材料激光加工：第二章激光的基本原理

材料激光加工

LaserMaterialProcessing课程主要内容第一章概述第二章激光的基本原理第三章工业激光器及激光加工系统第四章激光与材料相互作用原理第五章激光焊接第六章激光切割第七章激光表面处理第二章激光的基本原理主要内容：激光产生的过程光学谐振腔和激光模式高斯光束激光本质上是一种电磁波，具有波粒二象性,是电磁波，又是光子流激光是一种电磁波(C.Maxwell，1860)。激光在传播时表现出波动性(横波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。激光是一种光子流。黑体辐射的量子论(Max.Planck,1900),光子理论(Albert.Einstein,1905)。激光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射能量：E=hν

动量:P=h/λ再认识“激光”激光的波长范围在红外线与γ射线之间工业应用激光一般在近红外波段激光的波长常见激光的波长2.1激光产生的过程原子(粒子)发光机理自发辐射、受激辐射和受激吸收激光产生的条件基本内容：2.1.1原子（粒子）发光机理原子能级定义：原子系统所具有的一系列不连续的能量状态原子系统能量＝电子动能＋电子与原子核之间的势能基态：原子处于最低能级时的状态激发态：处于其他任何高于基态能级时的状态0ev10.15ev12.11ev13.53ev12382.1.1原子（粒子）发光机理跃迁：原子从一种能级状态改变到另一种能级状态辐射跃迁：吸收或辐射光子而产生的能级改变，满足普朗克公式:

∆E=hν无辐射跃迁：改变能级并不吸收或辐射光子，粒子系统与能量交换以其他的方式进行，如粒子运动的动能、振动能等。其他粒子(分子、离子等)同样存在一系列不连续的能级，也能产生幅射跃迁2.1.1原子（粒子）发光机理处于高能级(激发态)的粒子是不稳定的,经过或长或短时间(10-8s)，会跃迁到能量低的状态，而以光子或其他方式放出能量，该能量必须等于相应的能级差。以光子方式辐射能量即发光。激发态的平均寿命粒子在不同激发态上停留时间的平均寿命称为该激发态的平均寿命亚稳态平均寿命相对较长的激发态称之为亚稳态例如：红宝石中的Cr3+

粒子:E310-9s,E210-3s2.1.2自发辐射、受激辐射

和受激吸收特点：纯自发过程辐射出的光子频率满足普朗克公式不同粒子跃迁时各自独立，光子互不相关自发辐射几率A21：只与原子本身性质相关与外界辐射无关自发辐射：处于高能级的粒子自发的跃迁到低能级上来，并且在跃迁过程中发出一个光子。2.1.2自发辐射、受激辐射

和受激吸收受激吸收：处于低能级E1的粒子吸收能量为hv=E2-E1的外来光子而跃迁到E2上去。特点：与原子系统本身和外部辐射场(外来光子)密切有关吸收的光子频率满足普朗克公式受激吸收几率W12：2.1.2自发辐射、受激辐射

和受激吸收受激辐射：处于高能级E2的粒子受到频率v=(E2-E1)/h的外来光子的激励，从E2跃迁到E1上去,并发出一个和外来光子完全想同的光子。特点(与自发辐射比较)：外来光子激励，自发产生产生的光子和外来光子完全一样，方向、频率、相位和偏振等光的放大效果受激辐射几率W21：2.1.3激光产生的条件受激辐射光放大光子粒子光子光子粒子粒子光子光子光子光子2.1.3激光产生的条件受激辐射和受激吸收的矛盾物质在热平衡状态下，各能级上的粒子数目服从玻耳兹曼分布在热平衡状态下，下能级上受激吸收的粒子数多于上能级上受激辐射的粒子数,热平衡状态的系统不能产生光的放大(激光)!n3n2n1E3E2E12.1.3激光产生的条件粒子集居数反转设有两个能级E2和E1的粒子系统，由于外部能源的激励而呈非平衡状态，使得处于低能级的粒子经种种途径被激发到高能级E2上，从而造成E2上的粒子数多于E1上的粒子数，即：N2>N1.N2>N1光通过系统（激活介质）后被放大必须由外界提供能量，将粒子从低能级抽运到高能级（泵浦），使物质处于非平衡态。2.1.3激光产生的条件工作物质

必须有能够形成粒子数反转的发光粒子，即激活粒子(分子、离子、原子皆可，可以独立存在，有的则必须依附于基质，基质+粒子=工作物质)特点:处于外界能源激励的非平衡状态下能级系统的上能级中必须有亚稳态存在,以便实现粒子数反转必须是增益介质激励方法光泵浦气体放电电子束激励化学反应核泵浦等最常用：光电2.1.3激光产生的条件工作粒子的能级系统

二能级系统三能级系统四能级系统2.1.3激光产生的条件二能级系统

E2E1B12B21A21因为达到稳定时，有：无论如何激励，二能级系统不能实现粒子数反转！

2.1.3激光产生的条件三能级系统

E3E2E1Pumping非辐射跃迁受激辐射光子上能级下能级红宝石激光器：Cr3+粒子缺点：由于基态能级上的总是聚集大量粒子，因此三能级系统的激光器需要很强的pumping.2.1.3激光产生的条件四能级系统

