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在这个视频中 我们将要考虑激光辐射与等离子体相互作用时会发生什么

激光技术有限公司主席 亚琛工业大学
莱因哈特·波普拉维教授
在这个视频中 我们将要考虑激光辐射与等离子体相互作用时会发生什么

莱因哈特·波普拉维教授
激光技术有限公司主席 亚琛工业大学

为什么这很重要呢?
莱因哈特·波普拉维教授
激光技术有限公司主席 亚琛工业大学

为什么这很重要呢?

通常在激光材料加工过程中 我们会熔化材料 汽化材料 电离蒸汽

所以我们才能得到一个等离子体

理解激光辐射与等离子体蒸发态物质的相互作用非常重要

这和我们看金属是完全一样的 因为它就在金属中

我们有相当多的自由电子

其特性与等离子体非常相似

所以 一旦我们能描述出等离子体中发生了什么 对金属 我们也就有了相同的答案

我们将更详细地研究以下问题

我们将以金属的反射率为例来说明这个问题

然后我们将直接进入这个过程的建模

接着我们看一下金属和等离子体的反射率和吸收情况

我们将学习逆轫致辐射

这是一个如何在等离子体中吸收电磁能量的过程

更多关于等离子体的定义 德拜长度和最后非波

激光在等离子体中吸收激光辐射而引起的吸收波

为了激励大家 让大家学起来更轻松 那这是什么

每个学生都知道的

所以 我为什么把它列在这里 展示在这 展示它的原因是

在这个例子中 它有很高的反射率

金属一般具有高反射率的特点

这是为什么呢?

为了弄清楚这个 我们来看一下金属表面发生了什么

哪个具备含大量自由电子这一特点

在右下角 大家可以看到一个示意图

在这里 我们有一种带正电荷和自由电子的环境

就像在这个例子中 如果横波接近这个电子

它开始在垂直于电磁波传播的方向上 上下移动

它不能吸收任何能量 因为一般来说 它只会上下运动

所以它不会从电场中积累能量

然而 如果它与原子或离子碰撞

由于这种摩擦 就会产生吸收的效果

为了把它代入一个方程中进行解析

在左上角 大家可以看到典型的牛顿公式

加速度质量乘以X的二阶导数 再加上一个摩擦项

哪个与速度成比例 与粒子的速度成比例

速度X导 等于驱动力

在这种情况下 力是场力

E乘以E是大写的E 也就是电场

通常 我们会从以前听过的波动方程中得出一种周期方法

要解这个微分方程很简单 我们用一个指数函数

一个非实指数函数

结果 我们得到了一个解和这个解

我还没弄这个

利用位移与位置的比例关系 数学可以转化为介质函数

位移与位置的比例同样与驱动力成正比

换句话说 电场和极化就是电荷乘以距离 也就是D

所以 如果我们把这些放在一起 我们就得到了与偏振成正比的介电函数

如果你把所有这些值代入 我们得到下面这一项

所以说 介电系数基本上是由驱动光的频率得出的

摩擦项用碰撞频率表示 新C 还有一个表达式叫做ΩP

ΩP是等离子体频率

在右边 大家可以看到

它只是一些物理常数 比如电荷 介电常数

电子质量 重要的是电子密度

在这里 电子密度是等离子体频率的唯一变量

碰撞频率就是碰撞时间的倒数

所以 用这种非常简单的机械方法 我们就可以描述发生了什么

如果我们记得介电函数与折射率有关

只用折射率就能得到实数和虚数

这整个值对应于介电函数的根

所以 一旦我们知道了介电函数 我们就可以很容易地推导出折射率

如果我们看一下这个解 它很简单 它就是1 - P方或Ω的平方根

再说一次 ΩP或多或少算是电子密度 Ω是驱动光的频率

那么 大家已经看到了 折射率取决于等离子体中的电子数

和激光的激发频率

对于这个解 我们可以找出两个域 其中一个Ω小于等离子体频率

然后 我们得到这个纯虚数的表达式

如果Ω大于等离子体频率

我们就得到了一个实解 一个折射率的实部表达式

如果你把这个和菲涅尔公式结合起来 求反射率

它就会把折射率和反射率结合起来

我们可以直接从反射率的角度来看结果

然后 我们有两个域

一个是激发频率 它低于等离子体频率 而另一个则更高

在右下角的曲线上 大家可以看到结果

对于小于等离子体频率的Ω值 我们得到1

它是个常数

所以 这个反射率是1 如果激光的频率超过等离子体频率

那么反射率就会下降 它很快就会降到零

这就是为什么这个开瓶器如此闪亮

因为可见光的频率比金属中的等离子体频率小得多

我们马上会讲到数字

如果我们改变摩擦项 碰撞频率 那么大家会看到碰撞频率为零

随着碰撞频率的增加 出现了这种夸张情况

在反射率方面 我们得到了这个阶梯函数的模糊行为

为了得到更多的数据

我给大家展示一下 刚才给大家看的实验与理论的对比

在这里 大家可以看到 虚线中的Drude模型和实线中的实验

当然 在碰撞频率为零的Drude模型中

实际上 产生了碰撞频率和一些吸收

这就是为什么实验曲线看起来有点不同

如果我们现在画出传统激光的波长 比如二氧化碳激光 它的波长是10微米

或者是红外线中的YAG激光 它的波长是1微米

又或者是紫外激光 氟化氪激光 它的波长是2.5微米

我们可以看到 在这种情况下 所有这些频率都低于铝的等离子体频率

所以 在所有这些情况下 我们看到反射率几乎是1

毋庸置疑 想象一下 如果你有一束激光 它有较高的频率和较短的波长

我们可以超越这个临界值 立即进入一种状态

在这个过程中 不再有反射 只有透射和吸收 它们将占据主导地位

所以 正如我所说的 这里有一些关于不同材料数值的例子

因为自由电子和金属的数量很多

对于电子密度 我们有不同的值

大家在第一列可以看到 铁 铝 铜和金的值

但重要的是 它们的数量级是相同的

每立方米 它们大约都有10 29个电子

因此 产生的等离子体频率是10 16赫兹

正如我之前在可视图像中给大家展示的

我们所用激光的可见光波长和红外线波长都低于这个值

这就是为什么我们今天有所有活跃的激光

所有金属的等离子体频率都高于激光频率

这意味着激光的反射率很高

到目前为止 我们知道这取决于入射激光的频率

可以出现反射 也可以出现透射和吸收

这个参数 从根本上说 决定这个关键参数的是电子密度

或者是与几个常数相结合的等离子体频率

所以 这很容易进行比较

如果激光频率低于等离子体频率 我们将得到高反射率

如果它超过等离子体频率 就会产生光的传输或吸收