激光技術(shù)及其應(yīng)用課件

激光技術(shù)及其應(yīng)用2015年1月18日1主要內(nèi)容飛秒激光技術(shù)激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理微納加工應(yīng)用出訪(fǎng)院校介紹濺射沉積鍍膜技術(shù)激光雷達(dá)技術(shù)總結(jié)與期望飛秒激光的主要特點(diǎn)具有激光的共同特點(diǎn)，同時(shí)1.超短脈沖1fs=10-15s2.超強(qiáng)功率（瞬時(shí)功率，可達(dá)到百萬(wàn)億瓦）當(dāng)它被聚焦到亞微米的空間區(qū)域，激光電磁場(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周?chē)娮拥淖饔昧€要高數(shù)倍。

1、飛秒激光技術(shù)SallieGardnerRunning脈沖寬度極短

1fs=10-15秒(電子繞原子核半周的時(shí)間)微觀(guān)世界超快過(guò)程的研究物理化學(xué)生物學(xué)1、飛秒激光技術(shù)TimeMicroscopy–femtosecondlaserAhmedH.Zewail

1999NobelPrizeFemto-Chemistry

1、飛秒激光技術(shù)1012~1015W1018~1021W/cm2

(E=1011V/cm氫原子庫(kù)侖場(chǎng)5×109V/cm）極端物理?xiàng)l件光壓

109~1012bars

磁場(chǎng)

109高斯

加速度

1021g(1022m/s2)

溫度

108聚焦1、飛秒激光技術(shù)飛秒激光飛秒激光的產(chǎn)生超快科學(xué)（探測(cè)認(rèn)識(shí)某些超快物理過(guò)程）物理化學(xué)生物學(xué)超快技術(shù)電子學(xué)（光電取樣）光通訊成像共焦顯微

OCT飛秒激光的放大超快超強(qiáng)科學(xué)（創(chuàng)造一個(gè)極端物理?xiàng)l件）飛秒等離子體強(qiáng)場(chǎng)下電子的相對(duì)論運(yùn)動(dòng)

Self－channeling相對(duì)論自聚焦千兆巴激光壓力尾場(chǎng)等離子體波未來(lái)科學(xué)技術(shù)新突破未來(lái)科學(xué)技術(shù)新突破飛秒相干x射線(xiàn)及x激光（高次諧波，湯姆遜效應(yīng)）

x光顯微術(shù),x光印刷術(shù),x光照相激光熱核聚變快速點(diǎn)火激光粒子加速器

THz毫米波技術(shù)云層放電超高速計(jì)算機(jī)超高速光通訊生物技術(shù)（合成生物分子）醫(yī)學(xué)（OCT）微加工技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)Oscillator

Stretcher（×103-105）Amplifier

（×103）Compressor（÷103-105）啁啾脈沖放大1飛秒激光技術(shù)YVO4Ti:soscillatorSESAMGainamplifierStretcherEnergyamplifierCompressorPre-amplifierGRPC1Ti:sPC2532nmNd:YAG532nmNd:YAG532nmNd:YAGTi:sTi:sGRGR1、飛秒激光技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)抽運(yùn)光功率提高到１２．５Ｗ后，壓縮后脈沖寬度為１２４ｆｓ，此時(shí)脈沖寬度最窄，單脈沖能量為１．５６μＪ，峰值功率１２．６ＭＷ1、飛秒激光技術(shù)1、飛秒激光技術(shù)2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理與金屬作用的雙溫方程模型與聚合材料作用的n光子吸收模式與電介質(zhì)相互作用的動(dòng)力學(xué)方程2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理ΔXmΔXdzx∝In（x）發(fā)生多光子過(guò)程的空間區(qū)域更小

