[工程科技]现代激光制造技术讲义1.ppt

现代激光制造技术;引言;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 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。;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。;常用激光介质的能级系统——三能级，四能级系统;3）光学谐振腔——须在激活介质两端放置平行的反射镜，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 则近轴光线在腔内多次反射而不横向逸出腔外，几何损耗小 当 g1 g2 0或g1 g2 1 为非稳腔 近轴光线在腔内往返有限次而横向逸出腔外，几何损耗大;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。;c. 谐振腔的谐振条件 振辐条件——光在腔内往返一次，由??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;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 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 ——光场在垂直腔轴的平面内的光强分布;;1.1.2 激光光束的特性 1） 高强度——激光束光强度很高 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 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。;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 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