新激光第十三章 新激光在科技前沿中的應(yīng)用ppt課件

1、13.1.1 13.1.1 受控核聚變受控核聚變1.1.發(fā)展聚變能應(yīng)用是替代化石類燃料與裂變能，推發(fā)展聚變能應(yīng)用是替代化石類燃料與裂變能，推動(dòng)人類文明發(fā)展的理想途徑。動(dòng)人類文明發(fā)展的理想途徑。 2.2.聚變時(shí)，參加反應(yīng)的原子核都帶正電，彼此之間聚變時(shí)，參加反應(yīng)的原子核都帶正電，彼此之間互相排斥。粒子必須具有極高的動(dòng)能，才能克服這互相排斥。粒子必須具有極高的動(dòng)能，才能克服這種排斥作用，彼此接近到足以發(fā)生反應(yīng)的程度。種排斥作用，彼此接近到足以發(fā)生反應(yīng)的程度。 13.1.2 13.1.2 磁力約束和慣性約束控制方法磁力約束和慣性約束控制方法1.1.利用核聚變提取能量有兩個(gè)條件：一是保證充分利用核聚變

2、提取能量有兩個(gè)條件：一是保證充分的反應(yīng)時(shí)間；二是約束高溫等離子體。的反應(yīng)時(shí)間；二是約束高溫等離子體。 13.1 13.1 激光核聚變激光核聚變2.2.目前比較實(shí)用的能達(dá)到勞森條件的裝置有兩大類。目前比較實(shí)用的能達(dá)到勞森條件的裝置有兩大類。一是利用一定的強(qiáng)磁場將高溫等離子體進(jìn)行約束和一是利用一定的強(qiáng)磁場將高溫等離子體進(jìn)行約束和壓縮，使之達(dá)到勞森判據(jù)，即所謂的壓縮，使之達(dá)到勞森判據(jù)，即所謂的“磁力約束方磁力約束方法法”（magnetic confinement fusion, MCFmagnetic confinement fusion, MCF）。二）。二是慣性約束是慣性約束(inertial

3、confinement fusion, ICF)(inertial confinement fusion, ICF)法，利用高功率的激光束或粒子束均勻照射用聚變法，利用高功率的激光束或粒子束均勻照射用聚變材料制成的微型靶丸，在極短的時(shí)間內(nèi)迅速加熱壓材料制成的微型靶丸，在極短的時(shí)間內(nèi)迅速加熱壓縮聚變材料使之達(dá)到極高的溫度和密度，在其分散縮聚變材料使之達(dá)到極高的溫度和密度，在其分散遠(yuǎn)離以前達(dá)到聚變反應(yīng)條件，引起核聚變反應(yīng)條件。遠(yuǎn)離以前達(dá)到聚變反應(yīng)條件，引起核聚變反應(yīng)條件。 3.3.自自2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初梅曼成功地研制出激光器后不年代初梅曼成功地研制出激光器后不久，在美國及前蘇聯(lián)就開始了

4、激光核聚變久，在美國及前蘇聯(lián)就開始了激光核聚變慣性慣性核聚變的研究。核聚變的研究。 13.1.3 13.1.3 激光壓縮點(diǎn)燃核聚變的原理激光壓縮點(diǎn)燃核聚變的原理1.1.壓縮點(diǎn)燃的方式有兩種：一種是直接照射方式壓縮點(diǎn)燃的方式有兩種：一種是直接照射方式多束激光以球?qū)ΨQ方式直接照射在靶丸表面；一多束激光以球?qū)ΨQ方式直接照射在靶丸表面；一種是間接照射方式種是間接照射方式將靶丸放入由金等重金屬制將靶丸放入由金等重金屬制成的空腔中，通過激光照射空腔內(nèi)表面產(chǎn)生的成的空腔中，通過激光照射空腔內(nèi)表面產(chǎn)生的X X射射線再照射靶丸。線再照射靶丸。 2.2.如圖表示了從壓縮點(diǎn)燃到核聚變點(diǎn)火、燃燒的全如圖表示了從壓縮點(diǎn)

