高能焊教案1章節(jié)激光焊1節(jié)激光產(chǎn)生

1、1第第 1 章：章： 激光焊接激光焊接 1.1 激光的產(chǎn)生及特性激光的產(chǎn)生及特性第第1章章 激光焊接激光焊接 2一、一、 光電效應(yīng)（光電效應(yīng)（photoelectric effect）光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲首先發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。可年德國(guó)物理學(xué)家赫茲首先發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。可見(jiàn)光或紫外光射到某些金屬表面上時(shí)，有電子從表面逸出的現(xiàn)見(jiàn)光或紫外光射到某些金屬表面上時(shí)，有電子從表面逸出的現(xiàn)象。這種發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。象。這種發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。 第第1章章 激光焊接激光焊接 3第第1章章 激光焊接激光焊接 （1）極限頻率的存在：）極限頻率的存在：光的波長(zhǎng)光的波長(zhǎng)小于某一臨界

2、值時(shí)，才能發(fā)射電子，小于某一臨界值時(shí)，才能發(fā)射電子，即極限波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的光的頻率叫做即極限波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長(zhǎng)而發(fā)射電子的能量取決于光的波長(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 （2）光電效應(yīng)的瞬時(shí)性）光電效應(yīng)的瞬時(shí)性 ：只要光只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)是瞬時(shí)的，不超過(guò)10-9/秒秒 。光電效應(yīng)存在以下特點(diǎn)：光電效應(yīng)存在以下特點(diǎn)：4經(jīng)典理論對(duì)這經(jīng)典理論對(duì)這 2 個(gè)特點(diǎn)難以解釋個(gè)特點(diǎn)難以解釋

3、第第1章章 激光焊接激光焊接 根據(jù)經(jīng)典的根據(jù)經(jīng)典的 “光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性” 理論：無(wú)論何種頻率理論：無(wú)論何種頻率的光照射在金屬上，只要入射光足夠強(qiáng)，使電子獲得的光照射在金屬上，只要入射光足夠強(qiáng)，使電子獲得足夠的能量，電子就能從金屬表面逸出來(lái)。足夠的能量，電子就能從金屬表面逸出來(lái)。 這就是說(shuō)，光電效應(yīng)的發(fā)生應(yīng)該與光的頻率無(wú)關(guān)這就是說(shuō)，光電效應(yīng)的發(fā)生應(yīng)該與光的頻率無(wú)關(guān)，只要光強(qiáng)足夠大，則就能發(fā)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在，只要光強(qiáng)足夠大，則就能發(fā)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在極限頻率極限頻率。 但是，實(shí)驗(yàn)表明，只有在入射光的頻率大于極限但是，實(shí)驗(yàn)表明，只有在入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，才能發(fā)生光電效應(yīng)。頻率時(shí)，才

4、能發(fā)生光電效應(yīng)。5第第1章章 激光焊接激光焊接 另外，還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即另外，還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長(zhǎng)一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能的時(shí)間要長(zhǎng)一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。量，飛出金屬表面。 可事實(shí)是：只要光的頻率高于金屬的極限頻率，可事實(shí)是：只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波超過(guò)十的負(fù)九次方秒。正確

5、的解釋是光必定是由與波長(zhǎng)有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位（即光子或光量子）所長(zhǎng)有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位（即光子或光量子）所組成。組成。 6第第1章章 激光焊接激光焊接 二、二、愛(ài)因斯坦的光子理論提出愛(ài)因斯坦的光子理論提出（1）愛(ài)因斯坦是在在普朗克的）愛(ài)因斯坦是在在普朗克的 “能量子能量子” 假說(shuō)啟發(fā)下上提出假說(shuō)啟發(fā)下上提出光子理論的。光子理論的。 普朗克的量子假說(shuō)認(rèn)為，輻射是由一分分的能量組成的。就象物質(zhì)是由一個(gè)個(gè)原子組成的一樣。輻射中的一份能量即是一個(gè)量子。量子的能量大小取決于輻射的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越短，能量越大；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，能量越小。即：量子的能量與波長(zhǎng)成反比，與頻率成正比。（2）愛(ài)因斯坦注意到它有可能解