E4E3E2Pumping非辐射跃迁受激辐射光子下能级上能级(亚稳态)非辐射跃迁

例子：

Nd:YAG激光器2.1.3激光产生的条件受激辐射和自发辐射的矛盾

物质在热平衡状态下，受激辐射的概率远小于自发辐射概率。当T=300K时，热平衡条件下，不可能实现光的受激辐射放大！要解决这一矛盾，需利用光学谐振腔来实现自激振荡。2.1.3激光产生的条件光学谐振腔…….自发辐射产生光子，偏离轴向光子很快逃逸出介质，沿着轴向的光子因受激励辐射不断放大，使得单色能量密度不断增大，从而可能使W21>A21，获得以受激辐射为主的输出。2.1.3激光产生的条件增益增益系数Ｇ：通过单位距离介质光强增加的百分比

G=dI/(Idz)G与激活介质特性，外界激励能源和入射波长有关，与入射光强度无关入射光强为I0

I=I0exp(Gz)损耗衍射损失散射损失镜片反射损失输出激光的阈值条件：增益>损耗。提供该条件的场所即为谐振腔。2.1.3激光产生的条件I0I1I2Lr1r2工作物质被激励到非平衡态(亚稳态、粒子数反转)少量自发辐射产生（亚稳态E2->E1）自发辐射光子引发受激吸收和受激辐射，但受激辐射出的光子多于受激吸收的光子，光得到放大受激辐射的光子引发新的受激辐射，雪崩放大谐振腔的选择和抑制达到一定程度后，形成稳定的输出

激光产生的过程2.2光学谐振腔和激光模式光学谐振腔作用光学谐振腔的结构和分类激光模式基本内容：2.2光学谐振腔和激光模式提供光学正反馈作用限制激光束的方向限制激光束的频率－纵模根据波动理论，发生相长干涉的条件：入射光和反射光同相

∆Ф＝2π·（2L／λ0）＝q·2πL=q·λ0/2决定激光的空间分布规律－横模L2.2.1谐振腔的作用2.2光学谐振腔和激光模式无谐振腔时有谐振腔时2.2.2谐振腔的结构和分类2.2光学谐振腔和激光模式构成：两个腔镜一个全反射，提供最大反馈一个部分反射，提供部分反馈和输出结构特点：侧边没有边界，轴向尺寸(腔长)远大于波长和横向尺寸三个参数：R1、R2、L平平－>共轴球面－>固体介质波导腔和气体介质波导腔（半封闭）2.2.2谐振腔的结构和分类平行平面镜腔双凹球面镜腔平面－凹面镜腔特殊腔：双凸腔平凸腔凹凸腔等2.2.2谐振腔的结构和分类傍轴光线能否在腔内往返无限多次而不从横向逸出，表示腔的损耗大小，“低损耗腔”，“高损耗腔”稳定性判据：稳区图谐振腔的稳定性2.2.2谐振腔的结构和分类特点：不逸出、损耗小应用：固体和中小功率CO2稳定腔:

0<g1g2<1

2.2.2谐振腔的结构和分类非稳定腔:

g1g2<0或者g1g2>1特点：与光轴重合的光线不逸出，其他方向全部逸出、损耗大应用：大功率CO22.2.2谐振腔的结构和分类临界腔:

g1g2=0或者g1g2=1特点：介于稳定腔和非稳腔之间应用：研究和使用方面均有价值2.2.3激光模式2.2光学谐振腔和激光模式经典电磁场理论:在一特定空间的限制下,电磁场只能以一系列分立的本征态存在,通常将腔内可能存在的电磁场本征态称为腔的模式从光子的观点来看:腔的模式也就是腔内可区分的光子状态,同一模式的光子具有完全相同的状态激光是一种电磁波,在谐振腔中也只能以一系列的本征态出现,腔中每一个激光分立的本征态就是一个模式模式包括横模和纵模2.2.3激光模式纵模:频率特性及光束场强在纵向(光轴方向)的分布平行平面腔Gα/l腔内真正能形成振荡的阈值条件:G>=α/l描述激光场强在横向(光轴横截面)上的分布特征

TEMmn(TransverseElectromagneticWave)m、n：两个垂直方向出现暗线的次数.2.2.3激光模式横模对激光热加工有重要意义,反映了能量在光束横截面上的集中程度横模通常简称模式横模TEM00:基模,能量密度最集中的模式2.2.3激光模式横模ω(z)光斑半径，

ω0

高斯光束的束腰2.2.3激光模式低阶模2.2.3激光模式高阶模2.3高斯光束基模高斯光束及其的传播高斯光束的反射和聚焦基本内容：2.3.1基模高斯光束及其传播共焦腔的高斯光束(基模)非均匀的，曲率半径不断改变的球面波在光轴横截面光强呈高斯分布实心圆光斑光斑半径：光强降为中心强度的1／e2时的半径2.3.1基模高斯光束及其传播2.3.1基模高斯光束及其传播其他稳定腔,等效为一共焦腔高阶模的光束半径:光强下降到最外面一个极大值的1/e2时的半径2.3.1基模高斯光束及其传播已知束腰半径w0，可求出任一点z处的光斑直径及其横截面上的光强分布2.3.2高斯光束的反射及聚焦反射：只改变传播方