5、燃到核聚變點(diǎn)火、燃燒的全過程。過程。 13.2 13.2 激光冷卻激光冷卻溫度也就降低了。由于這種減速實(shí)現(xiàn)時(shí)必須考慮入溫度也就降低了。由于這種減速實(shí)現(xiàn)時(shí)必須考慮入射光子對運(yùn)動(dòng)原子的多普勒效應(yīng)，所以這種減速就射光子對運(yùn)動(dòng)原子的多普勒效應(yīng)，所以這種減速就叫多普勒冷卻。叫多普勒冷卻。 1. 201. 20世紀(jì)世紀(jì)8080年代，借助于激光技術(shù)獲得了中性氣年代，借助于激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫如，體分子的極低溫如，1010K1010K形狀，實(shí)現(xiàn)了單形狀，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子的操縱。這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。個(gè)原子的操縱。這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。 2.2.激光冷卻的基本思想是：運(yùn)動(dòng)著的原子

6、在共振吸激光冷卻的基本思想是：運(yùn)動(dòng)著的原子在共振吸收迎面射來的光子后，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動(dòng)收迎面射來的光子后，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動(dòng)量就減小，速度也就減小了。速度減小的值為量就減小，速度也就減小了。速度減小的值為 Mch原子吸收光子動(dòng)量減小3.3.由于原子速度可正可負(fù)，就用兩束方向相反的由于原子速度可正可負(fù)，就用兩束方向相反的共振激光束照射原子共振激光束照射原子. .這時(shí)原子將優(yōu)先吸收迎面這時(shí)原子將優(yōu)先吸收迎面射來的光子而達(dá)到多普勒冷卻的結(jié)果。射來的光子而達(dá)到多普勒冷卻的結(jié)果。 方向相反的兩束激光照射原子4.4.實(shí)際上，原子的運(yùn)動(dòng)是三維的。實(shí)際上，原子的運(yùn)動(dòng)是三維的。19851985年貝

7、爾實(shí)驗(yàn)室年貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣文小組就用三對方向相反的激光束分別沿的朱棣文小組就用三對方向相反的激光束分別沿x x，y y，z z三個(gè)方向照射鈉原子如圖），在三個(gè)方向照射鈉原子如圖），在6 6束激光交匯處的束激光交匯處的鈉原子團(tuán)就被冷卻下來，溫度達(dá)到了鈉原子團(tuán)就被冷卻下來，溫度達(dá)到了240K240K。 三維激光冷卻示意圖5.5.朱棣文的三維激光冷卻朱棣文的三維激光冷卻實(shí)驗(yàn)裝置中，在三束激光實(shí)驗(yàn)裝置中，在三束激光交匯處，由于原子不斷吸交匯處，由于原子不斷吸收和隨機(jī)發(fā)射光子，這樣收和隨機(jī)發(fā)射光子，這樣發(fā)射的光子又可能被鄰近發(fā)射的光子又可能被鄰近的其他原子吸收。一種捕的其他原子吸收。一種捕獲原子使之集聚

8、的方法是獲原子使之集聚的方法是利用利用“原子阱原子阱”，這是利，這是利用電磁場形成的一種用電磁場形成的一種“勢勢能坑能坑”，原子可以被收集，原子可以被收集在坑內(nèi)存起來。一種原子在坑內(nèi)存起來。一種原子阱叫阱叫“磁阱磁阱”，它利用兩，它利用兩個(gè)平行的電流方向相反的個(gè)平行的電流方向相反的線圈構(gòu)成如圖）。線圈構(gòu)成如圖）。 磁阱13.3.1 13.3.1 光捕獲光捕獲1.1.光捕獲法是利用光的力學(xué)作用，對微米以下的光捕獲法是利用光的力學(xué)作用，對微米以下的微小物體，用激光束夾住并使其移動(dòng)的技術(shù)微小物體，用激光束夾住并使其移動(dòng)的技術(shù) 2.2.光子具有一定的動(dòng)量，當(dāng)光入射到微粒上時(shí)，光光子具有一定的動(dòng)量，當(dāng)光

9、入射到微粒上時(shí)，光動(dòng)量將隨著與微粒的相互作用中所產(chǎn)生的反射、折動(dòng)量將隨著與微粒的相互作用中所產(chǎn)生的反射、折射、吸收等過程而變化。而力又由動(dòng)量的變化所產(chǎn)射、吸收等過程而變化。而力又由動(dòng)量的變化所產(chǎn)生，如果在生，如果在tt時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的變化量為時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的變化量為PP，那么其，那么其產(chǎn)生的力產(chǎn)生的力F F可由下式表示：可由下式表示： tPF此力就成為作用在微粒上的力。此力就成為作用在微粒上的力。13.3 13.3 激光操縱微粒激光操縱微粒如圖為由折射引起的光的動(dòng)量變化及微粒球受如圖為由折射引起的光的動(dòng)量變化及微粒球受到作用力的幾何光學(xué)解釋到作用力的幾何光學(xué)解釋( (僅考慮由折射引起的力僅考慮由折射引

