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激光原理及应用课程论文

时间:2019-05-29

  激光原理及应用课程论文_理学_高等教育_教育专区。激光在科学技术前沿问题中的应用 通过一个学期对《激光原理及应用》的学习,使我对激光这一物 理分支学科有了更加深入的了解,从光的本性到激光的工作原理,再 到激光的输出特性及基本技术,理论结合应用。激光 激光在科学技术前沿问题中的应用 通过一个学期对《激光原理及应用》的学习,使我对激光这一物 理分支学科有了更加深入的了解,从光的本性到激光的工作原理,再 到激光的输出特性及基本技术,理论结合应用。激光在日常的生产生 活中的作用日益增加。 根据课本中最后一章得内容和自己的总结对激光在科学技术前 沿问题中的应用做一个归纳。其中包含课本中的知识,以及我自己对 知识的看法,还有激光在生活中的应用。 一.激光核聚变 1 受控核聚变 *为什么选择核聚变? 为什么选择核聚变? 为什么选择核聚变 核聚变有突出的优点, 低原子序数的元素通过聚变反应为更高序 数的元素,反应中损失的质量转化成能量放出,提高能量效率比裂变 更高。 1)发展聚变能应用是替代化石类燃料与裂变能,推动人类文明 发展的理想途径。 2)聚变时,参加反应的原子核都带正电,彼此之间互相排斥。 粒子必须具有极高的动能,才能克服这种排斥作用,彼此接近到足以 发生反应的程度。 2 磁力约束和惯性约束方法 1) 利用核聚变提取能量有两个条件:一是保证充分的反应 1 时间;二是约束高温等离子体。 2) 目前比较实用的能达到劳森条件的装置有两大类。一是 利用一定的强磁场将高温等离子体进行约束和压缩,使 之达到劳森判据,即所谓的“磁力约束方法”(magnetic confinement fusion, MCF) 。二是惯性约束(inertial confinement fusion, ICF)法,利用高功率的激光束或粒子 束均匀照射用聚变材料制成的微型靶丸,在极短的时间 内迅速加热压缩聚变材料使之达到极高的温度和密度, 在其分散远离以前达到聚变反应条件,引起核聚变反应 条件。 3) 3.自 20 世纪 60 年代初梅曼成功地研制出激光器后不久, 在美国及前苏联就开始了激光核聚变——惯性核聚变的 研究。 3 激光压缩点燃核聚变的原理 压缩点燃的方式有两种: 一种是直接照射方式——多束激光以球 对称方式直接照射在靶丸表面; 一种是间接照射方式——将靶丸 放入由金等重金属制成的空腔中, 通过激光照射空腔内表面产生 的 X 射线再照射靶丸。 二.激光冷却 1. 20 世纪 80 年代,借助于激光技术获得了中性气体分子的极低 温(如,10–10K)状态,实现了单个原子的操纵。这种获得低 温的方法就叫激光冷却。 2 2.激光冷却的基本思想是:运动着的原子在共振吸收迎面射来的 光子后, 从基态过渡到激发态, 其动量就减小, 速度也就减小了。 速度减小的值为 ? ?υ = hν Mc 温度也就降低了。 由于这种减速实现时必须考虑入射光子对运动 原子的多普勒效应,所以这种减速就叫多普勒冷却。 3.由于原子速度可正可负,就用两束方向相反的共振激光束照射 原子。 这时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的 结果。 4.实际上,原子的运动是三维的。1985 年贝尔实验室的朱棣文小 组就用三对方向相反的激光束分别沿 x,y,z 三个方向照射钠原 子,在 6 束激光交汇处的钠原子团就被冷却下来,温度达到了 240?K。 