摘 要：激光從60年代出現(xiàn)后，就從根本上改變了光學面貌，并對物理學、化學以及生物學等學科產(chǎn)生了重要影響。人們從關注激光自身特征轉(zhuǎn)變?yōu)殛P心學科領域的交叉，這便說明，人們已經(jīng)把激光與學科研究進行了整合，而利用激光的相關特性，對激光與物質(zhì)相互作用進行研究，成為了當今世界重要的研究課題。文章主要在激光與物質(zhì)相互作用的理論基礎中，對研究的內(nèi)容，以及對短脈沖激光對金屬以及非金屬的燒蝕進展進行了研究，從而得到最新的激光信息。

關鍵詞：脈沖激光；相互作用；物質(zhì)；進展

引言

1960年激光問世后，對我國的工業(yè)、軍事等領域產(chǎn)生重要影響，激光與物質(zhì)相互作用也成為了人們主要研究的課題，人們運用新技術、新設備，對激光的性質(zhì)、狀態(tài)進行研究，并且應用與各種領域，產(chǎn)生重要作用。在激光與物質(zhì)的相互作用下，激光已經(jīng)成為了探索物性的主要手段，在材料與能源上有著應用前景，無論是對物理學、化學還是生物、材料學，都進行了相互滲透，成為重要的研究領域。當今社會，激光與物質(zhì)相互作用的研究受到各國科研人員的重視，人們投入大量的人力、物力、財力，運用新方法、新手段進行研究。

1 激光與物質(zhì)相互作用的基礎理論

非線性光學、激光光譜學以及激光化學是構成激光與物質(zhì)相互作用的基礎理論，該理論不僅向人們闡述了激光與物質(zhì)相互作用的特點、性質(zhì)，并且對未來的發(fā)展做出了相應預測，是對激光與物質(zhì)相互作用的主要研究手段，在近幾年，三大學科得到了迅速發(fā)展，對人們的研究產(chǎn)生了良好的理論基礎。

1.1 非線性光學的表現(xiàn)

非線性光學是激光與物質(zhì)相互作用的主要理論依據(jù)，在一定程度上，該理論向人們闡述了激光與物質(zhì)相互作用的主要特點以及過程。作為新興學科，非線性光學在闡明激光特點的同時，形成了非線性光學效應，這種效應，在以探討、觀測為基礎的同時，對物質(zhì)本身進行了研究。非線性研究的對象不僅僅是固體，現(xiàn)如今以及涉及到氣體、液體等物質(zhì)中。它研究時出現(xiàn)的效應豐富多彩，在具備二階效應的同時，也產(chǎn)生了瞬間效應。

在非線性光學與物質(zhì)的不斷研究中，要注意以下幾點：

（1）非線性光學表面與界面的研究

非線性光學表面與界面的研究，是對物力與化學研究的表現(xiàn)[1]，在進行研究時，表面波與表面光得到了重要研究，人們在了解、觀察表面波的頻率以及斯托克斯喇曼效應時，對喇曼散射表面的現(xiàn)象進行了研究。在長約10年的研究中，人們發(fā)現(xiàn)了表面二次諧波的反射現(xiàn)象，對超晶體的研究也正在進行。

（2）對光學穩(wěn)態(tài)的研究

光學的穩(wěn)態(tài)能夠促進電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光學的穩(wěn)態(tài)分為雙穩(wěn)與非穩(wěn)兩種類型，在光學設備的不斷問世中，光學對我國計算機技術產(chǎn)生重要影響，比如：光開關、光學限幅器、光學存儲原件以及光學微分放大器，此類通訊設備的問世，對光電子學的發(fā)展產(chǎn)生了積極作用。對于光學中存在的非穩(wěn)現(xiàn)象，在出現(xiàn)自動脈以后，漸漸引用到各個領域。

（3）對光學位的研究

對光學位研究對象中，最值得研究的便是光學位相共軛的研究，在此研究上，簡并與布里淵的貢獻最大，不僅對光學位相共軛進行研究，并發(fā)現(xiàn)四波混頻，這是研究史上的一大創(chuàng)舉。如今，光學為相共軛已經(jīng)運用到光通訊、光學之中，有著遠大的發(fā)展前景，是值得研究的項目。

