激光焊接原理及工藝應(yīng)用

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1、激光焊接原理及工藝應(yīng)用1、激光原理及特性什么是激光?鐳射=激光=LASERLASER是英文的“受激輻射光放大”的首字母縮寫。激光產(chǎn)生的原理能級(jí)物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構(gòu)成。電子圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會(huì)處于一些固定的“能級(jí)”，不同的能級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的電子能量，離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個(gè)電子，較高的軌道上則可容納8個(gè)電子等等。躍遷電子可以通過吸收或釋放能量從一個(gè)能級(jí)躍遷到另

2、一個(gè)能級(jí)。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能級(jí)躍遷至一個(gè)較高的能級(jí)。同樣地，一個(gè)位于高能級(jí)的電子也會(huì)通過發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能級(jí)。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級(jí)的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長(zhǎng)，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。受激吸收受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。電子可通過吸收光子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。受激輻射受激輻射是指處于高能級(jí)的電子在光子的“刺激”或者“感應(yīng)”下，躍遷到低能級(jí)，并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受

3、激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個(gè)光子變?yōu)閮蓚€(gè)相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。自發(fā)輻射是指高能級(jí)的電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級(jí)，并在躍遷時(shí)產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hυ=E2-E1，即兩個(gè)能級(jí)之間的能量差。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普

4、通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)(也稱為放大媒質(zhì)或放大介質(zhì)），就是可以使某兩個(gè)能級(jí)間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級(jí)的系統(tǒng)來做激活媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能級(jí)系統(tǒng)。三能級(jí)結(jié)構(gòu)當(dāng)粒子受外界能量激勵(lì)從E1到E3，由于E3能級(jí)壽命短，很快轉(zhuǎn)移到E2上，因能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。下

5、能級(jí)E1為基態(tài)，通常總是積聚著大量的粒子，因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵(lì)就需要有相當(dāng)強(qiáng)的能力。四能級(jí)結(jié)構(gòu)常見激光器中，摻釹釔鋁石榴石（簡(jiǎn)Nd3+:YAG）激光器，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級(jí)系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)都是對(duì)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)的能級(jí)而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個(gè)能級(jí)或四個(gè)能級(jí)。激光產(chǎn)生條件1、激光工作介質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的

6、存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。2、激勵(lì)源為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。泵浦燈氙燈為惰性氣體放電燈，我們使用的燈的形狀多為直管形。其結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氙（Xe）氣體組成。電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成

7、。燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙氣。Nd：YAG激光棒Nd：YAG（摻釹的釔鋁石榴石）是目前最常用的一類固體激光器。YAG是一種立方結(jié)構(gòu)晶體，質(zhì)地很硬、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高。用三價(jià)釹代替了晶體中部分的三價(jià)釔，因此稱為摻釹的釔鋁石榴石。3、諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用。還需要將輻射的光進(jìn)行放大，于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡

8、片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達(dá)到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達(dá)到一定能