5.朱棣文的三维激光冷却实验装置中,在三束激光交汇处,由于 原子不断吸收和随机发射光子, 这样发射的光子又可能被邻近的 其他原子吸收。一种捕获原子使之集聚的方法是利用“原子阱”, 这是利用电磁场形成的一种“势能坑”, 原子可以被收集在坑内存 起来。一种原子阱叫“磁阱”,它利用两个平行的电流方向相反的 线圈构成。 *真正的玻色 爱因斯坦凝聚 真正的玻色-爱因斯坦凝聚 真正的玻色 宏观数目的玻色子处于同一个量子基态。 它实现的条件是粒子的 德布罗意波长大于粒子的间距。在被激光冷却的极低温度下,原 子的动量很小,因而德布罗意波长较长。同时井内又可以捕捉到 3 较多的原子,他们相互作用很弱而间距很小,因而能达到凝聚的 条件。 三.激光操纵微粒 1 光捕获 1)光捕获法是利用光的力学作用,对微米以下的微小物体,用 激光束夹住并使其移动的技术 。 2)光子具有一定的动量,当光入射到微粒上时,光动量将随着 与微粒的相互作用中所产生的反射、折射、吸收等过程而变化。 而力又由动量的变化所产生,如果在Δt 时间内动量的变化量为 ΔP,那么其产生的力 F 可由下式表示: F = ?P ?t 此力就成为作用在微粒上的力。仅考虑由折射引起的力。 3)由上面的分析可知,光所产生的力总是使微粒球向着光束焦 点处趋近的。实际上在满足一定的条件下,不仅这两条光线,在 光束中的其它光线对也有同样的能力, 而且在同时考虑折射光和 反射光的情况下也可以得到同样的结论。 4)微粒球所受到的俘获力还与微粒半径、光束的空间分布、光 波长等因素有关。 5)上述的讨论中,光所产生的只是使微粒球平移的力,而不产 4 生旋转运动, 要给微粒一个旋转力矩时可利用光所具有的角动量 的方法。 2 微粒操纵 1)单一有机微粒的制作 光压不单提供微粒操纵手段,从化学观点看它还能形成聚合结 构。激光的聚光斑点直径是波长级的,因此 10nm 级的超微粒被 吸引到焦点上形成单一微粒。 四.激光诱导化过程 1 激光波长和理解能的关系 如果每一个分子的离解是由一个光子照射引起的,每 1mol 的分子 所需要的离解能就等于 1mol 光子的能量,因而 1mol 分子的离解 能可用下式来表示: 2 激光切断分子 1) 直接离解 1.1963 × 105 D 0 (kJ/mol) = λ(nm) 如图(a)表示了分子 AB 直接解离成 A+B 的情况。 2) 前期离解 如图(b)所示的是 SiH2 的生成实例。 3) 热分子机理离解 与前期分离类似。像甲苯、C60 等具有很高分子量的不饱和碳化 物的光解离就属于这种情况。如图(c)所示 4) 红外多光子离解 利用红外光依次提高振动能级,可以使振动能量最终超过解离 5 能。 3 液体固体的光化学反应 光子的能量一部分用于光解离,一部分转变为热。而一旦产生解 离周围的溶质争相返回形成再复合,称为“回笼”效应,这也是溶 液等物质的量子吸收量变小的另一个原因。 *激光治近视眼原理 激光治近视眼原理是什么:准分子激光是氟氩两种气体混合后 激光治近视眼原理 经激发而产生的一种人眼看不见的紫外光,其波长仅 193 纳米, 不会穿入眼内,属冷激光,无热效应,能以“照射”方式对人眼角 膜组织进行精确气化,达到“切削”和“雕琢”角膜的目的而不损伤 周围组织和其他器官,其独特性质是最适合角膜屈光手术。 五 激光光学谱 1 拉曼光谱 1)拉曼光谱的基本原理 拉曼光谱的基本原理基于拉曼效应,即光通过介质后发生散射 并发生频率漂移。 