第40卷第1期力学进展Vol.40No.1 2010年1月25日ADVANCES IN MECHANICS Jan.25,2010
激光驱动固体材料状态方程实验研究进展
袁红?孙承纬
中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900
摘要论述了激光驱动固体材料状态方程实验研究的目的和意义,对激光驱动固体材料状态方程测量的3种基本方法进行了分析比较.综述了国内外激光状态方程实验研究的发展现状,介绍了该实验研究中新的诊断方法.
关键词激光,状态方程,冲击波,阻抗匹配,自由面速度
1引言
材料在高温高密度状态下的热力学特性是一门独立的学科分支,又在诸如天体物理、地球物理、材料研究、惯性约束聚变(inertial con?nement fusion,ICF)[1～6]等自然科学和工程技术中有着广泛的应用.
物理高压分静态高压和动态高压.静态高压[7～9]目前的最高记录是几百GPa;要产生更高的压强,则通过动态高压的方法.动高压技术又分等熵压缩[10]和冲击压缩,其中先后发展了化学炸药爆炸[11]、气炮[12～14]、核爆[15,16]、激光烧蚀[17～20]等冲击压缩技术.从20世纪40年代末开始,冲击压缩技术开始发展,理论和实验技术发展都很快,得到了许多动态高压下的准确状态方程(equation of state,EOS)数据.从20世纪50年代开始,采用化学爆轰驱动的冲击波来研究材料的冲击压缩性能,得到了一些材料的高压EOS实验数据[21],压强最高达到7TPa[22].与此同时,高压气体炮技术也用来产生高压[23],但这些技术产生的动高压不高于1.0TPa.想产生更高的压强,获得更高压强下材料的EOS实验数据,必须采用新的技术.从20世纪60年代开始,美国、前苏联等国家利用地下核爆炸产生的强冲击波来测量材料的冲击压缩性能[24,25],得到了许多材料在TPa、甚至近10TPa压强下精度很高的EOS实验数据,有些经过精确测量的材料作为状态方程实验研究的标准材料,目前仍被采用,但这种实验周期长且费用高.全面禁止核爆实验后,必须采用一种新的方法来研究材料的高压状态方程.利用高功率激光作驱动源辐照固体靶材,可在靶材中产生强冲击波,并使材料在极短时间(ns量级)内达到高温高压的冲击压缩状态,从而提供了一种在实验室研究材料高压状态方程的良好的途径.20世纪70年代中后期发展起来的高功率激光驱动的冲击波被广泛地用来进行高压状态方程的实验研究,压强已从刚开始的0.2TPa[26]发展到近期的75TPa[27],通过直接驱动或间接驱动,得到了许多材料在TPa 范围的状态方程数据[28,29].随着高功率激光器的出现及其技术的不断完善和规模的不断扩大,利用其输出的大功率激光作驱动源来进行材料状态方程的研究,具有许多常规方法无法达到的优点,并逐渐得到日益广泛的应用.
2激光驱动冲击波基本特性研究
激光驱动冲击波分直接驱动和间接驱动两种方式.直接驱动就是将激光直接聚焦辐照在固体靶面上,烧蚀靶表面的物质,使之熔化、蒸发、电离而形成等离子体.被烧蚀的靶物质向真空高速飞散,由于动量守恒,将在烧蚀面上产生一系列指向靶内的压缩波.在入射激光持续时间内,这些压缩波在靶内传播,不断追逐、叠加、增强,从而形成很强的冲击波.根据大量的数值模拟和实验测
收稿日期:2007-11-12,修回日期:2009-09-07?E-mail:yuanhong1977@https://www.doczj.com/doc/6317139541.html,
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29
量,冲击波压强可用一个比较典型的定标关系表示[30]
P s,max =
0.8[(A/Z )(13/27)]1/3(1.06/λ)2/3×
(0.6/τ)1/8I 0.7
0 1+(120sin θ/R s )×
[(λ/1.06)(27/A )1/4](Z/13)1/8τ0.9I 0.4
14
(1)
式中:P s,max 为激光驱动冲击波的峰值压强,以TPa 为单位;A 和Z 是靶物质的原子量和原子序数;λ,τ和I 0是驱动激光的波长、脉宽和功率密度,单位分别为μm,ns 和1014W ·cm ?2;R s 是靶面激光焦斑半径,以μm 为单位;θ为入射激光光束的汇聚半角,对于口径为φ的入射激光光束,用焦距为f 的透镜聚焦,θ=tg ?1(φ/2f ).式(1)中分母一般是接近于1的数,因此冲击波的峰值压强主要依赖于驱动激光的波长λ和功率密度I 0.Phipps 等
[31]
统计了各种波长、脉宽的激光
实验数据,靶材是各种铝合金和碳氢化合物,提出的烧蚀压强的定标关系分别为式(2)和(3).设t p 为激光脉宽,t 1为光蚀时间,t 1=1.05×10?4I 2/3A 5/6λ10/3Z ?1/3(Z +1)?3/2s,其中A 和Z 分别是靶材蒸气或等离子体的离子质量(原子质量)和平均电离电荷量(仅此处特指),I 和λ分别是激光光强和波长,时间、波长、光强的单位分别是s,cm 和W ·cm ?2.令?=A/(2Z ),ψ=A/{2[Z 2(Z +1)]1/3}.若t p ≤t 1激光烧蚀产生等离子体处于临界状态,这时烧蚀压强处于最大值
{P 1c }10?5Ncm ?2=15.6?1/3(I/λ)2/3
(2)
若t p >t 1,等离子体处于亚临界状态,其烧蚀压强将随时间下降
{P 1}10?5Ncm ?2=5.83A ?1/8ψ9/16I 3/4(λ
t p )
?1/4(3)
间接驱动就是将多路激光经由两个入射孔聚焦辐照在高Z 材料黑腔内壁上,如图1所示.激光能量被腔壁吸收,形成高温等离子体,发射X 射线.这些X 射线在腔内传播,再次被腔壁吸收,发射X 射线.经过多次吸收和发射,在腔内迅速形成一个平衡均匀的辐射场.这个均匀的辐射场作用于固体靶上,将向靶内驱动很强的冲击波.
