激光也是一种光，从本质上讲它和普通光源如太阳、白炽灯、火焰等所发出的光没有什么区别，因此它具有普通光所具有的性质。由于它是一种电磁波，所以又具有波粒二象性。它遵守反射、折射的定律，在传播中会出现干涉、衍射、偏振等现象。但是，激光又有着和普通光显著不同的特点，如它的单色性、相干性、方向性极好，亮度极高等。因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病的原因之一。
激光美容的原理是通过组织吸收高能量的激光后所产生的光热反应，使局部温度在数秒内骤然升高到数百度或更高，组织发生凝固性坏死，甚至碳化或汽化，与此同时，由于急剧发热，组织的水分突然剧烈丧失，聚焦后，可用以切割或烧灼病变组织。常用于皮肤的激光有二氧化碳激光、红宝石激光、染料激光等。激光美容的优势是显而易见的：操作简便、省时、可同时止血，对于有些大面积斑、痣无须手术切除，自体植皮，可以起到美容和保留原有皮肤功能的双重效果。但是它同其他治疗方法一样，也会有一些副作用，在清除病变组织的同时，对正常组织也有不同程度伤害，最常见的是遗留表浅疤痕、色素减退或沉着斑。
激光的生物作用机理及生物效应
激光对生物体的作用有五种：热作用、光化作用、机械作用、电磁场作用和生物刺激作用。激光和生物体相互作用以后所引起生物组织方面的任何改变都称为“激光的生物效应”。激光与生物体作用后，不仅会引起生物效应，而且激光本身的参数（波长、功率、能量等）也可能会改变。由于激光的生物效应是“五作用”所致，故这“五作用”即为激光生物效应的机理。
一、医用强激光与弱激光
在医学上，由于强、弱激光的生物作用机理不同，所以临床应用时其目的和方法也不同。在医学领域里，不以激光本身的物理参量（如功率和能量）来衡量激光的强弱，而是以它对生物组织作用后产生生物效应的强弱来区分的。它的定义是：激光照射生物组织后，若直接造成了该生物组织的不可逆损伤，则此受照表面处的激光称为强激光；若不会直接造成不可逆损伤者，称为弱激光。
二、激光的作用及其生物效应
（一）热作用
低能光量子可致生物组织直接生热，高能光量子则需经过一些中间过程后才生热。例如红外激光光子能量小，被生物组织吸收后增加了生物组织的热运动，宏观表现为被照处组织温度升高，称为直接生热。可见光和紫外光其光量子能量大，被生物组织吸收后引起生物分子的电子跃迁。当电子由激发态回到基态释放能量时，才引起热效应。
热作用的生物效应有以下几种：
1、热作用对生物组织的影响。有如下几点：
（1）对血液循环的影响：由于温热作用可致使毛细血管扩张，使血流量增加，可改善加热区供血和营养。
（2）对代谢率的影响：由于人体生化过程对温度有很大的依赖关系，尤其是酶的催化作用受温度影响很大，所以激光的热作用可以促进代谢。
（3）热损伤：组织热损伤主要是蛋白质变性。蛋白质变性和温度及辐射时间的关系见（图6）。一般认为，蛋白质受到短时间辐照而温度为60摄氏度时，就会产生永久性的变性。60摄氏度热波进入组织的深度，被定义为热组织损伤深度。
2、热作用对皮肤的效应：在临床上，由于激光对皮肤的辐照时间和功率密度不同，会产生各种效应。
（二）光化作用
习惯上把光辐照化学系统所引起的化学反应叫光化反应。生命物质的活动、生长、繁殖等是靠生化作用将营养物质在酶的帮助下，经过化学反应使之合成、分解成生
命活动所需要的物质和能量的结果。激光可以直接引起这种化学反应，激光的这种作用称为光化作用。激光引起的光化反应主要有以下几种类型。
（三）压强作用
生物组织接受激光照射后，由于光具有波粒二象性，所以当光子和物体碰撞时会产生光压。又因激光热效应的继发作用而引起汽流的反冲压、内部的蒸汽压、热膨胀超声压，以及因强电场的继发作用而引起的电致伸缩压等。
（四）强电磁场作用
激光和普通光一样，也是电磁波，所以它对生物组织的作用也就是电磁场对生物组织的作用。对于中、小功率激光的电磁场来说，对生物组织的作用是无关紧要的，但对很高功率密度的调Q激光或锁模激光，其功率密度可达，其电场强度高达，它能在生物组织中产生高温、高压和高强度，导致生物组织电系统发生急剧变化，这是一般光源无法引起的。
研究证明，光与生物组织作用时，起作用的仅仅是电场强度。激光的电场强度与其功率密度直接有关。前面举例的调Q激光和锁模激光，其电场强度极高，当这种激光与生物组织作用时，就可能在生物体内产生光学谐振波，发生电致伸缩，使生物分子电离、极化，导致喇曼散射和布里渊散射等。
（五）生物刺激作用
这里主要指弱激光的生物刺激作用。当用弱激光照射生物体时，将产生一系列生物效应，如产生兴奋或抑制，机体免疫功能改变等。这些效应的产生，是弱激光刺激作用所致。
第26卷第6期 2011年12月光电技术应用 ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATION Vol.26，No.6 December，2011 1高功率激光对靶面的作用 高功率激光光束作用于靶材时，靶表面吸收大量激光能量，引起温度升高、熔融、气化、喷溅等现象。具体过程依赖于激光参数（能量、波长及脉宽等）、材料特征和环境条件。一般说来，在不同数量级的激光功率密度作用下靶表面发生的物理现象是[1]：103-104W/cm2104-106W/cm2106-108W/cm2108-1010W/cm2 加热熔融气化等离子体 激光与物质相互作用时产生两个典型效应:二次非线性光学效应和高压冲击波（光力学）效应。当高功率激光辐照在靶材上时，一部分被靶材表面反射，一部分通过靶材透射，一部分散射，而大部分则被靶材吸收[2]。 1.1强激光对物质作用的研究现状 国内外科学工作者在高功率激光与物质相互作用方面做了大量的研究工作。其中以美国和前苏联 ·激光技术· 长脉冲激光与金属相互作用影响分析 任天宇，王洋，薛阳 （长春理工大学，吉林长春130012） 摘要：通过使用1064nm，Nd:YAG长脉冲激光作用在金属材料从理论和数值模拟的角度研究各种因素对激光加热效应的影响。针对国内外目前长脉冲激光与物质相互作用研究的现状，分析和模拟了长脉冲激光与材料相互作用过程中的各种现象和问题，特别是对长脉冲激光与金属相互作用时的温度场及应力场进行了较全面的理论分析。