現(xiàn)代激光焊接技術(shù)-原理和應(yīng)用

現(xiàn)代激光焊接技術(shù)

——基本原理和應(yīng)用授課教師：李遠(yuǎn)星聯(lián)系方式一章激光產(chǎn)生原理●激光又名“鐳射”，全稱為“通過受激輻射實(shí)現(xiàn)光的放大”（Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）●激光基本原理：1916年愛因斯坦提出的受激輻射理論激光簡史1951年，美國物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國物理學(xué)家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)家馬索夫和普羅霍洛夫先后提原子和分子的受激輻射原理來產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)1954年，湯斯終于制成了第一臺(tái)氨分子束微波激射器，成功地開創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。湯斯等人研制的微波激射器只產(chǎn)生了1.25厘米波長的微波，功率很小。1958年，湯斯與姐夫阿瑟·肖洛將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的理論知識(shí)結(jié)合起來，提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并預(yù)防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。1960年:梅曼（T.MAIMAN)第一臺(tái)紅寶石激光器;1961年:德諾凡(俄)第一臺(tái)氣體激光器(He-Ne);1962年:第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器;1964年:帕特爾(C.Patel)第一臺(tái)CO2激光器;1965年:貝爾實(shí)驗(yàn)室第一臺(tái)YAG激光器;1971年:第一臺(tái)商用1kW的CO2激光器;1971~1980年:開展激光切割、焊接、表面處理等激光加工技術(shù)的研究與開發(fā)。

激光簡史§1.1光和物質(zhì)的相互作用原理按照丹麥物理學(xué)家玻爾提出的氫原子理論，原子系統(tǒng)是由一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)構(gòu)成，即能級(jí)。而當(dāng)原子系統(tǒng)和光相互作用時(shí)，存在有：自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射3種現(xiàn)象。而激光的產(chǎn)生包括以上3種現(xiàn)象。E1E2E3E4E5Enn=1n=2n=3n=4n=5能級(jí)系統(tǒng)示意圖一、自發(fā)輻射（SpontaneousRadiation）E2E1特點(diǎn)：⑴一種純自發(fā)產(chǎn)生的過程；⑵輻射光子頻率符合普朗克公式；⑶自發(fā)輻射的光子是不相關(guān)的，即雖然頻率相同，但是相位、方向、偏振不同；注：自然界中，常見的許多光源，如日光、燈光等都是粒子系統(tǒng)自發(fā)輻射的結(jié)果二、受激吸收（StimulatedAbsorption）E2E1受激吸收指的是處于較低能級(jí)上的粒子受到外來光子的激勵(lì)而從較低能級(jí)向較高能級(jí)躍遷的一個(gè)過程。注：受激吸收不僅與粒子系統(tǒng)本身有關(guān)，而且與外來光子有關(guān)，外來光子越多，受激吸收越多。三、受激輻射（StimulatedRadiation）E2E1受激輻射是受激吸收的逆過程。指的是處于較高能級(jí)上的粒子受到外來光子的激勵(lì)，便從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)向外輻射一個(gè)與外來光子完全相同的光子，這樣的過程稱之為受激輻射。注：這里的完全相同不僅是頻率相同，而且相位、偏振、方向也相同。具有光放大作用。值得說明的是，受激吸收和受激輻射理論由愛因斯坦于1916年提出。而受激輻射理論為上世紀(jì)60年代初從實(shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。因此，沒有理論家，實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決；沒有實(shí)驗(yàn)家，理論家則會(huì)迷失方向。四、受激輻射和自發(fā)輻射比較通過以上分析可以得出，受激輻射和自發(fā)輻射雖然都能發(fā)出光子，但是其物理本質(zhì)不一樣。受激輻射是外來光子引起的，而自發(fā)輻射卻是自發(fā)產(chǎn)生的；受激輻射所產(chǎn)生的光子和外來光子完全一樣，即光子的方向、頻率、相位以及偏振方向都一樣，而自發(fā)輻射不具備這些特性。從效果上看，受激輻射相當(dāng)于加強(qiáng)了外來激勵(lì)光子，即具有光放大作用，因此受激輻射是產(chǎn)生激光的主要物理基礎(chǔ)。§1.2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（PopulationInversion）◆愛因斯坦的受激輻射理論誕生于1916年；◆世界上首臺(tái)激光器誕生于1960年；相隔44年，為什么？這主要是普通光源的粒子中，產(chǎn)生受激輻射的粒子少?。?！如何解決呢？？？一、平衡態(tài)原子系統(tǒng)描述⑴處于平衡態(tài)的原子系統(tǒng)，各能級(jí)上的粒子服從玻爾茲曼分布。即，能級(jí)的能量越高，其上面的粒子就越少。⑵由于受激輻射幾率和受激吸收幾率相同，因此當(dāng)外來光子作用于粒子系統(tǒng)時(shí)，從總體上講，受激吸收幾率高于受激輻射幾率。因此，外來光子得不到光放大。⑶通常只能看到原子系統(tǒng)的吸收現(xiàn)象（光減弱），看不到受激輻射現(xiàn)象（光增強(qiáng)）。結(jié)論：平衡態(tài)的粒子系統(tǒng)是不能產(chǎn)生激光的。要使受激輻射超過受激吸收，必須使系統(tǒng)處于高能態(tài)的粒子數(shù)（N2）多于低能態(tài)的粒子數(shù)（N1），即N2>N1。而這種分布稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。二、如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)◆光泵浦◆氣體放電激勵(lì)◆化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)◆氣體動(dòng)力激勵(lì)◆電子束激勵(lì)◆核泵注：其中最常用的是光泵浦和電激勵(lì)。概念：1.激活介質(zhì)：指的是經(jīng)過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后的介質(zhì)，又稱為激光工作物質(zhì)；2.泵浦源：又稱為激勵(lì)源，目的是使得激光工作物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)；3.要形成激光，除了以上二者外，還需一個(gè)條件，即正反饋系統(tǒng)條件。這樣，受激輻射光子可以多次輻射激光工作物質(zhì)。實(shí)際系統(tǒng)中起該作用的是光學(xué)諧振腔；泵浦：使工作物質(zhì)在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程稱為泵浦或抽運(yùn)。方式：光泵浦（YAG）、電泵浦（CO2）、化學(xué)能泵浦或核能泵浦（染料激光器）激光的形成過程