图1激光间接驱动实验排布示意图
激光间接驱动时,人们最关心的是辐射场的温度和驱动冲击波的压强.理论计算表明,辐射温度可以表示为[32]
T r =3.04×106S 4/13ξ
t 2/13
(4)
冲击波压强可以表示为
[33]
P =44S 10/13ξ
t ?3/26
(5)
式中,T r 表示辐射场温度,以K 为单位;P 表示冲击波压强,以TPa 为单位;t 为激光脉宽,以ns 为单位;S ξ是黑腔内总的源辐射能流密度,以1014W ·cm ?2为单位,由注入激光功率乘以X 射线的转化效率再除以黑腔内壁的总表面积求出.从上面两式可以看出,入射激光功率越高,黑腔内形成的辐射能流密度越高,从而辐射场温度越高,驱动冲击波的压强也越高.
激光直接或间接辐照于靶片上,靶片尺度一般为mm 量级,而其厚度为(10～102)μm 量级,可以视为一维加载.激光状态方程实验测量还要求冲击波必须是平面的、均匀传播的和干净的,因此必须采取一些措施来获得平面的、均匀传播的和干净的冲击波,并对此进行实验考察.
2.1激光驱动冲击波平面性研究
采用间接驱动方式,原则上能在腔内形成均匀的辐射场,从而保证靶中驱动的冲击波具有良好的平面性.采用直接驱动方式,靶面各处激光冲击波的压强依赖于该处的激光辐照强度,强度越高,压强越高,相应地冲击波速度也越快,在靶中传播一段距离后,波阵面就越超前.因此,要获得平面冲击波,在实验观测范围内,靶面激光辐照强度的空间分布必须是足够均匀的.然而,即使入射光束为理想的高斯光束或均匀的平面波,使用通常的聚焦光学系统所得到的焦斑的光强分布也是很不均匀的,不能形成平面冲击波,必须对光束进行改造,实现对靶面的均匀辐照.常用的光
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束均匀化方案分为两大类型:空间域平滑技术和时间域平滑技术.空间域平滑技术包括透镜阵列(lens array,LA)[34～36]、随机相位板(random phase plate,RPP)[37]、相息相位板(kinoform phase plates,KPP)[38],双相位板(binary-phase zone plate ar-rays,PZP)[39]和连续分布相位板(distributed phase plate,DPP)[40～42]等技术.时间域平滑技术包括感应空间非相干(induced spatial incoherence,ISI)[43]、谱色散平滑(smoothing by spectral disper-sion,SSD)[44]技术、自发射放大(ampli?ed sponta-neous emission,ASE)[45]、光学空间光滑化(optical spatial smoothing,OSS)[46]等.在应用中也可以采用几种技术组合使用的方法,如SSD+RPP [47].不同的平滑方法[48],对非线性抑制的作用机制不同,各有特点.对多种因素进行权衡后,不同的激光器可能会采用不同的平滑方法.以美国用于ICF 研究的大型激光器为例,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Lab-oratory,LLNL)的Nova 激光器,采用最多的平滑方式是RPP [49],对其他平滑方法也进行了研究如KPP [50]和SSD [51].在Nova 上,对采用及不用RPP 的激光焦斑进行了测量,虽然两者焦斑大小相同,但是RPP 产生了更均匀的焦斑分布[1,47].Omega 激光器则采用SSD ＋RPP 对激光束进行平滑,得到了较好的效果[47].LLNL 在建的国家点火装置(national ignition facility,NIF),准备采用KPP 方式对192路激光束进行平滑[1,47].其他的激光器的平滑方法包括:法国强激光应用实验室(Labo-ratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses,LULI)的ASTERIX 碘激光器[52]和英国的HELEN 激光器采用PZP 进行光束平滑[53];日本大阪大学的GekkoXII 装置三倍频主激光束采用SSD 、二倍频背光束采用RPP 作为束匀滑的方式[54];法国Phe-bus 激光器的常用光束平滑方式为KPP [55];美国海军研究实验所(Naval Research Laboratory,NRL)的Pharos 激光器,则更多地采用ISI 进行束匀滑[56,57].我国神光装置采用的是邓锡铭等[34]首创的LA 技术,取得了很好的均匀化效果和实验结果[58].在激光状态方程实验中,主要用条纹相机对靶背冲击发光信号作时空分辨记录,平面靶背面冲击发光信号前沿的平直度反映了冲击波的平面性,用各空间位置发光信号前沿出现时刻起伏的标准偏差δRMS 来衡量,δRMS 越小,平面性越好.图2给出了条纹相机记录的30μm Al 平面靶背面冲击
发光信号图像,其平面范围约为800μm,时间起伏δRMS 约为3.83ps,与冲击波在30μm Al 平面靶中的渡越时间约为1.5ns 相比,其平面性是非常好的.
