激光器的工作原理

激光器的工作原理是利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大的結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)光子和一個(gè)擁有E2能級(jí)電子的原子相互作用，產(chǎn)生一個(gè)與原光子同頻率、同相位、同傳播方向的第二個(gè)光子，同時(shí)電子從E2->E1。這個(gè)過(guò)程就是受激輻射。在激光器中，增益介質(zhì)是光子的產(chǎn)生場(chǎng)所，泵浦源實(shí)現(xiàn)光放大的能量輸入，而諧振腔則幫助激光在增益介質(zhì)中多次通過(guò)，實(shí)現(xiàn)更多的能量的提?。ǜ吡炼龋瑫r(shí)諧振腔也可以約束激光的震蕩方向（方向性好）。此外，激光器可以產(chǎn)生單?；蚨嗄＜す狻?】。在諧振腔內(nèi)，只要滿足的電磁波亥姆霍茲方程（一個(gè)描述電磁波的橢圓偏微分方程，以德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲的名字命名。其基本形式涉及到的物理量包括波數(shù)k，振幅A以及哈密頓算子?。）就可以存在，而亥姆霍茲方程的本征解【2】不止一個(gè)，這時(shí)候就會(huì)有基模（高斯光束）和高階模【3】的概念。當(dāng)激光器同時(shí)震蕩產(chǎn)生多個(gè)模式時(shí)，就稱為多模運(yùn)轉(zhuǎn)。高斯光束是激光器運(yùn)轉(zhuǎn)效率最高時(shí)的一種輸出狀態(tài)?！?】單模激光器和多模激光器的區(qū)別主要在于激光輸出模式：?jiǎn)文＜す馄鞯妮敵龉馐Ｊ街兄挥幸粋€(gè)模式，而多模激光器的輸出光束模式中有多個(gè)模式。單模激光指的是激光能量在二維平面上的單一分布模式，而多模激光指的是多個(gè)分布模式疊加在一起而形成的空間能量分布模式在焊接應(yīng)用上：如果需要深熔焊，適合使用單?；蛘呱倌＃?yàn)閱文Ｔ谄唇由钊酆?、疊焊、角焊等方面有優(yōu)勢(shì)，高能量密度更容易打出熔深。而多模則適合淺層焊接，平整度好，焊縫能量均勻，也可以避免母材熔點(diǎn)過(guò)低帶來(lái)的焊縫中心燒蝕、穿孔等質(zhì)量損失。在切割應(yīng)用上：?jiǎn)文＜す馄鞯睦w芯較細(xì)，光束質(zhì)量?jī)?yōu)于多模，能量分布呈高斯分布，中間能量密度領(lǐng)先高，三維圖是一個(gè)尖圓的山峰狀。多模激光器的纖芯相比粗一些，光束質(zhì)量相比單模要差一些，能量分布相比單模光斑平均一些，三維圖像一個(gè)倒扣的杯子。針對(duì)不同厚度的材料切割，單模和多模的優(yōu)勢(shì)各不相同。在切割薄板時(shí)，單模的切割速度比多模高20%，而在切割2mm厚的板材時(shí)，速度優(yōu)勢(shì)逐步下降，從3mm開(kāi)始，多模激光器的速度和效果的優(yōu)勢(shì)就非常明顯地體現(xiàn)出來(lái)。【2】亥姆霍茲方程是一個(gè)描述波動(dòng)現(xiàn)象的基本偏微分方程，其形式為其中φ

是電勢(shì)或磁場(chǎng)等物理量，k

是波數(shù)，?2

是拉普拉斯算子。該方程的本征解即為在特定邊界條件下滿足亥姆霍茲方程的解，通常需要結(jié)合具體的邊界條件來(lái)確定。對(duì)于無(wú)限大均勻空間中的平面波，例如電磁波，該方程的通解為正弦和余弦函數(shù)形式的波動(dòng)函數(shù)，其波數(shù)k是任意實(shí)數(shù)。對(duì)于有限空間或具有特定邊界條件的問(wèn)題，需要根據(jù)具體問(wèn)題來(lái)求解亥姆霍茲方程，以得到滿足邊界條件的本征解。常用的求解方法包括分離變量法、有限差分法、有限元法等數(shù)值方法或解析近似方法，具體應(yīng)用需要根據(jù)問(wèn)題特點(diǎn)來(lái)選擇。【3】在光學(xué)中，基模和高階模是描述光束在傳播過(guò)程中振幅和相位分布的數(shù)學(xué)模式。這些模式是在使用波函數(shù)描述光束時(shí)所采用的形狀，其中基模是最低階的模式，而高階模是更高階的模式?；＃卜Q為高斯光束或基函數(shù)，是一種描述光束的數(shù)學(xué)模式，具有最簡(jiǎn)單的振幅和相位分布。高斯光束的振幅分布呈高斯函數(shù)形式，即中心區(qū)域最大，向外逐漸減小至零。相位分布則是線性變化的，從中心向外逐漸增加?；Ｔ谠S多實(shí)際應(yīng)用中都很重要，例如在激光技術(shù)、光學(xué)通信和光學(xué)顯微鏡等領(lǐng)域。高階模是比基模更高階的模式。它們具有更為復(fù)雜的振幅和相位分布，并且具有更多的節(jié)點(diǎn)和相位跳躍。高階模在某些特定應(yīng)用中可能更為