现代激光焊接技术——原理和应用

1、现代激光焊接技术 基本原理和应用授课教师：李远星联系方式一章第一章 激光产生原理激光产生原理激光又名激光又名“镭射镭射”，全称为，全称为“通过受激辐射通过受激辐射实现光的放大实现光的放大”（Light amplification by stimulated emission of radiation）激光基本原理：激光基本原理：1916年爱因斯坦提出的年爱因斯坦提出的受激辐受激辐射射理论理论激光简史u 1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。u 稍后，美国物理学家查尔斯汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先

2、后提原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计 u 1954年，汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。 汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波，功率很小。u 1958年，汤斯与姐夫阿瑟肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。u 同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。 1960年: 梅曼（T.MAIMAN) 第一台红宝石激光器;1961年: 德诺凡(俄) 第一台气体激光器(He-Ne);

3、1962年: 第一台半导体激光器;1964年: 帕特尔(C.Patel) 第一台CO2激光器;1965年: 贝尔实验室 第一台YAG激光器;1971年: 第一台商用1kW的CO2激光器;19711980年: 开展激光切割、焊接、表面处理等激光加工技术的研究与开发。 激光简史1.1 光和物质的相互作用原理光和物质的相互作用原理 按照丹麦物理学家玻尔按照丹麦物理学家玻尔提出的氢原子理论，原子系提出的氢原子理论，原子系统是由一系列不连续的能量统是由一系列不连续的能量状态构成，即能级。而当原状态构成，即能级。而当原子系统和光相互作用时，存子系统和光相互作用时，存在有：在有：自发辐射自发辐射、受激吸收受

4、激吸收和和受激辐射受激辐射3种现象。而激种现象。而激光的产生包括以上光的产生包括以上3种现象。种现象。E1E2E3E4E5Enn=1n=2n=3n=4n=5能级系统示意图能级系统示意图一、自发辐射（一、自发辐射（Spontaneous Radiation）E2E1特点：特点： 一种纯自发产生的过程；一种纯自发产生的过程； 辐射光子频率符合普朗克辐射光子频率符合普朗克公式；公式； 自发辐射的光子是不相关自发辐射的光子是不相关的，即虽然频率相同，但是相的，即虽然频率相同，但是相位、方向、偏振不同；位、方向、偏振不同；注：自然界中，常见的许多光源，如日光、灯光注：自然界中，常见的许多光源，如日光、灯

5、光等都是粒子系统自发辐射的结果等都是粒子系统自发辐射的结果hEEE12二、受激吸收（二、受激吸收（Stimulated Absorption）E2E1 受激吸收指的是处于较受激吸收指的是处于较低能级上的粒子受到外来光低能级上的粒子受到外来光子的激励而从较低能级向较子的激励而从较低能级向较高能级跃迁的一个过程。高能级跃迁的一个过程。注：受激吸收不仅与粒子系统本身有关，而且与注：受激吸收不仅与粒子系统本身有关，而且与外来光子有关，外来光子越多，受激吸收越多。外来光子有关，外来光子越多，受激吸收越多。三、受激辐射（三、受激辐射（Stimulated Radiation）E2E1 受激辐射是受激受激辐

6、射是受激吸收的逆过程。指的吸收的逆过程。指的是处于较高能级上的是处于较高能级上的粒子受到外来光子的粒子受到外来光子的激励，便从高能级向激励，便从高能级向低能级跃迁，同时向低能级跃迁，同时向外辐射一个与外来光外辐射一个与外来光子完全相同的光子，子完全相同的光子，这样的过程称之为受这样的过程称之为受激辐射。激辐射。注：这里的完全相同不仅注：这里的完全相同不仅是频率相同，而且相位、是频率相同，而且相位、偏振、方向也相同。具有偏振、方向也相同。具有光放大作用。光放大作用。 值得说明的是，受值得说明的是，受激吸收和受激辐射理论激吸收和受激辐射理论由爱因斯坦于由爱因斯坦于1916年提年提出。而受激辐射理论

