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研究激光与晶体的相互作用，既可以提供激光在晶体加工领域的理论支持又能推进激光在各个领域内的应用，还能分析和完善激光与晶体的相互作用的机制。本文综合论述了激光与各种晶体物质之间的相互作用，以及相互作用发生的运行规则和原理，浅析多光子离化和等离子吸收激光能量等非线性现象，并通过经典的光学模型阐释激光与晶体之间的作用的应用前景。 晶体材料因其特殊的光电和机械性能被广泛应用到激光光电子技术、高能物理、家用电器等多个领域，在信息技术产业中发挥了支柱作用，众多学者越来越关注有关激光与晶体间相互作用所引发的结构和性能变化的研究。 1 激光与晶体相互作用的运行规则和原理
1.1 激光技术的发展历程和评述
早在1916年，伟大的物理学家爱因斯坦就提出了一套光与物质相互作用的全新技术理论。1958年，诺贝尔物理学奖获得者肖洛和汤斯发现，当一种物质受到与它自身震荡频率相同的能量激发时，能够产生高轻度和高平行度的不发散的强光，这种实现光放大的强光就是激光。直至1960年，随着世界第一个红宝
石激光器的诞生，激光引起了科学界的强烈反响，吸引了世界各国科学实验室的广泛关注和研究，人们投入了更多的精力研究物质间的相互作用，取得的科研成果很快地应用到物理、化学等各项科学技术中去。我们可以运用激光进行各种材料的精加工，除了激光打孔、焊接、热处理等常见的技术外，还可运用到3D打印新技术，比如通过激光打印技术打印出金属造的人体骨骼造福人类。
1.2 激光与晶体材料间相互作用的理论基础
激光与晶体材料的相互作用的理论基础包括非线性光学、激光光谱学和及光化学，这些理论完整阐述了激光与晶体的相互作用的特点和性质，是研究激光与晶体的相互作用的重要理论基础和研究手段。
激光与晶体材料的相互作用的物理基础是晶体对激光的吸收。当晶体处在激光光场中时，由于晶体的折射率较大，某些光线因为反射发生180度的相变，剩下的光线进入晶体本身，能量发生递减。激光作为工具对晶体进行加工处理时，一般会引起光化学和光热两种反应过程。光化学是光通过反应打断化学键从而改变物质性态；光热是晶体处在激光光场时晶体中的电子通过吸收光子引起能量上升，同时提升温度，电子再把吸收的能量传递给电子晶格。电子与晶格的相互作用使得晶格获得能量，如果所得到的能量足够高，晶体就会升温甚至气化。
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激光和晶体的相互作用能够改变物质的性能和状态。超短脉冲激光与晶体间相互作用能够出现非线性现象，比如多光子离化和等离子吸收激光能量的现象，这些现象都是由激光和晶体间相互作用产生的。
长脉冲激光通过自身的物理特性来处理材料，使材料从固态到液态再转为气态改变了晶体材料的性态，加上热熔环节剔除材料中的杂质，从而完成激光对晶体的加工处理。在处理过程中，激光的物理特性得到了极好的展现。而在激光改变晶体材料的性态的同时，长脉冲激光的物理特性也发生了明显的变化，能够直接捕捉到在长脉冲激光的加工处理中晶体材料发生的瞬间改变。超短脉冲激光与晶体的相互作用较长脉冲激光更为复杂，会产生更多常见的如隧道离化和等离子吸收激光能量等非线性现象。
随着激光照在晶体表面的时间的延长，晶体的表面和内部都会产生变化，变化的阶段分为四个：①当晶体接受激光照射时，电子吸收大部分的光子后传递给电子晶格，同时伴随着热扩散提升了晶体表面的温度。材料的结构和激光波长是影响晶体吸收激光程度的主要因素。②晶体的温度随着吸收激光能量时间的延长越来越高，当温度超过晶体的熔点就会引起晶体表面的熔化，激光照射的时间越长，晶体的熔池也就越大。③当激光的能量到达一定程度后，就会使晶体的温度超过气温温度引起晶体发生气化。④激光照射的时间越长，晶体的熔池会生成等离子体从而形成表面烧蚀。
2 浅析超长超短脉冲激光与晶体之间的相互作用
研究分析激光和晶体间的相互作用，一方面从超短激光方面对超短激光和晶体的相互作用进行分析，另一方面从超长激光角度阐述了超长激光和晶体间的相互作用。超短脉冲对晶体材料的损伤主要是依
激光打孔靠电子激发到导带电子时对激光的吸收的非线性过程，而超长脉冲对晶体材料的损伤主要是等离子体对激光的线性吸收，两者的相互作用机制有本质不同。研究激光与晶体的相互作用时，需要考虑激光研究的现实应用价值，通过增加试验次数加权得到最为准确的研究成果，以便后期应用于实践领域时有坚强的理论和数据支撑。
2.1 超短脉冲激光与晶体的相互作用模型
超短脉冲激光与晶体的相互作用随着激光技术的快速发展，成为众多国内外学者关注的实验课题。研究发现，晶体对激光能量的线性和非线性吸收是超短脉冲激光与晶体相互作用的主要表现形式。晶体材料吸收激光能量是材料发
