激光讲义01

光束发散角.
和激光波长成正比
4）时间特性
a. 连续激光——以连续恒定的功率来描述；
b. 普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级）.脉冲能量与脉冲频率来 描述；
激光焊接常用脉宽1－10ms, 能量1至数十焦尔；峰值功率数千瓦；
打孔和切割常用脉宽0.1－2ms，能量为0.5－20j ；峰值功率达万瓦
c. 调Q脉冲激光——用调Q技术压缩脉宽（纳秒量级），提高激光的 峰值功率（声光调Q可达数百千瓦；电光调Q可至兆瓦以上）；
外界泵浦源——提供能量以实现粒子数反转； 激光谐振腔——维持激光振荡；
1.1.2 激光光束的特性
1） 高强度——激光束发散角很小，光强度很高
例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2 sr) 10mW的He-Ne 激光器的光亮度 106W / (cm2 sr) 调Q的固体激光器的光亮度 109W / (cm2sr) 若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上 集中），则激光束更有极高的光强度
c. 非稳腔选模——模体积大，有利于 大功率大能量输出；对横模选择本领 高；腔内光束均匀；输出易于调整。 有双凸腔；平凸腔；虚共焦凸凹腔等
2）选纵模——为了提高激光束的时 间相干性（单色性）；在腔内插入 一定的选择性损耗，增大各纵模间 的增益差别，实现单纵模输出。 短腔法——缩短腔长L，可增大纵模 间隔，实现单纵模振荡输出。因为 Dn=nm-nm-1=c/ 2nL 纵模间隔与谐振 腔长成反比
d. 超短脉冲激光——用锁模技术压缩脉宽到皮秒至飞秒量级，峰值 功率达1012W, 可作很多精密微加工；
5）偏振特性 光波是横向电磁波，若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方 向，称为线偏振光； 若电矢量在传播过程中不改变大小而只改变方向，两相互垂直分量 的振幅相等，而相位差是p/2，称为园偏振光； 若电矢量在传播过程中既改变大小又改变方向，称为椭园偏振光； 若电矢量作无规变化，振幅方向不确定的光，称为自然光；
d. 谐振腔的振荡模式——能够在谐振腔内存在的稳定光波模式
（振辐.相位.频率是稳定的）
纵模——能在激光腔内形成稳定驻波的波长（或频率）： 2nL=ml (m = 1, 2, 3…..) L为腔长，n为腔内介质折射率 相应的波长 lm = 2nL / m
两相邻激光纵模的间隔为 Dn = nm-nm-1 = c / 2nL
常用激光介质的能级系统——三能级，四能级系统
2）激活介质的增益作用——光强随距离按指数增涨
3）光学谐振腔——须在激活介质 两端放臵平行的反射镜，使垂直于 镜面的初始光来回反射，多次光放 大形成激光；其它方向的光则逸出 腔外。
a.谐振腔的形式：
b. 谐振腔的稳定性条件:谐振腔的 g参数 g1=1-L/r1 g2=1-L/r2 当 0 < g1 g2 < 1 为稳定腔
2）被动锁模——腔内插入一快速可饱和吸收体（染料盒）来调 节腔内损耗，可饱和吸收染料的透过率随光强而变化，对强光脉 冲的透过率大，弱光脉冲的损耗大； 强光脉冲通过后透过率很快下降，使其它纵模损耗很大；仅强光 脉冲损耗小形成稳定的振荡；且脉冲前后沿不断被削弱，使脉冲 愈变愈窄，形成很窄的超短脉冲输出。 为消除标准具效应，腔内各元件应切割成布儒斯特角并倾 斜放臵，腔镜后表面作成楔形。
现代激光制造技术
第一章 激光加工物理基础
1.1 激光物理基础
1.1.1 激光产生的机理
1.1.1.1 原子的能级 原子核外电子可在有限的轨道上绕核旋转，具有一定的 能量（动能和位能）——谓之处在一定的能级. 电子可在能级之间跃迁：吸收外部能量（光子），从低 能级跃迁到高能级；若从高能级跃迁到低能级，则发射光子； 其能量为： E2-E1 = hn= hc/l
1.1.5 激光加工的特点
1） 功率密度极高，可加工所有材料：金属.非金属.透明体等； 2）非接触加工，速度快，效率高； 3）加工时间短，热影响区小，热变形和加工变形小； 4）激光束聚焦光斑小，可进行精细微加工；
5）激光束易于传导与聚焦，功率与能量易控，可实现数控全自动 化加工；
1.2 激光与物质的相互作用
3）自锁模——利用增益介质（掺钛兰宝石）自身的非线性效 应实现自锁模，使脉冲前后沿的增益小，而脉冲中间部分的增 益大，脉冲在腔内往返传播的过程，即是被整形放大的过程， 直至脉宽被压窄，得到稳定的飞秒激光。 掺钛兰宝石有很宽的调谐范围（670－1060nm)，较长的上能 级寿命（微秒量级）和稳定的光学性质。自锁模掺钛兰宝石激 光器结构简单，现在用二极管泵浦的倍频YAG激光取代氩离子 激光作泵浦光，锁模脉宽为几十飞秒（极限可达3飞秒）。
玻尔兹曼分布律——在热平衡状态下，低能级上的粒子数N1总 是高于高能级上的粒子数N2
1.1.1.2 受激辐射和自发辐射
1）正常情况下，大多数粒子处于低能级（基态），通过注入 外能（光照.电子碰撞.化学能.热能等）可使基态的粒子激发(泵 浦.抽运）到高能级上去（激发态） 2）处于激发态E2的粒子会自发地向低能级基态E1跃迁放出光 子（自发辐射）hn=E2-E1；也可受光子hn的激发而发射相同的 光子hn（受激辐射）它的频率.相位.传播方向和偏振态完全相 同。
基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布；
将振幅值下降到1/e的光斑宽度定义为光斑半径； 将强度下降到中心强度1/e2 点对应的全角宽度定义为发散角； 为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法
高斯光束的参数：
束腰； 等相位面； 发散角；
高斯光束经薄透镜聚焦： 聚焦光斑（束腰）与 透镜焦距.
