激光技術及其應用課件

激光技術及其應用2015年1月18日1主要內(nèi)容飛秒激光技術激光與物質(zhì)相互作用機理微納加工應用出訪院校介紹濺射沉積鍍膜技術激光雷達技術總結與期望飛秒激光的主要特點具有激光的共同特點，同時1.超短脈沖1fs=10-15s2.超強功率（瞬時功率，可達到百萬億瓦）當它被聚焦到亞微米的空間區(qū)域，激光電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數(shù)倍。

1、飛秒激光技術SallieGardnerRunning脈沖寬度極短

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

1999NobelPrizeFemto-Chemistry

1、飛秒激光技術1012~1015W1018~1021W/cm2

(E=1011V/cm氫原子庫侖場5×109V/cm）極端物理條件光壓

109~1012bars

磁場

109高斯

加速度

1021g(1022m/s2)

溫度

108聚焦1、飛秒激光技術飛秒激光飛秒激光的產(chǎn)生超快科學（探測認識某些超快物理過程）物理化學生物學超快技術電子學（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科學（創(chuàng)造一個極端物理條件）飛秒等離子體強場下電子的相對論運動

Self－channeling相對論自聚焦千兆巴激光壓力尾場等離子體波未來科學技術新突破未來科學技術新突破飛秒相干x射線及x激光（高次諧波，湯姆遜效應）

x光顯微術,x光印刷術,x光照相激光熱核聚變快速點火激光粒子加速器

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

Stretcher（×103-105）Amplifier

（×103）Compressor（÷103-105）啁啾脈沖放大1飛秒激光技術YVO4Ti:soscillatorSESAMGainamplifierStretcherEnergyamplifierCompressorPre-amplifierGRPC1Ti:sPC2532nmNd:YAG532nmNd:YAG532nmNd:YAGTi:sTi:sGRGR1、飛秒激光技術1、飛秒激光技術1、飛秒激光技術1、飛秒激光技術1、飛秒激光技術1、飛秒激光技術1、飛秒激光技術抽運光功率提高到１２．５Ｗ后，壓縮后脈沖寬度為１２４ｆｓ，此時脈沖寬度最窄，單脈沖能量為１．５６μＪ，峰值功率１２．６ＭＷ1、飛秒激光技術1、飛秒激光技術2、激光與物質(zhì)相互作用機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)相互作用的動力學方程2、激光與物質(zhì)相互作用機理ΔXmΔXdzx∝In（x）發(fā)生多光子過程的空間區(qū)域更小

多光子∝In（t）吸收幾率

發(fā)生多光子過程的時間范圍更小

ΔXd～λΔXm<<λ2、激光與物質(zhì)相互作用機理2、激光與物質(zhì)相互作用機理1975、S.I.Anisimovet.al從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導方程出發(fā)，考慮到超強脈沖時光子與電子及電子與晶格兩種不同的相互作用過程，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)相互作用機理1975、S.I.Anisimovet.al從一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導方程出發(fā)，考慮到超強脈沖時光子與電子及電子與晶格兩種不同的相互作用過程，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)相互作用機理2、激光與物質(zhì)相互作用機理2、激光與物質(zhì)相互作用機理2、激光與物質(zhì)相互作用機理2、激光與物質(zhì)相互作用機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)相互作用的動力學方程3、微納加工應用3、微納加工應用LaserBeamExpanderMirrorLensZ-axisSampleX-YaxisComputer3、微納加工應用—樹脂材料3、微納加工應用—樹脂材料3、微納加工應用—樹脂材料3、微納加工應用—玻璃GlasswaveguideGlassmachining100umholearrayindoped-glassforfibrealignmentGridstructuresinsoda-limeglassMicro-channelsforopticalswitch3、微納加工應用—金屬20-umstainlesssteelCutwidth:10umS.Steel:20um/50um300umthicknitinol,50umslotCopper:topview(left)andX-view30um/1300um3、微納加工應用—其他3、微納加工應用—其他3、微納加工應用—其他3、微納加工應用—其他飛秒激光在PMMA材料內(nèi)部加工三維點陣下層點列（脈沖能量:2.87nJ）