6、決經(jīng)典物理學(xué)所遇到的其他愛(ài)因斯坦注意到它有可能解決經(jīng)典物理學(xué)所遇到的其他問(wèn)題。問(wèn)題。為了解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，1905年，愛(ài)因斯坦根據(jù)普朗克能量子假說(shuō)而進(jìn)一步提出的光量子(light quantum)，即光子(photon)概念，對(duì)光電效應(yīng)的研究做出了決定性的貢獻(xiàn)。7（3）愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)的核心思想：）愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)的核心思想： 表面上看起來(lái)連續(xù)的光波本質(zhì)上是量子化的。 單色光由大量不連續(xù)的光子組成。若單色光頻率為v，那么每個(gè)光子的能量為ehv, 動(dòng)量為p= hv/c。（4）由愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)發(fā)展成現(xiàn)代光子論的兩個(gè)）由愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)發(fā)展成現(xiàn)代光子論的兩個(gè)基本點(diǎn)是：基本點(diǎn)是： （a）光是由

7、一份一份的光量子組成的光子流。每個(gè)光子的能量為e = hv，動(dòng)量為p= hv/c。由n個(gè)光子組成的光子流，能量為n hv。 （b）光與物質(zhì)相互作用，即是每個(gè)光子與物質(zhì)中的微觀粒子相互作用。第第1章章 激光焊接激光焊接 81. 愛(ài)因斯坦的光子理論：愛(ài)因斯坦的光子理論：光是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱(chēng)為光量子或光光是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這些粒子稱(chēng)為光量子或光子，光子的能量是子，光子的能量是: = h v （ v 是頻率）光強(qiáng)決定于光強(qiáng)決定于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的光子數(shù)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的光子數(shù)n. 單單色光的光強(qiáng)是色光的光強(qiáng)是: n h vahmvm2212. 光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程a:

8、 逸出功逸出功光子只能作為一個(gè)整體被發(fā)射和吸收。光子只能作為一個(gè)整體被發(fā)射和吸收。第第1章章 激光焊接激光焊接 三、三、光子與光的二象性光子與光的二象性 9金屬紅限頻率0/hz波長(zhǎng)/nm逸出功/ev銫cs4.81014625 紅1.9鈹be9.41014319 紫外3.9鈦ti9.910143034.1汞hg1.0910152754.5金au1.1610152584.8對(duì)于一定的金屬，逃出功對(duì)于一定的金屬，逃出功a為定值，可見(jiàn)光子頻率越高，光電為定值，可見(jiàn)光子頻率越高，光電子的初動(dòng)能越大，并且當(dāng)入射光頻率低于紅限頻率子的初動(dòng)能越大，并且當(dāng)入射光頻率低于紅限頻率v0，ha /h），以致每個(gè)光），

9、以致每個(gè)光子的能量足夠大，電子才能克服逸出功而逸出金屬表面。所以子的能量足夠大，電子才能克服逸出功而逸出金屬表面。所以紅限頻率紅限頻率v0=a /h；對(duì)于不同的金屬；對(duì)于不同的金屬a不同，紅限頻率也不同。不同，紅限頻率也不同。例：例： 第第1章章 激光焊接激光焊接 10激光：激光：laser (light amplification by stimulated emission of radiation) 輻射的受激發(fā)射光放大。輻射的受激發(fā)射光放大。（美國(guó)人梅曼制造出第一臺(tái)激光器）（美國(guó)人梅曼制造出第一臺(tái)激光器）第第1章章 激光焊接激光焊接 四、四、什么是激光什么是激光11五、激光的形成機(jī)理五

10、、激光的形成機(jī)理1.自發(fā)輻射和受激輻射自發(fā)輻射和受激輻射（1）物質(zhì)的原子從外界獲得能量后進(jìn)入激發(fā)態(tài)）物質(zhì)的原子從外界獲得能量后進(jìn)入激發(fā)態(tài)e2，隨后又很快返回基態(tài)或者較低的能態(tài)隨后又很快返回基態(tài)或者較低的能態(tài)e1，并伴隨著發(fā)，并伴隨著發(fā)出光輻射，原子沒(méi)有受到外來(lái)感應(yīng)場(chǎng)的作用而躍返低出光輻射，原子沒(méi)有受到外來(lái)感應(yīng)場(chǎng)的作用而躍返低能態(tài)，并同時(shí)發(fā)出光輻射的過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)躍遷，產(chǎn)生能態(tài)，并同時(shí)發(fā)出光輻射的過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)躍遷，產(chǎn)生的光輻射稱(chēng)為的光輻射稱(chēng)為自發(fā)輻射自發(fā)輻射。（2）能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的光子會(huì)把原子從低能）能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的光子會(huì)把原子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，這個(gè)過(guò)程