图230μm Al 平面靶背面冲击发光信号图像
2.2激光驱动冲击波传播的均匀性研究
激光驱动冲击波的传播特性主要取决于激光脉冲的时间波形,因此,通过对激光脉冲的整形,可以控制冲击波的传播特性.国内神光装置先后采用时空变换技术及变阻抗微带传输线技术,实现了状态方程要求的梯形脉冲激光输出.冲击波传播均匀性的研究,可以归结为在相应实验条件下,如何判定冲击波传播是否均匀,以及如何确定冲击波均匀传播的距离.采用斜面靶[59,60]或多台阶靶[61],可以对冲击波传播的均匀性进行实验考察.特别是多台阶靶方法,不但可以考察冲击波在单一介质中传播的均匀性,而且可以考察冲击波在两种不同介质中传播的均匀性,更符合阻抗匹配靶的实际情况.为了考察神光II 第9路激光脉冲波形条件下(约1500J 倍频激光,22ns 梯波形)冲击波在Al 靶和Al-Au 阻抗匹配靶中的传播情况,分别进行了以Al 作基底的Al 和Au 四台阶靶实验[62].图3(a)是一副Al 四台阶靶实验的记录图像,相应的结果处理如图3(b)所示,图中d 0～d 4表示靶中不同厚度,R 表示拟合的线性相关系数,冲击波速度平均值为20.950km/s,相对不确定度小于0.5%,线性相关系数为0.99996.结果表明,冲击波在Al 材料中传播45μm 后(包括20μm 基底),仍然是非常均匀的.Au 四台阶靶实验结果表明,在Al 基底厚度为30μm 的情况下,冲击波在Au 台阶中传播距离约10.5μm 时,仍是比较均匀的,而当传播距离约15.0μm 时,冲击波速度已经开始衰减.
通过对具体激光条件下冲击波稳定性的实验研究并结合相应的数值模拟,可以为靶参数的精
第1
期袁红等:激光驱动固体材料状态方程实验研究进展31
密设计提供实验依据,以获得相当精确的实验结果[62,63].图3Al 四台阶靶实验结果,Al 基底厚度为20μm
2.3激光驱动冲击波预热及干净性研究
纳秒激光驱动开展材料EOS 研究,在ns 量级时间内是不会有“热波效应”的[64].在强激光与物质相互作用的反常吸收过程中,比如共振吸收、受激散射等,将产生超热电子,其能量很大,相应的温度也很高,可达几亿、几十亿K,其速度很快,在靶材料中有很强的穿透能力,它们将在冲击波前预热冷材料,而且在高强激光中,超热电子的能量沉积可以与冲击波的内能相比拟.为了抑制超热电子对靶材料的预热效应,国内外相关学者都开展了相应的理论和实验研究.理论和实验表明,提高激光辐照的均匀性可以抑制共振吸收、受激散射等过程,从而减少超热电子数量;采用短波长的激光作强激波的驱动源,降低超热电子的温度;在进行低Z 材料状态方程实验时,在靶中嵌入一薄层高Z [65]材料,中途截断超热电子,可以有效地降低超热电子对靶材料的预热程度.通过上述措施可以有
效抑制超热电子对靶材料的预热效应,使得激光驱动的冲击波用来进行精确的材料EOS 实验测量.
3激光驱动固体材料状态方程测量的基本
方法
当高功率激光辐照到固体平面靶时,激光能量在靶前表面沉积对靶材料进行烧蚀,产生高温稠密等离子体向真空高速喷射,同时反冲动量传入靶内,形成激光直接驱动的高压冲击波向靶内传播[66].当激光驱动的冲击波在靶内传播时,根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,可以得到冲击波的波前和波后状态参量的Rankirr Hugoniot (雨贡纽曲线、冲击绝热曲线)关系式[67,68]
ρ(U s ?U p )=ρ0(U s ?U p 0)(6)P ?P 0=ρ0(U s ?U p 0)(U p ?U p 0)
(7)e ?e 0=12(P +P 0) 1ρ0?