（4）對相千光波段的研究

在近幾年，人們利用前人的研究成果，對相千光波段進行研究，在研究過程中，產(chǎn)生了真空紫外、以及紅外區(qū)域激光的協(xié)調(diào)技術，是最為實用的研究成果。

1.2 激光光譜學的表現(xiàn)

激光光譜學改變了傳統(tǒng)光譜學的局限性，具有高光調(diào)、高單色性的主要特點。在對激光光譜學的觀察中可以發(fā)現(xiàn)，光譜的分辨率以及時間的分辨率越來越高，無論是對氣體的研究還是固體的研究，激光光譜學是一種高靈敏的重要手段，再者而言，激光光譜學的種類越來越多，比如：光電流光譜學、瞬態(tài)相干光譜學等。在激光光譜學的不斷發(fā)展中，對物質(zhì)的研究產(chǎn)生了顯著的進展。

1.3 激光化學的表現(xiàn)

作為激光研究的重要學科，激光化學對激光選擇性引發(fā)以及控制產(chǎn)生深刻影響。由于激光具有單色性，以至于在對混合物中的分子進行選擇時，會控制或者引發(fā)化學反應，這種現(xiàn)象，無論是對分子結構的分析，還是對分子內(nèi)模式的互換，都能實現(xiàn)能量上的選擇。近幾年，激光誘導化學反應的實驗取得重大進展，無論是對化學合成、純化材料中，都彰顯出激光化學的良好前景。

2 激光與物質(zhì)相互作用研究的內(nèi)容

激光與物質(zhì)相互作用的研究范圍比較廣泛，涉及的領域多，研究的內(nèi)容復雜，在根據(jù)當前研究的趨勢下，激光與物質(zhì)相互作用的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面。

2.1 對激光與等離子體相互作用進行研究

該研究涉及的領域廣，是對激光與物質(zhì)相互作用的前沿領域，為激光核聚變提供了重要依據(jù)，是激光與物質(zhì)相互作用研究中最為重要的研究內(nèi)容[2]，在小空間、短時間、強高光的影響下，在一定程度上激光與等離子體相互作用的研究產(chǎn)生非線性特性，對生產(chǎn)X射線、激光離子加速器都有著重要的理論基礎。

2.2 對新型材料與激光的相互作用進行研究

該研究對我國工業(yè)有著重要意義，并且可以服務于國民經(jīng)濟，該研究項目的主要包括了：（1）對單晶、液晶以及半導體材料的研究，并且要在研究基礎上建立理論模式。（2）對晶體與非晶體進行研究，該研究對我國發(fā)展激光器件產(chǎn)生影響。（3）研究激光在界面以及表面上的應用，該研究不僅可以發(fā)現(xiàn)一系列光學效應，并且能探測出激光表面的狀態(tài)，對工業(yè)、電子業(yè)有著極其重要的影響。（4）研究激光與材料，對材料的改性以及破壞是該研究的主要方向，該研究的對象包括晶體、非晶體、半導體、金屬等，通過研究，可以找出不足，及時彌補，避免產(chǎn)生誤差，影響研究結果。

2.3 對激光與原子分子的相互作用進行研究

該研究是促進物理發(fā)展的主要支柱，對該項目的研究，不僅能夠探索出新型激光物質(zhì)，并且為激光光譜與激光機制的發(fā)展奠定了基礎，是一項重要的研究。

對激光化學與激光生物的研究，是整個激光與物質(zhì)相互作用研究項目中最重要的一項，該項研究涉及了化學、物理兩個學科領域，對化學、生物學科的發(fā)展與興起產(chǎn)生重要影響。要想對此進行研究，要注意以下幾點：（1） 激光化學的選擇性，人們在利用激光特征對其進行研究時，要對激光化學進行選擇，按照標準的正常反應機理，在新化合物合成上得到運用，促進研究進展。（2） 觀察粒子數(shù)反轉(zhuǎn)反應。要想研究粒子數(shù)在各能級上的變化，就要用激光光譜方法進行研究，在研究過程中，要時刻觀察粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且可以獲得長波或短波的化學反應。（3）激光化學中沉淀、滲雜的合成。在激光的作用下，產(chǎn)生多種用途的薄膜與顆粒均勻的超微粉，在把各類材料進行滲雜后，提高其性能，完成激光沉淀、滲雜的合成，提高其性能。