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生损伤和改性的第一步。飞秒激光因其高功率峰值和其较短宽度的脉冲，使得它与各种晶体相互作用时经常出现非线性效应。在飞秒激光与多种晶体进行相互作用的实验中，出现了双子光还有三光子等转换的非线性效应现象。
2.1.1 短脉冲激光对晶体的烧蚀及非线性效应
在长脉宽领域，晶体材料的烧蚀阈值和它的二分之一次方的脉宽成正比，由此推断出热传导过程控制了激光烧蚀。而在超短脉宽中，既有阈值随着脉宽的减小而增大的结果，也有阈值随着脉宽的减小而缓慢减小的实验现象，由此得出雪崩击穿导致晶体材料的破坏。这种晶体的阈值破坏与脉冲宽度的变化说明在晶体的烧蚀机制中，激光具有重要意义。
当短脉冲激光对晶体材料进行烧蚀时，有很多优点和很大的潜力。大量的自由电子可以通过光电离产生，在足够多的激光照射下甚至会出现隧道离化效应，这时，短脉冲激光就会烧蚀晶体材。隧道离化效应主要发生在低频高强度的激光光场中，受到束缚的原子在隧道离化的过程中直接从原子带上解放，原子的库仑阱被消除。库仑阱又可以在电场很强的激光中被消除，电子穿过短壁垒后变成自由电子。除了隧道离化效应外，常见的非线性效应还有雪崩电离。雪崩效应中要求晶体材料必须要带有数量较多的导带电子，它们通过线性吸收持续不断地吸收激光能量，当导带电子吸收的能量不断积累到一个较高的程度时，就会与其他的价带电子发生碰撞，后者被激发到导带电子上，导带电子由一个变为两个，呈几何式的翻倍增长，这就是雪崩效应。
2.1.2 飞秒激光对晶体的损伤机制
飞秒激光对晶体材料的损伤过程主要有两个，首先晶体材料的价带电子在飞秒激光的照射中因隧道离
化效应或雪崩离化效应等非线性过程的影响，吸收激光能量后被激发到导带电子。然后当导带电子的数量增加到一定程度时，晶体材料内部就会构成等离子体。当导带电子数量继续增加使其密度超过1021cm-3，晶体被照射的区域就会不断吸收飞秒激光的能量。这个过程就是飞秒激光与晶体材料的相互作用。
晶体材料的价带电子因激光照射被激发到导带电子的同时光子也被其吸收，材料对激光能量的非线性吸收过程的时间很短，小于导带电子与晶格碰撞时所需要的时间。价带电子吸收激光的时间受晶体的非线性吸收的影响而缩短，加上晶格的性态未发生变化，使得晶体中沉积激光能量的减少。
导带电子与晶格发生碰撞时产生的能量可以通过晶格与晶格的碰撞从飞秒激光照射区传递出去。价带电子因受飞秒激光的照射被激发到导带电子的速度，要远快于电子通过晶格碰撞以及晶格与晶格的碰撞的传递速度，飞秒激光在导带电子发生变化时不断在增加自由电子的密度，直到照射区的自由电子的密度大于离子体的临界密度，此时晶体的损伤区域就能吸收飞秒激光的能量。当吸收结束后，晶体材料损伤区吸收的激光能量将以声子的形式通过自有电子传给晶格，因为激光积累需要的时间小于热传递需要的时间，不会存在持续的现象。这就使得晶体材料表面和内部发生的损伤要高于长脉冲激光损伤，精度更高，损伤更为光滑。
当用小于晶体材料损伤阈值的激光能量照射晶体时，因为等离子的密度达不到阈值的临界要求因此不
会改变晶体的结构。当用稍高于晶体材料损伤阈值的激光能量照射时，晶体的照射区域的温度超过了晶体的熔化温度导致照射区域的熔化。当温度降低后，晶体熔化区域重新不均匀地凝固，改变了晶体部分密度。
2.2 长脉冲激光与晶体的相互作用模型
导带电子的数量在长脉冲激光中（一般脉冲的宽度大于10ps称为长脉冲激光）通过雪崩效应呈几何式的翻倍增长，晶体很容易在激光中因为承受不了长脉冲激光的强度和频率而发生损伤。导带电子在超长脉冲激光的持续时间中足以把经过电子晶格耦合的能量，通过声子在整个电子晶格中进行传递。晶体在吸收能量过程中发生损伤并产生热效应，在长脉冲激光照射中的损伤与热扩散和能量沉积的时间长短直接相关，损伤的阈值有不确定性的特点。便民用品
另外，如果是有缺陷或者有杂质的晶体在长脉冲激光光场中，会出现更加充分的导带电子的雪崩离化效应。即使脉冲的宽度只有几秒，哪怕脉冲的激光频率并不是很高，晶体材料也会受到损伤。但如果有较高浓度导带电子的有缺陷的晶体，在吸收激光脉冲能量时会降低损伤阈值，而且还会增加阈值确认的难度。因此，导带电子的浓度在长脉冲激光与晶体的相互作用的研究中极为关键。如果晶体带有较多的导带电子，就会大大增加在激光照射中的损伤概率。如果带有较少的导带电子，晶体发生损伤的概率就会比较小。
3 结束语
激光与晶体的相互作用既激光本身的特性有关又与晶体的特性有关，还涉及到非线性光学、等离子体物理等学科。通过激光与晶体的相互作用不仅促进了学科的交叉融合，也推动了其他科学领域的发展进步。
基金项目：（1）河北省高等教育教学改革研究与实践项目，批准号：2018GJJG649；（2）河北省实验教学示范中心建设项目；（3）北京交通大学海滨学院教学研究与改革项目；（4）北京交通大学海滨学院优秀教学团队建设项目。
（作者单位：北京交通大学海滨学院）
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