激光與物質(zhì)相互作用的研究進(jìn)展

摘 要：激光從60年代出現(xiàn)后，就從根本上改變了光學(xué)面貌，并對(duì)物理學(xué)、化學(xué)以及生物學(xué)等學(xué)科產(chǎn)生了重要影響。人們從關(guān)注激光自身特征轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)心學(xué)科領(lǐng)域的交叉，這便說明，人們已經(jīng)把激光與學(xué)科研究進(jìn)行了整合，而利用激光的相關(guān)特性，對(duì)激光與物質(zhì)相互作用進(jìn)行研究，成為了當(dāng)今世界重要的研究課題。文章主要在激光與物質(zhì)相互作用的理論基礎(chǔ)中，對(duì)研究的內(nèi)容，以及對(duì)短脈沖激光對(duì)金屬以及非金屬的燒蝕進(jìn)展進(jìn)行了研究，從而得到最新的激光信息。

關(guān)鍵詞：脈沖激光；相互作用；物質(zhì)；進(jìn)展

引言

1960年激光問世后，對(duì)我國的工業(yè)、軍事等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，激光與物質(zhì)相互作用也成為了人們主要研究的課題，人們運(yùn)用新技術(shù)、新設(shè)備，對(duì)激光的性質(zhì)、狀態(tài)進(jìn)行研究，并且應(yīng)用與各種領(lǐng)域，產(chǎn)生重要作用。在激光與物質(zhì)的相互作用下，激光已經(jīng)成為了探索物性的主要手段，在材料與能源上有著應(yīng)用前景，無論是對(duì)物理學(xué)、化學(xué)還是生物、材料學(xué)，都進(jìn)行了相互滲透，成為重要的研究領(lǐng)域。當(dāng)今社會(huì)，激光與物質(zhì)相互作用的研究受到各國科研人員的重視，人們投入大量的人力、物力、財(cái)力，運(yùn)用新方法、新手段進(jìn)行研究。

1 激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論

非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)以及激光化學(xué)是構(gòu)成激光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)理論，該理論不僅向人們闡述了激光與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)、性質(zhì)，并且對(duì)未來的發(fā)展做出了相應(yīng)預(yù)測(cè)，是對(duì)激光與物質(zhì)相互作用的主要研究手段，在近幾年，三大學(xué)科得到了迅速發(fā)展，對(duì)人們的研究產(chǎn)生了良好的理論基礎(chǔ)。

1.1 非線性光學(xué)的表現(xiàn)

非線性光學(xué)是激光與物質(zhì)相互作用的主要理論依據(jù)，在一定程度上，該理論向人們闡述了激光與物質(zhì)相互作用的主要特點(diǎn)以及過程。作為新興學(xué)科，非線性光學(xué)在闡明激光特點(diǎn)的同時(shí)，形成了非線性光學(xué)效應(yīng)，這種效應(yīng)，在以探討、觀測(cè)為基礎(chǔ)的同時(shí)，對(duì)物質(zhì)本身進(jìn)行了研究。非線性研究的對(duì)象不僅僅是固體，現(xiàn)如今以及涉及到氣體、液體等物質(zhì)中。它研究時(shí)出現(xiàn)的效應(yīng)豐富多彩，在具備二階效應(yīng)的同時(shí)，也產(chǎn)生了瞬間效應(yīng)。

在非線性光學(xué)與物質(zhì)的不斷研究中，要注意以下幾點(diǎn)：

（1）非線性光學(xué)表面與界面的研究

非線性光學(xué)表面與界面的研究，是對(duì)物力與化學(xué)研究的表現(xiàn)[1]，在進(jìn)行研究時(shí)，表面波與表面光得到了重要研究，人們?cè)诹私?、觀察表面波的頻率以及斯托克斯喇曼效應(yīng)時(shí)，對(duì)喇曼散射表面的現(xiàn)象進(jìn)行了研究。在長約10年的研究中，人們發(fā)現(xiàn)了表面二次諧波的反射現(xiàn)象，對(duì)超晶體的研究也正在進(jìn)行。

