現(xiàn)代激光焊接技術(shù)——原理和應(yīng)用

1、現(xiàn)代激光焊接技術(shù) 基本原理和應(yīng)用授課教師：李遠(yuǎn)星聯(lián)系方式一章第一章 激光產(chǎn)生原理激光產(chǎn)生原理激光又名激光又名“鐳射鐳射”，全稱(chēng)為，全稱(chēng)為“通過(guò)受激輻射通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光的放大實(shí)現(xiàn)光的放大”（Light amplification by stimulated emission of radiation）激光基本原理：激光基本原理：1916年愛(ài)因斯坦提出的年愛(ài)因斯坦提出的受激輻受激輻射射理論理論激光簡(jiǎn)史u 1951年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。u 稍后，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)家馬索夫和普羅霍洛夫先

2、后提原子和分子的受激輻射原理來(lái)產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì) u 1954年，湯斯終于制成了第一臺(tái)氨分子束微波激射器，成功地開(kāi)創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。 湯斯等人研制的微波激射器只產(chǎn)生了1.25厘米波長(zhǎng)的微波，功率很小。u 1958年，湯斯與姐夫阿瑟肖洛將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的理論知識(shí)結(jié)合起來(lái)，提出了采用開(kāi)式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并預(yù)防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。u 同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。 1960年: 梅曼（T.MAIMAN) 第一臺(tái)紅寶石激光器;1961年: 德諾凡(俄) 第一臺(tái)氣體激光器(He-Ne);

3、1962年: 第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器;1964年: 帕特爾(C.Patel) 第一臺(tái)CO2激光器;1965年: 貝爾實(shí)驗(yàn)室 第一臺(tái)YAG激光器;1971年: 第一臺(tái)商用1kW的CO2激光器;19711980年: 開(kāi)展激光切割、焊接、表面處理等激光加工技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。 激光簡(jiǎn)史1.1 光和物質(zhì)的相互作用原理光和物質(zhì)的相互作用原理 按照丹麥物理學(xué)家玻爾按照丹麥物理學(xué)家玻爾提出的氫原子理論，原子系提出的氫原子理論，原子系統(tǒng)是由一系列不連續(xù)的能量統(tǒng)是由一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)構(gòu)成，即能級(jí)。而當(dāng)原狀態(tài)構(gòu)成，即能級(jí)。而當(dāng)原子系統(tǒng)和光相互作用時(shí)，存子系統(tǒng)和光相互作用時(shí)，存在有：在有：自發(fā)輻射自發(fā)輻射、受激吸收受

4、激吸收和和受激輻射受激輻射3種現(xiàn)象。而激種現(xiàn)象。而激光的產(chǎn)生包括以上光的產(chǎn)生包括以上3種現(xiàn)象。種現(xiàn)象。E1E2E3E4E5Enn=1n=2n=3n=4n=5能級(jí)系統(tǒng)示意圖能級(jí)系統(tǒng)示意圖一、自發(fā)輻射（一、自發(fā)輻射（Spontaneous Radiation）E2E1特點(diǎn)：特點(diǎn)： 一種純自發(fā)產(chǎn)生的過(guò)程；一種純自發(fā)產(chǎn)生的過(guò)程； 輻射光子頻率符合普朗克輻射光子頻率符合普朗克公式；公式； 自發(fā)輻射的光子是不相關(guān)自發(fā)輻射的光子是不相關(guān)的，即雖然頻率相同，但是相的，即雖然頻率相同，但是相位、方向、偏振不同；位、方向、偏振不同；注：自然界中，常見(jiàn)的許多光源，如日光、燈光注：自然界中，常見(jiàn)的許多光源，如日光、燈

5、光等都是粒子系統(tǒng)自發(fā)輻射的結(jié)果等都是粒子系統(tǒng)自發(fā)輻射的結(jié)果hEEE12二、受激吸收（二、受激吸收（Stimulated Absorption）E2E1 受激吸收指的是處于較受激吸收指的是處于較低能級(jí)上的粒子受到外來(lái)光低能級(jí)上的粒子受到外來(lái)光子的激勵(lì)而從較低能級(jí)向較子的激勵(lì)而從較低能級(jí)向較高能級(jí)躍遷的一個(gè)過(guò)程。高能級(jí)躍遷的一個(gè)過(guò)程。注：受激吸收不僅與粒子系統(tǒng)本身有關(guān)，而且與注：受激吸收不僅與粒子系統(tǒng)本身有關(guān)，而且與外來(lái)光子有關(guān)，外來(lái)光子越多，受激吸收越多。外來(lái)光子有關(guān)，外來(lái)光子越多，受激吸收越多。三、受激輻射（三、受激輻射（Stimulated Radiation）E2E1 受激輻射是受激受激輻

