激光基礎(chǔ)培訓(xùn)

激光基礎(chǔ)培訓(xùn)第1頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月1.什么是激光?2.怎么產(chǎn)生激光?3.激光加工的原理？第2頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月受激輻射的概念

處于高能級的原子，受外來光子的作用，當(dāng)外來光子的頻率正好與它的躍遷頻率一致時，它就會從高能級跳到低能級，并發(fā)出與外來光子完全相同的另一光子。新發(fā)出的光子不僅頻率與外來光子一樣，而且發(fā)射方向、偏振態(tài)、位相和速率也都一樣。于是，一個光子變成了兩個光子。如果條件合適，光就可以象雪崩一樣得到放大和加強(qiáng)。特別值得注意的是，這樣放大的光是一般自然條件下得不到的“相干光”。

第5頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月激光產(chǎn)生過程以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激（E3）。原子處于受激態(tài)的時間非常短，大約為10－7秒后，它便會落到一個稱為亞

穩(wěn)態(tài)（E2）的中間狀態(tài)。原子在亞穩(wěn)態(tài)的時間很長，大約是10－3秒或更長的時間。原子長時間停留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此時的狀態(tài)稱就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生的結(jié)果就導(dǎo)致使通過受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）的原子，比通過受激吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級系統(tǒng)。當(dāng)粒子受外界能量激勵從E1到E3，由于E3能級壽命短，很快轉(zhuǎn)移到上，因能級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E1為基

態(tài)，通?？偸欠e聚著大量的粒子，因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以

上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵就需要有相當(dāng)強(qiáng)的能力。

第8頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月而我們所用的YAG激光系統(tǒng)屬于四能級系統(tǒng)。如所示，能級E為基態(tài)，E2、E3、E4為激發(fā)態(tài)。在外界激勵的條件下，基態(tài)E1上的粒子大量被激發(fā)到E4上，又迅速轉(zhuǎn)移到E3上，E3能級為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長。而E2能級壽命很短，E2上的粒子又很快躍遷到基態(tài)E1，所以，四能級系統(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)的激光下能級是E2，不像三能級系統(tǒng)那樣，為基態(tài)E1。因?yàn)镋2不是基態(tài)，所以在室溫下，E2能級上的粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級系統(tǒng)比三能級系統(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系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)都是對激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)的能級而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個能、級或四個能級。激光產(chǎn)生過程第9頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月激光能級第10頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的特性激光是一種新型光源，由于它產(chǎn)生于光的受激輻射的機(jī)理和光學(xué)諧振腔對光束的限制，所以激光與普通光源相比有著不同的特性。激光的三個特性：方向性好、單色性強(qiáng)和相干性強(qiáng)。

相干性強(qiáng)：光的相干性是指在不同時刻、不同空間點(diǎn)上兩個光波場的相關(guān)程度。它完全有光輻射場本身的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間相干性，前者是指光源在同一時刻、不同空間、各點(diǎn)發(fā)出的光波相位相關(guān)聯(lián)程度，后者指光源上同一點(diǎn)在不同時刻發(fā)出的光波的相位關(guān)聯(lián)程度。根據(jù)激光的產(chǎn)生機(jī)理，不難理解激光的相干性是優(yōu)于一般光源的。

第11頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月激光能夠做什么？激光因具有良好的單色性、相干性和極佳的方向性三大特點(diǎn)，特別適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，現(xiàn)在已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。目前已成熟的激光加工技術(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)、激光快速成形技術(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)、激光存儲技術(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)。

第12頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器類型對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來分類，可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。

其中我們固體使用的激光器就是固體激光器，通過Q開關(guān)調(diào)制的準(zhǔn)連續(xù)激光器。一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。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。

第13頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月激光加工的原理

目前，公認(rèn)的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，引起快速加熱，熱能把材料的特性改變或把物質(zhì)熔融蒸發(fā)。

熱加工是指具有較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，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程。冷加工是指具有很高負(fù)荷能量的（紫外或綠光）光子，能夠打斷材料（特別是有機(jī)材料）或周圍介質(zhì)內(nèi)的化學(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)記加工中具有特殊的意義，因?yàn)樗皇菬釤g，而是不產(chǎn)生“熱損傷”副作用的、打斷