激光基础知识.pptx

2013-05激激光光基基础础知知识识讲讲座座2013-05分3个方面1.什么是激光?2.怎么产生激光?3.激光加工的原理？2013-052013-05受激辐射的概念受激辐射的概念 处于高能级的原子，受外来光子的作用，当外来光子的频率正好与它的跃迁频率一致时，它就会从高能级跳到低能级，并发出与外来光子完全相同的另一光子。新发出的光子不仅频率与外来光子一样，而且发射方向、偏振态、位相和速率也都一样。于是，一个光子变成了两个光子。如果条件合适，光就可以象雪崩一样得到放大和加强。特别值得注意的是，这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”。2013-052013-052013-05激光产生过程以红宝石激光器为例，原子首先吸收外部注入的能量，跃迁至受激（E3）。原子处于受激态的时间非常短，大约为107秒后，它便会落到一个称为亚 稳态（E2）的中间状态。原子在亚稳态的时间很长，大约是103秒或更长的时间。原子长时间 停留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状态称就是 粒子数反转。其产生的结果就导致使通过受激辐射由亚稳回到基态（E1）的原子，比 通过受激吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证介质内的光子可以增多，从 而形成激光。这就是典型的激光三能级系统。当粒子受外界能量激励从E1到E3，由于E3能级寿命短，很快转移到上，因能级E2为亚稳态，在E2、E1间实现粒子数反转分布。由于下能级E1为基 态，通 常总是积聚着大量的粒子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以 上的基态粒子激发 到E2上，所以，外界激励就需要有相当强的能力。2013-05而我们所用的YAG激光系统属于四能级系统。如所示，能级E为 基态，E2、E3、E4为激发态。在外界激励的条件下，基态E1上的粒子大量被激发到E4上，又迅 速转移到E3上，E3能级为亚稳态，寿命较长。而E2能级寿命很短，E2上的粒子又 很快跃迁到基态E1，所以，四能级系统中，粒子数反转是在E3与E2间实现。也就是说，能实现粒子数反转的激光下能级是E2，不像三能级系统那样，为基态E1。因为 E2不是基态，所以在室温下，E2能级上的粒子数非常少。因而粒子数反转在四能级系统比三能级系统容易实现。常见激光器中，除掺钕钇铝石榴石（简Nd3+:YAG）激光 器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论 的三能级系统和四能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某 种物质只具有三个能、级或四个能级。激光产生过程2013-05激光能级2013-05激光的特性激光是一种新型光源，由于它产生于光的受激辐射的机理和光学谐振腔对光束的限制，所以激光与普通光源相比有着不同的特性。激光的三个特性：方向性好、单 色性强和相干性强。相干性强：光的相干性是指在不同时刻、不同空间点上两个光 波场的相关程度。它完全有光辐射场本身的空间方向分布特性和 频谱分布特性所决定。又分空间相干性 和时间相干性，前者是指 光源在同一时刻、不同空间、各点发出的光波相位相关联程 度，后者指光源上同一点在不同时刻发出的光波的相位关联程度。根 据激光的产生机 理，不难理解激光的相干性是优于一般光源的。2013-05激光能够做什么？激光因具有良好的单色性、相干性和极佳的方向性三大特点，特别适 用于材料加工。激光 加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出 20 多种激光加工技术。激光的空间控制性和 时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适 时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加 工技术包括：激光打标技术、激光切割技术、激光焊接技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技 术、激光热处理和表面处理技术。2013-052013-05激光器类型 对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，可以分为固体 激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同 又可分为连续激光器和脉冲 激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按 发光的频率和发光功率大小分类。其中我们固体使用的激光器就是固体激光器，通过 Q 开关调制的 准连续激光器。一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特 点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离 子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三 价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W 以上，脉冲峰值功率可达几百KW。2013-05激光加工的原理 目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热能把材料的特性改变或把物质熔融蒸发。热加工是指具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。冷加工是指具有很高负荷能量的（紫外或绿光）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，或在半导体基片上开出狭窄的槽等等。2013-05谢谢谢谢