激光技术及其应用

电子工程学院2015年1月18日1飞秒激光技术激光与物质相互作用机理微纳加工应用出访院校介绍溅射沉积镀膜技术激光雷达技术总结与期望具有激光的共同特点，同时1.超短脉冲1fs=10-15s2.超强功率（瞬时功率，可达到百万亿瓦）当它被聚焦到亚微米的空间区域，激光电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。1、飞秒激光技术SallieGardnerRunning脉冲宽度极短1fs=10-15秒(电子绕原子核半周的时间)微观世界超快过程的研究物理化学生物学1、飞秒激光技术TimeMicroscopy–femtosecondlaserAhmedH.Zewail1999NobelPrizeFemto-Chemistry1、飞秒激光技术1012~1015W1018~1021W/cm2(E=1011V/cm氢原子库仑场5×109V/cm）极端物理条件光压109~1012bars磁场109高斯加速度1021g(1022m/s2)温度108聚焦1、飞秒激光技术飞秒激光飞秒激光的产生超快科学（探测认识某些超快物理过程）物理化学生物学超快技术电子学（光电取样）光通讯成像共焦显微OCT飞秒激光的放大超快超强科学（创造一个极端物理条件）飞秒等离子体强场下电子的相对论运动Self－channeling相对论自聚焦千兆巴激光压力尾场等离子体波未来科学技术新突破未来科学技术新突破飞秒相干x射线及x激光（高次谐波，汤姆逊效应）x光显微术,x光印刷术,x光照相激光热核聚变快速点火激光粒子加速器THz毫米波技术云层放电超高速计算机超高速光通讯生物技术（合成生物分子）医学（OCT）微加工技术1、飞秒激光技术OscillatorStretcher（×103-105）Amplifier（×103）Compressor（÷103-105）啁啾脉冲放大1飞秒激光技术YVO4Ti:soscillatorSESAMGainamplifierStretcherEnergyamplifierCompressorPre-amplifierGRPC1Ti:sPC2532nmNd:YAG532nmNd:YAG532nmNd:YAGTi:sTi:sGRGR1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术500600700800900100011001200-16-14-12-10-8-6-4-20Intensity(dBm)Wavelength(nm)B1、飞秒激光技术400500600700800900100011001200-25-20-15-10-505101543215Intensity(dBm)Wavelength(nm)1InputSpectrum2100mW3200mW4300mW5400mW400500600700800900100011001200-25-20-15-10-505101551234Intensity(dBm)Wavelength(nm)1InputSpectrum2100mW3200mW4300mW5400mW1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术抽运光功率提高到１２．５Ｗ后，压缩后脉冲宽度为１２４ｆｓ，此时脉冲宽度最窄，单脉冲能量为１．５６μＪ，峰值功率１２．６ＭＷ1、飞秒激光技术1、飞秒激光技术2、激光与物质相互作用机理与金属作用的双温方程模型与聚合材料作用的n光子吸收模式与电介质相互作用的动力学方程2、激光与物质相互作用机理ΔXmΔXdzx∝In（x）发生多光子过程的空间区域更小多光子∝In（t）吸收几率发生多光子过程的时间范围更小ΔXd～λΔXmλ2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理)exp(-z)(aieeeeITTgTxkxTtC•1975、S.I.Anisimovet.al从一维非稳态热传导方程出发，考虑到超强脉冲时光子与电子及电子与晶格两种不同的相互作用过程，列出了电子与晶格的温度变化微分方程，即双温方程：2、激光与物质相互作用机理•1975、S.I.Anisimovet.al从一维非稳态热传导方程出发，考虑到超强脉冲时光子与电子及电子与晶格两种不同的相互作用过程，列出了电子与晶格的温度变化微分方程，即双温方程：(2))((1)),()(ieiiieeeeTTgTtCtxATTgTxkxTtC2、激光与物质相互作用机理012345620040060080010001200140016001800g=0.4(×1017w/m3K)0.81.2ElectronTemperature(k)DelayTime(ps)020040060080010002003004005006007008009001000Electronicstemperature(K)Time(fs)020406080100120300400500600700800900Electronicstemperature(k)Time(ps)2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理2、激光与物质相互作用机理与金属作用的双温方程模型与聚合材料作用的n光子吸收模式与电介质相互作用的动力学方程3、微纳加工应用3、微纳加工应用LaserBeamExpanderMirrorLensZ-axisSampleX-YaxisComputer3、微纳加工应用—树脂材料3、微纳加工应用—树脂材料3、微纳加工应用—树脂材料3、微纳加工应用—玻璃GlasswaveguideGlassmachining100umholearrayindoped-glassforfibrealignmentGridstructuresinsoda-limeglassMicro-channelsforopticalswitch3、微纳加工应用—金属20-umstainlesssteelCutwidth:10umS.Steel:20um/50um300umthicknitinol,50umslotCopper:topview(left)andX-view30um/1300um3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他飞秒激光在PMMA材料内部加工三维点阵下层点列（脉冲能量:2.87nJ）3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他3、微纳加工应用—其他原则已有交流基础或合作关系通过联系人介绍自己联系NaplesandtheUniversityFedericoIINaplesViewofthegulfAsquareAsmallstreetUniversityFedericoIINowadaystheuniversityismadeupofthirteenschools,eightytwodepartments,anacademicstaffofmorethan3,120individualsandanadministrativestaffofmorethan4,500.Currentstudentenrollmentisstillabout97,000.中国－意大利合作项目研究人员往来政府资助基金（GrantNo.N10MO2）:Ultrafastlaserablationofsolidtargetsandnanoparticlessynthesis，2010.1－2012.12CNR-SPIN:意大利国家研究委员会-超导与新材料器件研究所—MaMafundCNR-SPIN:意大利国家研究委员会-超导与新材料器件研究所—MaMafundDTUFotonikJørgenSchouTechnicalUniversityofDenmarkMainactivityFundamentalsoflaserablationCNR-SPIN:意大利国家研究委员会-超导与新材料器件研究所—MaMafundDTU-TechnicalUniversityofDenmarkDTUEnergyConversionDepartmentofEnergyConversionandStorageNiniPryds(HeadofSection)MainactivitiesEnergymaterials;Oxides;PLDChinaNationalScholarshipFundLegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL25溅射沉积镀膜技术laserbeamsubstratevacuum/backgroundgastargetlaserproducedplasmaplume③Surfaceprocessing①TransientPlasma②NPs&NPs-assembledfilmsOtherfieldsofapplication•LIBSformaterialanalysis•Ionbeamgeneration•EUVlightgeneration•m-thrusterforsatellites•3Dstructuring(dielectrics)•Templatesforcellgrowth•.........•.........JørgenSchouNiniPryds(HeadofSection)完成金属（Cu、Fe）、半导体（Si）以及化合物（TiO2）样品的烧蚀电子、离子空间时域分布进行分析以及纳米颗粒沉积特性实验研究；与丹麦技术大学（TechnicalUniversityofDenmarkDTU）光子工程系（DepartmentofPhotonicsEngineering）和能量转换与存贮系（DepartmentofEnergyConversionandStorage）开展纳秒激光与蛋白质（Protein）作用烧蚀阈值实验和纳秒激光与Al2O3作用是等离子羽状物的空间分布以及飞行光谱的采集与处理实验分析研究；利用业余时间积极开展第二科研方向Caliposo激光雷达信号数据处理工作。PlumetargetNPsDepositedNPselectronssubsystemheatinglatticeheatingelectrons-to-latticeenergytransferTimeduringpulseafterpulsefspsnstargetmeltinganddecompositionmaterialejectionandplumeexpansiontp---------------------electronslattice+++++++++++++++++++-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-equilibriumablationPhotoofasilverfsablationplume...atlatertimeLegendEliteAmplifier:800nm,40fs,~1KHz,4WMarticOscillator:800nm,20fs,80MHz6nJPerpulseCopperLangmuirprobeVacuum=10-6mbarM1M2M3PM2PM1PinholeLensICCDL20246805101520253004080120160200240Currentflux(mA/cm2)Current(mA)Time(μs)0°15°30°45°60°激光脉冲能量为10.7J/cm2时铜离子时间飞行（TOF）不同角度电压和电流强度曲线-50-40-30-20-10010203040500816243240051015202510.7J/cm26.7J/cm22.9J/cm21.4J/cm2Anisimovfi