激光加工技术课件第二章-激光原理与设备1.ppt

1、Laser Materials Processing-WCM激光产生的原理工业激光加工设备Laser Materials Processing-WCM 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、吸收、色散、散射 能量：E=h 动量:P=h/Laser M

2、aterials Processing-WCM 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-WCMLaser Materials Processing-WCM 原子能级原子能级定义：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：处于其他任何高于基态能级时的状态12380ev10.15ev12.11ev13.53evLaser Materials Processing-WCM 定义：定义：原子从一种能级状态改变到另一种能级状态 辐射跃迁辐射跃迁：吸收或辐

3、射光子而产生的能级改变，满足普朗克公式:E=hE=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 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

4、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 与外界辐射无关的平均寿命2:1/)(22121ENdtdNAspLaser Materials Processing-WCM 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：的辐射能量）附近的单位频率间隔内频率处于度（单位体积内，外来光子的单色能量密与原子性质相关爱因斯坦受激吸收系数:,:121211212/)(vBBNdtdN

5、WvstLaser Materials Processing-WCM 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：射能量）的单位频率间隔内的辐附近于（单位体积内，频率处度外来光子的单色能量密爱因斯坦受激辐射系数:2112212121212/)(vBWWBNdtdNWvstLaser Materials Processing-WCMLaser Materials Processi

6、ng-WCM 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ststKTEENNEEeNN)dtdN()dtdN(W21W121212T:K1221)12(12又：绝对温度玻耳兹曼常数，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,热热平衡状态的系统不能平衡状态的系统不能产生激光产生激光n3 n2 n1E3E2E1Laser Materials Processing-WCM 粒子集居数反转粒子集居数反转 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

7、能级的粒子经种种途径被激发到高能级E2上，从而造成E2上的粒子数多于E1上的粒子数，即：N2 N1stst)dtdN()dtdN(1221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Laser Materials Processing-WCM 增益 增益系数：通过单位距离介质光强增加的百分比 G=dI/(Idz)G与激活介质特性，外界激励能源和入射波长有

8、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-WCMI0I1I2Lr1r2初始光强：镜片反射损失系数：内部损失系数增益系数:Ir,r :G02102210112201211)(2exp)(2exp)(exp)(expLGrrIILGrrILGrIILGrIILaser Materials Processing-WCM1.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

9、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，形成稳定的输出Laser Materials Processing-WCM 光学谐振腔作用 提供光学正反馈作用 限制激光束的方向 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构成：两个腔镜构成：两个腔镜一个全反射，提供最大反馈一个全反射，提供最大反馈一个部分反射，提供部分反馈

10、和输出一个部分反射，提供部分反馈和输出 结构特点：侧边没有边界，轴向尺寸结构特点：侧边没有边界，轴向尺寸(腔长腔长)远大于波长和横向尺寸远大于波长和横向尺寸 三个参数：三个参数：R1R1、R2R2、L L 平平平平共轴球面共轴球面固体介质波导腔和气体固体介质波导腔和气体介质波导腔（半封闭）介质波导腔（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

11、定性判据：稳区图2211211 110RLgRLggg，Laser Materials Processing-WCM 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 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 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 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

12、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,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

13、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-WCMLaser Materials Processing-WCMLaser Materials Processing-WCMLaser Materials Processing-WCM 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

14、-WCM22222022022200221)(2exp()(1)()(1)(2yxrfLRRzrzIIfzzfzzLfLaser Materials Processing-WCM22)2()1()21)(2)(1(LRLRLRRLRLRLf其他稳定腔其他稳定腔,等效为一共焦腔等效为一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平均IzSPzPzIzzIrdrdzrzIrdrdIPzrzIIfzz

15、2)(2)(2)()()(2 )(2exp()()(2exp()()(1)(202020022020022020 Laser Materials Processing-WCM 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 Processing-WCM)()(1()1(1)(122220222020fFZFZFFZFfFZLaser Materials Processing-WCM02dZ)(1(d0dZ)(1d()1(2dZ)(1d(Z)120222022020200FFZFFZZ

16、F又求导：对的变化随一定，Z=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-WCMFfdzzdZFFZFZz00000)(,)(:)2lim故而时的变化和发散角随一定，Laser 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=13)()(0ZDZFLaser Materials Processing-WCM

17、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 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、医疗、照相印刷等，这类激光器在军事

18、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 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。最主要的有氟化氢（HF）和氟化氘（DF

19、）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 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，还可用于医学领域的恶性肿瘤治疗。Laser M

20、aterials Processing-WCM 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，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 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

21、。Laser Materials Processing-WCM 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 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 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