7、为出。而受激辐射理论为上世纪上世纪60年代初从实验年代初从实验上获得激光奠定了坚实上获得激光奠定了坚实的理论基础。的理论基础。 因此，没有理论家，因此，没有理论家，实验家就会迟疑不决；实验家就会迟疑不决；没有实验家，理论家则没有实验家，理论家则会迷失方向。会迷失方向。四、受激辐射和自发辐射比较四、受激辐射和自发辐射比较 通过以上分析可以得出，受激辐射和自发辐射通过以上分析可以得出，受激辐射和自发辐射虽然都能发出光子，但是其物理本质不一样。受激虽然都能发出光子，但是其物理本质不一样。受激辐射是外来光子引起的，而自发辐射却是自发产生辐射是外来光子引起的，而自发辐射却是自发产生的；受激辐射所产生的光

8、子和外来光子完全一样，的；受激辐射所产生的光子和外来光子完全一样，即光子的方向、频率、相位以及偏振方向都一样，即光子的方向、频率、相位以及偏振方向都一样，而自发辐射不具备这些特性。而自发辐射不具备这些特性。 从效果上看，受激辐射相当于加强了外来激励从效果上看，受激辐射相当于加强了外来激励光子，即具有光放大作用，因此受激辐射是产生激光子，即具有光放大作用，因此受激辐射是产生激光的主要物理基础。光的主要物理基础。1.2 粒子数反转（粒子数反转（Population Inversion）爱因斯坦的受激辐射理论诞生于爱因斯坦的受激辐射理论诞生于1916年；年；世界上首台激光器诞生于世界上首台激光器诞生

9、于1960年；年；相隔相隔44年，为什么？年，为什么？这主要是普通光源的粒子中，产生受激辐射的这主要是普通光源的粒子中，产生受激辐射的粒子少！如何解决呢？粒子少！如何解决呢？一、平衡态原子系统描述一、平衡态原子系统描述kTEnneN 处于平衡态的原子系统，各能级上的粒子服处于平衡态的原子系统，各能级上的粒子服从玻尔兹曼分布。即，能级的能量越高，其上面的从玻尔兹曼分布。即，能级的能量越高，其上面的粒子就越少。粒子就越少。 由于受激辐射几率和受激吸收几率相同，因由于受激辐射几率和受激吸收几率相同，因此当外来光子作用于粒子系统时，从总体上讲，受此当外来光子作用于粒子系统时，从总体上讲，受激吸收几率高

10、于受激辐射几率。因此，外来光子得激吸收几率高于受激辐射几率。因此，外来光子得不到光放大。不到光放大。 通常只能看到原子系统的吸收现象（光减通常只能看到原子系统的吸收现象（光减弱），看不到受激辐射现象（光增强）。弱），看不到受激辐射现象（光增强）。 结论：平衡态的粒子系统是不能产生激光的。结论：平衡态的粒子系统是不能产生激光的。 要使受激辐射超过受激吸收，必须使系统处要使受激辐射超过受激吸收，必须使系统处于高能态的粒子数（于高能态的粒子数（N2）多于低能态的粒子数）多于低能态的粒子数（ N1），即），即N2 N1。而这种分布称之为粒子数。而这种分布称之为粒子数反转。反转。 因此，因此，如何从技术

11、上实现粒子数反转是产生如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件激光的必要条件。二、如何实现粒子数反转二、如何实现粒子数反转光泵浦光泵浦气体放电激励气体放电激励化学反应激励化学反应激励气体动力激励气体动力激励电子束激励电子束激励核泵核泵注：其中最常用的是光泵浦和电激励。注：其中最常用的是光泵浦和电激励。概念：概念：1. 激活介质：指的是经过粒子数反转后的介质，又激活介质：指的是经过粒子数反转后的介质，又称为激光工作物质；称为激光工作物质；2. 泵浦源：又称为激励源，目的是使得激光工作物泵浦源：又称为激励源，目的是使得激光工作物质处于非平衡状态；质处于非平衡状态；3. 要形成激光，除了以上二