1
ρ
(8)
其中U s 为冲击波速度;U p 0,U p 为冲击压缩前后的
粒子速度;ρ0,ρ为冲击压缩前后材料的密度,P 0，P 为冲击压缩前后材料的压强;e 0,e 为冲击压缩前后材料的比内能.如果材料初始处于静止状态,且冲击波后压强非常高,则上述方程组可简化为
ρ(U s ?U p )=ρ0U s
(9)
P =ρ0U s U p (10)e ?e 0=
12
P
1ρ0?1ρ
(11)
U p 0,ρ0,P 0,e 0一般情况是已知的,所以冲击波关系
式中还有U s ,U p ,ρ,e 5个未知数,用实验方法确定
材料的雨贡纽曲线时,必须测量其中的任意两个参数.以前许多实验都是测量两个速度U s 和U P .如果能在实验室中同时测量到这两个参数,通过冲击波关系式求出其他参数,就能实现状态方程的绝对测量.传统的测量高压下材料冲击压缩线的方法主要有3种基本类型:飞片撞击法、阻抗匹配法和自由面速度法[69].
3.1飞片撞击法
一个以速度W f 高速运动的飞片碰撞静止的靶后,将在碰撞面两边产生两个反向传播的冲击波.如果能用实验方法测量到飞片碰靶的瞬间速度W f 和靶中冲击波速度U s ,根据连续性原理,就可以得到靶中波后的粒子速度U p ,这种方法就称
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飞片撞击法(或阻滞法).飞片撞击法的原理是严格的,应保证飞片碰靶瞬间的状态与其已知的初始状态(密度、温度等状态量)完全相同,这样才能利用对称碰撞原理或已知的飞片冲击压缩线求出待测材料的冲击压缩线.化学爆轰驱动和核爆驱动中都用这种技术进行过状态方程实验.
高功率激光驱动飞片空腔靶技术在实验状态方程研究中主要有两个方面的应用:一是作为压强放大器[70](即增压效应),另一是有可能作为绝对测量的手段[27,71～73].利用高功率激光驱动飞片空腔靶技术曾进行了一些高压状态方程研究的尝试[74,75],但是这些尝试实验给出的压强数据是通过测试靶中冲击波速度,利用状态方程(或数据库)推算出来的,还不是状态方程的绝对测量数据.Fabbro等[75]利用0.26μm激光(光强为1015W·cm?2)驱动9μm厚的Al飞片获得160km/s的速度,该飞片碰撞台阶Al靶获得几百GPa的压强,由于X射线等超热效应及测量的不准确性未能用于EOS的研究.LLNL[27]采用激光间接驱动Au飞片撞击台阶靶测量冲击波速,在Au靶中获得75±2×1011Pa,并在此基础上提出用飞片碰撞三台阶靶来进行状态方程绝对测量的设想,其实验简图如图4和5所示.Cauble 等[27]利用Nova激光器的三倍频激光进行间接驱动方式的尝试中,测量到了3个时间信号,本应由此得到冲击波速度和波后粒子速度,但是他们没有给出测量结果,其后也未见正式实验结果的报道.激光飞片三台阶靶技术的原理本身有近似,而且冲击波压强不能过高,对铝,最高大概在(1～2)TPa,但它能用来测量高Z元素材料的冲击压缩性质,测试仪器和方法与后面将要介绍的阻抗匹配技术差别不大,易于开展实验.Tanaka 等[76]利用激光驱动冲击波加速多层飞片(Al-Polyimide-Ta)撞击玻璃台阶靶,产生的烧蚀压高于150GPa,冲击波在靶中具有很好的流体稳定性,Ta飞片速度范围(2～13)km/s.激光参数如下:激光波长1053nm,激光最大能量为20J,光强1013W·cm?2,脉宽1ns,实验布局如图6所示.文献[76]主要对激光驱动冲击波加速多层飞片的方法开展讨论,指出此方法可以有效抑制超热电子、X射线等对靶材料的预热效应,从而应用于高功率激光开展物质的EOS的研究
.
图4激光间接驱动台阶靶实验示意图图5激光间接驱动三台阶靶实验示意图
上海激光等离子体研究所(Shanghai Institute of Laser Plasma,SILP)黄秀光等[71～73]利用飞片双面台阶靶技术开展了状态方程绝对测量的探索实验,如图7所示.利用台阶背面的冲击波卸载发光信号的时间差,可以分别推算出靶中冲击波速度、飞片碰靶速度(可导出冲击波波后粒子速度),参看式(12)～(14),式中W f为飞片碰靶速度,U p 为波后粒子速度.高功率激光驱动飞片空腔靶的数值模拟结果表明:激光功率密度和脉宽、飞片厚度、碰靶距离以及靶材料等对飞片飞行状态和靶中冲击波特征有明显的影响;如果激光条件和靶结构匹配,可能使飞片与靶实现对称碰撞或接近对称碰撞,而且可在靶中获得具有较好稳定性和增压适度的高压冲击波;利用合适的飞片空腔双面台阶靶,可能实现EOS的绝对测量.但是此种方法依然是建立在一些基本的假设上:(1)飞片与靶实现对称碰撞或近似对称碰撞;(2)靶中冲击波传播存在稳定区并有一定的长度.由于受限于当时的激光条件,他们未能获得平面性良好且范围较宽的冲击波,未能进一步开展EOS的实验研究.
