激光加工_02激光特性

2.1 激光的产生原理
第二章
1. 原子结构和能级
跃迁
激光原理和特性
激发 基态 低能级 高能级
2.1 激光的产生原理 光源的最基本发光单元是分子、原子
能级跃迁辐射 E2 E1
ν =(E2-E1) /h
2.自发辐射与受激辐射 (1).自发辐射：普通光源
波列
不同原子发的光
互相独立
波列长 L =τ c 同一原子先后发的光
τ≈
互相独立
10-8秒
互相独立：前后发光间隔，频率,相 位,振动方向,传播方向
2.自发辐射与受激辐射 (2)受激辐射：激光光源
E2
自然光
2.自发辐射与受激辐射
LASER 激光
ν
ν ν 频率,相位,振动 方向,传播方向 完全一样！
ν =(E2-E1) /h
E1
1

2.自发辐射与受激辐射
E2
3.粒子数反转与自激振荡
一.能够产生激光必须要求粒子数反转
E2 E1
e?
Grundzustand基 态
E1
hν
hν = E2 ? E1
angeregter Zustand E2 Grundzustand E1 Kern
Absorption吸收
实现光的受激辐射，即光的放大，原子本身要处 于高能级，而对于处于低能级的原子来说，入射光 子的能量会被完全吸收。因此要求物质中处于高能 级的粒子数远远大于处于低能级的粒子数。物质的 这种状态称为粒子数反转。 两个基本条件：一是粒子处于高能级的寿命要长。 二是要对粒子进行能量激发，使大量处于低能级的 粒子转移到高能级上去，这个过程叫激励，或称泵 浦。
hν
E2 E1
hν
E2
hν
Spontane Emission 自发辐射
Stimulierte Emission 受激辐射
E1
8 00016 09 Sx
激励（泵浦）示意图
激励（泵浦）方法
对固体工作物质（掺 铬刚玉、掺钕玻璃、 掺钕钇铝石榴石等） 采用强光照射，称为 光激励或光泵浦； 对气体工作物质 （氦-氖、二氧化碳等） 采用高压放电的方 法，称为电激励。 其他还有化学激励、 热激励、电子束泵浦 和核泵浦等。
高能态 亚稳态
基态
自激振荡原理，光学谐振腔 (optical harmonic oscillator) 激光器有两个反射镜，它们构成一个 光学谐振腔。
激励能源
光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。 ?
激光
?
选频之一： 对于可能有多种跃迁的情况，可以 利用阈值条件来选出一种跃迁。 阈值条件为
全反射镜
部分反射镜
G≥
1 1 = Gm ln 2 L R1 R2
2

二. 激光产生三要素
1 工作物质
气体： 气体： 原子气体： HeNe, I HeNe, 分子气体： CO2， CO， N2， HeCd CO， 离子气体： Ar+, Kr+ 准分子气体： XeF*, ArF*, KrF* XeF*, ArF*, KrF* 金属蒸汽： Cu蒸汽 Cu蒸汽 红宝石， Nd:玻璃，Nd:YAG Nd: 玻璃，Nd:YAG AlGaInP, GaAlAs, InGaAs AlGaInP, GaAlAs, 有机和无机染料：若丹明，香豆素，花青类染料
固体： 固体： 半导体： 半导体： 液体： 液体：
CO2激光器： CO2 ＋ N2 ＋ He CO2激光器： Nd:YAG激光器： Nd3+ ＋ 钇铝石榴石 （Y3Al5O12） Nd:YAG激光器：
三能级系统和四能级系统
2 激励系统
泵浦、抽运――实现粒子数反转 泵浦、抽运――实现粒子数反转
气体放电激励：气体激光器
脉冲放电、直流辉光 放电、交流放电、射 频放电、微波放电
光学激励： 固体激光器 光学激励：
脉冲氙灯，连续氪 灯，二极管激光
化学反应激励：化学氧碘激光器 COIL
过氧化氢＋氢氧化钠 ＋氯气 → 激发态氧 ＋碘原子
3 光学谐振腔
作用：正反馈；选模
三. 激光产生过程
光腔类型：稳定腔，非稳腔 光腔参数：g1=1－L/R1, g2=1－L/R2 光腔参数：g =1－ =1－ 稳定性条件：0≤g1g2≤1 稳定性条件：0 g1g2≤
3