（2）對(duì)光學(xué)穩(wěn)態(tài)的研究

光學(xué)的穩(wěn)態(tài)能夠促進(jìn)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光學(xué)的穩(wěn)態(tài)分為雙穩(wěn)與非穩(wěn)兩種類型，在光學(xué)設(shè)備的不斷問世中，光學(xué)對(duì)我國計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生重要影響，比如：光開關(guān)、光學(xué)限幅器、光學(xué)存儲(chǔ)原件以及光學(xué)微分放大器，此類通訊設(shè)備的問世，對(duì)光電子學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了積極作用。對(duì)于光學(xué)中存在的非穩(wěn)現(xiàn)象，在出現(xiàn)自動(dòng)脈以后，漸漸引用到各個(gè)領(lǐng)域。

（3）對(duì)光學(xué)位的研究

對(duì)光學(xué)位研究對(duì)象中，最值得研究的便是光學(xué)位相共軛的研究，在此研究上，簡并與布里淵的貢獻(xiàn)最大，不僅對(duì)光學(xué)位相共軛進(jìn)行研究，并發(fā)現(xiàn)四波混頻，這是研究史上的一大創(chuàng)舉。如今，光學(xué)為相共軛已經(jīng)運(yùn)用到光通訊、光學(xué)之中，有著遠(yuǎn)大的發(fā)展前景，是值得研究的項(xiàng)目。

（4）對(duì)相千光波段的研究

在近幾年，人們利用前人的研究成果，對(duì)相千光波段進(jìn)行研究，在研究過程中，產(chǎn)生了真空紫外、以及紅外區(qū)域激光的協(xié)調(diào)技術(shù)，是最為實(shí)用的研究成果。

1.2 激光光譜學(xué)的表現(xiàn)

激光光譜學(xué)改變了傳統(tǒng)光譜學(xué)的局限性，具有高光調(diào)、高單色性的主要特點(diǎn)。在對(duì)激光光譜學(xué)的觀察中可以發(fā)現(xiàn)，光譜的分辨率以及時(shí)間的分辨率越來越高，無論是對(duì)氣體的研究還是固體的研究，激光光譜學(xué)是一種高靈敏的重要手段，再者而言，激光光譜學(xué)的種類越來越多，比如：光電流光譜學(xué)、瞬態(tài)相干光譜學(xué)等。在激光光譜學(xué)的不斷發(fā)展中，對(duì)物質(zhì)的研究產(chǎn)生了顯著的進(jìn)展。

1.3 激光化學(xué)的表現(xiàn)

作為激光研究的重要學(xué)科，激光化學(xué)對(duì)激光選擇性引發(fā)以及控制產(chǎn)生深刻影響。由于激光具有單色性，以至于在對(duì)混合物中的分子進(jìn)行選擇時(shí)，會(huì)控制或者引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，這種現(xiàn)象，無論是對(duì)分子結(jié)構(gòu)的分析，還是對(duì)分子內(nèi)模式的互換，都能實(shí)現(xiàn)能量上的選擇。近幾年，激光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)取得重大進(jìn)展，無論是對(duì)化學(xué)合成、純化材料中，都彰顯出激光化學(xué)的良好前景。

2 激光與物質(zhì)相互作用研究的內(nèi)容

激光與物質(zhì)相互作用的研究范圍比較廣泛，涉及的領(lǐng)域多，研究的內(nèi)容復(fù)雜，在根據(jù)當(dāng)前研究的趨勢(shì)下，激光與物質(zhì)相互作用的研究內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 對(duì)激光與等離子體相互作用進(jìn)行研究

該研究涉及的領(lǐng)域廣，是對(duì)激光與物質(zhì)相互作用的前沿領(lǐng)域，為激光核聚變提供了重要依據(jù)，是激光與物質(zhì)相互作用研究中最為重要的研究內(nèi)容[2]，在小空間、短時(shí)間、強(qiáng)高光的影響下，在一定程度上激光與等離子體相互作用的研究產(chǎn)生非線性特性，對(duì)生產(chǎn)X射線、激光離子加速器都有著重要的理論基礎(chǔ)。

