第12章激光與物質(zhì)的相互作用1激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.1激光在物質(zhì)中的傳播

12.1.1激光在物質(zhì)中的傳播和吸收激光在物質(zhì)中傳播時，一部分被吸收，剩余部分透過物質(zhì)，此時激光給物質(zhì)施加光壓。有關這一現(xiàn)象的定律與普通光源一樣，所不同的是，激光的單色性及相干性非常好，因而表現(xiàn)出明顯的干涉、衍射現(xiàn)象。朗伯－比爾（Lambert-Beer）定律：透射率入射光強透射光強物質(zhì)厚度吸收系數(shù)2激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥大氣的透射譜線：表明各吸收線是按照下式在大氣中的CO2分子的振動－轉(zhuǎn)動能級間進行躍遷：

3激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.1.2激光的散射光的散射現(xiàn)象是指，當光入射至散射體后，在某處發(fā)生極化，并由此發(fā)出散射光。彈性散射：散射光的波長與入射光的波長相同。瑞利（Rayleigh）散射：散射體的尺寸比光波長小得多；米氏（Mie）散射：散射體的尺寸與光波長尺寸差不多;非彈性散射：

拉曼（Raman）散射；

布里淵（Brillouin）散射

4激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥1．米氏散射和瑞利散射在散射體粒子比較大的米氏散射中，前部的散射很強，與散射角有關的散射光強分布隨粒子的形狀及大小而變化。而在散射體粒子非常小的瑞利散射中，散射光的強度與入射光的四次方成反比，其強度分布前后對稱。內(nèi)側(cè)曲線：與入射線偏振光垂直的偏振光分量外側(cè)曲線：與入射線偏振光垂直和平行的偏振光分量之和球狀粒子的散射光強分布（入射光波長：550nm)5激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥2．布里淵散射由于密度的變化而導致極化率改變時，其中的非傳播性改變就是瑞利散射，這如同媒質(zhì)中不同折射率的粒子形成的散射。另一方面，傳播性改變（聲波）即伴隨有聲子出現(xiàn)時，就是布里淵散射。由于聲子在各向異性物質(zhì)中三個方向的傳播速度不同，因此，在無頻率變化的瑞利散射光的兩側(cè)，分別出現(xiàn)三條布里淵散射譜線。相對于瑞利散射光，低頻率側(cè)的散射光稱為斯托克斯（Stokes）光，高頻率側(cè)的散射光稱為反斯托克斯（antiStokes）光。6激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥3．拉曼散射由于分子振動、轉(zhuǎn)動或電子躍遷而導致極化率改變的情況稱為拉曼散射。瑞利散射和拉曼散射7激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥4．湯姆孫散射光與自由電子的彈性散射稱為湯姆孫（Thomson）散射。散射光的強度分布與散射角存在比例關系：

隨著入射光波長的縮短，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘橛胁ㄩL變化的康普頓散射。8激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.2激光在晶體中的非線性光學現(xiàn)象非線性：施加的外力與其作用結(jié)果之間不成線性關系。

非線性光學正是利用了物質(zhì)本身的非線性特征。12.2.1倍頻光的產(chǎn)生動態(tài)電場的光進入光學材料時，材料中的原子因質(zhì)量較重而固定不動，但是電子相對較輕，因此會跟從光電場的正、負周期變化，以的頻率發(fā)生振動。當入射光較弱時，電子的移動較小，可以視為單一振動（線性運動）；當入射光的強度達到像激光那樣強時，光本身的電場強度也非常大，電子振動變得劇烈，從單一振動變?yōu)榉蔷€性振動。由此產(chǎn)生了入射光頻率以外的振動分量，即倍頻。9激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.2.2相位匹配相位匹配條件成立時（a）和不成立時（b）只有使晶體對應入射光和倍頻光的折射率相等，才能實現(xiàn)相位匹配。相位匹配條件：入射激光的傳播速度是諧波速度的兩倍。