就靶材物质对激光的反射、吸收和转化的基本机制，激光对金属材料加热的温度场、应力场及其熔融的温度场和固-液态界面的移动速度及液态质量迁移、激光引起材料的气化、烧蚀的质量迁移，进行了系统的讨论。 关键词：激光与金属相互作用；数值模拟；数值研究 中图分类号：TN249文献标识码：A文章编号：1673-1255（2011）06-0028-05 Analysis of Long Pulse Laser-metal Interaction REN Tian-Yu,WANG Yang,XUE Yang (Changchu University of Science and Technology,Changchun130012,China) Abstract:The effect of a variety of factors on the laser heating from the theory and numerical simulation, by using1064nm Nd:YAG long pulse laser interaction with metal.The phenomenon and problem in the pro?cess of the laser-matter interaction are analyzed and simulated,as for laser-metal interaction research at home and abroad,especially the temperature field and stress field of the long pulse laser-metal interaction are ana?lyzed theoretically.The effect of the basic mechanism of the laser reflection,the absorption and the transforma?tion on the target material,the temperature field,the stress field and the melting temperature of the metal mate?rial heated by the laser,the moving velocity of the solid-liquid interface,the liquid mass transfer,the material gasification and the ablation mass transfer are analyzed. Key words:laser-metal interaction;numerical simulation;numerical research 收稿日期：2011-12-10 基金项目：国家自然科学基金（61077024/F050205） 作者简介：任天宇（1983-），男，浙江绍兴人，博士研究生，研究方向为物理电子学；王洋（1982-），女，吉林长春人，博士研究生，研究方向为物理电子学.
激光与物质相互作用的研究进展 黄庆举 (广东石油化工学院物理系, 广东茂名 525000 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础理论非线性光学、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
1、从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？ 答：（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。 （2）单色性好: 为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。 （3）亮度极高：能量密度高。 （4）相关性好：获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。 总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。 2、透镜对高斯光束聚焦时，为获得良好聚焦可采用的方法？ 答：用短焦距透镜； 使高斯光束远离透镜焦点，从而满足l>>f、l>>F； 取l=0，并使f>>F。 3、什么是焦深，焦深的计算及影响因素？ 答：光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比，与w12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。 4、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？ 答：波长、温度、材料表面状态 波长越短，金属对激光的吸收率就越高 温度越高，金属对激光的吸收率就越高 材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。 5、简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？ 答：基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。 应用：激光切割、打孔、焊接等。 高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。应用：激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。 6、试叙述激光相变硬化的主要机制。 答：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。 7、激光淬火区横截面为什么是月牙形？在此月牙形区相变硬化有什么特点？ 特点：A,B部位硬化，C部位硬化不够 原因：A,B部位接近材料部，热传导速率大，可以高于临界冷却速度的速度冷却，因此