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1、鐳射和同步加速器的應用物理三乙 吳志鴻 04102765摘要：本文分別介紹了鐳射和同步加速器的相關原理及應用。 鐳射經過幾十年技術發展，越來越迅速和成熟，在我們生活中的各個行業應用的非常廣泛。由於鐳射技術的先進性，精確性，所以在當前，在很多行業都得以應用和實現。本文通過對鐳射技術的學習，大概闡述了鐳射產生原理，以及鐳射在各個方面的應用。 同步加速器則是一種利用一定的環形軌道上用高頻電場加速電子或離子的環形加速器裝置。關鍵字：鐳射；輻射；光學諧振腔；同步輻射1. 鐳射 鐳射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of R
2、adiation”的縮寫，意思是“受激發射的輻射光放大”。1917 年愛因斯坦提出 “ 受激輻射 ” 的概念，奠定了鐳射的理論基礎。1.1 鐳射產生原理 發光的本質是物質的原子或分子或離子處於較高的激發狀態時，能從較高能級向低能級過渡，並自發地把過多的能量以光子的形式發射出來的結果。光與物質的共振相互作用，特別是這種相互作用中的受激輻射過程是雷射器的物理基礎。愛因斯坦認為光和物質原子的相互作用過程包含原子的自發輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。1.1.1 自發輻射 自發輻射就是高能級的電子在沒有外界作用下自發地遷移至低能級，並在躍遷時產生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hv=E2-
3、E1，即兩個能級之間的能量差。原子自發輻射1.1.2 受激輻射 當原子處於激發態E2時，如果恰好有能量 E2-E1的光子射來，在入射光子的影響下，原子會發出一個同樣的光子而躍迂到低能級E1上去，這種輻射叫做受激輻射。原子受激輻射1.1.3 受激吸收 受激吸收就是處於低能態的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態。 電子可通過吸收光子從低能級躍遷到高能級。原子受激吸收在此可以用相干和不相干區分受激輻射和自發輻射。自發輻射是不受外界輻射場影響的自發過程，因此，大量原子的自發輻射場的相位是無規則分佈的，因而是不相干的；受激輻射是在外界輻射場控制下的發光過程，受激輻射光子與入射光子屬於同一光子態，特別是大量粒
4、子在同一輻射場激勵下產生的受激輻射處於同一光場模式或同一光子態，受激輻射因而是相干的。1.2 鐳射技術的應用鐳射在電子工業中得到廣泛應用。隨著雷射器性能的改善和新型雷射器的出現，鐳射在超大規模積體電路方面的應用已經成為許多其他工藝所無法取代的關鍵性技藝，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，鐳射醫療與光子生物學，鐳射加工技術，鐳射檢測與計量技術，鐳射全息技術，鐳射光譜分析技術，非線性光學，超快鐳射學，鐳射化學，量子光學，鐳射雷達，鐳射制導，鐳射分離同位素，鐳射可控核聚變，鐳射武器等等。這些交叉技術與新的學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。1.2.1 鐳射打標鐳射打
5、標是用雷射光束在各種不一樣的物質外表打上永世的符號。打標的效應是經過表層物質的蒸騰顯露深層物質，或者是經過光能致使表層物質的化學物理變化而刻出痕跡，或者是經過光能燒掉有些物質，顯出所需刻蝕的圖畫、文字。 當前，公認的原理是兩種：熱加工具有較高能量密度的雷射光束（它是會集的能量流），照耀在被加工資料外表上，資料外表吸收鐳射能量，在照耀區域內發作熱激起進程，然後使資料外表（或塗層）溫度上升，發作反常、熔融、燒蝕、蒸騰等表像。：冷加工具有很高負荷能量的（紫外）光子，能夠打斷資料（特別是有機資料）或周圍介質內的化學鍵，至使資料發作非熱進程損壞。這種冷加工在鐳射符號加工中具有特另外含義，由於它不是熱燒蝕
6、，而是不發作熱損害副作用的、打斷化學鍵的冷剝離，因此對被加工外表的裏層和附近區域不發作加熱或熱變形等作用。例如，電子工業中運用准分子雷射器在基底資料上堆積化學物質薄膜，在半導體基片上開出狹隘的槽。 鐳射打標的特色：非觸摸加工；資料適用面廣；可與出產線上的其他設備集成，進步出產線的自動化程度；符號明晰、耐久、漂亮，並可有用防偽；運用壽數長、無污染；運轉本錢低；加工功率；開發速度快；加工精度高；保護本錢低；具有環保性1.2.2 鐳射切開鐳射切開是一種高能量、密度可控性好的無觸摸加工，雷射光束聚集後構成具有極強能量的很小作用點，把它運用於切開有許多特色。首要，鐳射光能變換成驚人的熱能堅持在極小的區域
