第十一章 高能束表面改性技术之激光束表面改性技术)
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N：相应能级上的粒子数 T：绝对温度 k：玻耳兹曼常数
②自发辐射与受激辐射 处于激发态的原子是不稳定的，总是力图向低能级跃
迁。 原子从高能级跃迁到低能级上，要释放出多余的能量。
释放能量的形式有两种。一种是变为热运动，称为无 辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射，叫做辐射跃迁。 从E2能级跃迁到E1上时，所辐射出光子的频率v21为
受激辐射产生的光子与入射光子的性质状态完全相同， 即频率、位相和传播方向均相同。由于这一特性，受 激辐射光与入射光相干迭加，产生光的放大作用。
③粒子数反转
受激辐射的强弱取决于处于高能级上的原子数，只有 在受激辐射占优势时才能发射出激光。
正常状态下物质中处于低能级上的原子数总大于高能 级上的原子数。只有当高能级的原子数多于低能级的 原子数时才能满足受激辐射占优势的条件，这种状态 称为粒子数反转。
基本原理：CO2气体激光器以CO2气体作为放电介质， 在直流高压下，大量CO2气体分子获得能量后，激发、 跃迁到高能态，并使处于高能态的粒子数多于基态的 粒子数，然后，高能态粒子向低能级跃迁，发射光子， 经谐振腔振荡放大后，输出激光束。
主要特点：高功率、高转化率、高光束质量。
（2）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器
主要特点：输出波长短，单光子能量高，重复性好， 波长可调谐运转；但是工作物质有毒，成本较高。
①原子的能级分布
原子由位于中心的带 正电的原子核和环绕 核的电子组成，电子 分布在原子内的多层 轨道上运动。
当由于某种原因电子 在原子中的运动从一 个轨道跃迁到另一个 轨道上时，电子的能 量发生变化，同时反 映为整个原子的能量 变化。
激 发 能 级
基能 级
热平衡温度下，原子数按能级的分布服从玻 耳兹曼定律，即
工作原理：当工作物质受到外界激发产生辐射时，其传播方 向与腔体轴向相同的光子将引起其他激发态的工作物质产 生连锁性的受激辐射，在到达部分反射镜时放出一部分光 子，其他大部分仍反射回来，进行反馈，从而形成光振荡， 并不断从部分反射镜的输出端发射出光子成为激光束。
（2）激光的特性
与普通光相比，激光具有高度的单色性、方向 性、亮度性、相干性和极大的能量密度。对金 属材料表面改性而言，激光是一种聚焦性好、 功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传 输的热源。
要达到粒子数反转状态，可以利用激励源，把处于低 能级上的原子激发到高能级上去。
工作物质不同，激励方法不同，最常用的是光学和电 学方法。
④光学谐振腔
为了获得激光束，还需要一个光学谐振腔，对激光进行 振荡。
最简单的光学谐振腔由放置在工作物质两侧的平面反射 镜组成。这两个反射镜严格平行，其中一个是反射率为 100%的全反射镜，另一个是反射率为50%~90%的部分 反射镜。
组成系统：掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器为固体激 光器，由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、 冷却滤光及激光电源等几部分组成。
基本原理：以掺钕的钇铝石榴石为工作物质，泵浦源 经电触发后输出高能量，为工作物质中的粒子数反转 提供光能。聚光腔再将光能有效、均匀地会聚到工作 物质上，产生高功率激光。
h：普朗克常数
如果原子的辐射跃迁都是自发（独6.6立3×进10行-34的J·，s）辐射出来 的光子在发射方向、初始位相都是任意的，这种辐射 称为自发辐射。
如果处于高能级E2的原子，当有光子趋近它时，而且 光的频率是v21时，此原子则可在外来光子的激发下， 从高能级E2跃迁到低能级E1上去，并发射出一个同样 的光子。这样原子的一个光子变成了两个光子，这个 过程称为受激辐射。
2、激光束与材料表面的交互作用
激光束辐射到材料表面时，与材料间的相互作用根据 辐射密度与持续时间分为以下几个阶段：
①激光照射到材料表面；
②激光被材料吸收变为热能；
③表层材料受热升温；
Βιβλιοθήκη Baidu发生固态转变，熔化甚至蒸发；
