对正常组织也有不同程度伤害，最常见的是遗留表浅疤痕、色素减退或沉着斑。 激光的生物作用机理及生物效应 激光对生物体的作用有五种：热作用、光化作用、机械作用、电磁场作用和生物刺激作用。激光和生物体相互作用以后所引起生物组织方面的任何改变都称为“激光的生物效应”。激光与生物体作用后，不仅会引起生物效应，而且激光本身的参数（波长、功率、能量等）也可能会改变。由于激光的生物效应是“五作用”所致，故这“五作用”即为激光生物效应的机理。 一、医用强激光与弱激光 在医学上，由于强、弱激光的生物作用机理不同，所以临床应用时其目的和方法也不同。在医学领域里，不以激光本身的物理参量（如功率和能量）来衡量激光的强弱，而是以它对生物组织作用后产生生物效应的强弱来区分的。它的定义是：激光照射生物组织后，若直接造成了该生物组织的不可逆损伤，则此受照表面处的激光称为强激光；若不会直接造成不可逆损伤者，称为弱激光。

激光与物质相互作用复习大纲

1、从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？ 答：（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。 （2）单色性好: 为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。 （3）亮度极高：能量密度高。 （4）相关性好：获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。 总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。 2、透镜对高斯光束聚焦时，为获得良好聚焦可采用的方法？ 答：用短焦距透镜； 使高斯光束远离透镜焦点，从而满足l>>f、l>>F； 取l=0，并使f>>F。 3、什么是焦深，焦深的计算及影响因素？ 答：光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比，与w12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。 4、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？ 答：波长、温度、材料表面状态 波长越短，金属对激光的吸收率就越高 温度越高，金属对激光的吸收率就越高 材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。 5、简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？ 答：基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。 应用：激光切割、打孔、焊接等。 高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。应用：激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。 6、试叙述激光相变硬化的主要机制。 答：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。 7、激光淬火区横截面为什么是月牙形？在此月牙形区相变硬化有什么特点？ 特点：A,B部位硬化，C部位硬化不够 原因：A,B部位接近材料部，热传导速率大，可以高于临界冷却速度的速度冷却，因此

准分子激光和晶体植入有什么不同

准分子激光和晶体植入有什么不同 这二者都是矫正近视的方法，但侧重点不同。激光近视手术对于度数在1200以下，散光在600以下，角膜中央厚度在500微米左右的近视效果明显，手术的原理是在角膜上镶一个凹透镜。而屈光晶体植入是在前房植入一高度数的人工晶体而达到矫正高度近视的目的。 准分子激光的概念、产生以及优势激光近视手术的概念 氟气与氩气在常规混合状态下是不发生任何反应的。但是，二者如果在激光腔内混合，经过高能电子激发，产生不稳定的激发态分子。这种分子因为不稳定，所以称为“准分子”。不稳定的准分子会迅速解离，在解离的过程中会产生光子能量。这些光子能量是发散的，不聚焦的，这些光子能量如果被组合的光学仪器聚焦后，就能产生一种人眼看不见的、能量被稳定控制的光束，就是我们平时所说的“准分子激光”。准分子激光波长193纳米，属于紫外光波段，它的光子能量为6.4电子伏特，每一脉冲能精确消融人眼角膜0.2-0.25微米的角膜厚度。 因为准分子激光是冷激光范畴，具有与生物组织作用时不产生热效应的特点。另外，其193纳米波长的光束对生物组织也无穿透效应。正是因为具有了以上物理特性，准分子激光才被用于眼科临床上治疗近视眼。准分子激光在治疗近视眼时，具有不损伤眼球角膜周围组织和眼球内部其它组织器官的优势。 ICL手术原理及优势 ICL晶体植入术，又叫有晶体眼前(后)房型人工晶体植入术，目前被认为是一种可替代LASIK、PRK和其他切削手术进行屈光矫正的最新技术，是目前国际上矫治近视最新最安全的产品之一，目前在美国已被广泛使用。它可用于矫正大范围的近视、远视和散光，而无需去除或破坏角膜组织、无须进行手术后缝合，尤其对高度近视治疗效果尤为明显。 ICL，即“可植入式接触镜”。简单的说，就是将“设计成矫正近视的超薄镜片”放置于眼球屈光系统中的后房间隙，并固定于睫状沟内，达到长久矫正屈光不正的目的。 ICL目前被认为是可替代LASIK、PRK和其他切削手术进行屈光矫正的最新技术，是矫治近视的最新和最安全的技术之一。 激光矫治屈光不正手术在保障了手术安全性的基础上，手术后原本变的清晰的视力是否会回退，已经成了广大屈光不正患者最关心的问题。而大家可以放心的是，激光手术治疗近视眼并不会导致视力回退。 眼球的总屈光力是+58.64D，而角膜的屈光力为+43.05D，占总屈光力的70%，由此可见，眼球的屈光力主要决定于角膜，而角膜的屈光力主要决定于其表面的弯曲半径，因此改变角膜前表面的弯曲半径以矫正眼球屈光力不仅是可行的而且是有效的。所以，激光手术治疗近视眼一般是不会回退的。

