激光焊接原理及工藝應(yīng)用.ppt

《激光焊接原理及工藝應(yīng)用.ppt》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在PPT專區(qū)-天天文庫。

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動。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，這些電子會處于一些固定的“能級”，不同的能級對應(yīng)于不同的電子能量，離原子核越遠的軌道能量越高。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個電子，較高的軌道上則可容納8個電子等等。躍遷電子可以通過吸收或釋放能量從一個能級躍

2、遷到另一個能級。例如當(dāng)電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能級躍遷至一個較高的能級。同樣地，一個位于高能級的電子也會通過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能級。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的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，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躍遷到高能級。受激輻射受激輻射是指處于高能級的電子在光子的“刺激”或者“感應(yīng)”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點是由受激輻射產(chǎn)生的

3、光子與引起受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，一個光子變?yōu)閮蓚€相同的光子。這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。自發(fā)輻射是指高能級的電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級，并在躍遷時產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hυ=E2-E1，即兩個能級之間的能量差。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個誘發(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)處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受激輻射才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射

4、激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級上的多，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（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實現(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)），就是可以使某兩個能級間呈現(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。用二能級的系統(tǒng)來做激活媒質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能級系統(tǒng)。三能級結(jié)構(gòu)當(dāng)粒子受外界能量激勵從E1到E3，由于E3能級壽命短，很快轉(zhuǎn)移到E2上，因能級E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1

5、間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。下能級E1為基態(tài)，通常總是積聚著大量的粒子，因此要實現(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，外界激勵就需要有相當(dāng)強的能力。四能級結(jié)構(gòu)常見激光器中，摻釹釔鋁石榴石（簡Nd3+:YAG）激光器，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)都是對激光器運轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)的能級而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個能級或四個能級。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)中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光

6、的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。2、激勵源為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學(xué)激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。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、高

7、電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成。燈管用機械強度高、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。用三價釹代替了晶體中部分的三價釔，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)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應(yīng)用。還需要將輻射的光進行放大，于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡

8、片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡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到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達到一定能