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

課題背景CNR-SPIN:意大利國家研究委員會-超導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LegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL25濺射沉積鍍膜技術Laserbeamlaserbeamsubstratevacuum/backgroundgastargetlaserproduced

plasmaplume

③

Surfaceprocessing①TransientPlasma②NPs&NPs-assembledfilmsOtherfieldsofapplicationLIBSformaterialanalysisIonbeamgenerationEUVlightgenerationm-thrusterforsatellites3Dstructuring(dielectrics)Templatesforcellgrowth..................實驗條件介紹5實驗條件介紹-Stefanno實驗條件介紹-Saleno實驗條件介紹-DTU-1J?rgenSchouNiniPryds(HeadofSection)主要科研工作完成金屬（Cu、Fe）、半導體（Si）以及化合物（TiO2）樣品的燒蝕電子、離子空間時域分布進行分析以及納米顆粒沉積特性實驗研究；與丹麥技術大學（TechnicalUniversityofDenmark<DTU>）光子工程系（DepartmentofPhotonicsEngineering）和能量轉(zhuǎn)換與存貯系（DepartmentofEnergyConversionandStorage）開展納秒激光與蛋白質(zhì)（Protein）作用燒蝕閾值實驗和納秒激光與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驗分析研究；利用業(yè)余時間積極開展第二科研方向Caliposo激光雷達信號數(shù)據(jù)處理工作。PlumetargetAtomicNPsDepositedNPselectronssubsystemheatinglatticeheatingelectrons-to-latticeenergytransferTimeduringpulseafterpulsefspsnstargetmeltinganddecompositionmaterialejectionandplumeexpansiontp---------------------electronslattice+++++++++++++++++++-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-equilibriumablationPhotoofasilverfsablationplume...atlatertime5濺射沉積鍍膜技術5濺射沉積鍍膜技術LegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL25.1Langmuirprobe探測離子實驗研究5.1Langmuirprobe探測離子實驗研究激光脈沖能量為10.7J/cm2時銅離子時間飛行（TOF）不同角度電壓和電流強度曲線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驗研究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驗研究substrateNPshapeatAFMEquivalentsphere

oblateellipsoidwithvolumeVa5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究substrateNPshapeatAFMEquivalentsphere

oblateellipsoidwithvolumeVa5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究脈沖能量為2.23mJ時曝光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時曝光10s的納米顆粒AFM統(tǒng)計圖5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究AFMimageofthefilm5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究HysteresisloopofaNickelNPs-assembledfilmAFMimageofanickelNPs-assembledfilm.5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究b)CdS,527nm,440mJ1mm1mmPhotoluminescence5.3沉積納米顆粒及薄膜實驗研究LaserInducedPeriodicSurfaceStructuresThereisnogeneralconsensusontheoriginofripples(LIPSS).Themostconsideredexplanationisbasedonaninterferencebetweentheincidentbeamandascatteredsurfacewave(alsoinformofSurfacePlasmonPolariton)inducedbythesurfaceroughness.Ripples5.4不同波長納秒、飛秒激光與蛋白質(zhì)（Lysozyme）作用時燒蝕效率的實驗研究

近紅外激光燒蝕效率和能流密度關系曲線（a）飛秒激光實驗結果（1054nm）（b）納秒激光實驗結果（1064nm，Danmark）6激光雷達技術

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

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

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激光雷達技術

3DscanningLidar6激光雷達技術

3DscanningLidar6激光雷達技術

SpectroscopyanalysisLidar6激光雷達技術

CharacteristicsofBackscatterLidarSystem

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

RamanLidarMulti-wavelengthDifferentialAbsorptionLidar(DIAL)AirborneLidarSystem6激光雷達技術

AirborneLidarSystem6激光雷達技術

6激光雷達技術

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

Caliop激光雷達CALIPSO衛(wèi)星在軌道上的運行速度是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重復頻率20.16Hz脈沖長度20ns線寬532nm：30pm；1064nm：100pm極化純度>1000:1（532nm）光束發(fā)散角100urad（在光束擴展之后）瞄準范圍±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)光學路徑946激光雷達技術

96數(shù)據(jù)空間分辨率6激光雷達技術

6激光雷達技術

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,