多光子∝In（t）吸收幾率

發(fā)生多光子過(guò)程的時(shí)間范圍更小

ΔXd～λΔXm<<λ2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理1975、S.I.Anisimovet.al從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，考慮到超強(qiáng)脈沖時(shí)光子與電子及電子與晶格兩種不同的相互作用過(guò)程，列出了電子與晶格的溫度變化微分方程，即雙溫方程：2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理1975、S.I.Anisimovet.al從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，考慮到超強(qiáng)脈沖時(shí)光子與電子及電子與晶格兩種不同的相互作用過(guò)程，列出了電子與晶格的溫度變化微分方程，即雙溫方程：2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理2、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理與金屬作用的雙溫方程模型與聚合材料作用的n光子吸收模式與電介質(zhì)相互作用的動(dòng)力學(xué)方程3、微納加工應(yīng)用3、微納加工應(yīng)用LaserBeamExpanderMirrorLensZ-axisSampleX-YaxisComputer3、微納加工應(yīng)用—樹(shù)脂材料3、微納加工應(yīng)用—樹(shù)脂材料3、微納加工應(yīng)用—樹(shù)脂材料3、微納加工應(yīng)用—玻璃GlasswaveguideGlassmachining100umholearrayindoped-glassforfibrealignmentGridstructuresinsoda-limeglassMicro-channelsforopticalswitch3、微納加工應(yīng)用—金屬20-umstainlesssteelCutwidth:10umS.Steel:20um/50um300umthicknitinol,50umslotCopper:topview(left)andX-view30um/1300um3、微納加工應(yīng)用—其他3、微納加工應(yīng)用—其他3、微納加工應(yīng)用—其他3、微納加工應(yīng)用—其他飛秒激光在PMMA材料內(nèi)部加工三維點(diǎn)陣下層點(diǎn)列（脈沖能量:2.87nJ）

3、微納加工應(yīng)用—其他3、微納加工應(yīng)用—其他3、微納加工應(yīng)用—其他Laserbeam4、出訪(fǎng)院校介紹原則已有交流基礎(chǔ)或合作關(guān)系通過(guò)聯(lián)系人介紹自己聯(lián)系NaplesandtheUniversityFedericoIINaplesViewofthegulfAsquareAsmallstreetUniversityFedericoIINowadaystheuniversityismadeupofthirteenschools,eightytwodepartments,anacademicstaffofmorethan3,120individualsandanadministrativestaffofmorethan4,500.Currentstudentenrollmentisstillabout97,000.課題背景中國(guó)－意大利合作項(xiàng)目研究人員往來(lái)政府資助基金（GrantNo.N10MO2）:Ultrafastlaserablationofsolidtargetsandnanoparticlessynthesis，2010.1－2012.12課題背景CNR-SPIN:意大利國(guó)家研究委員會(huì)-超導(dǎo)與新材料器件研究所—MaMafund課題背景CNR-SPIN:意大利國(guó)家研究委員會(huì)-超導(dǎo)與新材料器件研究所—MaMafundDTUFotonikJ?rgenSchouTechnicalUniversityofDenmarkMainactivityFundamentalsoflaserablation

課題背景CNR-SPIN:意大利國(guó)家研究委員會(huì)-超導(dǎo)與新材料器件研究所—MaMafundDTU-TechnicalUniversityofDenmarkDTUEnergyConversionDepartmentofEnergyConversionandStorageNiniPryds(HeadofSection)MainactivitiesEnergymaterials;Oxides;PLD課題背景ChinaNationalScholarshipFund

5濺射沉積鍍膜技術(shù)LegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL25濺射沉積鍍膜技術(shù)Laserbeamlaserbeamsubstratevacuum/backgroundgastargetlaserproduced

plasmaplume

③

Surfaceprocessing①TransientPlasma②NPs&NPs-assembledfilmsOtherfieldsofapplicationLIBSformaterialanalysisIonbeamgenerationEUVlightgenerationm-thrusterforsatellites3Dstructuring(dielectrics)Templatesforcellgrowth..................實(shí)驗(yàn)條件介紹5實(shí)驗(yàn)條件介紹-Stefanno實(shí)驗(yàn)條件介紹-Saleno實(shí)驗(yàn)條件介紹-DTU-1J?rgenSchouNiniPryds(HeadofSection)主要科研工作完成金屬（Cu、Fe）、半導(dǎo)體（Si）以及化合物（TiO2）樣品的燒蝕電子、離子空間時(shí)域分布進(jìn)行分析以及納米顆粒沉積特性實(shí)驗(yàn)研究；與丹麥技術(shù)大學(xué)（TechnicalUniversityofDenmark<DTU>）光子工程系（DepartmentofPhotonicsEngineering）和能量轉(zhuǎn)換與存貯系（DepartmentofEnergyConversionandStorage）開(kāi)展納秒激光與蛋白質(zhì)（Protein）作用燒蝕閾值實(shí)驗(yàn)和納秒激光與Al2O3作用是等離子羽狀物的空間分布以及飛行光譜的采集與處理實(shí)驗(yàn)分析研究；利用業(yè)余時(shí)間積極開(kāi)展第二科研方向Caliposo激光雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)處理工作。PlumetargetAtomicNPsDepositedNPselectronssubsystemheatinglatticeheatingelectrons-to-latticeenergytransferTimeduringpulseafterpulsefspsnstargetmeltinganddecompositionmaterialejectionandplumeexpansiontp---------------------electronslattice+++++++++++++++++++-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-equilibriumablationPhotoofasilverfsablationplume...atlatertime5濺射沉積鍍膜技術(shù)5濺射沉積鍍膜技術(shù)LegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL25.1Langmuirprobe探測(cè)離子實(shí)驗(yàn)研究5.1Langmuirprobe探測(cè)離子實(shí)驗(yàn)研究激光脈沖能量為10.7J/cm2時(shí)銅離子時(shí)間飛行（TOF）不同角度電壓和電流強(qiáng)度曲線(xiàn)5.2等離子體ICCD分析研究ICCDL2NanoparticlesplumeemissionAtomicplumeemission01015.2等離子體ICCD分析研究ICCDL25.2等離子體ICCD分析研究Ahigh-mobilitytwo-dimensionalelectrongasatthespinel/perovskiteinterfaceofγ-Al2O3/SrTiO3Y.Z.Chen,2013,NatureCommunications