11、稱(chēng)為受激吸收躍遷受激吸收躍遷。hee12 光光子子頻頻率率為為：第第1章章 激光焊接激光焊接 12（3）在能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)能量差的光子的作）在能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)能量差的光子的作用下，會(huì)使在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同用下，會(huì)使在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時(shí)發(fā)射出相應(yīng)能量的光子，就是時(shí)發(fā)射出相應(yīng)能量的光子，就是受激輻射。受激輻射。2e1e h發(fā)光前發(fā)光前2e1e h h發(fā)光后發(fā)光后2e1e發(fā)光前發(fā)光前 h2e1e發(fā)光后發(fā)光后2e1e h吸收前吸收前2e1e吸收后吸收后自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激吸收受激吸收受激輻射受激輻射第第1章章 激光焊接激光焊接 13 光的吸收過(guò)程：當(dāng)能量為光的吸收過(guò)程：當(dāng)

12、能量為 的光子與的光子與處于高能級(jí)處于高能級(jí)e2的原子接近時(shí)，可能引起受激輻射。的原子接近時(shí)，可能引起受激輻射。而當(dāng)能量為而當(dāng)能量為 的光子與處于低能級(jí)的光子與處于低能級(jí)e1的的原子接近時(shí)，光子就可能被原子吸收。而使原子從原子接近時(shí)，光子就可能被原子吸收。而使原子從12eeh 12eeh 低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí). .玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布率玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布率（處于平衡態(tài)的工作物質(zhì)的原子）：（處于平衡態(tài)的工作物質(zhì)的原子）：ktennen 2. 產(chǎn)生激光的基本條件產(chǎn)生激光的基本條件nn為粒子數(shù)為粒子數(shù), en該能級(jí)的能量，該能級(jí)的能量，k為波爾茲曼常量，為波爾茲曼常量，t為熱力學(xué)溫度，為熱

13、力學(xué)溫度，第第1章章 激光焊接激光焊接 1411212 kteeenn而有：而有： 可見(jiàn)在熱平衡時(shí)，高能級(jí)上的原子數(shù)總少于低能級(jí)可見(jiàn)在熱平衡時(shí)，高能級(jí)上的原子數(shù)總少于低能級(jí)上的原子數(shù)，在一定溫度下，（上的原子數(shù)，在一定溫度下，（e2-e1)越大，越大，n2相相對(duì)于對(duì)于n1就越大。就越大。 又由最小能量原理，又由最小能量原理，n n1 1nn2 2, ,為正常分布為正常分布所以，光通過(guò)正常狀態(tài)下的工作物質(zhì)時(shí)總是減弱的所以，光通過(guò)正常狀態(tài)下的工作物質(zhì)時(shí)總是減弱的不可能實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大不可能實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大要獲得光放大，就必須使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，就是要獲得光放大，就必須使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，就是要使得

14、處在高能級(jí)上的原子數(shù)比低能級(jí)上的多。要使得處在高能級(jí)上的原子數(shù)比低能級(jí)上的多。即：即：n2n1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激光的基本條件之一產(chǎn)生激光的基本條件之一第第1章章 激光焊接激光焊接 15e!e4e3激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)e2無(wú)輻射躍遷無(wú)輻射躍遷e!e3e2激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng) 四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng) 泵浦泵浦無(wú)輻射躍遷無(wú)輻射躍遷泵浦泵浦 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)受激輻射光的必要條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)受激輻射光的必要條件。但是并但是并不是所有的發(fā)光物質(zhì)都可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。只有那些不是所有的發(fā)光物質(zhì)都可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。只有那些具有亞穩(wěn)衡結(jié)構(gòu)的物質(zhì)才能作為激