⑤材料在激光作用后冷却。
当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程 的进展取决于被处理材料的特性，如材料的反射率、 密度、导热系数、固态相变温度、熔化温度、蒸发温 度、熔化比热容与蒸发比热容等。
主要特点：结构紧凑、体积小、重量轻、使用简便可 靠、寿命长、维修要求较低。
（3）准分子激光器
主要类型：准分子激光器也是一种气体激光器，依据 工作物质的不同，可分为四大类型：稀有气体类 （Xe2、Kr2）、稀有气体氧化物类（XeO）、稀有气 体卤化物类（XeF、KrF）、金属蒸气卤化物类。
基本原理：“准分子”是指在激发态能够暂时结合成 不稳定分子，而在基态又迅速离解成原子的缔合物。 准分子激光波长短，只有YAG激光波长的1/5和CO2激 光波长的1/50；单光子能量高达7.9eV，比大部分分子 的化学能要高，可以直接“切断”分子间的化学键来 实现加工。
第十一章 高能束表面改性技术
由高密度光子、电子、离子组成的激光束、电子束、 离子束有一个共同的特点，那就是通过特定装置可以 聚焦到很小甚至非常微细的尺寸，形成极高能量密度 的粒子束即高能束。将高能束作用于材料表面，可以 在极短的时间内以极快的速度使材料基体表面特性发 生改变。也可以作为微细加工技术，在材料表面形成 各种图案和形状，获得各种特殊的功能。因此，高能 束在材料表面改性和微细加工领域中得到了广泛的应 用。
第一节 激光束表面改性技术
一、激光束表面改性的原理
1、激光及其特性 （1）激光产生的原理 激光（Laser：Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation），含义为 “由辐射受激发射产生的光放大”。 光与物质相互作用的规律是构成激光器的理论 基础。
二、激光束表面改性的设备
激光束表面改性设备主要包括激光器、外围光 学装置、机械系统和辅助系统等。
1、激光器 应用最多的工业激光器主要有三类：二氧化碳
激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器和准 分子激光器。
（1）CO2气体激光器
组成系统：气体激光器主要由工作物质、光学谐振腔、 风机、热交换器、电源、真空泵等几部分组成。
②自发辐射与受激辐射 处于激发态的原子是不稳定的，总是力图向低能级跃
迁。 原子从高能级跃迁到低能级上，要释放出多余的能量。
释放能量的形式有两种。一种是变为热运动，称为无 辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射，叫做辐射跃迁。 从E2能级跃迁到E1上时，所辐射出光子的频率v21为
受激辐射产生的光子与入射光子的性质状态完全相同， 即频率、位相和传播方向均相同。由于这一特性，受 激辐射光与入射光相干迭加，产生光的放大作用。
③粒子数反转
受激辐射的强弱取决于处于高能级上的原子数，只有 在受激辐射占优势时才能发射出激光。
正常状态下物质中处于低能级上的原子数总大于高能 级上的原子数。只有当高能级的原子数多于低能级的 原子数时才能满足受激辐射占优势的条件，这种状态 称为粒子数反转。
基本原理：CO2气体激光器以CO2气体作为放电介质， 在直流高压下，大量CO2气体分子获得能量后，激发、 跃迁到高能态，并使处于高能态的粒子数多于基态的 粒子数，然后，高能态粒子向低能级跃迁，发射光子， 经谐振腔振荡放大后，输出激光束。
主要特点：高功率、高转化率、高光束质量。
（2）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器
主要特点：输出波长短，单光子能量高，重复性好， 波长可调谐运转；但是工作物质有毒，成本较高。
①原子的能级分布
原子由位于中心的带 正电的原子核和环绕 核的电子组成，电子 分布在原子内的多层 轨道上运动。
当由于某种原因电子 在原子中的运动从一 个轨道跃迁到另一个 轨道上时，电子的能 量发生变化，同时反 映为整个原子的能量 变化。
激 发 能 级
基能 级
热平衡温度下，原子数按能级的分布服从玻 耳兹曼定律，即
工作原理：当工作物质受到外界激发产生辐射时，其传播方 向与腔体轴向相同的光子将引起其他激发态的工作物质产 生连锁性的受激辐射，在到达部分反射镜时放出一部分光 子，其他大部分仍反射回来，进行反馈，从而形成光振荡， 并不断从部分反射镜的输出端发射出光子成为激光束。