2.2 對(duì)新型材料與激光的相互作用進(jìn)行研究

該研究對(duì)我國工業(yè)有著重要意義，并且可以服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)，該研究項(xiàng)目的主要包括了：（1）對(duì)單晶、液晶以及半導(dǎo)體材料的研究，并且要在研究基礎(chǔ)上建立理論模式。（2）對(duì)晶體與非晶體進(jìn)行研究，該研究對(duì)我國發(fā)展激光器件產(chǎn)生影響。（3）研究激光在界面以及表面上的應(yīng)用，該研究不僅可以發(fā)現(xiàn)一系列光學(xué)效應(yīng)，并且能探測(cè)出激光表面的狀態(tài)，對(duì)工業(yè)、電子業(yè)有著極其重要的影響。（4）研究激光與材料，對(duì)材料的改性以及破壞是該研究的主要方向，該研究的對(duì)象包括晶體、非晶體、半導(dǎo)體、金屬等，通過研究，可以找出不足，及時(shí)彌補(bǔ)，避免產(chǎn)生誤差，影響研究結(jié)果。

2.3 對(duì)激光與原子分子的相互作用進(jìn)行研究

該研究是促進(jìn)物理發(fā)展的主要支柱，對(duì)該項(xiàng)目的研究，不僅能夠探索出新型激光物質(zhì)，并且為激光光譜與激光機(jī)制的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，是一項(xiàng)重要的研究。

對(duì)激光化學(xué)與激光生物的研究，是整個(gè)激光與物質(zhì)相互作用研究項(xiàng)目中最重要的一項(xiàng)，該項(xiàng)研究涉及了化學(xué)、物理兩個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，對(duì)化學(xué)、生物學(xué)科的發(fā)展與興起產(chǎn)生重要影響。要想對(duì)此進(jìn)行研究，要注意以下幾點(diǎn)：（1） 激光化學(xué)的選擇性，人們?cè)诶眉す馓卣鲗?duì)其進(jìn)行研究時(shí)，要對(duì)激光化學(xué)進(jìn)行選擇，按照標(biāo)準(zhǔn)的正常反應(yīng)機(jī)理，在新化合物合成上得到運(yùn)用，促進(jìn)研究進(jìn)展。（2） 觀察粒子數(shù)反轉(zhuǎn)反應(yīng)。要想研究粒子數(shù)在各能級(jí)上的變化，就要用激光光譜方法進(jìn)行研究，在研究過程中，要時(shí)刻觀察粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且可以獲得長波或短波的化學(xué)反應(yīng)。（3）激光化學(xué)中沉淀、滲雜的合成。在激光的作用下，產(chǎn)生多種用途的薄膜與顆粒均勻的超微粉，在把各類材料進(jìn)行滲雜后，提高其性能，完成激光沉淀、滲雜的合成，提高其性能。

2.4 在極端條件下，對(duì)激光的物理過程進(jìn)行研究

該項(xiàng)研究不緊急局限于物理學(xué)，是交叉與各個(gè)學(xué)科，各個(gè)領(lǐng)域的一項(xiàng)研究，對(duì)激光物理過程的研究，不僅能形成新的理論，并且對(duì)原子分子物理、凝聚物理產(chǎn)生重要作用，促進(jìn)了我國學(xué)科的分支與統(tǒng)籌。對(duì)激光物理過程的研究，分為四個(gè)內(nèi)容。（1）在低溫、高壓狀態(tài)下對(duì)激光與物質(zhì)進(jìn)行研究，此項(xiàng)研究，可以了解與掌握在極端條件下，激光特征的改變，并且能夠發(fā)現(xiàn)其改變的規(guī)律，以及出現(xiàn)新型效應(yīng)。（2）對(duì)非線性效果進(jìn)行研究，在了解激光特性后，從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移至混沌狀態(tài)，激光此時(shí)便會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生一定的規(guī)律。（3）在應(yīng)用背景下對(duì)光線性光學(xué)進(jìn)行研究。在研究過程中，可以采用四波混頻的方式，在產(chǎn)生相位共軛效應(yīng)的同時(shí)，對(duì)工作介質(zhì)、原件、光束以及光學(xué)的雙穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行分析與對(duì)比，從而找出規(guī)律，該研究項(xiàng)目促進(jìn)了光學(xué)的發(fā)展，為光學(xué)所產(chǎn)生的效益提供了基礎(chǔ)。