15、光的工作物質(zhì)。具有亞穩(wěn)衡結(jié)構(gòu)的物質(zhì)才能作為激光的工作物質(zhì)。 為了工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可以從外界輸入能為了工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可以從外界輸入能量（如光照、放電等）把低能量上的原子激發(fā)到高能級(jí)量（如光照、放電等）把低能量上的原子激發(fā)到高能級(jí)上去，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為激勵(lì)（或泵浦或抽運(yùn)）。上去，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為激勵(lì)（或泵浦或抽運(yùn)）。第第1章章 激光焊接激光焊接 16產(chǎn)生激光的能級(jí)系統(tǒng)（例）產(chǎn)生激光的能級(jí)系統(tǒng)（例）（1） 三能系統(tǒng)（三能系統(tǒng)（2）四能級(jí)系統(tǒng)）四能級(jí)系統(tǒng) 12eeh2e1e3e三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)23eeh4e1e3e2e四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)紅寶石激光器紅寶石激光器銣玻璃激光器銣玻璃激光器第

16、第1章章 激光焊接激光焊接 17激勵(lì)源激勵(lì)源( (泵浦或抽運(yùn)泵浦或抽運(yùn)) )：用來(lái)實(shí)現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。有電激勵(lì)，光激勵(lì)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。有電激勵(lì)，光激勵(lì)，熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等熱激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)等 。激勵(lì)激勵(lì)-從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從外界吸收能量，使原子系統(tǒng)的原子不斷從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級(jí)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)能級(jí)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程（又稱(chēng)的過(guò)程（又稱(chēng)“激發(fā)激發(fā)”、“抽運(yùn)抽運(yùn)” 或或 “泵泵浦浦”）。）。 1）光泵抽運(yùn)）光泵抽運(yùn)如紅寶石激光器如紅寶石激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)e1e2e1e218全反射鏡全反射鏡 v部分透光反射鏡部分透光反射鏡 lk

17、nlk2 對(duì)波長(zhǎng)的選擇：對(duì)波長(zhǎng)的選擇： 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 1、正反饋?zhàn)饔?、正反饋?zhàn)饔?、選膜作用、選膜作用使工作物質(zhì)處于粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，雖然可以實(shí)使工作物質(zhì)處于粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，雖然可以實(shí)現(xiàn)光放大，并不一定能獲得激光，要獲得激光，現(xiàn)光放大，并不一定能獲得激光，要獲得激光，還必須有一個(gè)光學(xué)諧振腔。還必須有一個(gè)光學(xué)諧振腔。產(chǎn)生激光的基本條件之二產(chǎn)生激光的基本條件之二第第1章章 激光焊接激光焊接 19光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔: 要有一個(gè)能使受激幅射和光放大過(guò)程持要有一個(gè)能使受激幅射和光放大過(guò)程持續(xù)的構(gòu)造：續(xù)的構(gòu)造：全反全反射鏡射鏡半反半反射鏡射鏡實(shí)物圖實(shí)物圖原理圖原理圖激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)第第1章

18、章 激光焊接激光焊接 20(1)紅寶石紅寶石激光器激光器 聚光反射器聚光反射器紅寶石棒紅寶石棒觸發(fā)電極觸發(fā)電極氙閃光燈氙閃光燈激光束激光束無(wú)輻射躍遷無(wú)輻射躍遷e!e3e2激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)泵浦泵浦550.0 nm694.3 nm激勵(lì)能源，工作物質(zhì)，諧振腔激勵(lì)能源，工作物質(zhì)，諧振腔激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)激光器基本上由三部分份組成：激光器基本上由三部分份組成：第第1章章 激光焊接激光焊接 21(2)氦氖激光器氦氖激光器 氦氖原子能級(jí)氦氖原子能級(jí) 無(wú)輻射躍遷無(wú)輻射躍遷泵浦泵浦e!e4e3激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)e2陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極毛細(xì)管毛細(xì)管部分反射鏡部分反射鏡全反射鏡全反射鏡內(nèi)腔式內(nèi)腔式球面反球面反射鏡射鏡陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗外腔式外腔式球面半球面半反射鏡反射鏡第第1章章 激光焊接激光焊接 22激光器的種類(lèi)激光器的種類(lèi)1、固體激光器：器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功、固體激光器：器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大。率大。2、氣體激光器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，操作方便，介、氣體激光器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，操作方便，介質(zhì)均勻光束質(zhì)量好且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。質(zhì)均勻光束質(zhì)量好且能