10、起的力) ) 5. 5. 光所產(chǎn)生的只是使微粒球平移的力，而不產(chǎn)生光所產(chǎn)生的只是使微粒球平移的力，而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要給微粒一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩時(shí)可利用光所具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要給微粒一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩時(shí)可利用光所具有的角動(dòng)量的方法。有的角動(dòng)量的方法。 3.3.由上面的分析可知，光所產(chǎn)生的力總是使由上面的分析可知，光所產(chǎn)生的力總是使微粒球向著光束焦點(diǎn)處趨近的。實(shí)際上在滿微粒球向著光束焦點(diǎn)處趨近的。實(shí)際上在滿足一定的條件下，不僅這兩條光線，在光束中的其足一定的條件下，不僅這兩條光線，在光束中的其它光線對也有同樣的能力，而且在同時(shí)考慮折射光它光線對也有同樣的能力，而且在同時(shí)考慮折射光和反射光的情況下也可以得到同樣的結(jié)論

11、。和反射光的情況下也可以得到同樣的結(jié)論。 4.4.微粒球所受到的俘獲力還與微粒半徑、光束的空微粒球所受到的俘獲力還與微粒半徑、光束的空間分布、光波長等因素有關(guān)。間分布、光波長等因素有關(guān)。 13.3.2 13.3.2 微粒操縱微粒操縱1.單一有機(jī)微粒的制作光壓不單提供微粒操縱手段，從化學(xué)觀點(diǎn)看它還光壓不單提供微粒操縱手段，從化學(xué)觀點(diǎn)看它還能形成聚合結(jié)構(gòu)。激光的聚光斑點(diǎn)直徑是波長級的，能形成聚合結(jié)構(gòu)。激光的聚光斑點(diǎn)直徑是波長級的，因此因此10nm10nm級的超微粒被吸引到焦點(diǎn)上形成單一微粒。級的超微粒被吸引到焦點(diǎn)上形成單一微粒。用光鑷子聚合高分子形成單一微粒過程2.細(xì)胞操縱與細(xì)胞融合如圖為一種光鑷

12、與微分干涉顯微鏡的原理圖。如圖為一種光鑷與微分干涉顯微鏡的原理圖。 一種裝有微分干涉顯微鏡觀察系統(tǒng)的光攝激光化學(xué)過程中最重要的反應(yīng)是切斷分子分激光化學(xué)過程中最重要的反應(yīng)是切斷分子分子鍵斷開）。如下圖，蒸發(fā)之前用激光子鍵斷開）。如下圖，蒸發(fā)之前用激光照射照射ABCABC結(jié)合起來的分子結(jié)合起來的分子, ,分子鍵斷裂，生成分子鍵斷裂，生成ABAB和和C C兩個(gè)碎片，這兩個(gè)碎片分別被蒸發(fā)到基片上再結(jié)兩個(gè)碎片，這兩個(gè)碎片分別被蒸發(fā)到基片上再結(jié)合成薄膜，整個(gè)過程合成薄膜，整個(gè)過程ABCABC分子在分子在 ABAB和和C C之間的分子之間的分子鍵斷裂就是激光誘導(dǎo)發(fā)生的化學(xué)過程。鍵斷裂就是激光誘導(dǎo)發(fā)生的化學(xué)過

13、程。激光化學(xué)過程激光化學(xué)過程13.4 13.4 激光誘導(dǎo)化學(xué)過程激光誘導(dǎo)化學(xué)過程13.4.1 13.4.1 激光波長和離解能的關(guān)系激光波長和離解能的關(guān)系 如果每一個(gè)分子的離解是由一個(gè)光子照射引起的，如果每一個(gè)分子的離解是由一個(gè)光子照射引起的，每每1mol1mol的分子所需要的離解能就等于的分子所需要的離解能就等于1mol1mol光子的能光子的能量，因而量，因而1mol1mol分子的離解能可用下式來表示分子的離解能可用下式來表示(nm)101.1963(kJ/mol)D50激光波長和離解能的關(guān)系示意圖如圖。激光波長和離解能的關(guān)系示意圖如圖。13.4.2 13.4.2 激光切斷分子激光切斷分子 激