6、射是受激吸收的逆過(guò)程。指的吸收的逆過(guò)程。指的是處于較高能級(jí)上的是處于較高能級(jí)上的粒子受到外來(lái)光子的粒子受到外來(lái)光子的激勵(lì)，便從高能級(jí)向激勵(lì)，便從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)向外輻射一個(gè)與外來(lái)光外輻射一個(gè)與外來(lái)光子完全相同的光子，子完全相同的光子，這樣的過(guò)程稱(chēng)之為受這樣的過(guò)程稱(chēng)之為受激輻射。激輻射。注：這里的完全相同不僅注：這里的完全相同不僅是頻率相同，而且相位、是頻率相同，而且相位、偏振、方向也相同。具有偏振、方向也相同。具有光放大作用。光放大作用。 值得說(shuō)明的是，受值得說(shuō)明的是，受激吸收和受激輻射理論激吸收和受激輻射理論由愛(ài)因斯坦于由愛(ài)因斯坦于1916年提年提出。而受激輻射理論

7、為出。而受激輻射理論為上世紀(jì)上世紀(jì)60年代初從實(shí)驗(yàn)?zāi)甏鯊膶?shí)驗(yàn)上獲得激光奠定了堅(jiān)實(shí)上獲得激光奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。的理論基礎(chǔ)。 因此，沒(méi)有理論家，因此，沒(méi)有理論家，實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決；實(shí)驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決；沒(méi)有實(shí)驗(yàn)家，理論家則沒(méi)有實(shí)驗(yàn)家，理論家則會(huì)迷失方向。會(huì)迷失方向。四、受激輻射和自發(fā)輻射比較四、受激輻射和自發(fā)輻射比較 通過(guò)以上分析可以得出，受激輻射和自發(fā)輻射通過(guò)以上分析可以得出，受激輻射和自發(fā)輻射雖然都能發(fā)出光子，但是其物理本質(zhì)不一樣。受激雖然都能發(fā)出光子，但是其物理本質(zhì)不一樣。受激輻射是外來(lái)光子引起的，而自發(fā)輻射卻是自發(fā)產(chǎn)生輻射是外來(lái)光子引起的，而自發(fā)輻射卻是自發(fā)產(chǎn)生的；受激輻射所產(chǎn)生的光

8、子和外來(lái)光子完全一樣，的；受激輻射所產(chǎn)生的光子和外來(lái)光子完全一樣，即光子的方向、頻率、相位以及偏振方向都一樣，即光子的方向、頻率、相位以及偏振方向都一樣，而自發(fā)輻射不具備這些特性。而自發(fā)輻射不具備這些特性。 從效果上看，受激輻射相當(dāng)于加強(qiáng)了外來(lái)激勵(lì)從效果上看，受激輻射相當(dāng)于加強(qiáng)了外來(lái)激勵(lì)光子，即具有光放大作用，因此受激輻射是產(chǎn)生激光子，即具有光放大作用，因此受激輻射是產(chǎn)生激光的主要物理基礎(chǔ)。光的主要物理基礎(chǔ)。1.2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（Population Inversion）愛(ài)因斯坦的受激輻射理論誕生于愛(ài)因斯坦的受激輻射理論誕生于1916年；年；世界上首臺(tái)激光器誕生于世界上首臺(tái)激光器誕生

9、于1960年；年；相隔相隔44年，為什么？年，為什么？這主要是普通光源的粒子中，產(chǎn)生受激輻射的這主要是普通光源的粒子中，產(chǎn)生受激輻射的粒子少！如何解決呢？粒子少！如何解決呢？一、平衡態(tài)原子系統(tǒng)描述一、平衡態(tài)原子系統(tǒng)描述kTEnneN 處于平衡態(tài)的原子系統(tǒng)，各能級(jí)上的粒子服處于平衡態(tài)的原子系統(tǒng)，各能級(jí)上的粒子服從玻爾茲曼分布。即，能級(jí)的能量越高，其上面的從玻爾茲曼分布。即，能級(jí)的能量越高，其上面的粒子就越少。粒子就越少。 由于受激輻射幾率和受激吸收幾率相同，因由于受激輻射幾率和受激吸收幾率相同，因此當(dāng)外來(lái)光子作用于粒子系統(tǒng)時(shí)，從總體上講，受此當(dāng)外來(lái)光子作用于粒子系統(tǒng)時(shí)，從總體上講，受激吸收幾率高