10激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥雙折射晶體對應于入射光的偏振方向有兩個不同的折射率，也就是說，某一方向的偏振光的折射率和與之垂直的偏振光的折射率不同。如果充分利用這一特點，就可能滿足相位匹配。簡而言之，只要入射光相對于晶體成某一角度，就可以做到入射光的折射率與倍頻光的感應折射率相等。KDP晶體的折射率基頻波尋常光的折射率；基頻波非常光的折射率；倍頻波尋常光的折射率；倍頻波非常光的折射率。11激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.3激光對物質(zhì)的加熱與蒸發(fā)經(jīng)過空間性、時間性集中的激光照射到材料的表面時，材料表面在激光的作用下將會向外濺射，這一現(xiàn)象稱為激光蒸發(fā)。激光蒸發(fā)示意圖當激光波長處于紅外區(qū)，或光致物質(zhì)是金屬時，容易發(fā)生熱效應激光蒸發(fā)；當激光波長處于紫外區(qū)且光致物質(zhì)是高分子材料時，往往發(fā)生光化學效應激光蒸發(fā)。12激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.3.1激光熱蒸發(fā)因激光照射瞬間噴發(fā)出的高溫氣體或等離子體的現(xiàn)象稱為熱效應激光蒸發(fā)。激光熱蒸發(fā)的產(chǎn)生過程激光脈沖寬度越短，材料的熱導率越低，越容易誘發(fā)激光蒸發(fā)，同時，所需的激光入射功率密度的閾值也降低。13激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.3.2光化學效應激光蒸發(fā)在超過閾值的照射強度作用下，由于光化學作用而引起激光蒸發(fā)，稱為光化學效應激光蒸發(fā)。光化學效應激光蒸發(fā)光化學效應激光蒸發(fā)可認為是光子切斷了物質(zhì)內(nèi)部的分子鍵，使材料處于松散狀態(tài)，致使材料蒸發(fā)。

光化學效應蒸發(fā)的必要條件：光子的能量>分子的結(jié)合能。14激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.4激光誘導化學過程半導體芯片是經(jīng)過了許多的薄膜加工過程制作而成的。在熱分解、等離子體、離子束等能源作用下，分子首先被分解，然后再重新組合制成薄膜，這一過程分別稱為熱過程、等離子體過程等。如果使用激光，薄膜可以做得更微細、雜質(zhì)含量更少。而這一過程是從化學反應開始的，稱為激光誘導化學過程。熱反應是正向反應；激光引起的光化學反應通過有效地進行分子（原子）選擇、反應場或空間的選擇以及微粒子操作等方式，即使在不升高溫度的情況下也可以發(fā)生15激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.4.1激光切斷分子切斷分子的第一步是使分子吸收光，稱之為激勵光子。切斷分子的首要條件使分子具備的能量要大于解離能，因此激光切斷分子的過程也稱為光解離反應。16激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥1.直接解離由于處于分子結(jié)合間的電子偏離位置不同，從而形成結(jié)合和反結(jié)合軌道的電子狀態(tài)。在結(jié)合軌道存在極小的能量值。相反，反結(jié)合軌道對于分離態(tài)來說是比較穩(wěn)定的軌道。在激光作用下，分子一旦被激勵到反結(jié)合軌道，分子結(jié)合鍵便會瞬間斷裂，這就是直接解離。在解離過程中，光激勵時間非常短，只有飛秒級，因此，電子在接收能量的過程中，相對較重的原子核處于近似靜止的狀態(tài)。切斷結(jié)合鍵的激光光子能量必須大于分離能。17激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥2.前期解離首先，在結(jié)合軌道（具有能量的極小值）引起激發(fā)。然后，激發(fā)的粒子遷移到反結(jié)合軌道（分離后相對穩(wěn)定）上，從而導致結(jié)合鍵斷裂。前期解離的壽命是ps:ns

級。3.熱分子解離在結(jié)合軌道產(chǎn)生激勵，處于基底狀態(tài)的結(jié)合軌道上的粒子發(fā)生遷移。因為激發(fā)粒子具有很高的振動能量，所以稱之為熱分子。其解離速度較慢，只有ns:us

級。18激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥4.紅外多光子解離利用紅外光依次提高振動能級，可以使振動能量最終超過解離能。紅外多光子解離階梯式激勵：起初，只有適合于分子振動的激光才能被吸收；之后，隨著能級的增加，任何波長都起作用。關鍵是分子內(nèi)的能量爭奪。這一過程是在極短時間內(nèi)發(fā)生的。因此，吸收了紅外激光的眾多分子是在最薄弱處斷裂的。據(jù)此，可以有目標地切斷某一結(jié)合鍵。19激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.4.2激光引起的多光子吸收紅外多光子解離實質(zhì)就是激光照射下的多光子被吸收的過程。此時的能級就像階梯一樣上升。（a）階梯性的多光子吸收（b）量子力學性雙光子吸收由于測不準原理，能量在短時間內(nèi)迅速擴散，可以認為所到之處都存在能級，在一瞬間內(nèi)，多光子吸收的效率大大增加。20激光原理及應用陳鶴鳴趙新彥12.4.3