14、光波長和離解能示意圖1.直接離解圖圖 (a)(a)表示了分子表示了分子ABAB直接解離成直接解離成A+BA+B的情況。的情況。 2.前期離解圖圖 (b) (b) 是是SiH2SiH2的生成實(shí)例。的生成實(shí)例。 3.3.熱分子機(jī)理離解熱分子機(jī)理離解 與前期分離類似。像甲苯、與前期分離類似。像甲苯、C60C60等具有很高分子量等具有很高分子量的不飽和碳化物的光解離就屬于這種情況。如圖的不飽和碳化物的光解離就屬于這種情況。如圖 (c). (c). 4. 紅外多光子離解紅外多光子離解 利用紅外光依次提高振動(dòng)能級，可以使振動(dòng)能量最利用紅外光依次提高振動(dòng)能級，可以使振動(dòng)能量最終超過解離能。如圖終超過解離能。

15、如圖 (d). (d). 13.4.3 13.4.3 液體、固體的光化學(xué)反應(yīng)液體、固體的光化學(xué)反應(yīng) 回籠效應(yīng)光子的能量一部分用于光解離，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷９庾拥哪芰恳徊糠钟糜诠饨怆x，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。而一旦產(chǎn)生解離周圍的溶質(zhì)爭相返回形成再復(fù)合，而一旦產(chǎn)生解離周圍的溶質(zhì)爭相返回形成再復(fù)合，稱為稱為“回籠效應(yīng)，這也是溶液等物質(zhì)的量子吸收回籠效應(yīng)，這也是溶液等物質(zhì)的量子吸收量變小的另一個(gè)原因。如下圖。量變小的另一個(gè)原因。如下圖。 13.5.1 13.5.1 拉曼光譜拉曼光譜 1.拉曼光譜的基本原理 拉曼光譜的基本原理基于拉曼效應(yīng)，即光通過介拉曼光譜的基本原理基于拉曼效應(yīng)，即光通過介質(zhì)后發(fā)生散射并發(fā)生頻率

16、漂移。質(zhì)后發(fā)生散射并發(fā)生頻率漂移。 拉曼效應(yīng)的量子解釋：當(dāng)能量為拉曼效應(yīng)的量子解釋：當(dāng)能量為 的光子作用的光子作用于物體的分子時(shí)，可以產(chǎn)生兩類碰撞，一類為于物體的分子時(shí)，可以產(chǎn)生兩類碰撞，一類為“彈彈性碰撞性碰撞”，能量不變，散射頻率與入射頻率相同，能量不變，散射頻率與入射頻率相同，這屬于瑞利散射；另一類為這屬于瑞利散射；另一類為“非彈性碰撞非彈性碰撞”，在這，在這種碰撞過程中，入射光子可能把一部分能量轉(zhuǎn)移給種碰撞過程中，入射光子可能把一部分能量轉(zhuǎn)移給分子。此時(shí)，散射后的光子的頻率變小，即：分子。此時(shí)，散射后的光子的頻率變小，即：hE013.5 13.5 激光光譜學(xué)激光光譜學(xué)0hE即所謂譜線斯

17、托克斯位移；另外，也有可能從即所謂譜線斯托克斯位移；另外，也有可能從分子獲得一部分能量。此時(shí)，散射后的頻率變分子獲得一部分能量。此時(shí)，散射后的頻率變大，即：大，即： hE0此式表征譜線反斯托克斯位移。式中此式表征譜線反斯托克斯位移。式中EE代表分子代表分子內(nèi)部二個(gè)量子化能級之差，所以通過測定拉曼散射內(nèi)部二個(gè)量子化能級之差，所以通過測定拉曼散射光譜則可以得知分子能級結(jié)構(gòu)，從而識別分子的種光譜則可以得知分子能級結(jié)構(gòu)，從而識別分子的種類。類。 2.各種類型的拉曼效應(yīng) （1 1共振拉曼效應(yīng)共振拉曼效應(yīng) （2 2幾種非線性拉曼效應(yīng)幾種非線性拉曼效應(yīng) 反拉曼效應(yīng)：也叫拉曼吸收。它的過程是當(dāng)一分反拉曼效應(yīng)：