10、于受激輻射幾率。因此，外來(lái)光子得激吸收幾率高于受激輻射幾率。因此，外來(lái)光子得不到光放大。不到光放大。 通常只能看到原子系統(tǒng)的吸收現(xiàn)象（光減通常只能看到原子系統(tǒng)的吸收現(xiàn)象（光減弱），看不到受激輻射現(xiàn)象（光增強(qiáng)）。弱），看不到受激輻射現(xiàn)象（光增強(qiáng)）。 結(jié)論：平衡態(tài)的粒子系統(tǒng)是不能產(chǎn)生激光的。結(jié)論：平衡態(tài)的粒子系統(tǒng)是不能產(chǎn)生激光的。 要使受激輻射超過(guò)受激吸收，必須使系統(tǒng)處要使受激輻射超過(guò)受激吸收，必須使系統(tǒng)處于高能態(tài)的粒子數(shù)（于高能態(tài)的粒子數(shù)（N2）多于低能態(tài)的粒子數(shù)）多于低能態(tài)的粒子數(shù)（ N1），即），即N2 N1。而這種分布稱(chēng)之為粒子數(shù)。而這種分布稱(chēng)之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。 因此，因此，如何從技術(shù)

11、上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件激光的必要條件。二、如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二、如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光泵浦光泵浦氣體放電激勵(lì)氣體放電激勵(lì)化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)氣體動(dòng)力激勵(lì)氣體動(dòng)力激勵(lì)電子束激勵(lì)電子束激勵(lì)核泵核泵注：其中最常用的是光泵浦和電激勵(lì)。注：其中最常用的是光泵浦和電激勵(lì)。概念：概念：1. 激活介質(zhì)：指的是經(jīng)過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后的介質(zhì)，又激活介質(zhì)：指的是經(jīng)過(guò)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后的介質(zhì)，又稱(chēng)為激光工作物質(zhì)；稱(chēng)為激光工作物質(zhì)；2. 泵浦源：又稱(chēng)為激勵(lì)源，目的是使得激光工作物泵浦源：又稱(chēng)為激勵(lì)源，目的是使得激光工作物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)；質(zhì)處于非平衡狀態(tài)；3. 要形成激光，除了以上二

12、者外，還需一個(gè)條件，要形成激光，除了以上二者外，還需一個(gè)條件，即正反饋系統(tǒng)條件。這樣，受激輻射光子可以即正反饋系統(tǒng)條件。這樣，受激輻射光子可以多次輻射激光工作物質(zhì)。實(shí)際系統(tǒng)中起該作用多次輻射激光工作物質(zhì)。實(shí)際系統(tǒng)中起該作用的是光學(xué)諧振腔；的是光學(xué)諧振腔；泵浦泵浦：使工作物質(zhì)在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為：使工作物質(zhì)在某兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程稱(chēng)為 泵浦或抽運(yùn)。泵浦或抽運(yùn)。 方式：光泵浦（方式：光泵浦（YAGYAG）、電泵浦（）、電泵浦（COCO2 2）、化學(xué)能泵浦或核能泵浦）、化學(xué)能泵浦或核能泵浦 （染料激光器）（染料激光器）激光的形成過(guò)程激光的形成過(guò)程 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 激

13、勵(lì)、受激輻射激勵(lì)、受激輻射 自激振蕩增益自激振蕩增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦） 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 激勵(lì)源激勵(lì)源激活介質(zhì)激活介質(zhì)諧振腔諧振腔全反全反射鏡射鏡部分部分 反射鏡反射鏡(99)1.3 激光器的構(gòu)成和激光的形成激光器的構(gòu)成和激光的形成實(shí)用激光中，主要構(gòu)件情況大體如下：實(shí)用激光中，主要構(gòu)件情況大體如下：1. 激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)：必須是一個(gè)具有若干能級(jí)的粒子：必須是一個(gè)具有若干能級(jí)的粒子系統(tǒng)并具備亞穩(wěn)能級(jí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和受激輻射成系統(tǒng)并具備亞穩(wěn)能級(jí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和受激輻射成為可能。可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體?，F(xiàn)已為可能。可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體?，F(xiàn)已有工作

