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1、Laser Materials Processing-WCM第二章第二章 激光原理与设备激光原理与设备激光产生的原理工业激光加工设备Laser Materials Processing-WCM激光的本质激光的本质本质上是一种电磁波，具有波粒二象性,是电磁波，又是光子流1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。激光在传播时表现出波动性(横波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。激光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸
2、收、色散、散射能量：E=h 动量:P=h/Laser Materials Processing-WCM激光的波长范围激光的波长范围激光的波长范围激光的波长范围激光的波长范围在红外线与射线之间工业应用激光一般在近红外波段Laser Materials Processing-WCM常见的激光波长常见的激光波长Laser Materials Processing-WCM2.1 2.1 2.1 2.1 相关的基本概念相关的基本概念相关的基本概念相关的基本概念原子能原子能级定义：原子系统所具有的一系列不连续的能量状态原子系统能量电子动能电子与原子核之间的势能基态：原子处于最低能级时的状态激发态：处于其他
3、任何高于基态能级时的状态12380ev10.15ev12.11ev13.53evLaser Materials Processing-WCM定定义：原子从一种能级状态改变到另一种能级状态辐射射跃迁迁：吸收或辐射光子而产生的能级改变，满足普朗克公式: E=h无辐射跃迁：改变能级并不吸收或辐射光子，粒子系统与能量交换以其他的方式进行，如粒子运动的动能、振动能等。分子、离子同样存在一系列不连续的能级，也能产生幅射跃迁跃迁Laser Materials Processing-WCM激发态的平均寿命激发态的平均寿命粒子在不同激发态上停留时间的平均寿命称为该激发态的平均寿命亚稳态亚稳态平均寿命相对较长的激
4、发态称之为亚稳态例如：红宝石中的Cr3+ E3 10-9s E2 10-3s Laser Materials Processing-WCM自发辐射处于高能级的粒子自发的跃迁到低能级上来，并且在跃迁过程中发出一个光子特点：纯自发过程辐射出的光子频率满足普朗克公式不同粒子跃迁时各自独立，光子互不相关自发辐射几率A21：只与原子本身性质相关与外界辐射无关Laser Materials Processing-WCM受激吸收处于低能级E1的粒子吸收能量为hv=E2-E1的外来光子而跃迁到E2上去。特点：与原子系统本身和外部辐射场(外来光子)密切有关吸收的光子频率满足普朗克公式受激吸收几率W12：Lase
5、r Materials Processing-WCM受激辐射处于高能级E2的粒子受到频率v=(E2-E1)/h的外来光子的激励，从E2跃迁到E1上去,并发出一个和外来光子完全想同的光子。特点(与自发辐射比较)：外来光子激励，自发产生产生的光子和外来光子完全一样，方向、频率、相位和偏振等光的放大效果受激辐射几率W21：Laser Materials Processing-WCM自发辐射、受激吸收和受激辐射示意图自发辐射、受激吸收和受激辐射示意图自发辐射、受激吸收和受激辐射示意图自发辐射、受激吸收和受激辐射示意图Laser Materials Processing-WCM2.2 2.2 2.2 2
6、.2 光的受激光的受激光的受激光的受激辐辐射的射的射的射的产产生和放大生和放大生和放大生和放大玻耳兹曼分布物质在热平衡状态下，各能级上的粒子数目服从玻耳兹曼分布在热平衡状态下，下在热平衡状态下，下能级上受激吸收的粒能级上受激吸收的粒子数多于上能级上受子数多于上能级上受激辐射的粒子数激辐射的粒子数,热平热平衡状态的系统不能产衡状态的系统不能产生激光生激光n3 n2 n1E3E2E1Laser Materials Processing-WCM实现光发大的条件粒子集居数反粒子集居数反转设有两个能级E2和E1的粒子系统，由于外部能源的激励而呈非平衡状态，使得处于低能级的粒子经种种途径被激发到高能级E2
7、上，从而造成E2上的粒子数多于E1上的粒子数，即：N2 N1光通过系统（激活介质）后被放大Laser Materials Processing-WCM工作物质(激活介质)的特点:处于外界能源激励的非平衡状态下能级系统的上能级中必须有亚稳态存在,以便实现粒子数反转必须是增益介质激励方法光泵浦气体放电电子束激励化学反应核泵浦等最常用：光电工作物质工作物质( (激活介质激活介质) )Laser Materials Processing-WCM激光输出的阈值条件：激光输出的阈值条件：激光输出的阈值条件：激光输出的阈值条件：增益损耗增益损耗增益增益系数：通过单位距离介质光强增加的百分比 G=dI/(Id
