激光与物质相互作用的研究进展

摘 要：激光从60年代出现后，就从根本上改变了光学面貌，并对物理学、化学以及生物学等学科产生了重要影响。人们从关注激光自身特征转变为关心学科领域的交叉，这便说明，人们已经把激光与学科研究进行了整合，而利用激光的相关特性，对激光与物质相互作用进行研究，成为了当今世界重要的研究课题。文章主要在激光与物质相互作用的理论基础中，对研究的内容，以及对短脉冲激光对金属以及非金属的烧蚀进展进行了研究，从而得到最新的激光信息。

关键词：脉冲激光；相互作用；物质；进展

引言

1960年激光问世后，对我国的工业、军事等领域产生重要影响，激光与物质相互作用也成为了人们主要研究的课题，人们运用新技术、新设备，对激光的性质、状态进行研究，并且应用与各种领域，产生重要作用。在激光与物质的相互作用下，激光已经成为了探索物性的主要手段，在材料与能源上有着应用前景，无论是对物理学、化学还是生物、材料学，都进行了相互渗透，成为重要的研究领域。当今社会，激光与物质相互作用的研究受到各国科研人员的重视，人们投入大量的人力、物力、财力，运用新方法、新手段进行研究。

1 激光与物质相互作用的基礎理论

非线性光学、激光光谱学以及激光化学是构成激光与物质相互作用的基础理论，该理论不仅向人们阐述了激光与物质相互作用的特点、性质，并且对未来的发展做出了相应预测，是对激光与物质相互作用的主要研究手段，在近几年，三大学科得到了迅速发展，对人们的研究产生了良好的理论基础。

1.1 非线性光学的表现

非线性光学是激光与物质相互作用的主要理论依据，在一定程度上，该理论向人们阐述了激光与物质相互作用的主要特点以及过程。作为新兴学科，非线性光学在阐明激光特点的同时，形成了非线性光学效应，这种效应，在以探讨、观测为基础的同时，对物质本身进行了研究。非线性研究的对象不仅仅是固体，现如今以及涉及到气体、液体等物质中。它研究时出现的效应丰富多彩，在具备二阶效应的同时，也产生了瞬间效应。

在非线性光学与物质的不断研究中，要注意以下几点：

（1）非线性光学表面与界面的研究

非线性光学表面与界面的研究，是对物力与化学研究的表现[1]，在进行研究时，表面波与表面光得到了重要研究，人们在了解、观察表面波的频率以及斯托克斯喇曼效应时，对喇曼散射表面的现象进行了研究。在长约10年的研究中，人们发现了表面二次谐波的反射现象，对超晶体的研究也正在进行。

（2）对光学稳态的研究

光学的稳态能够促进电子产业的发展，光学的稳态分为双稳与非稳两种类型，在光学设备的不断问世中，光学对我国计算机技术产生重要影响，比如：光开关、光学限幅器、光学存储原件以及光学微分放大器，此类通讯设备的问世，对光电子学的发展产生了积极作用。对于光学中存在的非稳现象，在出现自动脉以后，渐渐引用到各个领域。

（3）对光学位的研究

对光学位研究对象中，最值得研究的便是光学位相共轭的研究，在此研究上，简并与布里渊的贡献最大，不仅对光学位相共轭进行研究，并发现四波混频，这是研究史上的一大创举。如今，光学为相共轭已经运用到光通讯、光学之中，有着远大的发展前景，是值得研究的项目。

（4）对相千光波段的研究

在近几年，人们利用前人的研究成果，对相千光波段进行研究，在研究过程中，产生了真空紫外、以及红外区域激光的协调技术，是最为实用的研究成果。

1.2 激光光谱学的表现

激光光谱学改变了传统光谱学的局限性，具有高光调、高单色性的主要特点。在对激光光谱学的观察中可以发现，光谱的分辨率以及时间的分辨率越来越高，无论是对气体的研究还是固体的研究，激光光谱学是一种高灵敏的重要手段，再者而言，激光光谱学的种类越来越多，比如：光电流光谱学、瞬态相干光谱学等。在激光光谱学的不断发展中，对物质的研究产生了显著的进展。

1.3 激光化学的表现

作为激光研究的重要学科，激光化学对激光选择性引发以及控制产生深刻影响。由于激光具有单色性，以至于在对混合物中的分子进行选择时，会控制或者引发化学反应，这种现象，无论是对分子结构的分析，还是对分子内模式的互换，都能实现能量上的选择。近几年，激光诱导化学反应的实验取得重大进展，无论是对化学合成、纯化材料中，都彰显出激光化学的良好前景。

