激光加工基础

本导图梳理了激光加工基础的知识内容，包含物理基础、产生过程、激光的特点等，结构型知识框架方便学习理解！

激光产生的物理基础

• 物理基础
  • 原子能级跃迁
    • 原子从一个能量状态（定态）跃迁到另一个能量状态（定态）
    • 分类
      • 光子
        • 光子的能量等于发生跃迁的两个能级的能量差值
        • • h为普朗克常数，6.63×10-34J
          • v为频率，Hz
      • 电子
        • 动能大于或等于原子两个能级之差
      • 原子或分子
      • 电离
  • 自发辐射 受激辐射 受激吸收
    • 自发辐射
      • 处于激发态的原子，自发以光子或其他形式放出能量跃迁到低能态。 辐射出的光子能量为hv=E2-E1
      • 光子的发射方向、初相位不同，频率不同
    • 受激辐射
      • 过程
        • 处于激发态E2的原子，受到外来光子的作用，当外来光子刚好与它的跃迁频率一致时，就会从E2跃迁到E1
        • 辐射出与外来光子完全相同的光子，hv=E2-E1
        • 一个光子辐射出两个同样的光子
        • 两个光子又去激励其他激发原子发生受激跃迁，产生四个光子
        • 受激辐射光放大
        • 短时间内，辐射出大量状态完全相同的光子，“雪崩”
      • 受激辐射光的特点
        • 相干光
        • 振幅加大，光的高亮度性
    • 受激吸收
  • 粒子数反转
    • 玻尔兹曼统计分布：
      • n2<n1,高能级粒子数少于低能级粒子数
        • 受激吸收站主导地位
    • 设法把处于基态的粒子大量激发到E2,处于高能级的粒子数就可以大大超过低能级粒子数
    • 条件
      • 要求介质有适当的能级结构
        • 亚稳态
          • 原子可以停留较长时间的能级，原子辐射跃迁很少，容易积攒粒子
      • 要求有必要的能量输入，使受激辐射远大于自发辐射
        • 泵浦
          • 提供激励的能量系统
    • 过程
      • 泵浦将大量低能态E1上的原子抽运到激发态E3上，
      • 由于E3能级的寿命很短，大量原子通过自发辐射跃迁到亚稳态E2
      • 亚稳态E2寿命较长
      • 如果光抽运的强度足够大，可以使E2状态的原子数n2>n1
• 产生过程
  • 
  • 激光工作物质在泵浦源的激励下被激活，处于粒子数反转状态
  • 较高能级上的粒子有自发向低能级跃迁的趋势，从而自发地发出光子，这些光子可以沿任意方向运动。
    • 自发辐射
  • 不沿谐振腔轴线方向运动的光子，很快会逸出腔体
  • 只有沿轴线方向运动的光子，经过两个反射镜的反射不断地在腔体里往返运动
  • 这样的光子又会不断地激发高能级上的其他粒子向低能级跃迁，引起受激辐射，而发射光子
    • 受激辐射
    • 受激辐射光子与自发辐射光子的性质（频率、相位、偏振、传播方向）完全相同
  • 光子在谐振腔内多次往返，经过介质，沿轴线运动的光子数不断增加，逐渐形成很强的相干光
  • 相干光强度达到一定程度时，就有一部分从光学谐振腔的部分反射镜中投射出来
  • 形成激光
• 激光的特点
  • 亮度高
    • 原因
      • 激光的发射能力强，能量高度集中
    • 比普通光源的亮度高亿万倍 比太阳表面的亮度高几百亿倍 可在焦点处产生几千到几万度
  • 方向性好
    • 光束很窄，发射后发散角非常小
    • 激光射出20km，光斑直径只有20~30cm
  • 单色性好
    • 激光的谱线宽度很窄，颜色很纯
    • 光的颜色由波长决定
  • 相干性高
    • 相干性是所有波的共性
    • 激光是受激辐射光，所有光子都有相同的相，相同的偏振，具有极强的相干性，迭加起来便产生很大的强度

激光器

• 工作物质
  • 作用
    • 实现粒子数反转并产生受激辐射的物质体系
    • 决定激光的波长
  • 分类
    • 气体激光器
      • 优点
        • 单色性和相干性比固体激光和半导体激光更好
        • 光束发散角小
        • 气体工作物质的能量转换效率较高，容易实现大功率连续输出
        • 气体种类多——发射的谱线范围很宽，从紫外到红外
        • 结构简单
      • 缺点
        • 气体浓度低 ，不适用于尺寸小且功率大的激光器
        • 气体的泄露和损耗，寿命较固体短
    • 半导体
      • 优点
        • 体积小
        • 调制方便
      • 缺点
        • 输出功率小
        • 光束发散角大
        • 相干性差
    • 固体激光器
      • 优点
        • 器件小
        • 坚固
        • 使用方便
        • 输出功率大100W
• 激励源（泵浦源）
  • 定义
    • 将原子由低能级激发到高能级的外界能量
  • 作用
    • 使工作物质中形成粒子数反转分布和为光放大提供必要的能量来源
  • 分类
    • 气体放电激励
      • 气体激光器常用
      • 机理
        • 在高电压下，气体分子电离导电，与此同时气体分子（原子、离子）与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成粒子数反转
    • 光激励
      • 机理
        • 利用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子数反转
      • 发光灯、太阳能、激光
      • 固体激光器、液体激光器
    • 热能激励
      • 机理
        • 用高温加热的方式使高能级上的气体分子数增多，然后突然降低气温
    • 化学能激励
      • 利用化学反应过程中释放的能量来将粒子泵浦到高能级
    • 核能激励
• 光学谐振腔
  • 原因
    • 工作物质中的自发辐射是杂乱无章的，在这些光的激励下产生的受激辐射整体上也是随机的，光子射向四面八方，需要将特定方向上的受激辐射不断放大增强
  • 结构
    • 全反射镜
      • 与工作物质轴线严格垂直
    • 部分反射镜（凹面镜）
      • 激光从此发出
  • 作用
    • 提供正反馈，使光放大能在腔内稳定地震荡
    • 限制激光地频率和方向，保证单色性和方向性
    • 使腔内部分激光由部分反射面耦合输出
• 分 类
  • 固体激光器
    • 固态基质中掺入少量激活离子
    • 红宝石激光器
      • 氧化铝晶体+0.05%氧化铬
      • 铬离子起受激发射的作用
    • Nd:YAG激光器
      • 钇铝石榴石晶体（YAG）+1%Nd
      • 可产生波长1319nm 1338nm9 46nm
        • 三倍频产生355nm紫外
      • 目前在室温下唯一能够连续工作的固体工作物质
  • 气体激光器
    • CO2激光器
      • 红外波