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红等:激光驱动固体材料状态方程实验研究进展
33
图6激光驱动冲击波加速多层飞片实验示意图图7激光直接驱动飞片双面台阶靶实验示意图
图中h f 为飞片厚度,h c 为碰靶距离,h 1～h 3
为靶第1～3台阶高度,L 1为靶横向特征宽度,t A ～t C 为靶背面3个发光信号时刻.
D =h 3/(t C ?t B )
(12)W f =h 1/(t C ?t A )(h 1=h 3)(13)U p =W f /2
(14)
3.2阻抗匹配法
如果已经精确测定了某种材料的冲击压缩线,就可以把该种材料作为“标准”材料,通过同时测量标准材料和待测材料中的冲击波速度,就可得到待测材料的雨贡纽点的其他参数,这种方法即为阻抗匹配法,它是一种相对测量方法,见图8,目前文献报道较多[55,65,77～82].
图9是阻抗匹配法的图解法,P (U A )是已知的标准材料的冲击压缩线,过原点作斜率为ρA U A 的标准材料的波直线OA ,它与P (U A )相交在点A (P A ,U A ),P A 和U A 分别是到达标准材料界面的冲击波压强和粒子速度.通过点A 作标准材料的二次冲击压缩线A -B (待测材料波阻抗大于标准材料的波阻抗如图9所示)或等熵稀疏线(待测材料波阻抗小于标准材料的波阻抗),然后作待测材料
的波直线(斜率为ρB U B ),交点处的P B 和U B 即为待测材料中的冲击波压强和粒子速度,这样通过冲击波关系式就可求出雨贡纽点的其他参数[69].
图8阻抗匹配法测量示意图
图9阻抗匹配法的图解法
LULI 利用100J 脉冲激光采用阻抗匹配法[83]
(两种材料,双台阶)获得P =(10～50)×1011Pa,在Au 中获得高于35×1011Pa 的冲击压强,其中Al
为标准材料.LULI 通过激光直接驱动(或间接驱动)冲击波测得Cu 在P =(10～40)×1011Pa 压强范围的数据点[29],从靶背面发光信号看出实验中没有过热现象,利用PZP 对光束匀滑后的激光直接驱动可获得40Mbar 的冲击波压强,这是迄今为止只有核试验才达到的高压区域.图10中(a)为激光经PZP 光束匀滑后直接驱动双台阶靶的实验简图;(b)为激光间接驱动台阶靶的实验简图,激光辐照在高Z 材料的黑腔内壁上并最终在腔内形成一个平衡均匀的辐射场,这个均匀的辐射场作用于双台阶靶上,向靶内驱动很强的冲击波,双台阶靶的基板材料(即标准材料)为Al,待测材料为Cu,实验结果采用条纹相机记录.(c)为实验获得的EOS 的数据结果,即冲击波压强P 与粒子速度U 的关系图.实验中激光参数如下:单脉冲能量250J,波长0.44μm,脉宽450ps(full wave at half maximum,FWHM).LULI [19]采用激光直接或间接驱动两种方式测得Au 在P =(2～10)TPa 范围的EOS 数据点,
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获得了Au在更高压强范围下的EOS数据点.
图10
Batani等通过高功率激光Phebus Nd(λ=
0.526μm,激光能量(0.6～2.5)kJ,输出波形为方波,
脉宽4ns,焦斑700μm×600μm,光强I=(1013
～1014)W·cm?2);采用阻抗匹配法开展Fe的EOS
实验[55],激光驱动固体Fe靶产生冲击波达到
p=(10～45)×1011Pa.实验中在标准材料Al迎着激
光一侧镀30μm CH层抑制超热效应,利用任意反
射面速度干涉系统(velocity interferometer system
for any re?ector,VISAR)取代简单的时间分辨发
射诊断,可监测冲击波到达前靶后表面的运动状
态,其实验示意图及测试结果分别如图11(a)～(c)
所示.图11(a)为激光经KPP光束匀滑后直接辐
照于固体靶上,靶中标准材料和待测材料的运动
状态由VISAR结合条纹相机记录;图11(b)为条
纹相机记录到的靶后表面的冲击波到达的发光信
号,冲击波最先到达靶中双台阶Al和Fe之间的基
板处;图11(c)为实验获得的Fe的冲击波压强P
与材料压缩比ρ/ρ0的关系图.图11
第1期袁红等:激光驱动固体材料状态方程实验研究进展35
文献[77～79]也有关于利用高功率激光采用阻抗匹配法开展材料高压EOS 的实验研究,其中印度Shukla 等利用ND:YAG (激光能量2J,波长1.06μm,脉宽200ps (FWHM)开展材料EOS (Au 中P =(9～13)×1011Pa)的实验研究,意大利Batani,Strati 等及法国Koenig,Benuzzi-Mounaix 获得了碳在Mbar 量级的Hugoniot 数据[80].美国LLNL 的Celliers 等深入分析研究了利用阻抗匹配法测量Al 的高压EOS 的系统不确定性,定性分析了测量的随机误差及系统误差(来自于标准材料的EOS 数据)带来的不确定性影响[81].上海激光等离子体研究所也开展了相关实验研究[82],顾援等利用激光驱动斜面Al 靶研究靶中冲击波传播的均匀性,并以Al 为标准材料用阻抗匹配法分别在Fe 及SiO 2中获得0.8TPa,0.4TPa 的冲击压强.