激光的生物学效应讲解

论文关键词：激光激光生物效应激光与生物分子 论文摘要：本文主要简介了激光与生物组织相互作用所产生的生物效应，概述激光与生物分子相互作用机理研究现状。为提高和发展激光技术在此领域的应用，有必要对激光的生物学效应及生物物理机理进行研究。 一、激光的发光原理及其生物学效应 1激光发光原理 把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外，轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增强。如果谐振腔内单程小信号增益G0l 大于单程损耗δ，则可产生自激振荡。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即自发辐射。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁即受激激吸收。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即受激辐射。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，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。 2激光生物学效应 由于激光具有能量和动量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子产生物理、化学或生物反应，这就是激光生物效应。目前，学术界认识比较一致的激光生物效应大致有五类：. 激光生物热效应、激光生物光华效应、激光生物压力效应、激光生物电磁效应和激光生物刺激效应。生物组织内的天然色素颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光有选择吸收作用。激光生物效应，目前已经在激光医疗、激光育种方面得到广泛、有效的应用。 （1）激光生物热效应

激光-等离子体相互作用

?部分相关论文： ? B. Hao et al., Phys. Rev. E 79, 046409 (2009).? B. Hao et al., Phys. Rev. E 80, 066402 (2009). ?W. J. Ding et al., Phys. Plasmas 16, 042315(2009).?S.M. Weng et al., Phys. Rev. E 80,056406 (2009). ?S.M. Weng et al., Phys. Rev. Lett. 100, 185001 (2008). ?S. Kahaly et al., Phys. Rev. Lett. 101, 145001(2008).?W.M. Wang et al., Phys. Plasmas 15, 030702 (2008).?S. M. Weng et al., Phys. Plasmas 13, 113302 (2006) .?陈民等，计算物理25, 43 (2008).? 翁苏明等，计算物理24, 134 (2007). 强激光和等离子体作用理论与模拟 Theory and Simulation on Relativistic Laser-Plasmas Fokker-Planck 模拟程序的发展及其应用 Fokker-Planck （FP ）模拟作为一种动理学模拟方法，与PIC 模拟一样得到广泛应用，特别是用于惯性约束聚变中的热流输运、快点火聚变中的高能粒子输运、等离子体中波加热等。我们发展了一维坐标二维速度空间的FP 模拟程序，它考虑完整的电子－电子碰撞和电子－离子碰撞，可以用于分布函数高度偏离平衡态的情况。下面是两个采用该程序得到的典型结果。 强直流电场下的等离子体电导率：当外加直流电场强度足够小时，等离子体中的电子分布函数接近于平衡态下的麦克斯韦分布，此时产生的电流与电场强度成正比，由Spitzer 理论来描述。在惯性约束核聚变的快点火方案中在高能电子输运过程中就会产生很强的直流电场，此时传统的Spitzer 理论不再适用。我们利用自行开发的FP 模拟程序对等离子体在各种强度的直流电场下的电子分布函数进行了详细的分析，并推导出了一组类似于流体力学方程的公式。它可以正确地描述在强直流电场下的等离子体电流和电场之间的关系，并且像Spitzer 的计算公式一样简单易用。强激光场下的逆韧致吸收率：利用速度空间二维的FP 模拟程序对激光场中的逆轫致吸收过程，在此基础上推导了新的逆轫致吸收算子。它适用于任意强度的激光场中的逆轫致吸收并且与Langdon 形式的吸收算子一样可方便地集成到各种大型的等离子体模拟程序中，从而具有很高的实用价值。 粒子模拟(PIC)程序KLAP 的发展和应用 在过去10年，我们在中科院物理所独立发展了相对论多维粒子模拟程序KLAP 。在一维和二维粒子模拟程序中，我们还加入了考虑光离化，碰撞离化及两体碰撞效应的子程序，并将其应用于短脉冲激光与中性物质相互作用的研究中。在三维程序中，为了研究加速能量达GeV 的长距离激光尾波场加速问题，我们发展了具有移动窗口特性的程序，使得模拟尺度可以达到厘米量级。这些模拟程序对发展激光等离子体相互作用理论、揭示新物理现象、解释实验现象起了关键作用。 碰撞效应对相对论性成丝和双流不稳定性的影响 在快点火中，当高能电子向靶丸中心传输时，会导致成丝、双流和斜向不稳定性，这三种不稳定性对电子输运的影响是快点火中最关键的问题之一。在靶心区域，背景粒子之间的碰撞频率可以远大于不稳定性的增长率，因此必须考虑碰撞效应对这些不稳定性的影响。我们在全动理学框架下研究了碰撞效应对成丝不稳定性、双流不稳定性、斜向模式不稳定的影响。研究发现，碰撞效应对斜向不稳定性的静电部分起抑制作用，而对其电磁部分起着促进作用。在快点火中的参数下，当背景等离子体达到固体密度附近，静电性的斜向不稳定性将被完全抑制。在致密靶心区，成丝不稳定性将成为最不稳定的模，其产生的准静态磁场对电子的输运起着重要的导引作用。 二维粒子模拟揭示激光与固体靶作用表面电子发射的机制－逆自由电子激光加速机制。上图为实验结果，右图为数值模拟结果。 电子束在高密度等离子体中传输模拟。上图是不考虑无碰撞效应，下图是考虑碰撞效应。 x/λ y /λy /λ 中国科学院物理研究所光物理实验室 强激光高能量密度物理研究组 Group for Intense-Laser-Driven High Energy Density Physics