工作物質(zhì)激勵(lì)、受激輻射自激振蕩增益外界能量注入（泵浦）光學(xué)諧振腔

激勵(lì)源激活介質(zhì)諧振腔全反射鏡部分反射鏡(99)§1.3激光器的構(gòu)成和激光的形成實(shí)用激光中，主要構(gòu)件情況大體如下：1.激光工作物質(zhì)：必須是一個(gè)具有若干能級(jí)的粒子系統(tǒng)并具備亞穩(wěn)能級(jí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和受激輻射成為可能?？梢允菤怏w、液體、固體或半導(dǎo)體。現(xiàn)已有工作物質(zhì)近千種，可以產(chǎn)生波長從紫外到遠(yuǎn)紅外波段；2.激勵(lì)源（泵浦源）：由它給激光工作物質(zhì)提供能量，使之處于非平衡狀態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；常用激光器中，CO2激光器采用電激勵(lì)，Nd:YAG激光器采用光泵浦；3.光學(xué)諧振腔：通常以兩個(gè)反射鏡構(gòu)成。它的主要作用主要有三個(gè)：第一，提供正反饋，使光放大能在腔中穩(wěn)定地振蕩，為產(chǎn)生大量同態(tài)受激輻射光子提供保證；第二，將腔內(nèi)的一部分激光耦合輸出；第三，保證激光的單色性和方向性，即選模；4.電源：為激勵(lì)源提供能量；5.控制和冷卻系統(tǒng)：保證激光器能夠穩(wěn)定、正常和可靠地工作；6.聚光器：為固體激光器所特有，提高泵浦光的利用率。E2E1n2n1§1.4激光束的主要特性普通光源發(fā)出的光是向各個(gè)方向輻射并隨著傳播距離的增加而衰減。主要原因是這些光源發(fā)的光是組成光源的大量分子或原子在自發(fā)輻射過程中“各自為政”輻射光子。激光是入射光子經(jīng)受激輻射過程被放大。由于激光產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光不同，這就使激光具有不同于普通光的一系列性質(zhì)。1.單色性好光的顏色取決于光的波長，通常把亮度為最大亮度一半的兩個(gè)波長間的寬度定義為這條光譜線的寬度，譜線寬度越小，光的單色性越好。可見光部分的顏色有七色，每種顏色的譜線寬度為40-50nm，激光的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通光源，如氦-氖激光器輸出的紅色激光譜線寬度只有10-8nm。激光良好的單色性使激光在測(cè)量上優(yōu)勢(shì)極為明顯。2.方向性好、亮度高從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度稱為方向性。由于諧振腔對(duì)光束方向的選擇作用，激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等于10-3～10-5rad。良好的方向性使激光是射得最遠(yuǎn)的光，應(yīng)用于測(cè)距、通訊、定位方面。激光方向性好帶來的直接結(jié)果，就是光源的亮度高。激光的高亮度在激光切割、手術(shù)、軍