激光的产生（文字描述）
处于谐振腔内的激光工作物质在自发辐 射产生的光子的诱导下产生受激辐射， 受激辐射产生的光子在谐振腔内沿轴向 往复传播，受激辐射的强度越来越大， 使处于高能态的大部分粒子相互关联地 发光。以至于受激辐射强度远远超过自 发辐射强度，当谐振腔内聚集的沿轴向 方向的受激辐射达到一定强度后，其中 一部分通过部分反射镜射出，即形成激 光
I ( z ) = I 0 e (G0 ?α ) z
G( I m ) = α = G0 1+ Im / Is
G(I ) =
G0 1+ I / Is
I m = (G 0 ? α ) I s / α
2.2 激光的模式
激光器输出的每一个谐振频率成为一个 纵模。 激光束横截面上光强的稳定分布模式称为 横模。
2.2 激光的模式
Wellenl?nge λ 波长
电磁波
Ebene der elektrischen 电平面 Feldst?rke E 电矢量 (Polarisationsebene) 偏振平面
H
AusbreitungsRichtung 传播方向
E
Ebene der magnetischen 磁平面 Feldst?rke H 磁矢量
Richtung der Dipolachse der oszillierenden Ladungsverteilung 极化振振荡的分布方向
1 纵模
单模激光与多模激光
落入自发辐射光谱线轮廓范围内的谐振频率只有一个，产生的 激光也只有一个频率，称为单模激光。 落入自发辐射光谱线范围内的谐振频率有多个，产生的激光包 含多个频率，称为多模激光。
洛伦兹分布曲线
l=
λ
2
K, λ =
C'
γ
, γK =
C 'K 2l
公式（1-2）
4

例如，为了在氦氖激光器 Ne 原子的 0.6328 μm, 1.15 μm, 3.39 μm 受激辐射光 中, 只让波长0.6328 μm的光输出， 可以通过控制Ｒ1、Ｒ2的大小实现： 对 0.6328 μm ——Ｒ1、R2大 ——Gm 小(易满足阈值条件，使形成激光) ； 对 1.15 μm 、3.39 μm ——Ｒ1、Ｒ2小 —— Gm大（不满足阈值条件，形不成激光）
选频之二： 对于单一的跃迁，利用选择纵模 间隔的方法，进一步在谱线宽度 内再选频。
I (ν 0 )
设氦氖激光器中Ne原子的 0.6328 μm 受激辐射光的 谱线频率宽度Δν为 Δν ≈ 1.3×109 Hz
I (ν 0 )
I (ν 0 ) 2
νν ν0
ν=
c
I (ν 0 )
I (ν 0 )
λ
c
∴ Δν = → Δλ =
=
λ2
c
Δλ
I (ν 0 ) 2
λ2 Δ ν
ν ν0 ν0
9
由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节， 所以有光程 nL = k λk ( k=1、2、3、…．) 2 n —谐振腔内媒质的折射率
(6328 × 10 ) × 1.3 × 10
?10 2
λk—真空中的波长
k=1 k=2 k=3 L
3 × 108
0
= 1.7 × 10 ? 2 A
λk =
2nL k
下面会看出，通过光学谐振腔的作用， 激光的谱线宽度可以小到 Δλ ≈ 10-8?
可以存在的纵模频率为 c c νk = =k λk 2nL 相邻两个纵模频率的间隔为 Δν k = 数量级估计：
c 2nL
而氦氖激光器 0.6328 μm 谱线的宽度为
Δν =1.3×109 HZ
因此，在Δν 区间中，可以存在的纵模个数为 Δν 1.3 × 109 N= = ?8 Δν k 1.5 × 108
Ｌ～1ｍ； n～1.0； c～３×108 m/s
Δν k =
c 3 × 108 = = 1.5 × 108 Η Z 2nL 2 × 1 × 1
5

利用加大纵模频率间隔Δνk的方法,可以使Δν 区间中只存在一个纵模频率。 比如缩短管长Ｌ到 10 cｍ， Ｌ→L/10 即 则 Δνk→10 Δνk 在Δν 区间中，可能存在的纵模个数为 Ｎ=1
于是就获得了谱线宽度非常窄的激光输出，极 大地提高了0.6328 μm 谱线的单色性。 激光除了有纵向驻波模式外，还有横向驻波模 式。产生的原因：对不同空间分布损耗不同。
横向模式
Intensitat 亮度 Moden模式
TEM00
TEM20
TEM21
基横模在激光光束的横截面上各点 的位相相同，空间相干性好。TEM00
横模-高斯模
横模
6

横模
高斯光束
TEM00—高斯光束,光场按高斯函数分布: 高斯光束, 光场按高斯函数分布: I(x,y,0)=I(0,0,0)exp(-2(x2+y2)/a)=I0 exp(-2r2) I(x,y,0)=I(0,0,0)exp(exp(中心光强 I(0,0,0)=I0 光斑半径w(z)定义为I(x,y,z)=1/e2I(0,0,0)包含的范 光斑半径w(z)定义为I(x,y,z)=1/e I(0,0,0)包含的范 围,86.5%总光强 ,86.5%总光强
2.3 激光的特性
★激光的亮度高 小结：产生激光的必要条件 ｌ. 激励能源（使原子激发） ２. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级） ３.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性） ★激光的单色性好 ★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。 ★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
激光的高亮度
激光的高单色性
7

激光的高方向性
激光的高相干性
8