3 短脈沖激光燒蝕金屬的進(jìn)展

3.1 飛秒激光的各項(xiàng)表現(xiàn)以及特征

人眼所能辨別時(shí)間的十萬億分之一被稱為飛秒，飛秒的脈寬非常窄，能夠在較低的脈沖能量下發(fā)揮極高的功率，它的這些特征被人們運(yùn)用到各種領(lǐng)域，發(fā)揮了重要的作用。而飛秒激光脈沖的主要特征也有很多，單從它的長度上看，可以1秒圍繞地球旋轉(zhuǎn)7圈，長度也僅是毛發(fā)直徑的三分之一，飛秒脈沖的功率特別的大，能夠在極端的時(shí)間內(nèi)，聚集大量的能量，假如100fs時(shí)間里聚集100mj能量，那么飛秒脈沖的功率便可以達(dá)到1tw，這個(gè)數(shù)值是非常大，可想而知，對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的影響是非常震驚的。

3.2 短脈沖激光燒蝕金屬的進(jìn)展

從上個(gè)世紀(jì)60年代激光出現(xiàn)在工業(yè)作業(yè)后，激光燒蝕金屬的研究受到國內(nèi)外越來越多人的研究，在短脈沖激光燒蝕金屬的研究中，涉及到了很多物理機(jī)制的耦合，隨著現(xiàn)在人們對(duì)科學(xué)手段的運(yùn)用，短脈沖激光燒蝕金屬的研究手段也得到加強(qiáng)，對(duì)于短脈沖激光燒蝕金屬的進(jìn)展，主要變現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）當(dāng)激光對(duì)純鐵靶面進(jìn)行照射時(shí)，靶面燒蝕的表面程度與所產(chǎn)生的能量密度呈現(xiàn)出線性關(guān)系，并且在經(jīng)過形影的測(cè)定以后，在不同密度與不同時(shí)間下，滿足了麥克斯韋-玻爾茲曼的分布。在利用二次諧波與三次諧波進(jìn)行研究的過程中，對(duì)金屬的燒蝕程度也符合其規(guī)律。當(dāng)用紫外高等激光進(jìn)行對(duì)金屬靶面的燒蝕中發(fā)現(xiàn)，很多燒蝕過程中出現(xiàn)的噴射原子鎖產(chǎn)生的分布狀態(tài)都有其規(guī)律，重型原子的低速分布如此，但高速部分卻與其規(guī)律背道而馳。

（2）在分別用高密度與低密度對(duì)銅片與鋁片的分析實(shí)驗(yàn)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)在銅片與鋁片的燒蝕表面會(huì)有很多被燒的痕跡，其中燒蝕率與激光的能量呈正比關(guān)系，如果當(dāng)波長相同、能量相同的時(shí)候，銅片與鋁片的燒蝕面依舊如此，那么其能量密度與燒蝕率呈線性關(guān)系，其中表現(xiàn)在波長越長的激光所產(chǎn)生的燒蝕率就會(huì)越大。所以，在能量與密度相同的情況下，不僅符合麥克斯韋-玻爾茲曼的分布，并且呈現(xiàn)正比關(guān)系，甚至?xí)l(fā)現(xiàn)空氣與真空條件下，其中對(duì)金屬的燒蝕程度和能量密度成正比關(guān)系。