3.3自由面速度法
图12是自由面速度法的测量示意图,在实验中可以同时测量待测材料中的冲击波速U s 和自由面速度U fs ,自由面速度可表示为
U fs =U p +
P
?(1/ρ)
?P
1/2
s
d P
(15)
如果冲击波强度较小,可近似有下列关系式
U fs ≈2U p
(16)
即粒子速度近似等于自由面速度的一半,这就是弱冲击波的自由面速度倍增定律.对于冲击波较高的情况,自由面速度倍增定律不适用,需用迭代法来求解.
图12自由面速度法的实验简图
20世纪70年代,美国洛斯阿拉莫斯科学实验
室(Los Alamos Scienti?c Laboratory,LASL)就开展了激光激波在靶材中的传播研究,利用钕玻璃激光器(激光波长1.06μm,激光能量E =(20～40)J,脉冲功率I ≈3×1014W/cm 2)辐照台阶Al 靶(基
底13μm,台阶高度3μm),通过记录靶后表面冲击波发光信号测得靶中冲击波速为13km/s [17],实验结果预测可以利用激光冲击波测量材料EOS.LLNL [84]利用激光驱动Al 靶产生的高压开展冲击波实验研究,当激光光强I 为8×1013W/cm 2和3×1014W/cm 2获得冲击波压强P 分别为0.6TPa 和0.8TPa,实验安排如图13所示,冲击波到达台阶靶两表面实验测量时间如图14所示.近年来有学者开展了波长为0.44μm 激光辐照台阶Al 靶产生冲击波的研究[85],发现靶厚度是冲击波压强定标律的重要影响因素,烧蚀压的定标关系为开展材料EOS 研究提供重要参考.
Temporal 等
[62,86]
利用激光驱动冲击波开展
了材料的EOS 绝对测量的实验研究及数值模拟,激光冲击波速度及波后粒子速度分别采用可见光条纹相机、X 射线照相技术同步测量,如图15所示,相应的数值模拟用于优化靶结构设计及调节激光时间波形.
LULI [87]利用激光辐照Fe 材料,利用在靶中
产生冲击波首次开展Fe 状态方程绝对测量的实验
研究,通过台阶靶采用VISAR 等诊断技术同步测量冲击波速度及波后粒子速度,如图16所示,图中V 为冲击波速度,U 为波后粒子速度,压强范围P =(1～8)×1011Pa.LULI [88]在Fe 后加透明窗口LiF,通过VISAR 及自发光诊断技术分别确定冲击波压强及在透明窗口的卸载波温度.
图13实验示意图
36力学
进展2010年第40卷
图14冲击波到达台阶靶两表面实验测量时间图15激光驱动台阶Al靶实验示意图
图16
4激光驱动固体材料状态方程测量中新的诊断方法
在激光驱动冲击波的实验研究中,目前国内还未见有采用VISAR诊断靶自由面速度或与窗口材料界面速度的相关报道.线成像VISAR技术(optical recording velocity interferometer system, ORVIS)已成为各类激光冲击波实验中最有效的诊断工具[6,89～91],ORVIS的突出优点在于它可以用于多点测试即在同一发实验中可获取多个数据点,在美国OMEGA激光设施上系统地考察了ORVIS 在冲击波传播、衰减、波形测量、相互作用、反射和回射、等熵压缩等方面的应用.
在激光驱动高压状态方程实验中,对冲击温度的直接测量[28,92]可对状态方程有较深入和正确的认识;除上述传统的方法外,近年来还出现了用X射线侧向照相术来进行状态方程的绝对测量,并取得了很好的实验结果[18,93～95].Cauble等[96]所测的CH冲击压强为(1～4)TPa,所得绝对测量数据支持了SESAME和QEOS模型.对Be所测的冲击压强在1.5TPa左右,所得的绝对测量数据处在由核爆驱动EOS实验的压强范围内,并证实了他们的实验结果.所测到的D2(氘),T2(氚)的冲击压强为(25～210)GPa,测到的绝对雨贡纽数据与以前SESAME数据库给出的数据相比具有更大的压缩度,可以认为D2,T2在此压强范围内发生双原子到单原子的相变,所得绝对测量数据可作标准数据.X射线侧向照相技术的原理本身是严格
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的,没有引入更多的假设,误差主要由激光条件、探测仪器的时空分辨率和拟合图像轨迹的能力决定,测量结果有很高的可信度,因此X射线侧向照相技术的应用前景很好.目前,还只能测量一些低Z材料,如D2,T2CH,Be等,对于原子序数较高的材料,目前还无法测量,有待激光器的发展,X射线能量的提高和探测仪器时空分辨率的改善.