8、z)G与激活介质特性，外界激励能源和入射波长有关，与入射光强度无关入射光强为I0 I=I0exp(Gz)损耗衍射损失散射损失镜片反射损失Laser Materials Processing-WCMI0I1I2Lr1r2Laser Materials Processing-WCM激光的产生过程激光的产生过程激光的产生过程激光的产生过程1.工作物质被激励到非平衡态(亚稳态、粒子数反转)2.少量自发辐射产生（亚稳态E2-E1）3.自发辐射光子引发受激吸收和受激辐射，但受激辐射出的光子多于受激吸收的光子，光得到放大4.受激辐射的光子引发新的受激辐射，雪崩放大5.谐振腔的选择和抑制6.达到一定程度后，形
9、成稳定的输出Laser Materials Processing-WCM2.3 2.3 谐振腔与激光的模式振腔与激光的模式光学谐振腔作用提供光学正反馈作用限制激光束的频率纵模根据波动理论，发生相长干涉的条件：入射光和反射光同相 2（2L0）q 2 L=q 0/2决定激光的方向和空间分布规律横模LLaser Materials Processing-WCM无谐振腔时有谐振腔时Laser Materials Processing-WCM光学谐振腔的结构与分类光学谐振腔的结构与分类构成：两个腔构成：两个腔镜一个全反射，提供最大反一个全反射，提供最大反馈一个部分反射，提供部分反一个部分反射，提供部分反
10、馈和和输出出结构特点：构特点：侧边没有没有边界，界，轴向尺寸向尺寸(腔腔长)远大于波大于波长和横向尺寸和横向尺寸三个参数：三个参数：R1R1、R2R2、L L平平平平共共轴球面球面固体介固体介质波波导腔和气体腔和气体介介质波波导腔（半封腔（半封闭）Laser Materials Processing-WCM平行平面镜腔双凹球面镜腔平面凹面镜腔特殊腔：双凸腔平凸腔凹凸腔等谐振腔常见的结构形式谐振腔常见的结构形式Laser Materials Processing-WCM傍轴光线能否在腔内往返无限多次而不从横向逸出，表示腔的损耗大小，“低损耗腔”，“高损耗腔”稳定性判据：稳区图谐振腔的稳定性（几何
11、稳定性）Laser Materials Processing-WCM稳定腔：稳定腔：稳定腔：稳定腔：0g0g0g0g1 1 1 1g g g g2 2 2 21111特点：不逸出、损耗小应用：固体和中小功率CO2几种稳定腔Laser Materials Processing-WCM非稳定腔：非稳定腔：非稳定腔：非稳定腔：g g g g1 1 1 1g g g g2 2 2 20001111特点：与光轴重合的光线不逸出，其他方向全部逸出、损耗大应用：大功率CO2非稳定腔Laser Materials Processing-WCM临界腔：临界腔：临界腔：临界腔：g g g g1 1 1 1g g
12、g g2 2 2 2=0=0=0=0或或或或g g g g1 1 1 1g g g g2 2 2 2=1=1=1=1特点：介于稳定腔和非稳腔之间应用：研究和使用方面均有价值临界腔Laser Materials Processing-WCM激光的模式（谐振腔的模式）激光的模式（谐振腔的模式）激光的模式（谐振腔的模式）激光的模式（谐振腔的模式）经典电磁场理论:在一特定空间的限制下,电磁场只能以一系列分立的本征态存在,通常将腔内可能存在的电磁场本征态称为腔的模式从光子的观点来看:腔的模式也就是腔内可区分的光子状态,同一模式的光子具有完全相同的状态激光是一种电磁波,在谐振腔中也只能以一系列的本征态出现
13、,腔中每一个激光分立的本征态就是一个模式模式包括横模和纵模Laser Materials Processing-WCM纵模纵模:描述频率特性及光束场强在纵向(光轴方向)的分布G/l腔内真正能形成振荡的阈值条件:G=/l平行平面腔平行平面腔Laser Materials Processing-WCM描述激光场强在横向描述激光场强在横向( (光轴横截面光轴横截面) )上的分布特征上的分布特征TEMmn (Transverse Electromagnetic Wave)m m、n n：两个垂直方向出现暗线的次数：两个垂直方向出现暗线的次数横模对激光热加工有重要意义横模对激光热加工有重要意义,反映反映
14、了能量在光束横截面上的集中程度了能量在光束横截面上的集中程度横模通常简称模式横模通常简称模式横模横模Laser Materials Processing-WCMTEM00:基模,能量密度最集中的模式(z) 光斑半径， 0 高斯光束的束腰Laser Materials Processing-WCM低阶模低阶模Laser Materials Processing-WCM几种低阶模光斑能量分布实测图几种低阶模光斑能量分布实测图Laser Materials Processing-WCM几种高阶模几种高阶模Laser Materials Processing-WCM两种典型高阶模能量分布两种典型高阶模
15、能量分布TEM03TEM22Laser Materials Processing-WCM2.4 2.4 2.4 2.4 高斯光束及其高斯光束及其高斯光束及其高斯光束及其传传播播播播Laser Materials Processing-WCM高斯光束及其高斯光束及其高斯光束及其高斯光束及其传传播播播播共焦腔的高斯光束(基模)非均匀的，曲率半径不断改变的球面波在光轴横截面光强呈高斯分布实心圆光斑光斑半径：光强降为中心强度的1e2时的半径Laser Materials Processing-WCMLaser Materials Processing-WCM其他稳定腔其他稳定腔,等效为一共焦腔等效为一
