激光焊接原理及工藝應(yīng)用(已修改)
2025-02-21 19:51 本頁面
【正文】 激光焊接原理及工藝應(yīng)用 激光原理及特性 鐳射 =激光 =LASER 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(yùn)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(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)能級躍遷到另一個(gè)能級。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能級躍遷至一個(gè)較高的能級。同樣地，一個(gè)位于高能級的電子也會通過發(fā)射一個(gè)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(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(shí)產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為 hυ=E2E1，即兩個(gè)能級之間的能量差。 ? 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)處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時(shí)，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(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(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)，必須使用多能級系統(tǒng)。 三能級結(jié)構(gòu) ? 當(dāng)粒子受外界能量激勵(lì)從 E1到 E3，由于 E3能級壽命短，很快轉(zhuǎn)移到E2上，因能級 E2為亞穩(wěn)態(tài)，在 E E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。下能級 E1為基態(tài)，通?？偸欠e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(yùn)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(gè)能級或四個(gè)能級。 激光產(chǎn)生條件 ? 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)能級的存在，對實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。 ? 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(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(diǎn)、高電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成。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
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