5结语
激光驱动状态方程实验研究已获得了一些材料在TPa范围的雨贡纽数据,但是这些实验数据大多是用阻抗匹配法得到的,它们的可靠性极大地依赖于标准材料的雨贡纽数据,而往往在所测的TPa压强范围内,并没有相应的标准材料的雨贡纽数据.因此,在TPa压强范围内进行状态方程参数的绝对测量一直是世界各国相关科技工作者努力试图解决的问题.在上述3种测量方法中,飞片撞击法和自由面速度法都是绝对测量方法.飞片撞击法的原理是严格的,应保证飞片碰靶瞬间的状态与其已知的初始状态(密度、温度等状态量)完全相同,这样才能利用对称碰撞原理或已知的飞片的冲击压缩线求出待测材料的冲击压缩线,同时采用飞片撞击法需要设计的技术参数较多,必须选择合适的飞片厚度、腔长、靶厚度及台阶高度.近年来,各国学者都较多地采用自由面速度法利用激光直接辐照固体材料台阶靶开展状态方程的实验研究.
经过30多年的发展,随着激光装置的更新换代,诊断仪器分辨率的不断提高,先进的均匀照明技术和脉冲整形技术的发展,以及制靶工艺和测试手段的改进、完善和优化,激光状态方程实验测量精度已经接近和达到化爆精度水平,获得了大量高精度的状态方程数据[19,29,55,77,96],成为实验室进行材料TPa以上高压状态方程实验研究的重要途径.相信随着激光技术的发展和相应诊断方法的不断进步,激光驱动固体材料状态方程的实验研究将具有更加广阔的前景.
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40力学进展2010年第40卷
RESEARCH PROGRESS OF LASER DRIVING SHOCK W A VE FOR THE STUDY OF MATERIALS EQUATION OF STATE
YUAN Hong SUN Chengwei
Institute of Fluid Physics,CAEP,P.O.Box919-113,Mianyang,Sichuan,621900
Abstract The motive and signi?cance of laser driving shock wave for the study of materials equation of state (EOS)is discussed in this paper,and the methods of?yer impact,impedance-match and free surface velocity are analyzed and compared.Progress and current status of the research on laser driving shock wave for the study of materials EOS is summarized,and new diagnostic method is also presented.
Keywords laser,equation of state,shock,impedance-match,free surface velocity
?E-mail:yuanhong1977@https://www.doczj.com/doc/6317139541.html,
岩土类材料弹塑性力学模型及本构方程 TYYGROUP system office room 【TYYUA16H-TYY-TYYYUA8Q8-
岩土类材料的弹塑性力学模型及本构方程 摘要：本文主要结合岩土类材料的特性，开展研究其在受力变形过程中的弹性及塑性变形的特点，描述简化的力学模型特征及对应的适用条件，同时在分析研究其弹塑性力学模型的基础上，探究了关于岩土类介质材料的各种本构模型，如M-C、D-P、Cam、D-C、L-D及节理材料模型等，分析对应使用条件，特点及公式，从而推广到不同的材料本构模型的研究，为弹塑性理论更好的延伸发展做一定的参考性。 关键词：岩土类材料，弹塑性力学模型，本构方程 不同的固体材料，力学性质各不相同。即便是同一种固体材料，在不同的物理环境和受力状态中，所测得的反映其力学性质的应力应变曲线也各不相同。尽管材料力学性质复杂多变，但仍是有规律可循的，也就是说可将各种反映材料力学性质的应力应变曲线，进行分析归类并加以总结，从而提出相应的变形体力学模型。 第一章岩土类材料 地质工程或采掘工程中的岩土、煤炭、土壤，结构工程中的混凝土、石料，以及工业陶瓷等，将这些材料统称为岩土材料。 岩土塑性力学与传统塑性力学的区别在于岩土类材料和金属材料具有不同的力学特性。岩土类材料是颗粒组成的多相体，而金属材料是人工形成的晶体材料。正是由于不同的材料特性决定了岩土类材料和金属材料的不同性质。归纳起来，岩土材料有3点基本特性：1.摩擦特性。2.多相特性。3.双强度特性。另外岩土还有其特殊的力学性质：1.岩土的压硬性，2.岩土材料的等压屈服特性与剪胀性，3.岩土材料的硬化与软化特性。4.土体的塑性变形依赖于应力路径。 