12、者外，还需一个条件，要形成激光，除了以上二者外，还需一个条件，即正反馈系统条件。这样，受激辐射光子可以即正反馈系统条件。这样，受激辐射光子可以多次辐射激光工作物质。实际系统中起该作用多次辐射激光工作物质。实际系统中起该作用的是光学谐振腔；的是光学谐振腔；泵浦泵浦：使工作物质在某两个能级之间实现粒子数反转的过程称为：使工作物质在某两个能级之间实现粒子数反转的过程称为 泵浦或抽运。泵浦或抽运。 方式：光泵浦（方式：光泵浦（YAGYAG）、电泵浦（）、电泵浦（COCO2 2）、化学能泵浦或核能泵浦）、化学能泵浦或核能泵浦 （染料激光器）（染料激光器）激光的形成过程激光的形成过程 工作物质工作物质 激

13、励、受激辐射激励、受激辐射 自激振荡增益自激振荡增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔光学谐振腔 激励源激励源激活介质激活介质谐振腔谐振腔全反全反射镜射镜部分部分 反射镜反射镜(99)1.3 激光器的构成和激光的形成激光器的构成和激光的形成实用激光中，主要构件情况大体如下：实用激光中，主要构件情况大体如下：1. 激光工作物质激光工作物质：必须是一个具有若干能级的粒子：必须是一个具有若干能级的粒子系统并具备亚稳能级，使粒子数反转和受激辐射成系统并具备亚稳能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。可以是气体、液体、固体或半导体。现已为可能。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作

14、物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段；波段；2. 激励源激励源（泵浦源）：由它给激光工作物质提供能（泵浦源）：由它给激光工作物质提供能量，使之处于非平衡状态，形成粒子数反转；常用量，使之处于非平衡状态，形成粒子数反转；常用激光器中，激光器中，CO2激光器采用电激励，激光器采用电激励，Nd:YAG激光激光器采用光泵浦；器采用光泵浦；3. 光学谐振腔光学谐振腔：通常以两个反射镜构成。它的主要：通常以两个反射镜构成。它的主要作用主要有三个：第一，提供正反馈，使光放大能作用主要有三个：第一，提供正反馈，使光放大能在腔中稳定地振荡，为产生大量同态受激辐射

15、光子在腔中稳定地振荡，为产生大量同态受激辐射光子提供保证；第二，将腔内的一部分激光耦合输出；提供保证；第二，将腔内的一部分激光耦合输出；第三，保证激光的单色性和方向性，即选模；第三，保证激光的单色性和方向性，即选模；4. 电源电源：为激励源提供能量；：为激励源提供能量；5. 控制和冷却系统控制和冷却系统：保证激光器能够稳定、正常和：保证激光器能够稳定、正常和可靠地工作；可靠地工作；6. 聚光器聚光器：为固体激光器所特有，提高泵浦光的利：为固体激光器所特有，提高泵浦光的利用率。用率。E2E1n2n11.4 激光束的主要特性激光束的主要特性 普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距普通光源发出

16、的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中光源的大量分子或原子在自发辐射过程中 “各自为政各自为政”辐射光子。辐射光子。 激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。不同于普通光的一系列性质。1. 单色性好单色性好 光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的

17、宽度定义为这条光谱线的宽度，度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小，光的单色性越好。谱线宽度越小，光的单色性越好。 可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为40-50nm，激光的单色性远远好于普通光源，如氦激光的单色性远远好于普通光源，如氦-氖氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有激光器输出的红色激光谱线宽度只有10-8nm。 激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。2. 方向性好、亮度高方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度称为方向性。从光源发出的激光平行传播的程度称为方向性。由于谐振腔对光束方向的选择作用，激光器输出的光由于谐振腔对光束方向的选择作用，激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于束发散角度很小，可以小于或等于10-310-5rad。良。良好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通讯、定位方面。讯、定位方面。 激光方向性好带来的直接结果，就是光源的亮度激光方向性好带来的直接结果，就是光源的亮度高。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要高。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。应用，