激光基础知识

激光基础知识1．目的了解激光的发展简史，清楚激光的产生原理及特性，熟知激光的危害等级及激光发振器的结构2．激光的产生及发展史2．1世界上第一台激光器是由美国科学家梅曼（T.H.Maiman）于1960年研究成功的，这台红宝石激光器作为发光物质（棒两头镀上银膜形成反射镜面），棒外面套上一支螺旋状的氪气灯，为了充分利用氪灯光，梅曼又在螺旋灯外套上一个反射率很高的圆柱，以便使更多的氪灯光照在红宝石上。其实，早在1916年爱因斯坦就曾发表过一篇论文，提出了一种现在叫光学感应吸收和光学感应发射的观点（又叫受激吸收和发射），这一观点后来竟成为激光器的主要理论基础，1952年，美国马里阑大学的韦伯开始运用上述概念去放大电磁波，但工作没能往前发展，只有激光的发明人汤期（C.TOWES）向韦伯索要了论文，继续这一工作，才打开了一个新的领域。汤斯的最初设想：由四个反射镜围成一只玻璃盒，盒内充以铊，盒外放一个铊灯，用这一装置可产生激光，汤斯的合作者肖洛（A.schawlow）擅长于光譜学，对原子光譜及两平行反射镜的光学特性十分熟悉，便对汤斯的设想提出两条修改意见，一是他证明铊原子不可能产生光放大，建议改用钾（其实钾也不易产生激光），二是建议只用两面反射镜便可形成光的振荡器，不必沿用微波放大器的封闭盒子作为谐振器。直到现在，汤斯和肖洛研制出来的，但是他们提出的基本概念和构想却被公认是对激光领域划时代的贡献。2．2激光的产生原理由原子结构可知，电子绕核高速旋转，各自有不同轨迹道，这些轨迹道称为能级电子，处于不同的能级。原子系统的能量不同，由于粒子有趋于低能级的特性，平衡状态时，低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，（分布规律符合玻而兹曼公式）。如果提供一个能源，使低能级粒子吸收能量，跃迁到高能级上，使高能级粒子数多于低能级粒子数，这就是所谓的“粒子聚集数反转”，高能级粒子有向低能级自发跃迁的趋势，一个电子自发跃迁时，一个能级差放出一个光子，称自发辐射，自发辐射放出光子的频率的跃迁的能差成正比，符合普朗克公式hr=E1-E2，式中H=6.626x10^-34(J.S)为普朗克常数；r为光子频率；E2，E1分别为高能级和低能级能量，此光子又激发E2能级的粒子，使E2能级的粒子受激放出频率，相位，方向完全一致的光子即受激发射，此时E2能级一个粒子，产生了二个完全相同的光子，这两个光子再出激发E2能级的粒子，就产生了四个相同光子，这种雪崩式的反应，使入射光得到放大，使光强迅速增强，如果在粒子受激辐射系统的两端设置二块相互平行的反射镜，构成光学谐振腔，那么平行于谐振腔轴线的光，在二个反射镜之间振荡放大，越来越强，直到E2能级的粒子都受激跃迁到E1能级时，“粒子聚集反转”现象消失，随时逸出谐振腔外而消失，最后得到的光束方向一致，亮度最高的单色光即激光（LASER-Light，Amplificationbysimulatedemissionofradiation）。2．3激光的特点：2．3．1亮度高：它是世界上最亮的光源，CO2激光亮度比太阳表面亮8个数量级，铂玻璃激光亮度比太阳表面亮16个数量级。2．3．2方向性好：近似于理想的平行光，远距离传播时，扩散面积很小。2．3．3单色性好：光谱宽度极窄，比氪灯的光谱还窄几个数量极。2．3．4具有反射.折射.透射.聚焦特性。2．3．5功率密度高：一般在10^5-10^7w/cm^2，经充分聚焦后可达10^6-10^12w/cm^2。2．4激光危害分类：激光器的分类基本上是根据其可达发射极限AEL（AccessibleEmissionLimit）来划分的，而可达发射极限定义：在确定的危害类别内，允许激光器发射的最大辐射功率和能量，一个激光器可能发射4类激光，但在该激光产品被定为4类之前，其辐射必须真正超过3B类激光发射极限：I类激光（class1Laserproduct）是无危险不需要进行危害控制的激光产品，在设计的最大发射持续时间内，可达到的发射极限低于照射限值，即使通过光学放大仪器进行光束内视，也不会引起眼损伤。II类激光（class2Laserproduct）是低危险低功率的可见激光产品，输出功率大于I类，但小于或等于1mw的连续激光产品或在设计的最大发射持续时间内，输出功率超过相应光束内视照射极限，但不超过0.25s照射时间的眼照射限值的重复频率脉冲激光产品。IIIA类激光产品（class3ALaserproduct）是低危险中功率的激光产品，输出功率为1-5mw，辐照度不大25w/m^2的可见光连续波或重复频率脉冲激光产品.IIIB类激光产品（class3BLaserproduct）是中等危险,中功率的激光产品,这类激光产品包括:辐照量超过相应极限,但小于或等于10j/m^2的脉冲激光产品,辐射功率超过相应眼照射限值,但小于或等于0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品。IV类激光产品（class4Laserproduct）是高功率的激光产品，即辐射功率超过0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品或辐射量。2.5CO2激光器的重要特点2.5.1高功率,其最大连续输出功率已达25KW;2.5.2高效率,其总效率为10%左右,比其它加工用激光器的效率高得多;2.5.3高功率质量,其模式较好且较稳定;A.封离型激光器此种类型CO2激光器的工作气体不流动,直流自持放电产生的热量,靠玻璃管或石英管壁传导散热,故其热导率低,注入功率和激光功率受工作气体温升的限制,每米激光管的输出功率在50W至70W之间,由于工作气体在放电过程中有分解,故其输出激光功率随运行时间延长逐渐下降,其优点是结构简单,维护方便,造价和运行费均较低,在加工中仅需数百瓦级激光功率时,采用此种准封离型CO2激光器是适宜的.B.快速轴流CO2激光器它是由工作气体沿放电管轴向流动来实现冷却,且气流方向同电场方向和激光方向一致,其气流速度一般大于100M/S,有的甚至可达亚单速,其结构主要由细路放电管,谐振腔,高压直流放电系统,高速风机,热交换器及气流管道等部分组成.快速轴流CO2激光器的主要特点有:(1)光束质量好(基模或TEM01模)(2)功率密度高(3)电光效率高,可达26%(4)结构紧凑(5)可以连续和脉冲双制运行因此,这种类型CO2激光器使用范围很广C.横向流动型激光器该激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内有较低的气体温度,从而保证有高功率输出,单位有效谐振腔长度的输出激光功率达每米10KW,商用器件的最大功率可达25KW,但其缺点是光束质量较差,在好的情况下可以得到低阶模输出,否则为多模输出,这种类型的激光器广泛应用于材料的表面改性加工领域,如激光表面淬火,激光表面合金化,激光表面熔覆,激光表面非晶化等.