激光基礎(chǔ)知識(shí).doc

激光基礎(chǔ)知識(shí)1目的 了解激光的發(fā)展簡(jiǎn)史，清楚激光的產(chǎn)生原理及特性，熟知激光的危害等級(jí)及激光發(fā)振器的結(jié)構(gòu)2激光的產(chǎn)生及發(fā)展史 21世界上第一臺(tái)激光器是由美國(guó)科學(xué)家梅曼（T.H.Maiman）于1960年研究成功的，這臺(tái)紅寶石激光器作為發(fā)光物質(zhì)（ 棒兩頭鍍上銀膜形成反射鏡面），棒外面套上一支螺旋狀的氪氣燈，為了充分利用氪燈光，梅曼又在螺旋燈外套上一個(gè)反射率很高的圓柱，以便使更多的氪燈光照在紅寶石上。 其實(shí)，早在1916年愛(ài)因斯坦就曾發(fā)表過(guò)一篇論文，提出了一種現(xiàn)在叫光學(xué)感應(yīng)吸收和光學(xué)感應(yīng)發(fā)射的觀點(diǎn)（又叫受激吸收和發(fā)射），這一觀點(diǎn)后來(lái)竟成為激光器的主要理論基礎(chǔ)，1952年，美國(guó)馬里闌大學(xué)的韋伯開(kāi)始運(yùn)用上述概念去放大電磁波，但工作沒(méi)能往前發(fā)展，只有激光的發(fā)明人湯期（C.TOWES）向韋伯索要了論文，繼續(xù)這一工作，才打開(kāi)了一個(gè)新的領(lǐng)域。 湯斯的最初設(shè)想：由四個(gè)反射鏡圍成一只玻璃盒，盒內(nèi)充以鉈，盒外放一個(gè)鉈燈，用這一裝置可產(chǎn)生激光，湯斯的合作者肖洛（A.schawlow）擅長(zhǎng)于光譜學(xué)，對(duì)原子光譜及兩平行反射鏡的光學(xué)特性十分熟悉，便對(duì)湯斯的設(shè)想提出兩條修改意見(jiàn)，一是他證明鉈原子不可能產(chǎn)生光放大，建議改用鉀（其實(shí)鉀也不易產(chǎn)生激光），二是建議只用兩面反射鏡便可形成光的振蕩器，不必沿用微波放大器的封閉盒子作為諧振器。直到現(xiàn)在，湯斯和肖洛研制出來(lái)的，但是他們提出的基本概念和構(gòu)想?yún)s被公認(rèn)是對(duì)激光領(lǐng)域劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。 22激光的產(chǎn)生原理 由原子結(jié)構(gòu)可知，電子繞核高速旋轉(zhuǎn)，各自有不同軌跡道，這些軌跡道稱為能級(jí)電子，處于不同的能級(jí)。原子系統(tǒng)的能量不同，由于粒子有趨于低能級(jí)的特性，平衡狀態(tài)時(shí)，低能級(jí)粒子吸收能量，躍遷到高能級(jí)上，（分布規(guī)律符合玻而茲曼公式）。如果提供一個(gè)能源，使低能級(jí)粒子吸收能量，躍遷到高能級(jí)上，使高能級(jí)粒子數(shù)多于低能級(jí)粒子數(shù)，這就是所謂的“粒子聚集數(shù)反轉(zhuǎn)”，高能級(jí)粒子有向低能級(jí)自發(fā)躍遷的趨勢(shì)，一個(gè)電子自發(fā)躍遷時(shí)，一個(gè)能級(jí)差放出一個(gè)光子，稱自發(fā)輻射，自發(fā)輻射放出光子的頻率的躍遷的能差成正比，符合普朗克公式hr=E1-E2，式中H=6.626x10-34(J.S)為普朗克常數(shù)；r為光子頻率；E2，E1分別為高能級(jí)和低能級(jí)能量，此光子又激發(fā)E2能級(jí)的粒子，使E2能級(jí)的粒子受激放出頻率，相位，方向完全一致的光子即受激發(fā)射，此時(shí)E2能級(jí)一個(gè)粒子，產(chǎn)生了二個(gè)完全相同的光子，這兩個(gè)光子再出激發(fā)E2能級(jí)的粒子，就產(chǎn)生了四個(gè)相同光子，這種雪崩式的反應(yīng)，使入射光得到放大，使光強(qiáng)迅速增強(qiáng)，如果在粒子受激輻射系統(tǒng)的兩端設(shè)置二塊相互平行的反射鏡，構(gòu)成光學(xué)諧振腔，那么平行于諧振腔軸線的光，在二個(gè)反射鏡之間振蕩放大，越來(lái)越強(qiáng)，直到E2能級(jí)的粒子都受激躍遷到E1能級(jí)時(shí)，“粒子聚集反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象消失，隨時(shí)逸出諧振腔外而消失，最后得到的光束方向一致，亮度最高的單色光即激光（LASER-Light，Amplification by simulated emission of radiation）。 23激光的特點(diǎn)： 231亮度高：它是世界上最亮的光源，CO2激光亮度比太陽(yáng)表面亮8個(gè)數(shù)量級(jí)，鉑玻璃激光亮度比太陽(yáng)表面亮16個(gè)數(shù)量級(jí)。 