7、內，可供應狹小的直邊割縫；最小的附近切邊的熱影響區；極小的有些變形。其次，雷射光束對工件不施加任何力，它是無觸摸切開東西，這就意味著工件無機械變形；無刀具磨損，也談不上刀具的變換疑問；切開資料無須思考它的硬度，也即鐳射切開才能不受被切資料的硬度影響，任硬度的資料都能夠切開。再次，雷射光束可控性強，並有高的適應性和柔性，因此與自動化設備相聯系很便利，簡略完結切開進程自動化；由於不存在對切開工件的約束，雷射光束具有無限的仿形切開才能；與核算機聯繫，可整張板排料，節約資料。 鐳射切開具有廣泛的適應性和靈敏性 與其他慣例加工辦法對比，鐳射切開具有更大的適應性。 首要，與其他熱切開辦法對比，相同作為熱切
8、開進程，另外辦法不能象雷射光束那樣作用於一個極小的區域，成果致使切斷寬、熱影響區大和顯著的工件變形。鐳射能切開非金屬，而其他熱切開辦法則不能。 1.2.3 鐳射在牙科應用用鐳射對牙齒進行無痛鑽孔和去牙蛀，使人們對以前望而生畏的牙科手術大感輕鬆。相比以前的機械打孔，鐳射鑽孔不僅不會產生大量的摩擦熱，而且其所蒸發掉的只是被腐蝕處的黑色牙區，不會對健康的牙組織產生影響，從而疼痛感會大大減輕。鐳射在眼科上的應用是最令人歎為觀止的。鐳射可以焊接脫開的視網膜，封閉破漏的血管，徹底摧毀飄浮在眼中凍膠狀液體中的微小的沙粒(使其氣化)。鐳射手術的優點是不需要切開眼睛就能完成手術，而且手術的疼痛感大為緩和。1.2
9、.4 鐳射用於切除腫瘤 對於目前的不治之症-癌症，鐳射也提供了有效的武器。一方面，鐳射可以用作鐳射刀來切除腫瘤；另一方面，在癌症的早期診斷方面也卓有成效。癌症的早期診斷對於其治療有著決定性意義。借助於鐳射能準確地確定腫瘤細胞和正常細胞，同時也提供了一個新的治療途徑。借助於一些特殊的化學物質，採用鐳射化療法，能使這些特殊物質在鐳射作用下殺死腫瘤細胞，從而達到治療癌症的目的。1.2.5 鐳射在通訊方面的應用自由空間光通信（Free-Space Optical Columniation，簡稱FSO）是一種通過鐳射在大氣通道中實現點對點、點對多點或多點對多點間語音、數據、圖像資訊的雙向通信技術。鐳射通
10、訊與無線電通訊相比，鐳射的直線定向傳播方式使它的發射光束窄，方向性好, 鐳射光束的發散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量級，因此具有數據傳遞的保密性，除非其通信鏈路被截斷，否則數據不易外泄。無線鐳射通信建網速度快，只須在通信點上進行設備安裝，工程建設以小時或天為計量單位，適合臨時使用和複雜地形中的緊急組網。對於重新撤換部署也很方便容易。光波作為資訊載體可傳輸達10Gbit/s的數據碼率。Lucent貝爾實驗室不久前演示了其“無線鐳射通信資料鏈路”，並且創造了在2.4公里的自由空間距離上以2.5Gbit/s的速率無差錯傳輸資訊的世界記錄。目前已經商用的無線鐳射設備，最高速率已達622Mbit/s。2
11、. 同步加速器什麼是同步加速器？ 同步加速器是一種利用一定的環形軌道上用固定頻率的高頻電場加速電子或離子的環形加速器裝置。同步加速器中磁場強度隨被加速粒子能量的增加而增加，從而保持粒子迴旋頻率與高頻加速電場同步。當高能電子在磁場中以接近光速運動時，如運動方向與磁場垂直，電子將受到與其運動方向垂直的洛侖茲力的作用而發生偏轉。按照電動力學的理論，帶電粒子作加速運動時都會產生電磁輻射，因此這些高能電子會在其運行軌道的切線方向產生電磁輻射。這種電磁輻射最早是在同步加速器上觀測到的，因此就稱作同步加速器輻射，簡稱同步輻射，或同步光。 2.1 在生命科學研究中的應用 同步輻射 X 射線既然比實驗室 X 光
12、管的 X 光強很多，一開始人們就利用它來開展 X 射線衍射的研究。從上世紀 90 年代以來，蛋白質晶體製備技術以及同步輻射實驗技術和相應理論的發展，大大促進了蛋白質晶體結構研究的飛速發展。在這裏，有兩個非常重要的例子是值得向讀者介紹的，它們是生命科學研究中的兩次重大突破。 第一個是關於一種被稱作生命能量之源的酶蛋白三維結構的同步輻射研究。關於細胞的能量轉換機制一直是大家最關注的中心問題，細胞如何通過ATP合酶合成ATP成為各國科學家探尋解決的重要問題之一。1977年Paul Boyer大膽提出“結合改變機理（binding change mechanism）”,但始終沒有實驗的證明。John