（2）激光的特性
与普通光相比，激光具有高度的单色性、方向 性、亮度性、相干性和极大的能量密度。对金 属材料表面改性而言，激光是一种聚焦性好、 功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传 输的热源。
要达到粒子数反转状态，可以利用激励源，把处于低 能级上的原子激发到高能级上去。
工作物质不同，激励方法不同，最常用的是光学和电 学方法。
④光学谐振腔
为了获得激光束，还需要一个光学谐振腔，对激光进行 振荡。
最简单的光学谐振腔由放置在工作物质两侧的平面反射 镜组成。这两个反射镜严格平行，其中一个是反射率为 100%的全反射镜，另一个是反射率为50%~90%的部分 反射镜。
组成系统：掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器为固体激 光器，由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、 冷却滤光及激光电源等几部分组成。
基本原理：以掺钕的钇铝石榴石为工作物质，泵浦源 经电触发后输出高能量，为工作物质中的粒子数反转 提供光能。聚光腔再将光能有效、均匀地会聚到工作 物质上，产生高功率激光。
h：普朗克常数
如果原子的辐射跃迁都是自发（独6.6立3×进10行-34的J·，s）辐射出来 的光子在发射方向、初始位相都是任意的，这种辐射 称为自发辐射。
如果处于高能级E2的原子，当有光子趋近它时，而且 光的频率是v21时，此原子则可在外来光子的激发下， 从高能级E2跃迁到低能级E1上去，并发射出一个同样 的光子。这样原子的一个光子变成了两个光子，这个 过程称为受激辐射。
2、激光束与材料表面的交互作用
激光束辐射到材料表面时，与材料间的相互作用根据 辐射密度与持续时间分为以下几个阶段：
①激光照射到材料表面；
②激光被材料吸收变为热能；
③表层材料受热升温；
Βιβλιοθήκη Baidu发生固态转变，熔化甚至蒸发；
⑤材料在激光作用后冷却。
当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程 的进展取决于被处理材料的特性，如材料的反射率、 密度、导热系数、固态相变温度、熔化温度、蒸发温 度、熔化比热容与蒸发比热容等。
主要特点：结构紧凑、体积小、重量轻、使用简便可 靠、寿命长、维修要求较低。
（3）准分子激光器
主要类型：准分子激光器也是一种气体激光器，依据 工作物质的不同，可分为四大类型：稀有气体类 （Xe2、Kr2）、稀有气体氧化物类（XeO）、稀有气 体卤化物类（XeF、KrF）、金属蒸气卤化物类。
基本原理：“准分子”是指在激发态能够暂时结合成 不稳定分子，而在基态又迅速离解成原子的缔合物。 准分子激光波长短，只有YAG激光波长的1/5和CO2激 光波长的1/50；单光子能量高达7.9eV，比大部分分子 的化学能要高，可以直接“切断”分子间的化学键来 实现加工。
第十一章 高能束表面改性技术
由高密度光子、电子、离子组成的激光束、电子束、 离子束有一个共同的特点，那就是通过特定装置可以 聚焦到很小甚至非常微细的尺寸，形成极高能量密度 的粒子束即高能束。将高能束作用于材料表面，可以 在极短的时间内以极快的速度使材料基体表面特性发 生改变。也可以作为微细加工技术，在材料表面形成 各种图案和形状，获得各种特殊的功能。因此，高能 束在材料表面改性和微细加工领域中得到了广泛的应 用。
第一节 激光束表面改性技术
一、激光束表面改性的原理
1、激光及其特性 （1）激光产生的原理 激光（Laser：Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation），含义为 “由辐射受激发射产生的光放大”。 光与物质相互作用的规律是构成激光器的理论 基础。
二、激光束表面改性的设备
激光束表面改性设备主要包括激光器、外围光 学装置、机械系统和辅助系统等。
1、激光器 应用最多的工业激光器主要有三类：二氧化碳
激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器和准 分子激光器。
（1）CO2气体激光器
组成系统：气体激光器主要由工作物质、光学谐振腔、 风机、热交换器、电源、真空泵等几部分组成。