18、也叫拉曼吸收。它的過程是當(dāng)一分子體系被頻率為子體系被頻率為的單色激光及一連續(xù)光束的單色激光及一連續(xù)光束( (包括包括的反斯托克線的頻段的反斯托克線的頻段) )照射時(shí)，在照射時(shí)，在十十 (0)0)處，連續(xù)光束被分子體系所吸收，在連處，連續(xù)光束被分子體系所吸收，在連續(xù)譜帶上出現(xiàn)清晰的吸收銳線。續(xù)譜帶上出現(xiàn)清晰的吸收銳線。 受激拉曼效應(yīng)：當(dāng)入射到分子體系的激光束的光受激拉曼效應(yīng)：當(dāng)入射到分子體系的激光束的光強(qiáng)或功率密度超過一定水平強(qiáng)或功率密度超過一定水平( (閾值閾值) )時(shí)，散射光的強(qiáng)時(shí)，散射光的強(qiáng)度突然大幅度地驟增度突然大幅度地驟增( (可達(dá)到與入射激光束光強(qiáng)相可達(dá)到與入射激光束光強(qiáng)相比的程度比

19、的程度) )；同時(shí)，散射光束的空間發(fā)射角明顯變；同時(shí)，散射光束的空間發(fā)射角明顯變小，散射光譜的寬度明顯變窄，具有激光發(fā)射的一小，散射光譜的寬度明顯變窄，具有激光發(fā)射的一切特點(diǎn)。切特點(diǎn)。 超拉曼效應(yīng)：又稱高次拉曼效應(yīng)。它的產(chǎn)生超拉曼效應(yīng)：又稱高次拉曼效應(yīng)。它的產(chǎn)生過程及特點(diǎn)是，當(dāng)入射光足夠強(qiáng)而還不足以出現(xiàn)過程及特點(diǎn)是，當(dāng)入射光足夠強(qiáng)而還不足以出現(xiàn)受激拉曼效應(yīng)時(shí)，觀察到受激拉曼效應(yīng)時(shí)，觀察到2o2o、甚至、甚至3o3o(為拉曼頻移為拉曼頻移) )的散射，散射光很弱。的散射，散射光很弱。 （3 3相干拉曼光譜相干拉曼光譜3.3.激光拉曼光譜的應(yīng)用激光拉曼光譜的應(yīng)用 13.5.2 13.5.2 空間高

20、分辨率的激光顯微光譜空間高分辨率的激光顯微光譜1.1.激光顯微光譜分析實(shí)驗(yàn)裝置主要由激光器、激光顯微光譜分析實(shí)驗(yàn)裝置主要由激光器、顯微光學(xué)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、攝譜儀或光量計(jì)四顯微光學(xué)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、攝譜儀或光量計(jì)四部分組成。如圖部分組成。如圖. . 激光顯微光譜分析實(shí)驗(yàn)裝置激光顯微光譜分析實(shí)驗(yàn)裝置 2.2.采用釹玻璃激光器作光源，其采用釹玻璃激光器作光源，其1.06m1.06m，有效直徑一般為有效直徑一般為6mm6mm，則，則2210104 4弧度?；《?。但是，實(shí)際上有偏離軸向的振蕩模式，因而觀察到但是，實(shí)際上有偏離軸向的振蕩模式，因而觀察到的的值比計(jì)算值大，一般為值比計(jì)算值大，一般為10

21、103 3弧度。這種激光弧度。這種激光束被焦距為束被焦距為f f的顯微物鏡聚焦于樣品表面，其光斑的顯微物鏡聚焦于樣品表面，其光斑直徑為直徑為 激光在樣品表面的光斑激光在樣品表面的光斑 f2a13.5.3 13.5.3 頻率高分辨的雙光子光譜頻率高分辨的雙光子光譜1.1.由于原子分子或離子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，造由于原子分子或離子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，造成了譜線頻率的位移成了譜線頻率的位移( (相對于靜止的粒子相對于靜止的粒子) )： )1 (0c如果所有原子都處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么譜線的多普勒如果所有原子都處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么譜線的多普勒增寬就可以消除，所有能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)增寬就可以消除，所有能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)都可以分辨。構(gòu)都可以分辨。 2.2.運(yùn)用相反光束的雙光子吸收法，可以消去多普勒運(yùn)用相反光束的雙光子吸收法，可以消去多普勒增寬。若從正向光束吸收光子的頻率為增寬。若從正向光束吸收光子的頻率為 )c1 (0從反向光束中吸收的