2 激光与物质相互作用研究的内容

激光与物质相互作用的研究范围比较广泛，涉及的领域多，研究的内容复杂，在根据当前研究的趋势下，激光与物质相互作用的研究内容主要有以下几个方面。

2.1 对激光与等离子体相互作用进行研究

该研究涉及的领域广，是对激光与物质相互作用的前沿领域，为激光核聚变提供了重要依据，是激光与物质相互作用研究中最为重要的研究内容[2]，在小空间、短时间、强高光的影响下，在一定程度上激光与等离子体相互作用的研究产生非线性特性，对生产X射线、激光离子加速器都有着重要的理论基础。

2.2 对新型材料与激光的相互作用进行研究

该研究对我国工业有着重要意义，并且可以服务于国民经济，该研究项目的主要包括了：（1）对单晶、液晶以及半导体材料的研究，并且要在研究基础上建立理论模式。（2）对晶体与非晶体进行研究，该研究对我国发展激光器件产生影响。（3）研究激光在界面以及表面上的应用，该研究不仅可以发现一系列光学效应，并且能探测出激光表面的状态，对工业、电子业有着极其重要的影响。（4）研究激光与材料，对材料的改性以及破坏是该研究的主要方向，该研究的对象包括晶体、非晶体、半导体、金属等，通过研究，可以找出不足，及时弥补，避免产生误差，影响研究结果。

2.3 对激光与原子分子的相互作用进行研究

该研究是促进物理发展的主要支柱，对该项目的研究，不仅能够探索出新型激光物质，并且为激光光谱与激光机制的发展奠定了基础，是一项重要的研究。

对激光化学与激光生物的研究，是整个激光与物质相互作用研究项目中最重要的一项，该项研究涉及了化学、物理两个学科领域，对化学、生物学科的发展与兴起产生重要影响。要想对此进行研究，要注意以下几点：（1） 激光化学的选择性，人们在利用激光特征对其进行研究时，要对激光化学进行选择，按照标准的正常反应机理，在新化合物合成上得到运用，促进研究进展。（2） 观察粒子数反转反应。要想研究粒子数在各能级上的变化，就要用激光光谱方法进行研究，在研究过程中，要时刻观察粒子数反转现象，并且可以获得长波或短波的化学反应。（3）激光化学中沉淀、渗杂的合成。在激光的作用下，产生多种用途的薄膜与颗粒均匀的超微粉，在把各类材料进行渗杂后，提高其性能，完成激光沉淀、渗杂的合成，提高其性能。

2.4 在极端条件下，对激光的物理过程进行研究

该项研究不紧急局限于物理学，是交叉与各个学科，各个领域的一项研究，对激光物理过程的研究，不仅能形成新的理论，并且对原子分子物理、凝聚物理产生重要作用，促进了我国学科的分支与统筹。对激光物理过程的研究，分为四个内容。（1）在低温、高压状态下对激光与物质进行研究，此项研究，可以了解与掌握在极端条件下，激光特征的改变，并且能够发现其改变的规律，以及出现新型效应。（2）对非线性效果进行研究，在了解激光特性后，从稳定状态转移至混沌状态，激光此时便会发生变化，产生一定的规律。（3）在应用背景下对光线性光学进行研究。在研究过程中，可以采用四波混频的方式，在产生相位共轭效应的同时，对工作介质、原件、光束以及光学的双稳现象进行分析与对比，从而找出规律，该研究项目促进了光学的发展，为光学所产生的效益提供了基础。

3 短脉冲激光烧蚀金属的进展

3.1 飞秒激光的各项表现以及特征

人眼所能辨别时间的十万亿分之一被称为飞秒，飞秒的脉宽非常窄，能够在较低的脉冲能量下发挥极高的功率，它的这些特征被人们运用到各种领域，发挥了重要的作用。而飞秒激光脉冲的主要特征也有很多，单从它的长度上看，可以1秒围绕地球旋转7圈，长度也仅是毛发直径的三分之一，飞秒脉冲的功率特别的大，能够在极端的时间内，聚集大量的能量，假如100fs时间里聚集100mj能量，那么飞秒脉冲的功率便可以达到1tw，这个数值是非常大，可想而知，对应用領域的影响是非常震惊的。