4 短脈沖激光燒蝕非金屬的進(jìn)展

物質(zhì)吸收激光的能量是激光燒蝕的第一步，激光燒蝕在線性以及非線性的條件下完成，而對(duì)于短脈沖激光，在吸收能量的同時(shí)，對(duì)非金屬的燒蝕也受到了更多人的關(guān)注，短脈沖能量比長脈沖能量而言，它可以在很大范圍內(nèi)形成一定的燒蝕面積，所以，如果想對(duì)其進(jìn)行加工，對(duì)于絕緣材料還有脆性比較大的材料都會(huì)受到一定的限制，而對(duì)于短激光脈沖，它所吸收的能量來源主要是光電離與雪崩電離。

4.1 非線性光電離

在短脈沖激光的相關(guān)作用下，對(duì)于原子中的電子，在受到激光的輻照后，非金屬材料會(huì)通過電子去吸收光子，在這一過程中，非金屬材料會(huì)被電離，這種情況，是光電離在激光下的一種正?，F(xiàn)象。在頻率比較低的情況下，由于場(chǎng)地的限制，可以通過隧道效應(yīng)對(duì)光離子進(jìn)行描述。這個(gè)時(shí)候，電離子會(huì)在激光的帶動(dòng)下，會(huì)壓低電場(chǎng)，甚至電子會(huì)被脫離電場(chǎng)的束縛，從而產(chǎn)生隧道效應(yīng)，產(chǎn)生離子化現(xiàn)象。

4.2 雪崩電離

雪崩電離是在光子電離的基礎(chǔ)上，有自由電子在碰撞的過程中，產(chǎn)生電子而引發(fā)的現(xiàn)象，早在上個(gè)世紀(jì)，stuart等人就經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，雪崩電離在速度上與光的強(qiáng)度是成線性關(guān)系。

4.3 電子數(shù)的損失

在短脈激光對(duì)非金屬的燒蝕研究中，電子數(shù)的損失是其重要的研究成果。電子數(shù)的損失是通過電子的擴(kuò)散以及復(fù)合從而使電子的數(shù)量得到減少，電子的擴(kuò)散率與波長、非金屬的燒蝕面積都有相關(guān)的聯(lián)系。

當(dāng)短脈沖激光在對(duì)非金屬材料進(jìn)行燒蝕時(shí)，有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，并且其中的潛力很大，對(duì)于光電離可以產(chǎn)生大量的自由電子，甚至在激光足夠的情況下，會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，這種情況，短脈沖激光就會(huì)對(duì)非金屬材料進(jìn)行燒蝕。但是當(dāng)短脈沖的脈寬程度不同的時(shí)候，就會(huì)引起一定程度的物質(zhì)損傷，例如雪崩電離，由此可見，脈寬的程度不同，產(chǎn)生的電子數(shù)就不同，光電離所產(chǎn)生的作用也不同，所以，在對(duì)此進(jìn)行研究的時(shí)候，要對(duì)不同脈寬的短脈沖激光進(jìn)行研究，了解物質(zhì)之間所起到的作用以及破壞的作用。

5 結(jié)束語

激光與物質(zhì)的相互作用，在一定程度上促進(jìn)了我國科學(xué)的發(fā)展，并且滲入到各個(gè)領(lǐng)域，形成交叉發(fā)展，這種現(xiàn)象，為我國的工業(yè)、電子、物理、生物都產(chǎn)生了重要影響，超短脈沖在生活中的運(yùn)用，提高了加工材料的精致與美觀，成為材料加工的主要工具。從60年代激光出現(xiàn)到今天，激光與物質(zhì)的相互作用為社會(huì)帶來了諸多影響，它活躍與各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展，國家進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]葉佩弦，張道中.激光與物質(zhì)相互作用的研究[J]中國科學(xué)院院刊，1986（4）.

[2]鄧素輝.激光與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)研究[J]江西師范大學(xué)，2006（5）.

作者簡介：黃慶舉（1965-），男，籍貫：山東臨沂人，碩士，教授，研究方向：從事物理教學(xué)與研究。