5.2等離子體ICCD分析研究Ahigh-mobilitytwo-dimensionalelectrongasatthespinel/perovskiteinterfaceofγ-Al2O3/SrTiO3Y.Z.Chen,2013,NatureCommunications

5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究ListofmaterialsAl,Ag,Au,Cu,Pd,…Ni,Co,Fe,Mn,…—

Si,Ge,…—NiFe,CoCu,SmCo,AlN,…—CdS,ZnS,TiO2,ZnO,VO2,…—LSMO,TbDyFe,…—!?What

is

next?!5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究substrateNPshapeatAFMEquivalentsphere

oblateellipsoidwithvolumeVa5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究substrateNPshapeatAFMEquivalentsphere

oblateellipsoidwithvolumeVa5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究脈沖能量為2.23mJ時(shí)曝光10s的納米顆粒AFM掃描圖像

脈沖能量為2.23mJ，能流密度為10.7J/cmP2P時(shí)曝光10s的納米顆粒AFM統(tǒng)計(jì)圖5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究AFMimageofthefilm5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究HysteresisloopofaNickelNPs-assembledfilmAFMimageofanickelNPs-assembledfilm.5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究b)CdS,527nm,440mJ1mm1mmPhotoluminescence5.3沉積納米顆粒及薄膜實(shí)驗(yàn)研究LaserInducedPeriodicSurfaceStructuresThereisnogeneralconsensusontheoriginofripples(LIPSS).Themostconsideredexplanationisbasedonaninterferencebetweentheincidentbeamandascatteredsurfacewave(alsoinformofSurfacePlasmonPolariton)inducedbythesurfaceroughness.Ripples5.4不同波長(zhǎng)納秒、飛秒激光與蛋白質(zhì)（Lysozyme）作用時(shí)燒蝕效率的實(shí)驗(yàn)研究

近紅外激光燒蝕效率和能流密度關(guān)系曲線(xiàn)（a）飛秒激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1054nm）（b）納秒激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1064nm，Danmark）6激光雷達(dá)技術(shù)

Lidarstandsfor"lightdetectionandranging"andisaradar-related("radiowavedetectionandranging")methodtoremotelymeasureatmosphericparameters.Lidarsystemssendoutlaserpulsesanddetectthebackscatteredradiation.Fromthesignals'timedelayandthespeedoflight,thedistancefromthebackscatterlocationcanbedetermined.6激光雷達(dá)技術(shù)

P0:LaserpowerA:Telescopeareah:Overlapfunctionb:Backscatteringcoefficienta:ExtinctioncoefficientLidarequation(singlescattering):6激光雷達(dá)技術(shù)

BackscatteringLidar(mono-,multi-wavelengths)

Scanning,VolumeImaging,Depolarization,Fluorescence… Aerosol,Cloud,Dust,Organicdust,…Raman

Lidar,HighSpectralResolutionLidar

Aerosol,Cloud,Dust

Watervapor,Temperature,…DIAL

Lidar

Pollutionmolecules(SO2,CO,CO2,NO2,NO,…),O3,…Doppler

Lidar

WindspeedprofileClassificationbyPrinciple:Groundbased

Atmosphereprofile,3D,localAirborne largearea,Atmosphere,Earthandseasurface,SeabottomSpaceborne

globalClassificationbyPlatform:6激光雷達(dá)技術(shù)

3DscanningLidar6激光雷達(dá)技術(shù)

3DscanningLidar6激光雷達(dá)技術(shù)

SpectroscopyanalysisLidar6激光雷達(dá)技術(shù)

CharacteristicsofBackscatterLidarSystem

TransmitterLaserNd:YAGorExcimerLaser(XeF)Wavelength1064,532,355nmor351nmOutputenergy1–50mJ/pulsePulserepetitionrate20-1000HzPulsewidth5-20nsBeamdivergence0.2-0.6mradReceiverTelescope35cmNewtonian,f=120cmFieldofview1.5mradFilterbandwidth1-2nmVerticalresolution3m(raw),15m(final)6激光雷達(dá)技術(shù)