2.4 在極端條件下，對激光的物理過程進行研究

該項研究不緊急局限于物理學，是交叉與各個學科，各個領域的一項研究，對激光物理過程的研究，不僅能形成新的理論，并且對原子分子物理、凝聚物理產(chǎn)生重要作用，促進了我國學科的分支與統(tǒng)籌。對激光物理過程的研究，分為四個內(nèi)容。（1）在低溫、高壓狀態(tài)下對激光與物質(zhì)進行研究，此項研究，可以了解與掌握在極端條件下，激光特征的改變，并且能夠發(fā)現(xiàn)其改變的規(guī)律，以及出現(xiàn)新型效應。（2）對非線性效果進行研究，在了解激光特性后，從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移至混沌狀態(tài)，激光此時便會發(fā)生變化，產(chǎn)生一定的規(guī)律。（3）在應用背景下對光線性光學進行研究。在研究過程中，可以采用四波混頻的方式，在產(chǎn)生相位共軛效應的同時，對工作介質(zhì)、原件、光束以及光學的雙穩(wěn)現(xiàn)象進行分析與對比，從而找出規(guī)律，該研究項目促進了光學的發(fā)展，為光學所產(chǎn)生的效益提供了基礎。

3 短脈沖激光燒蝕金屬的進展

3.1 飛秒激光的各項表現(xiàn)以及特征

人眼所能辨別時間的十萬億分之一被稱為飛秒，飛秒的脈寬非常窄，能夠在較低的脈沖能量下發(fā)揮極高的功率，它的這些特征被人們運用到各種領域，發(fā)揮了重要的作用。而飛秒激光脈沖的主要特征也有很多，單從它的長度上看，可以1秒圍繞地球旋轉(zhuǎn)7圈，長度也僅是毛發(fā)直徑的三分之一，飛秒脈沖的功率特別的大，能夠在極端的時間內(nèi)，聚集大量的能量，假如100fs時間里聚集100mj能量，那么飛秒脈沖的功率便可以達到1tw，這個數(shù)值是非常大，可想而知，對應用領域的影響是非常震驚的。

3.2 短脈沖激光燒蝕金屬的進展

從上個世紀60年代激光出現(xiàn)在工業(yè)作業(yè)后，激光燒蝕金屬的研究受到國內(nèi)外越來越多人的研究，在短脈沖激光燒蝕金屬的研究中，涉及到了很多物理機制的耦合，隨著現(xiàn)在人們對科學手段的運用，短脈沖激光燒蝕金屬的研究手段也得到加強，對于短脈沖激光燒蝕金屬的進展，主要變現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）當激光對純鐵靶面進行照射時，靶面燒蝕的表面程度與所產(chǎn)生的能量密度呈現(xiàn)出線性關系，并且在經(jīng)過形影的測定以后，在不同密度與不同時間下，滿足了麥克斯韋-玻爾茲曼的分布。在利用二次諧波與三次諧波進行研究的過程中，對金屬的燒蝕程度也符合其規(guī)律。當用紫外高等激光進行對金屬靶面的燒蝕中發(fā)現(xiàn)，很多燒蝕過程中出現(xiàn)的噴射原子鎖產(chǎn)生的分布狀態(tài)都有其規(guī)律，重型原子的低速分布如此，但高速部分卻與其規(guī)律背道而馳。