3）能级的寿命——被激发到高能级上的粒子是不稳定的，会 很快地自发辐射跃迁到低能级，即在激发态上的平均寿命很短， 一般只10－8秒数量级。 不同物质不同能级的平均寿命不同；有些介质的特定能级的平 均寿命较长（叫亚稳态），即在亚稳态上粒子相对稳定。
1.1.1.3 激光的产生——光的受激辐射放大
1）粒子数反转——当外界给介质提供能量（激励-泵浦），受激吸 收占优势，可使高能级亚稳态上的粒子数大于低能级上的粒子数 （激活介质） 在此状态下，若有一束光通过介质，而光子的能量恰好等于高低 能级的能量差hn=E2-E1 ，就可以产生受激辐射，从而实现受激 辐射光放大。 激励的方式——光激励，电激励，化学能激励核能激励等。
共焦腔 r1=r2=L 则 g1＝0 g2＝0， g1 g2＝0 两凹面镜半径相同等 于腔长，A镜伤任一点发出的光线经B镜反射后成象于A镜上，B镜 也如次；为稳定腔,衍射损耗小。
共心腔 两个球面镜共心，r1+r2=L，通过公共球心的光线经腔镜反 射后仍通过球心，而不通过球心的光线往返有限次后将逸出腔外。 共心腔的稳定性处于临介状态，属介稳腔。
可见：纵模间隔与谐振腔长成反比
再加上一定的振荡阈值条件，激光输出的纵模只是有限的几个横模Leabharlann ——光场在垂直腔轴 的平面内的光强分布
e. 谐振腔的品质因数Q ——描述腔储能和损耗的量
谐振腔的Q值越大，即激光器损耗越小，则阈值越低，越容易 形成激光振荡 4) 激光的产生
三个要素：具有亚稳态能级结构的激活介质——激光工作物质；
1.2.1.1 激光与物质相互作用的能量转换
1.2.1 物理基础
当激光照射到材料上，存在光的反射.透射与吸收； 有关的因素：激光波长.功率密度与激光作用时间；材料的密度.相 变温度.熔点.气化点；材料表面对激光的吸收率.热导率等； 激光功率密度 103－104 W/cm2 ——光子传能量给电子；材料被加热 升温并由外向里传热； 激光功率密度 104－105 W/cm2——达到材料相变点，材料金相结构 出现变化；可作激光相变硬化； 激光功率密度 105－106 W/cm2——材料熔化，形成熔池；可作激光 熔焊.激光熔覆和表面合金化等； 激光功率密度 107 W/cm2 以上——材料汽化并形成等离子体；可作激 光打孔.切割等加工。
1.1.3 激光器的输出特性及其对激光加工的影响
1）激光波长——激光器输出准单色光，不存在色差; 但不同激光器 输出不同波长的准单色光，其聚焦特性.材料吸收特性不同，可作 不同的激光加工。 2）激光输出能量和功率
连续激光用激光功率P来表述输出的激光强度 脉冲激光的峰值功率Pm = 脉冲能量E / 脉冲宽度T 脉冲激光平均功率P =脉冲能量E x 脉冲频率f 3）空间分布特性
c. 谐振腔的谐振条件 振辐条件——光在腔内往返一次，由激活介质所得到的增益大于 损耗（吸收.散射.衍射.反射等损耗以及激光输出） 相位条件——光在腔内往返一次相位的改变为2p的整数倍，即形 成驻波才有稳定的输出
激光器的阈值——激光器的泵浦必须超过某一限度，才能满足 谐振条件输出激光，此限度称为激光器的阈值。
1.1.4.2
选模技术——从激光器多模振荡中选取需要的基模
1）选横模——选取需要基模（TEM00)振荡，抑制其它高阶模
原则：尽量减小激活介质的内部损耗及镜面损耗；相对增大高阶 模的衍射损耗。
a. 小孔光阑选模——孔径大小恰好通过基模而阻止高阶模(大小与 位臵）；但小孔也限制了基模体积，功率受限。
b. 聚焦光阑选模——腔内聚焦的焦点处设臵小孔光阑，加大了模 体积；但腔内有聚焦不适合大功率大能量激光。
2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角 很小。例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散 角1－10 mrad 3）高单色性——激光的谱线宽度很窄；若进一步采用稳频和选取 单一纵模，更可大大压缩谱线宽度。
4）高相干性——激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点 的时间间隔很大，其时间相干性很好；又激光发散角很小，方向 性很高，激光束波前面内任意两点均相干，空间相干性很好。
F-P标准具法——基于多光束干涉原 理，满足标准具透过率极大值的纵 模只有一个。选择标准具的厚度和 反射率（一般角度很小），可实现 单一纵模输出。