材料激光加工技術(shù)：第二章 激光原理與設(shè)備1-3h

1、第二章 激光原理與設(shè)備激光產(chǎn)生的原理工業(yè)激光加工設(shè)備激光的本質(zhì)本質(zhì)上是一種電磁波，具有波粒二象性,是電磁波，又是光子流1860年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是電磁波的理論。激光在傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性(橫波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。1900年,普朗克（Max.Planck)提出了輻射的量子論，1905年，愛(ài)因斯坦（Albert.Einstein)將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。激光與物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光的發(fā)射、吸收、色散、散射能量：E=h 動(dòng)量:P=h/激光的波長(zhǎng)范圍激光的波長(zhǎng)范圍在紅外線(xiàn)與射線(xiàn)之間工業(yè)應(yīng)用激光一般在近紅外波段常見(jiàn)的激光波長(zhǎng)2.1 相關(guān)的基本概

2、念原子能級(jí)定義：原子系統(tǒng)所具有的一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)原子系統(tǒng)能量電子動(dòng)能電子與原子核之間的勢(shì)能基態(tài)：原子處于最低能級(jí)時(shí)的狀態(tài)激發(fā)態(tài)：處于其他任何高于基態(tài)能級(jí)時(shí)的狀態(tài)12380ev10.15ev12.11ev13.53ev定義：原子從一種能級(jí)狀態(tài)改變到另一種能級(jí)狀態(tài)輻射躍遷：吸收或輻射光子而產(chǎn)生的能級(jí)改變，滿(mǎn)足普朗克公式: E=h無(wú)輻射躍遷：改變能級(jí)并不吸收或輻射光子，粒子系統(tǒng)與能量交換以其他的方式進(jìn)行，如粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、振動(dòng)能等。分子、離子同樣存在一系列不連續(xù)的能級(jí)，也能產(chǎn)生幅射躍遷躍遷激發(fā)態(tài)的平均壽命粒子在不同激發(fā)態(tài)上停留時(shí)間的平均壽命稱(chēng)為該激發(fā)態(tài)的平均壽命亞穩(wěn)態(tài)平均壽命相對(duì)較長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)稱(chēng)

3、之為亞穩(wěn)態(tài)例如：紅寶石中的Cr3+ E3 10-9s E2 10-3s 自發(fā)輻射處于高能級(jí)的粒子自發(fā)的躍遷到低能級(jí)上來(lái)，并且在躍遷過(guò)程中發(fā)出一個(gè)光子特點(diǎn)：純自發(fā)過(guò)程輻射出的光子頻率滿(mǎn)足普朗克公式不同粒子躍遷時(shí)各自獨(dú)立，光子互不相關(guān)自發(fā)輻射幾率A21：只與原子本身性質(zhì)相關(guān)與外界輻射無(wú)關(guān)受激吸收處于低能級(jí)E1的粒子吸收能量為hv=E2-E1的外來(lái)光子而躍遷到E2上去。特點(diǎn)：與原子系統(tǒng)本身和外部輻射場(chǎng)(外來(lái)光子)密切有關(guān)吸收的光子頻率滿(mǎn)足普朗克公式受激吸收幾率W12：受激輻射處于高能級(jí)E2的粒子受到頻率v=(E2-E1)/h的外來(lái)光子的激勵(lì)，從E2躍遷到E1上去,并發(fā)出一個(gè)和外來(lái)光子完全想同的光子。

4、特點(diǎn)(與自發(fā)輻射比較)：外來(lái)光子激勵(lì)，自發(fā)產(chǎn)生產(chǎn)生的光子和外來(lái)光子完全一樣，方向、頻率、相位和偏振等光的放大效果受激輻射幾率W21：自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射示意圖2.2 光的受激輻射的產(chǎn)生和放大玻耳茲曼分布物質(zhì)在熱平衡狀態(tài)下，各能級(jí)上的粒子數(shù)目服從玻耳茲曼分布在熱平衡狀態(tài)下，下能級(jí)上受激吸收的粒子數(shù)多于上能級(jí)上受激輻射的粒子數(shù),熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)不能產(chǎn)生激光n3 n2 n1E3E2E1實(shí)現(xiàn)光發(fā)大的條件粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)設(shè)有兩個(gè)能級(jí)E2和E1的粒子系統(tǒng)，由于外部能源的激勵(lì)而呈非平衡狀態(tài)，使得處于低能級(jí)的粒子經(jīng)種種途徑被激發(fā)到高能級(jí)E2上，從而造成E2上的粒子數(shù)多于E1上的粒子數(shù)，即：N2 N1光通

5、過(guò)系統(tǒng)（激活介質(zhì)）后被放大工作物質(zhì)(激活介質(zhì))的特點(diǎn):處于外界能源激勵(lì)的非平衡狀態(tài)下能級(jí)系統(tǒng)的上能級(jí)中必須有亞穩(wěn)態(tài)存在,以便實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須是增益介質(zhì)激勵(lì)方法光泵浦氣體放電電子束激勵(lì)化學(xué)反應(yīng)核泵浦等最常用：光電工作物質(zhì)(激活介質(zhì))激光輸出的閾值條件：增益損耗增益增益系數(shù)：通過(guò)單位距離介質(zhì)光強(qiáng)增加的百分比 G=dI/(Idz)G與激活介質(zhì)特性，外界激勵(lì)能源和入射波長(zhǎng)有關(guān)，與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)入射光強(qiáng)為I0 I=I0exp(Gz)損耗衍射損失散射損失鏡片反射損失I0I1I2Lr1r2激光的產(chǎn)生過(guò)程工作物質(zhì)被激勵(lì)到非平衡態(tài)(亞穩(wěn)態(tài)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn))少量自發(fā)輻射產(chǎn)生（亞穩(wěn)態(tài)E2-E1）自發(fā)輻射光子引發(fā)受激吸

6、收和受激輻射，但受激輻射出的光子多于受激吸收的光子，光得到放大受激輻射的光子引發(fā)新的受激輻射，雪崩放大諧振腔的選擇和抑制達(dá)到一定程度后，形成穩(wěn)定的輸出2.3 諧振腔與激光的模式光學(xué)諧振腔作用提供光學(xué)正反饋?zhàn)饔孟拗萍す馐念l率縱模根據(jù)波動(dòng)理論，發(fā)生相長(zhǎng)干涉的條件：入射光和反射光同相 2（2L0）q 2 L=q 0/2決定激光的方向和空間分布規(guī)律橫模L無(wú)諧振腔時(shí)有諧振腔時(shí)光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)構(gòu)成：兩個(gè)腔鏡一個(gè)全反射，提供最大反饋一個(gè)部分反射，提供部分反饋和輸出結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：側(cè)邊沒(méi)有邊界，軸向尺寸(腔長(zhǎng))遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)和橫向尺寸三個(gè)參數(shù)：R1、R2、L平平共軸球面固體介質(zhì)波導(dǎo)腔和氣體介質(zhì)波導(dǎo)腔（半封閉）平

7、行平面鏡腔雙凹球面鏡腔平面凹面鏡腔特殊腔：雙凸腔平凸腔凹凸腔等諧振腔常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式傍軸光線(xiàn)能否在腔內(nèi)往返無(wú)限多次而不從橫向逸出，表示腔的損耗大小，“低損耗腔”，“高損耗腔”穩(wěn)定性判據(jù)：穩(wěn)區(qū)圖諧振腔的穩(wěn)定性（幾何穩(wěn)定性）穩(wěn)定腔：0g1g21特點(diǎn)：不逸出、損耗小應(yīng)用：固體和中小功率CO2幾種穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔：g1g21特點(diǎn)：與光軸重合的光線(xiàn)不逸出，其他方向全部逸出、損耗大應(yīng)用：大功率CO2非穩(wěn)定腔臨界腔：g1g2=0或g1g2=1特點(diǎn)：介于穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔之間應(yīng)用：研究和使用方面均有價(jià)值臨界腔激光的模式（諧振腔的模式）經(jīng)典電磁場(chǎng)理論:在一特定空間的限制下,電磁場(chǎng)只能以一系列分立的本征態(tài)存在,通常將腔內(nèi)

8、可能存在的電磁場(chǎng)本征態(tài)稱(chēng)為腔的模式從光子的觀點(diǎn)來(lái)看:腔的模式也就是腔內(nèi)可區(qū)分的光子狀態(tài),同一模式的光子具有完全相同的狀態(tài)激光是一種電磁波,在諧振腔中也只能以一系列的本征態(tài)出現(xiàn),腔中每一個(gè)激光分立的本征態(tài)就是一個(gè)模式模式包括橫模和縱?？v模:描述頻率特性及光束場(chǎng)強(qiáng)在縱向(光軸方向)的分布G/l腔內(nèi)真正能形成振蕩的閾值條件:G=/l平行平面腔描述激光場(chǎng)強(qiáng)在橫向(光軸橫截面)上的分布特征TEMmn (Transverse Electromagnetic Wave)m、n：兩個(gè)垂直方向出現(xiàn)暗線(xiàn)的次數(shù)橫模對(duì)激光熱加工有重要意義,反映了能量在光束橫截面上的集中程度橫模通常簡(jiǎn)稱(chēng)模式橫模TEM00:基模,能量密