激光晶体的现状及发展趋势

激光晶体的现状及发展趋势 1 引言 激光材料是激光技术发展的核心和基础，具有里程碑的意义和作用： 20世纪60年代第一台红宝石晶体激光器问世，激光诞生；70年代掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)[引，固体激光开始大力发展；80年代钛宝石晶体(Ti：A1203)E引，超短、超快和超强激光已成为可能，飞秒(fs)激光科学技术蓬勃发展、并渗透到各个基础研究和应用学科领域；90年代矾酸钇晶体(Nd：YV04) ,固体激光的发展进入新时期一全固态激光科学技术(SSDPL，Solid-state LD Pumped Laser)；进入新世纪，上世纪60年代初出现的激光和激光科学技术，正以其强大的生命力推动着光电子技术和产业的发展，激光材料也在单晶、玻璃、光纤和陶瓷等四方面全方位迅猛展开，如微一纳米级晶界，完整性好、制作工艺简单的微晶激光陶瓷和结构紧凑、散热好、成本低的激光光纤，正在向占据激光晶体首席达40年之久的Nd：YAG发出强有力的挑战，激光材料也已从最初的几种基质材料发展到数十种，受到各国政府、科学界乃至企业界的高度重视。 2 国内外现状和研究进展 2．1高功率激光晶体 Nd：YAG的出现使得固体激光器真正开始大力发展，并实现商业化，因其增益高、热性能和机械性能良好而成为当前科研、工业、医学和军事应用中最重要的固体激光器。特别是在高功率连续和高平均功率固态激光器方面，20世纪90 年代前，闪光灯泵浦的Nd：YAG激光晶体独占熬头，单根棒的输出功率可达kW量级．随着激光二极管(LD)的迅速发展，大功率激光器的泵浦方式也有重大发展．LD 泵浦激光器的高效率、高质量、长寿命、高可靠性、小型化以及全固化等优越性是灯泵无法相比的． 1993年，LD泵浦的Nd：YAG板条已获得1．05kW的平均输出功率。 通过基质晶体中阳离子置换形成的Nd：GGG激光晶体，与Nd：YAG比较具有如下优点：(1)Nd3+在GGG中的分凝系数为0．5，是YAG(0．18)的近三倍；(2)Nd：GGG的平界面生长较Nd：YAG的凸界面更容易获得大尺寸、高质量的单晶体．而且，由于Nd：GGG具有好的热机械性能、化学稳定性、高的热导率，是新一代战略武

激光原理与激光技术习题答案

激光原理与激光技术习题答案 习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性?λ/λ应为多大？ 解： 1010 1032861000 106328--?=?=λ=λ λ?=.L R c (2) λ=5000?的光子单色性?λ/λ=10-7，求此光子的位置不确定量?x 解： λ=h p λ?λ=?2h p h p x =?? m R p h x 510 1050007 10 2 =?=λ=λ?λ=?=?-- (3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、?νc (设n=1) 解： 衍射损耗: 1880107501 106102 262.) .(.a L =???=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-?=??=δ=τ 6 86 8 10113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 19101910 75114321216 8 =?=???=πτ= ν?- 输出损耗: 119080985050212 1.)..ln(.r r ln =??-=-=δ s ..c L c 8 81078210 311901-?=??=δ=τ 6 86810 964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 7510751078214321216 8 =?=???=πτ= ν?- (4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗) 解： MHz Hz .L c q 15010511 2103288=?=??==ν? 11]11501500 []1[=+=+ν?ν?=?q q 005.02 01 .02=== T δ s c L c 781067.610 3005.01 -?=??== δτ MHz c c 24.010 67.614.321 217 =???= = -πτν? (5) 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0.01π，求此激光器的无源腔本征纵模的模式线宽。