拉曼效应的量子解释:当能量为的光子作用于物体的分子时,可 以产生两类碰撞,一类为“弹性碰撞”,能量不变,散射频率与入 射频率相同,这属于瑞利散射;另一类为“非弹性碰撞”,在这种 碰撞过程中,入射光子可能把一部分能量转移给分子。此时,散 6 射后的光子的频率变小,即: ν=ν 0- ?E h 即所谓谱线斯托克斯位移;另外,也有可能从分子获得一部分能 量。此时,散射后的频率变大,即: ν=ν 0+ ?E h 此式表征谱线反斯托克位移。式中ΔE 代表分子内部二个量子化 能级之差,所以通过测定拉曼散射光谱则可以得知分子能级结 构,从而识别分子的种类。 2) 各种类型的拉曼效应 *共振拉曼效应 *几种非线性拉曼效应 反拉曼效应:也叫拉曼吸收。它的过程是当一分子体系被频率 为ν的单色激光及一连续光束(包括ν的反斯托克线的频段)照射 时,在ν十Δν (Δν>0)处,什么样的SUV才是真的中型SUV 别买成紧凑型,连续光束被分子体系所吸收,在 连续谱带上出现清晰的吸收锐线。 受激拉曼效应:当入射到分子体系的激光束的光强或功率密度超 过一定水平(阈值)时,散射光的强度突然大幅度地骤增(可达到与 入射激光束光强相比的程度);同时,散射光束的空间发射角明显 变小,散射光谱的宽度明显变窄,具有激光发射的一切特点。 超拉曼效应:又称高次拉曼效应。它的产生过程及特点是,当入 射光足够强而还不足以出现受激拉曼效应时, 观察到 2νo+Δν、 甚至 3νo+Δν(Δν为拉曼频移)的散射,散射光很弱。 7 *相干拉曼光谱 2 空间高分辨率的激光显微光谱 1) 激光显微光谱分析实验装置主要由激光器、显微光学系统、 电子控制系统、摄谱仪或光量计四部分组成。 2)采用钕玻璃激光器作光源,其λ=1.06μm,有效直径一般为 6mm,则α≈2×10-4 弧度。但是,实际上有偏离轴向的振荡模 式,因而观察到的α值比计算值大,一般为 10-3 弧度。这种激 光束被焦距为 f 的显微物镜聚焦于样品表面,其光斑直径如图为 3 频率高分辨的双光子光谱 1)由于原子(分子或离子)的无规则热运动,造成了谱线频率的 位移(相对于静止的粒子): υ ν=ν 0 (1 ± ) c 如果所有原子都处于静止状态,那么谱线的多普勒增宽就可以消 除,所有能级的精细结构和超精细结构都可以分辨。 2)运用相反光束的双光子吸收法,可以消去多普勒增宽。若从正 υ 向光束吸收光子的频率为 ν = ν 0 (1 ? ) c 从反向光束中吸收的光子的频率则为: υ ν = ν 0 (1 + ) c ν 同时吸收这二个光子而产生的量子跃迁的频率为: =ν +ν = 2ν 0 它与原子的热运动速度无关,所以没有多普勒增宽发生 4 时间高分辨率的激光闪光光谱 如图为用来测量有机分子或生物分子荧光光谱及寿命的实验装 置。锁模钕玻璃激光器发出微微秒的脉冲激光,由分束器把光分 成两路。一路经 ADP 晶体倍频后,由透镜聚焦射入样品室以使样 8 品分子受到激励。另一路首先经透镜在水池内打一个火花,造成 连续光谱。火花造成的连续光谱的光输出,经过光梯把光分成若 干个时间间隔为 1 微微秒的若干束光。这样,当样品被倍频光束 激发后,光谱仪可以记录在不同延迟条件下样品荧光信号,从而 决定样品的荧光寿命。 5 各种特殊效能的激光光谱技术 1)原子吸收激光光谱技术 2)激光共振荧光光谱技术 3)共振电离光谱法 4)激光雷达光谱技术 5)外差光谱技术 很喜欢老师讲课时候的语速!希望老师度过一个愉快的暑假, 9 激光原理及应用课程论文 10

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