9、度最集中的模式(z) 光斑半徑， 0 高斯光束的束腰低階模幾種低階模光斑能量分布實(shí)測(cè)圖幾種高階模兩種典型高階模能量分布TEM03TEM222.4 高斯光束及其傳播高斯光束及其傳播共焦腔的高斯光束(基模)非均勻的，曲率半徑不斷改變的球面波在光軸橫截面光強(qiáng)呈高斯分布實(shí)心圓光斑光斑半徑：光強(qiáng)降為中心強(qiáng)度的1e2時(shí)的半徑其他穩(wěn)定腔,等效為一共焦腔高階模的光束半徑:光強(qiáng)下降到最外面一個(gè) 極大值的1/e2時(shí)的半徑高斯光束在自由空間的傳播高斯光束在自由空間的傳播已知束腰半徑w0，可求出任一點(diǎn)z處的光斑直徑及其橫截面上的光強(qiáng)分布高斯光束的反射與聚焦反射：只改變傳播方向，不改變光束半徑的大小和光強(qiáng)分布聚焦：高斯

10、光束經(jīng)薄透鏡聚焦后，仍為高斯光束獲得更小的光斑和更高的功率密度高斯光束的聚焦Z=F,有最大值ZF，隨Z增加而減小3)激光束聚焦后的最小光斑ZF的情況下，基模，D3w(Z)時(shí)，可以收集99的能量， D=3w(Z)工藝原因：F/D=1各類(lèi)激光器簡(jiǎn)介氣體激光器氣體為工作物質(zhì)氣體可以是純氣體、混合氣體、分子氣體、離子氣體以及金屬蒸汽等多數(shù)采用高壓放電方式泵浦 He-Ne激光器是最早出現(xiàn)的氣體激光器氬離子激光器二氧化碳激光器、氦-鎘激光器銅蒸氣激光器 準(zhǔn)分子激光器工作物質(zhì)由惰性氣體（Ne,Kr,Ar等）和鹵族元素（F,Cl,Br等）組成，激發(fā)后形成兩種元素的化合物而發(fā)出激光。這類(lèi)激光器于70年代中期問(wèn)世

11、主要用于材料加工、醫(yī)療、照相印刷等，這類(lèi)激光器在軍事領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，曾被定為美國(guó)“星球大戰(zhàn)計(jì)劃”的候選高能激光武器 激光種類(lèi)激光特性ArFKrFXeClXeF波長(zhǎng)（納米）193249308350脈沖能量（毫焦）400550200275脈沖重復(fù)率（赫）90100160100平均功率（瓦）30453020脈沖寬度（納秒）1012815化學(xué)激光器特殊的氣體激光器,分子躍遷方式工作其泵浦源為化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量。脈沖化學(xué)激光器于1965年問(wèn)世，連續(xù)器件于四年后問(wèn)世。典型波長(zhǎng):近紅外到中紅外譜區(qū)。最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩種裝置。前者在2.63.3微米之間輸出15條以上的譜線(xiàn),后者

12、約有25條譜線(xiàn)處于3.54.2微米之間。 可以獲得非常高的連續(xù)功率輸出-數(shù)兆瓦，其潛在的軍事應(yīng)用很快引起人們的的興趣。液體激光器最常用的液體激光器是以有機(jī)溶液為工作物質(zhì)的染料激光器。1966年，IBM公司的科學(xué)家Peter Solokin 和John Lankard發(fā)現(xiàn)了有機(jī)燃料溶液產(chǎn)生激光的關(guān)鍵機(jī)制最主要特點(diǎn)是工作波長(zhǎng)可以調(diào)諧，應(yīng)用于要求窄帶可調(diào)諧或超快光脈沖的場(chǎng)合，如同位素分離光譜學(xué)、半導(dǎo)體以及其他固體材料激發(fā)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究，還可用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的惡性腫瘤治療。固體激光器固態(tài)基質(zhì)中摻入少量激活元素為工作物質(zhì)紅寶石激光器是最早發(fā)明的激光器YAG激光器是目前應(yīng)用的最廣泛的固體激光器之一光纖激光

13、器是近年來(lái)發(fā)展十分迅猛的一種激光器主要用于各種材料的加工，在醫(yī)學(xué)和軍事上也有較好的應(yīng)用 固體可調(diào)諧激光器特殊的固體激光器，輸出波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)可調(diào)最早的固體可調(diào)諧激光器由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Johnson及其合作者與1963年發(fā)明，所用的工作物質(zhì)為摻鎳氟化鎂。1979年Walling發(fā)明的翠綠寶石激光器是一種早期有較高實(shí)用價(jià)值的裝置，主要用于腫瘤去除1982年Moulton發(fā)明的摻鈦藍(lán)寶石激光器在軍事應(yīng)用領(lǐng)域有較好應(yīng)用前景。 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器以材料的p-n節(jié)特性為基礎(chǔ)，外觀與晶體二極管類(lèi)似最早的半導(dǎo)體激光器由通用電氣公司的哈爾（Hall）研制成功，當(dāng)時(shí)只能在低溫下工作，過(guò)了8年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功可在室溫下工作的連續(xù)器件。這類(lèi)激光器在光纖通訊、激光唱機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)