13、Walker和他的同事們，經過12年的不懈努力，在英國Daresbury實驗室，與同事們一起利用同步輻射X射線衍射技術，得到了2.8 原子解析度的F1-ATPase的三維結構，與Paul Boyer提出的“結合改變機理”所預期的結構狀態驚人地一致，為Boyer的設想提供了最有力的結構基礎。無論是Paul Boyer關於旋轉催化的大膽假設，還是John Walker對F1-ATPase晶體結構的精確測定，都是對揭示生命能量之源做出的巨大貢獻。他們兩人因此分享1997年化學諾貝爾獎當之無愧。這裏，我們必須指出，正是利用了高性能的同步輻射光源，使人們對F1-ATPase分子結構的瞭解從低解析度發展到
14、原子尺度的高解析度，從而獲得能直接證明“結合改變機理”正確性的ATP合酶的三維結構。 另一個例子是關於膜蛋白離子通道的研究。1998 年，R. MacKinnon 公佈了他領導的研究組在美國 Cornell 大學高能同步輻射光源（Cornell High Energy Synchrotron Source，簡稱 CHESS） 得到的膜蛋白中 K+離子通道的原子水準的空間結構32，這一結果震驚了整個學術界，他的發現解釋了為什麼 K+離子能進入通道內，而比 K+離子更小的 Na+則不能進入，他也使我們能夠“看見”在不同細胞信號的作用下，通道可以開放或閉合，離子可以進入通道，也可以從通道中出來。這些
15、結果與 P. Agre 發現的水分子通道一起開創了生物化學和生物學的全新研究領域在原子水準上研究生物化學和生物學過程，如細胞之間的信號傳遞，很多疾病產生的原因，等等。2.2 在微機械加工中的應用 同步輻射X光不僅可以用於顯微觀察,而且可以進行超微加工L人們曾經用微電子學方法製成了一些用於人造衛星、電腦通訊及生命科學等方面的微電子機械,如微型齒輪、微型插件、微型馬達和微型泵等,但高寬比很小,厚度至多幾十微米,極易破碎，應用同步輻射X光進行深度光刻,微機械的厚度可達幾百微米而極其牢固,加工精度高、高深寬比大和表面平整,且可以製作不同材料的微器件，目前世界各國正在大力推進這項技術的商業化進程,商業生
16、產的微型器件及機器如微型齒輪、微型插件、微馬達和微照明燈等已被廣泛應用2.3 同步輻射光源上海同步輻射裝置（ S hanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱 SSRF），是一臺世界先進的中能第三代同步輻射光源，總投資計畫12億人民幣。上海同步輻射裝置的電子儲存環電子束能量為35GeV（35億電子伏特），僅次於世界上僅有的四臺高能光源（美、日、歐 臺灣各一臺），居世界第五，超過其他所有的中能光源； X射線的亮度和通量被優化在用戶最多的區域。上海同步輻射裝置是國家級大科學裝置和多學科的實驗平臺，由全能量注入器、電子儲存環、光束線和實驗站組成。全能量注入器提供
17、電子束並使其加速到所需能量，電子儲存環儲存電子束並提供同步輻射光，光束線對引出的同步輻射光進行傳輸、加工，提供給實驗站上的用戶使用。2.3.1 提供電子束的全能量注入器 全能量注入器包括電子直線加速器、增強器和注入引出系統，其作用是向電子儲存環提供所需的電子束。電子槍產生的能量為10萬電子伏特的電子束，先被約40米長的電子直線加速器加速到3億電子伏特能量，然後被注入到周長約158米的增強器中，由增強器繼續加速到35億電子伏特，再經過注入引出系統注入到電子儲存環。這種把電子束加速到了電子儲存環運行能量的注入器叫全能量注入器。整個注入過程必須通過一套專門設計的時序控制系統來“精確指揮”。2.3.2
18、 產生同步輻射光的電子儲存環電子儲存環是一個周長為396米的閉合環形高科技裝置，相當於一個學校400米環形跑道的操場，用來儲存35億電子伏特高能電子束。電子儲存環是同步輻射光源的主體與核心，其性能直接決定了同步輻射光源性能的優劣。它由真空度為109乇的超高真空室、高精度磁鐵系統、高頻加速腔、高靈敏的束流探測儀器和控制系統等組成。高精度磁鐵系統是儲存環的主要部件，包括40臺二極偏轉磁鐵、200臺四極聚焦磁鐵和140臺六極色品磁鐵。根據設計要求，這些磁鐵按特定順序沿環排列，形成一個呈20週期的消色散磁聚焦結構，每週期含有一段7米或5米長的直線段。為保證向用戶提供在空間位置上高度穩定的同步輻射光，電子束軌道的穩定需要被控制在微米量級。