16、共焦腔高阶模的光束半径:光强下降到最外面一个 极大值的1/e2时的半径Laser Materials Processing-WCM高斯光束在自由空间的传播高斯光束在自由空间的传播Laser Materials Processing-WCM高斯光束在自由空间的传播高斯光束在自由空间的传播已知束腰半径w0，可求出任一点z处的光斑直径及其横截面上的光强分布Laser Materials Processing-WCM高斯光束的反射与聚焦反射：只改变传播方向，不改变光束半径的大小和光强分布聚焦：高斯光束经薄透镜聚焦后，仍为高斯光束获得更小的光斑和更高的功率密度Laser Materials Proces
17、sing-WCM高斯光束的聚焦Laser Materials Processing-WCMZ=F,有最大值有最大值ZF，随，随Z增加而减小增加而减小Laser Materials Processing-WCMLaser Materials Processing-WCM3)激光束聚焦后的最小光斑激光束聚焦后的最小光斑ZFZF的情况下，基模，的情况下，基模，D D3w(Z)3w(Z)时，可以收集时，可以收集9999的能量，的能量， D=3w(Z)D=3w(Z)工艺原因：工艺原因：F/D=1F/D=1Laser Materials Processing-WCM各类激光器简介各类激光器简介各类激光器简
18、介各类激光器简介激光器运行状态泵浦方式工作物质连续脉冲电泵浦光泵浦化学能核能气体固体液体半导体Laser Materials Processing-WCM气体激光器气体激光器气体为工作物质气体可以是纯气体、混合气体、分子气体、离子气体以及金属蒸汽等多数采用高压放电方式泵浦 He-Ne激光器是最早出现的气体激光器氩离子激光器二氧化碳激光器、氦-镉激光器铜蒸气激光器 Laser Materials Processing-WCM准分子激光器工作物质由惰性气体（Ne,Kr,Ar等）和卤族元素（F,Cl,Br等）组成，激发后形成两种元素的化合物而发出激光。这类激光器于70年代中期问世主要用于材料加工、医
19、疗、照相印刷等，这类激光器在军事领域有良好的应用前景，曾被定为美国“星球大战计划”的候选高能激光武器 Laser Materials Processing-WCM 激光种类激光特性ArFKrFXeClXeF波长（纳米）193249308350脉冲能量（毫焦）400550200275脉冲重复率（赫）90100160100平均功率（瓦）30453020脉冲宽度（纳秒）1012815Laser Materials Processing-WCM化学激光器特殊的气体激光器,分子跃迁方式工作其泵浦源为化学反应所释放的能量。脉冲化学激光器于1965年问世，连续器件于四年后问世。典型波长:近红外到中红外谱区。
20、最主要的有氟化氢（HF）和氟化氘（DF）两种装置。前者在2.63.3微米之间输出15条以上的谱线,后者约有25条谱线处于3.54.2微米之间。 可以获得非常高的连续功率输出-数兆瓦，其潜在的军事应用很快引起人们的的兴趣。Laser Materials Processing-WCM液体激光器最常用的液体激光器是以有机溶液为工作物质的染料激光器。1966年，IBM公司的科学家Peter Solokin 和John Lankard发现了有机燃料溶液产生激光的关键机制最主要特点是工作波长可以调谐，应用于要求窄带可调谐或超快光脉冲的场合，如同位素分离光谱学、半导体以及其他固体材料激发动态力学特性的研究，
21、还可用于医学领域的恶性肿瘤治疗。Laser Materials Processing-WCM固体激光器固态基质中掺入少量激活元素为工作物质红宝石激光器是最早发明的激光器YAG激光器是目前应用的最广泛的固体激光器之一光纤激光器是近年来发展十分迅猛的一种激光器主要用于各种材料的加工，在医学和军事上也有较好的应用 Laser Materials Processing-WCM固体可调谐激光器特殊的固体激光器，输出波长在一定范围内可调最早的固体可调谐激光器由贝尔实验室的Johnson及其合作者与1963年发明，所用的工作物质为掺镍氟化镁。1979年Walling发明的翠绿宝石激光器是一种早期有较高实用价
22、值的装置，主要用于肿瘤去除1982年Moulton发明的掺钛蓝宝石激光器在军事应用领域有较好应用前景。 Laser Materials Processing-WCM半导体激光器半导体激光器以材料的p-n节特性为基础，外观与晶体二极管类似最早的半导体激光器由通用电气公司的哈尔（Hall）研制成功，当时只能在低温下工作，过了8年贝尔实验室研制成功可在室温下工作的连续器件。这类激光器在光纤通讯、激光唱机等领域应用前景广阔 Laser Materials Processing-WCM二极管泵浦固体激光器以半导体激光二极管为泵浦源的固体激光器最大优点是可以得到非常高的能量转换效率和好的光束质量，是当前固体领域重点研究方向 Laser Materials Processing-WCM自由电子激光器被电场加速的高能电子通过极性交替变换的磁场结构时发生振荡并产生激光辐射辐射的波长可以从远紫外到毫米波段自由调谐目前仍处于研究和发展阶段在生物医学和光化学作用、激光同位素分离、材料加工及固体物理研究等领域有重要应用前景，并极有可能被用作高能激光武器