（2）在分別用高密度與低密度對銅片與鋁片的分析實驗中，會發(fā)現(xiàn)在銅片與鋁片的燒蝕表面會有很多被燒的痕跡，其中燒蝕率與激光的能量呈正比關系，如果當波長相同、能量相同的時候，銅片與鋁片的燒蝕面依舊如此，那么其能量密度與燒蝕率呈線性關系，其中表現(xiàn)在波長越長的激光所產(chǎn)生的燒蝕率就會越大。所以，在能量與密度相同的情況下，不僅符合麥克斯韋-玻爾茲曼的分布，并且呈現(xiàn)正比關系，甚至會發(fā)現(xiàn)空氣與真空條件下，其中對金屬的燒蝕程度和能量密度成正比關系。

4 短脈沖激光燒蝕非金屬的進展

物質(zhì)吸收激光的能量是激光燒蝕的第一步，激光燒蝕在線性以及非線性的條件下完成，而對于短脈沖激光，在吸收能量的同時，對非金屬的燒蝕也受到了更多人的關注，短脈沖能量比長脈沖能量而言，它可以在很大范圍內(nèi)形成一定的燒蝕面積，所以，如果想對其進行加工，對于絕緣材料還有脆性比較大的材料都會受到一定的限制，而對于短激光脈沖，它所吸收的能量來源主要是光電離與雪崩電離。

4.1 非線性光電離

在短脈沖激光的相關作用下，對于原子中的電子，在受到激光的輻照后，非金屬材料會通過電子去吸收光子，在這一過程中，非金屬材料會被電離，這種情況，是光電離在激光下的一種正常現(xiàn)象。在頻率比較低的情況下，由于場地的限制，可以通過隧道效應對光離子進行描述。這個時候，電離子會在激光的帶動下，會壓低電場，甚至電子會被脫離電場的束縛，從而產(chǎn)生隧道效應，產(chǎn)生離子化現(xiàn)象。

4.2 雪崩電離

雪崩電離是在光子電離的基礎上，有自由電子在碰撞的過程中，產(chǎn)生電子而引發(fā)的現(xiàn)象，早在上個世紀，stuart等人就經(jīng)過試驗驗證，雪崩電離在速度上與光的強度是成線性關系。

4.3 電子數(shù)的損失

在短脈激光對非金屬的燒蝕研究中，電子數(shù)的損失是其重要的研究成果。電子數(shù)的損失是通過電子的擴散以及復合從而使電子的數(shù)量得到減少，電子的擴散率與波長、非金屬的燒蝕面積都有相關的聯(lián)系。

當短脈沖激光在對非金屬材料進行燒蝕時，有著諸多的優(yōu)點，并且其中的潛力很大，對于光電離可以產(chǎn)生大量的自由電子，甚至在激光足夠的情況下，會產(chǎn)生隧道效應，這種情況，短脈沖激光就會對非金屬材料進行燒蝕。但是當短脈沖的脈寬程度不同的時候，就會引起一定程度的物質(zhì)損傷，例如雪崩電離，由此可見，脈寬的程度不同，產(chǎn)生的電子數(shù)就不同，光電離所產(chǎn)生的作用也不同，所以，在對此進行研究的時候，要對不同脈寬的短脈沖激光進行研究，了解物質(zhì)之間所起到的作用以及破壞的作用。

5 結束語

激光與物質(zhì)的相互作用，在一定程度上促進了我國科學的發(fā)展，并且滲入到各個領域，形成交叉發(fā)展，這種現(xiàn)象，為我國的工業(yè)、電子、物理、生物都產(chǎn)生了重要影響，超短脈沖在生活中的運用，提高了加工材料的精致與美觀，成為材料加工的主要工具。從60年代激光出現(xiàn)到今天，激光與物質(zhì)的相互作用為社會帶來了諸多影響，它活躍與各個領域，推動社會發(fā)展，國家進步。

參考文獻

[1]葉佩弦，張道中.激光與物質(zhì)相互作用的研究[J]中國科學院院刊，1986（4）.

[2]鄧素輝.激光與物質(zhì)相互作用的熱效應研究[J]江西師范大學，2006（5）.

作者簡介：黃慶舉（1965-），男，籍貫：山東臨沂人，碩士，教授，研究方向：從事物理教學與研究。