第三章先进制造工艺技术(激光加工)课件.ppt

激光的起源 1916年，38岁的爱因斯坦发表了一篇论文。提出了一种受激吸收和发射的观点。所谓受激吸收就是一个光子照射一个原子，原子吸收光子后光子消失，原子中的电子从较低能级跃迁到较高能级；受激发射则是光子照射处于较高能级的原子，原子发射出一个跟照射光子频率相同的光子，从而得到两个光子。这一观点竞成为未来激光领域的开山之斧。 激光的起源 1957年汤斯和肖洛的提出激光器设计理论为激光领域作出了划时代的贡献，这期间原苏联科学家普洛霍罗夫和巴索夫也提出了相似的理论。随后，汤斯、肖格和普格霍罗夫、巴索夫等人都分别开始了世界上第一台激光器的研制，但是由于一些技术上的原因，他们都失败了。 在1957年10月哥伦比亚大学的原子束共振实验室博士研究生古尔德（汤斯）开始了制造激光器的实验。1957年11月26日，把他的前期的工作称为“利用辐射的受激光发射进行激光放大的可能性的若干粗略计算”，提出了“激光”这一崭新的概念。同时，古尔德提出了。激光用于雷达测距和通信系统”。。 激光的起源 美国休斯实验室量子电子学部的负责人梅曼于1960年7月，从红宝石激光器实验装置中射出一束红光，这标志着世界上第一台激光器的诞生。在这台红宝石激光器发明后约半年，美国IBM公司的年轻的科学家索洛金和史蒂文森研制了世界上第二台、第三台激光器：但是这两台激光器未能获得实用，远不及1960年12月研制的世界上第四台激光器，即由美国贝尔实验室贾范发明的，目前还在广泛应用的氦氖激光器。 值得指出的是，我国在激光领域起步也较早。王之江等人于1961年也研制成功了我国第一台激光器“红宝石”激光器。 激光的基本概念 电子围绕原子核旋转的动能和原子核吸引电子具有的位能构成了整个原子的能量，即原子的内能。 在无外力作用下，原子的内能是不变的。在外力的作用下，如果电子和原子核的距离增大，则原子的内能增加；如果电子和原于核的距离减小，则原子的内能也要相应地减小。 激光的基本概念 电子围绕原子核旋转时，只能处于某些特定的轨道上，即原子只能具有某些特定的内能。原子的内能不能连续改变。一般把原子中分裂成一挡一挡的能量称为原子的能级，电子处于不同的核外轨道上．就对应了不同能级。原子处于的最低能级称为基态．即电子离核最近位置．而其余能级称为激发态或高能态。 激光的基本概念 激光的基本概念 外力作用使原子由低能级过渡到高能级的过程叫做激发。 根据能量最低原理，原子总是力图使自己处于能量最低态。因此“干方百计”地使自己由高能级向低能级转移。这个过程称为跃迁。 没有受到外界的作用，仅由其本身运动的结果所导致的跃迁，称为自发跃迁。如果这份能量转变为热能或者其他形式的能量。就称之为无辐射跃迁：如果这份能量转变为光能，则称为自发辐射跃迁。 外来光子的带动是导致原子从高能级向低能级跃迂的又一原因．称为受激辐射跃迁。 激光产生过程及特性 粒子数反转的状态 激光器的组成 (1)放大介质 放大介质(以下称为激光介质)是指在外界能量的激励下，可以在其原子的某两个能级间满足粒子数反转的物质。某种激光介质可以使某个或者某些持定频率(由达到粒子数反转的两个能级决定)的光得到放大．最终得到激光输出。 激光介质可以是气体、液体、固体和半导体。根据激光介质的小同。可以把激光器分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、化学激光器及染料激光器等。 (2)泵浦源 泵浦源的作用就是使激光基态能级的原子被激发到较高能级，在激光上能级和下能级之间达到粒子数反转的条件： 不同的激光器类型采用不同的泵浦激励方式。 固体激光器一般采用闪光灯或者半导体激光进行泵浦。 (3)反射镜与谐振腔 要想获得单色性(接近单一频率)和方向性好的激光．我们必须选则一定传播方向和频率的光信号，使其只有最优的放大作，而抑制其他方向和频率的光信号。可以在激光介质的两头加上两块相互平行的反射镜，这对反射镜所形成的是激光谐振腔。 光波在腔内来回反射并跟原子发生作用，持续不断地产生受激辐射，这个方向的光就越来越强，大量的发光粒子相互关联地向着一个方向发光，这样我们就获得了激光。 为了引出激光，一块反射镜对激光是全反射的。另一块是部分透过的，激光在装有部分透过反射镜的一端输出。 (4)振荡条件 客观上还存在着不利于激光振荡的一面，即放大介质和谐振腔造成的光在腔内的损耗，如果损耗的光子数大于放大的光子数。则显然激光就不可能产生。 光在腔内的损耗包括：光在反射镜上由于透射、吸收和散射产生的损耗，光由于放大介质的有限孔径、放大介质的不均匀性而造成的衍射、散射损耗；放大介质的吸收损耗等。 要使光能够在腔内来回振荡形成激光．必须要求光在谐振腔内单程得到的放大比单程的损耗要大、这就是激光能够振荡的条件。 红宝石激光的示意图 固体激光器 激光器的工作方