RamanLidarMulti-wavelengthDifferentialAbsorptionLidar(DIAL)AirborneLidarSystem6激光雷達(dá)技術(shù)

AirborneLidarSystem6激光雷達(dá)技術(shù)

6激光雷達(dá)技術(shù)

CALIPSO衛(wèi)星主要載荷包括：正交偏振云和氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP寬視場(chǎng)相機(jī)WFC成像紅外輻射計(jì)IIRCALIP是一臺(tái)偏振敏感雙波長(zhǎng)（532nm/1064nm）激光雷達(dá)92

Caliop激光雷達(dá)CALIPSO衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)行速度是7km/秒激光器二極管泵浦一縷石榴石晶體激光器脈沖能量532nm的為110mJ1064nm的為110mJ重復(fù)頻率20.16Hz脈沖長(zhǎng)度20ns線(xiàn)寬532nm：30pm；1064nm：100pm極化純度>1000:1（532nm）光束發(fā)散角100urad（在光束擴(kuò)展之后）瞄準(zhǔn)范圍±1°，分辨率1.6μrad激光的環(huán)境18psia，干燥的空氣93

CALIOP發(fā)射接收系統(tǒng)光學(xué)路徑946激光雷達(dá)技術(shù)

96數(shù)據(jù)空間分辨率6激光雷達(dá)技術(shù)

6激光雷達(dá)技術(shù)

5XbeamexpandersNapoliLidarExperimentalSetup387nmRaman407nmRaman355nmElastic532nmElastic607nmRamanSummaryofMulti-wavelengthRamanLidarLaserSourceNd-YAGWavelength355,532,1064nmPulseduration5nsecPulseEnergy100mJ@355nm90mJ@532nm300mJ@1064nmReperate20HzDivergence0.1mrad@1064nm0.1mrad@532nm0.1mrad@355nmReceiversystemTelescopeNewtonian30cmFieldofView1.3mradElasticChannel355nmBW0.5nm532nmBW0.5nmDepolarizationChannel532nmParallel&PerpendicularN2RamanChannel386.7nmBW0.5nm607nm

BW1.0nmH2ORaman406.7nmBW0.5nmPBLdevelopmentLidarCharacterizationofVolcanicDustMt.EtnaEruptionEvents(July-August2001)發(fā)表論文成果106ConferenceofLaserAblation-COLA,2013.10.06-11發(fā)表論文成果1.LixiaSang,HongjieZhang,XiaochangNi,K.K.Anoop,RosalbaFittipaldi,XuanWang,SalvatoreAmoruso,Hydrogen-evolvingphotoanodeofTiO2nanoparticlesfilmdepositedbyafemtosecondlaser,InternationalJournalofHydrogenEnergy,2015,40(1):779-785

2.YaoHuan,NiXiaochang,WangXuan,LiTong,XuLijuan,SongZhenming.TherelevantresearchonAODandconcentrationofPM2.5pollutant[A];TheSecondInternationalConferenceonFrontiersinOpticalImagingTechnologyandApplication[C];20143.XiaochangNi,LixiaSang,HongjieZhang,AnoopK.K.,S.Amoruso,XuanWang,R.Fittipaldi,TongLi,MinglieHu,LijuanXu,FemtosecondlaserdepositionofTiO2nanoparticle-assembledfilmswithembeddedCdSnanoparticles,OptoelectronicsLetters.10（1）43-46，20144.XiaochangNi,K.K.Anoop,X.Wang*,D.Paparo,S.Amoruso,R.Bruzzese,Dynamicsoffemtosecondlaser-producedplasmaions,AppliedPhysicsA,2014,117:111–1155.XiaochangNi*,AnoopK.K,MarioBianco,SalvatoreAmoruso,XuanWang,TongLi,MinglieHu,ZhenmingSong,Iondynamicsinultrafastlaserablationofacoppertarget,ChineseOpticsLetters,2013,11(9):093201-56.D.K.Pallotti,X.Ni,R.Fittipaldi,X.Wang,S.Lettieri,A.Vecchione&S.Amoruso,Laserablationanddepositionoftitaniumdioxidewithultrashortpulsesat527nm,Appl.Phys.B,2015,s00340-015-6024-17.K.K.Anoop,XiaochangNi,XuanWang,RiccardoBruzzese,andSalvatoreAmoruso,SpectrallyResolvedImagingofUltrashortLaserProducedPlasma,IEEETRANSACTIONSONPLASMASCIENCE,2014,VOL.42,NO.10:2698-26998.K.K.Anoop,