232方向性好：近似于理想的平行光，遠(yuǎn)距離傳播時(shí)，擴(kuò)散面積很小。 233單色性好：光譜寬度極窄，比氪燈的光譜還窄幾個(gè)數(shù)量極。 234具有反射.折射.透射.聚焦特性。 235功率密度高：一般在105-107w/cm2，經(jīng)充分聚焦后可達(dá)106-1012w/cm2。 24激光危害分類： 激光器的分類基本上是根據(jù)其可達(dá)發(fā)射極限AEL（Accessible Emission Limit）來(lái)劃分的，而可達(dá)發(fā)射極限定義：在確定的危害類別內(nèi)，允許激光器發(fā)射的最大輻射功率和能量，一個(gè)激光器可能發(fā)射4類激光，但在該激光產(chǎn)品被定為4類之前，其輻射必須真正超過(guò)3B類激光發(fā)射極限： I類激光（class 1 Laser product）是無(wú)危險(xiǎn)不需要進(jìn)行危害控制的激光產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)的最大發(fā)射持續(xù)時(shí)間內(nèi)，可達(dá)到的發(fā)射極限低于照射限值，即使通過(guò)光學(xué)放大儀器進(jìn)行光束內(nèi)視，也不會(huì)引起眼損傷。 II類激光（class 2 Laser product）是低危險(xiǎn)低功率的可見(jiàn)激光產(chǎn)品，輸出功率大于I類，但小于或等于1mw的連續(xù)激光產(chǎn)品或在設(shè)計(jì)的最大發(fā)射持續(xù)時(shí)間內(nèi)，輸出功率超過(guò)相應(yīng)光束內(nèi)視照射極限，但不超過(guò)0.25s照射時(shí)間的眼照射限值的重復(fù)頻率脈沖激光產(chǎn)品。 IIIA類激光產(chǎn)品（class 3A Laser product）是低危險(xiǎn)中功率的激光產(chǎn)品，輸出功率為1-5mw，輻照度不大25w/m2的可見(jiàn)光連續(xù)波或重復(fù)頻率脈沖激光產(chǎn)品. IIIB類激光產(chǎn)品（class 3B Laser product）是中等危險(xiǎn),中功率的激光產(chǎn)品,這類激光產(chǎn)品包括:輻照量超過(guò)相應(yīng)極限,但小于或等于10j/m2的脈沖激光產(chǎn)品,輻射功率超過(guò)相應(yīng)眼照射限值,但小于或等于0.5w的連續(xù)波或重復(fù)頻率脈沖激光產(chǎn)品。IV類激光產(chǎn)品（class 4 Laser product）是高功率的激光產(chǎn)品，即輻射功率超過(guò)0.5w的連續(xù)波或重復(fù)頻率脈沖激光產(chǎn)品或輻射量。2.5CO2激光器的重要特點(diǎn)2.5.1高功率,其最大連續(xù)輸出功率已達(dá)25KW;2.5.2高效率,其總效率為10%左右,比其它加工用激光器的效率高得多;2.5.3高功率質(zhì)量,其模式較好且較穩(wěn)定;A. 封離型激光器此種類型CO2激光器的工作氣體不流動(dòng),直流自持放電產(chǎn)生的熱量,靠玻璃管或石英管壁傳導(dǎo)散熱,故其熱導(dǎo)率低,注入功率和激光功率受工作氣體溫升的限制,每米激光管的輸出功率在50W至70W之間,由于工作氣體在放電過(guò)程中有分解,故其輸出激光功率隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)均較低,在加工中僅需數(shù)百瓦級(jí)激光功率時(shí),采用此種準(zhǔn)封離型CO2激光器是適宜的.B. 快速軸流CO2激光器它是由工作氣體沿放電管軸向流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻,且氣流方向同電場(chǎng)方向和激光方向一致,其氣流速度一般大于100M/S,有的甚至可達(dá)亞單速,其結(jié)構(gòu)主要由細(xì)路放電管,諧振腔,高壓直流放電系統(tǒng),高速風(fēng)機(jī),熱交換器及氣流管道等部分組成.快速軸流CO2激光器的主要特點(diǎn)有:(1) 光束質(zhì)量好(基模或TEM01模)(2) 功率密度高(3) 電光效率高,可達(dá)26%(4) 結(jié)構(gòu)緊湊(5) 可以連續(xù)和脈沖雙制運(yùn)行因此,這種類型CO2激光器使用范圍很廣C. 橫向流動(dòng)型激光器該激光器的工作氣體沿著與光軸垂直的方向快速流過(guò)放電區(qū)以維持腔內(nèi)有較低的氣體溫度,從而保