激光基礎(chǔ)培訓(xùn)

激光基礎(chǔ)知識(shí)講座激光技術(shù)應(yīng)用講座1/161.什么是激光?2.怎么產(chǎn)生激光?3.激光加工原理？2/163/164/16受激輻射概念

處于高能級(jí)原子，受外來光子作用，當(dāng)外來光子頻率正好與它躍遷頻率一致時(shí)，它就會(huì)從高能級(jí)跳到低能級(jí)，并發(fā)出與外來光子完全相同另一光子。新發(fā)出光子不但頻率與外來光子同樣，并且發(fā)射方向、偏振態(tài)、位相和速率也都同樣。于是，一種光子變成了兩個(gè)光子。假如條件合適，光就能夠象雪崩同樣得到放大和加強(qiáng)。尤其值得注意是，這樣放大光是一般自然條件下得不到“相干光”。

5/166/167/16激光產(chǎn)生過程以紅寶石激光器為例，原子首先吸取外部注入能量，躍遷至受激（E3）。原子處于受激態(tài)時(shí)間非常短，大約為10－7秒后，它便會(huì)落到一種稱為亞

穩(wěn)態(tài)（E2）中間狀態(tài)。原子在亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間很長，大約是10－3秒或更長時(shí)間。原子長時(shí)間停留在亞穩(wěn)態(tài)，造成在亞穩(wěn)態(tài)原子數(shù)目多于在基態(tài)原子數(shù)目，此時(shí)狀態(tài)稱就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生成果就造成使通過受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）原子，比通過受激吸取由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)原子為多，從而確保介質(zhì)內(nèi)光子能夠增多，從而形成激光。這就是典型激光三能級(jí)系統(tǒng)。當(dāng)粒子受外界能量鼓勵(lì)從E1到E3，由于E3能級(jí)壽命短，很快轉(zhuǎn)移到上，因能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于下能級(jí)E1為基

態(tài)，通常總是積聚著大量粒子，因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以

上基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，因此，外界鼓勵(lì)就需要有相稱強(qiáng)能力。

8/16而我們所用YAG激光系統(tǒng)屬于四能級(jí)系統(tǒng)。如所示，能級(jí)E為基態(tài)，E2、E3、E4為激發(fā)態(tài)。在外界鼓勵(lì)條件下，基態(tài)E1上粒子大量被激發(fā)到E4上，又迅速轉(zhuǎn)移到E3上，E3能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長。而E2能級(jí)壽命很短，E2上粒子又很快躍遷到基態(tài)E1，因此，四能級(jí)系統(tǒng)中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在E3與E2間實(shí)現(xiàn)。也就是說，能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光下能級(jí)是E2，不像三能級(jí)系統(tǒng)那樣，為基態(tài)E1。由于E2不是基態(tài)，因此在室溫下，E2能級(jí)上粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。常見激光器中，除摻釹釔鋁石榴石（簡Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級(jí)系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)都是對(duì)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)能級(jí)而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個(gè)能、級(jí)或四個(gè)能級(jí)。激光產(chǎn)生過程9/16激光能級(jí)10/16激光特性激光是一種新型光源，由于它產(chǎn)生于光受激輻射機(jī)理和光學(xué)諧振腔對(duì)光束限制，因此激光與一般光源相比有著不一樣特性。激光三個(gè)特性：方向性好、單色性強(qiáng)和相干性強(qiáng)。

相干性強(qiáng)：光相干性是指在不一樣步刻、不一樣空間點(diǎn)上兩個(gè)光波場有關(guān)程度。它完全有光輻射場本身空間方向分布特性和頻譜分布特性所決定。又分空間相干性和時(shí)間相干性，前者是指光源在同一時(shí)刻、不一樣空間、各點(diǎn)發(fā)出光波相位有關(guān)聯(lián)程度，后者指光源上同一點(diǎn)在不一樣步刻發(fā)出光波相位關(guān)聯(lián)程度。根據(jù)激光產(chǎn)生機(jī)理，不難理解激光相干性是優(yōu)于一般光源。

11/16激光能夠做什么？激光因具有良好單色性、相干性和極佳方向性三大特點(diǎn)，尤其適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前程領(lǐng)域，目前已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光空間控制性和時(shí)間控制性較好，對(duì)加工對(duì)象材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境自由度都很大，尤其適用于自動(dòng)化加工。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可組成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已成為公司實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本加工生產(chǎn)開辟了廣闊前景。目前已成熟激光加工技術(shù)包括：激光打標(biāo)技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光迅速成形技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存放技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。

12/16激光器類型對(duì)激光器有不一樣分類辦法，一般按工作介質(zhì)不一樣來分類，能夠分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式不一樣又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光峰值功率能夠非常大，還能夠按發(fā)光頻率和發(fā)光功率大小分類。

其中我們固體使用激光器就是固體激光器，通過Q開關(guān)調(diào)制準(zhǔn)連續(xù)激光器。一般講，固體激光器具有器件小、結(jié)實(shí)、使用方便、輸出功率大特點(diǎn)。這種激光器工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料晶體或玻璃中均勻摻入少許激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用尚有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子激光器，它發(fā)射1060nm近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)幾百KW。

13/1614/16激光加工原理

目前，公認(rèn)激光加工原理是兩種：分別為激光熱加工和光化學(xué)加工(又稱冷加工)。激光熱加工指當(dāng)激光束照射到物體表面時(shí)，引發(fā)迅速加熱，熱能把材料特性變化或把物質(zhì)熔融蒸發(fā)。

熱加工是指具有較高能量密度激光束（它是集中能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸取激光能量，在照射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生熱激發(fā)過程，從而使材料表面（或涂層）溫度上升，產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。光化學(xué)加工指當(dāng)激光束加于物體時(shí)，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)加工過程。冷加工是指具有很高負(fù)荷能量（紫外或綠光）光子，能夠打斷材料（尤其是有機(jī)材料）或周圍介質(zhì)內(nèi)化學(xué)鍵，至使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標(biāo)識(shí)加工中具有特殊意義，由于它不