14、物質(zhì)近千種，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)從紫外到遠(yuǎn)紅外有工作物質(zhì)近千種，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)從紫外到遠(yuǎn)紅外波段；波段；2. 激勵(lì)源激勵(lì)源（泵浦源）：由它給激光工作物質(zhì)提供能（泵浦源）：由它給激光工作物質(zhì)提供能量，使之處于非平衡狀態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；常用量，使之處于非平衡狀態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；常用激光器中，激光器中，CO2激光器采用電激勵(lì)，激光器采用電激勵(lì)，Nd:YAG激光激光器采用光泵浦；器采用光泵浦；3. 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔：通常以?xún)蓚€(gè)反射鏡構(gòu)成。它的主要：通常以?xún)蓚€(gè)反射鏡構(gòu)成。它的主要作用主要有三個(gè)：第一，提供正反饋，使光放大能作用主要有三個(gè)：第一，提供正反饋，使光放大能在腔中穩(wěn)定地振蕩，為產(chǎn)生大量同態(tài)受激輻射

15、光子在腔中穩(wěn)定地振蕩，為產(chǎn)生大量同態(tài)受激輻射光子提供保證；第二，將腔內(nèi)的一部分激光耦合輸出；提供保證；第二，將腔內(nèi)的一部分激光耦合輸出；第三，保證激光的單色性和方向性，即選模；第三，保證激光的單色性和方向性，即選模；4. 電源電源：為激勵(lì)源提供能量；：為激勵(lì)源提供能量；5. 控制和冷卻系統(tǒng)控制和冷卻系統(tǒng)：保證激光器能夠穩(wěn)定、正常和：保證激光器能夠穩(wěn)定、正常和可靠地工作；可靠地工作；6. 聚光器聚光器：為固體激光器所特有，提高泵浦光的利：為固體激光器所特有，提高泵浦光的利用率。用率。E2E1n2n11.4 激光束的主要特性激光束的主要特性 普通光源發(fā)出的光是向各個(gè)方向輻射并隨著傳播距普通光源發(fā)出

16、的光是向各個(gè)方向輻射并隨著傳播距離的增加而衰減。主要原因是這些光源發(fā)的光是組成離的增加而衰減。主要原因是這些光源發(fā)的光是組成光源的大量分子或原子在自發(fā)輻射過(guò)程中光源的大量分子或原子在自發(fā)輻射過(guò)程中 “各自為政各自為政”輻射光子。輻射光子。 激光是入射光子經(jīng)受激輻射過(guò)程被放大。由于激光激光是入射光子經(jīng)受激輻射過(guò)程被放大。由于激光產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光不同，這就使激光具有產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光不同，這就使激光具有不同于普通光的一系列性質(zhì)。不同于普通光的一系列性質(zhì)。1. 單色性好單色性好 光的顏色取決于光的波長(zhǎng)，通常把亮度為最大亮光的顏色取決于光的波長(zhǎng)，通常把亮度為最大亮度一半的兩個(gè)波長(zhǎng)間的

17、寬度定義為這條光譜線的寬度，度一半的兩個(gè)波長(zhǎng)間的寬度定義為這條光譜線的寬度，譜線寬度越小，光的單色性越好。譜線寬度越小，光的單色性越好。 可見(jiàn)光部分的顏色有七色，每種顏色的譜線寬度為可見(jiàn)光部分的顏色有七色，每種顏色的譜線寬度為40-50nm，激光的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通光源，如氦激光的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通光源，如氦-氖氖激光器輸出的紅色激光譜線寬度只有激光器輸出的紅色激光譜線寬度只有10-8nm。 激光良好的單色性使激光在測(cè)量上優(yōu)勢(shì)極為明顯。激光良好的單色性使激光在測(cè)量上優(yōu)勢(shì)極為明顯。2. 方向性好、亮度高方向性好、亮度高 從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度稱(chēng)為方向性。從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度稱(chēng)為方向性。由于諧振腔對(duì)光束方向的選擇作用，激光器輸出的光由于諧振腔對(duì)光束方向的選擇作用，激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等于束發(fā)散角度很小，可以小于或等于10-310-5rad。良。良好的方向性使激光是射得最遠(yuǎn)的光，應(yīng)用于測(cè)距、通好的方向性使激光是射得最遠(yuǎn)的光，應(yīng)用于測(cè)距、通訊、定位方面。訊、定位方面。 激光方向性好帶來(lái)的直接結(jié)果，就是光源的亮度激光方向性好帶來(lái)的直接結(jié)果，就是光源的亮度高。激光的高亮度在激光切割、手術(shù)、軍事上有重要高。激光的高亮度在激光切割、手術(shù)、軍事上有重要應(yīng)用，現(xiàn)正研究用高亮度的激光引發(fā)熱核反應(yīng)。應(yīng)用，