3.2 短脉冲激光烧蚀金属的进展

从上个世纪60年代激光出现在工业作业后，激光烧蚀金属的研究受到国内外越来越多人的研究，在短脉冲激光烧蚀金属的研究中，涉及到了很多物理机制的耦合，随着现在人们对科学手段的运用，短脉冲激光烧蚀金属的研究手段也得到加强，对于短脉冲激光烧蚀金属的进展，主要变现在以下几个方面。

（1）当激光对纯铁靶面进行照射时，靶面烧蚀的表面程度与所产生的能量密度呈现出线性关系，并且在经过形影的测定以后，在不同密度与不同时间下，满足了麦克斯韦-玻尔兹曼的分布。在利用二次谐波与三次谐波进行研究的过程中，对金属的烧蚀程度也符合其规律。当用紫外高等激光进行对金属靶面的烧蚀中发现，很多烧蚀过程中出现的喷射原子锁产生的分布状态都有其规律，重型原子的低速分布如此，但高速部分却与其规律背道而驰。

（2）在分别用高密度与低密度对铜片与铝片的分析实验中，会发现在铜片与铝片的烧蚀表面会有很多被烧的痕迹，其中烧蚀率与激光的能量呈正比关系，如果当波长相同、能量相同的时候，铜片与铝片的烧蚀面依旧如此，那么其能量密度与烧蚀率呈线性关系，其中表现在波长越长的激光所产生的烧蚀率就会越大。所以，在能量与密度相同的情况下，不仅符合麦克斯韦-玻尔兹曼的分布，并且呈现正比关系，甚至会发现空气与真空条件下，其中对金属的烧蚀程度和能量密度成正比关系。

4 短脉冲激光烧蚀非金属的进展

物质吸收激光的能量是激光烧蚀的第一步，激光烧蚀在线性以及非线性的条件下完成，而对于短脉冲激光，在吸收能量的同时，对非金属的烧蚀也受到了更多人的关注，短脉冲能量比长脉冲能量而言，它可以在很大范围内形成一定的烧蚀面积，所以，如果想对其进行加工，对于绝缘材料还有脆性比较大的材料都会受到一定的限制，而对于短激光脉冲，它所吸收的能量来源主要是光电离与雪崩电离。

4.1 非线性光电离

在短脉冲激光的相关作用下，对于原子中的电子，在受到激光的辐照后，非金属材料会通过电子去吸收光子，在这一过程中，非金属材料会被电离，这种情况，是光电离在激光下的一种正常现象。在频率比较低的情况下，由于场地的限制，可以通过隧道效应对光离子进行描述。这个时候，电离子会在激光的带动下，会压低电场，甚至电子会被脱离电场的束缚，从而产生隧道效应，产生离子化现象。

4.2 雪崩电离

雪崩电离是在光子电离的基础上，有自由电子在碰撞的过程中，产生电子而引发的现象，早在上个世纪，stuart等人就经过试验验证，雪崩电离在速度上与光的强度是成线性关系。

4.3 电子数的损失

在短脉激光对非金属的烧蚀研究中，电子数的损失是其重要的研究成果。电子数的损失是通过电子的扩散以及复合从而使电子的数量得到减少，电子的扩散率与波长、非金属的烧蚀面积都有相关的联系。

当短脉冲激光在对非金属材料进行烧蚀时，有着诸多的优点，并且其中的潜力很大，对于光电离可以产生大量的自由电子，甚至在激光足够的情况下，会产生隧道效应，这种情况，短脉冲激光就会对非金属材料进行烧蚀。但是当短脉冲的脉宽程度不同的时候，就会引起一定程度的物质损伤，例如雪崩电离，由此可见，脉宽的程度不同，产生的电子数就不同，光电离所产生的作用也不同，所以，在对此进行研究的时候，要对不同脉宽的短脉冲激光进行研究，了解物质之间所起到的作用以及破坏的作用。

5 结束语

激光与物质的相互作用，在一定程度上促进了我国科学的发展，并且渗入到各个领域，形成交叉发展，这种现象，为我国的工业、电子、物理、生物都产生了重要影响，超短脉冲在生活中的运用，提高了加工材料的精致与美观，成为材料加工的主要工具。从60年代激光出现到今天，激光与物质的相互作用为社会带来了诸多影响，它活跃与各个领域，推动社会发展，国家进步。

参考文献

[1]叶佩弦，张道中.激光与物质相互作用的研究[J]中国科学院院刊，1986（4）.

[2]邓素辉.激光与物质相互作用的热效应研究[J]江西师范大学，2006（5）.

作者简介：黄庆举（1965-），男，籍贯：山东临沂人，硕士，教授，研究方向：从事物理教学与研究。