对于岩土类等固体材料往往在受力变形的过程中，产生的弹性及塑性变形具备相应的特点，物体本身的结构以及所加外力的荷载、环境和温度等因素作用，常使得固体物体在变形过程中具备如下的特点。 固体材料弹性变形具有以下特点：(1)弹性变形是可逆的。物体在变形过程中，外力所做的功以能量（应变能)的形式贮存在物体内，当卸载时，弹性应变能将全部释放出来，物体的变形得以完全恢复；(2)无论材料是处于单向应力状态，还是复杂应力状态，在线弹性变形阶段，应力和应变成线性比例关系；(3)对材料加载或卸载，其应力应变曲线路径相同。因此，应力与应变是一一对应的关系。 固体材料的塑性变形具有以下特点：(l)塑性变形不可恢复，所以外力功不可逆。塑性变形的产生过程，必定要消耗能量(称耗散能或形变功)；(2)在塑性变形阶段，应力和应变关系是非线性的。因此，不能应用叠加原理。又因为加载与卸载的规律不同，应力与应变也不再存在一一对应的关系，也即应力与相应的应变不能唯一地确定，而应当考虑到加载的路径(即加载历史)；(3)当受力固体产生塑性变形时，将同时存在有产生弹性变形的弹性区域和产生塑性变形的塑性区域。并且随着载荷的变化，两区域的分界面也会产生变化。 第二章弹塑性力学中常用的简化力学模型 对于不同的材料，不同的应用领域，可以采用不同的变形体模型。在确定力学模型时，要特别注意使所选取的力学模型必须符合材料的实际情况，这是非常重要的，因为只有这样才能使计算结果反映结构或构件中的真实应力及应
激光切割加工基础知识 第一部分 激光切割的原理和功能 一、激光切割的原理 激光切割是由电子放电作为供给能源，通过 He 、N 2、CO 2 等混合气体为激发媒介，利用反射镜组聚焦产生激光光束，从而对材料进行切割。 激光切割的过程：在数控程序的激发和驱动下，激光发生器内产生出特定模式和类型的激光，经过光路系统传送到切割头，并聚焦于工件表面，将金属熔化；同时, 喷嘴从与光束平行的方向喷出辅助气体将熔渣吹走；在由程控的伺服电机驱动下，切割头按照预定路线运动，从而切割出各种形状的工件。 图1：激光切割示意图 二、机床结构 SLCF-X15×40F 数控激光切割机是意大利普瑞玛（PRIMA ）工业公司的主导机型——悬臂式飞行光路结构的激光切割机，加工板材尺寸为1500×4000毫米，配有交换工作台。 （一） 该机型的主要特点如下： ● 悬臂式开式结构，可从三个方向上下料，人机接近性极好，可放置超长超宽的 板材。 ● 可移动式切割工作台与主机分离，柔性大。可加装焊接、切管等功能。 ● 精密传动部件不在切割区域内，防护容易，也不会由于工作台及床身切割热变 形影响机床的精度。 ● 从根本上消除了电器双边同步锁产生的误差，避免了横梁的扭动，使得光路稳 定，切割精度提高。 ● 配有高速的Z 轴系统，同时可通过数控系统控制辅助气体的压力、流量等，大 大提高了加工效率。 ● 新型的PM —400V2.0智能化编程软件，具有蛙跳、共边切割、优化套排料、高 效穿孔、尖角处理等功能。 ● 具有先进的多腔分室除尘系统，比单纯的抽风系统除尘效果更高。 1—激光器；2—激光束；3—全反射棱镜；4—聚焦物镜；5—工件；6—工作台
激光与材料的相互作用 发布日期:2007-10-04 我也要投稿!作者:网络阅读: [ 字体选择：大中小] 680 作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑，无需直接接触，即可与材料发生相互作用。激光的性能不断提高，现在的激光具有各种不同的波长、功率和脉冲宽度，这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。为了更好地了解激光的潜能，工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。在决定使用何种激光前，工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行医疗材料加工。了解这些知识后，工程师设计医疗器械时就能做出正确的决定。 激光在器械加工中的应用机会 激光可用于器械制造的许多加工环节中。例如，激光切割便是一种常见用途，常用于制造支架等小型器械。激光还可用于加工通沟或盲孔。该技术可用于加工医疗诊断设备的微流体通道以及给药用微量注射器的小孔。目前，人们正利用激光加工技术研制用于芯片实验室上的微型传感器和传动器上的硅制微型机械。激光焊接和打标常用于植入器械和手术器械的制造中。此外，激光还常用于表面纹理加工中，例如：可用于矫形外科植入物的表面处理上，提高表面的粘附性。 激光工作原理 激光的工作原理较为简单。通过一个光子激发其他光子，使大量光子以光束的形式一起发射出去。肉眼可能无法看见的光束由激光腔中发射出去，然后被传导至材料加工工作站中。根据激光波长的不同，光束可通过光纤传播或者经光学元件直接传播。 目前使用的激光大都早在20世纪60年代就已经问世，包括Nd:Y AG激光、二氧化碳激光和半导体激光。激光器集成到工业用机械中经过了数年的时间，尽管技术已经成熟，但激光器仍在不断改进，例如：人们研制出能产生很短脉冲宽度的如皮秒和飞秒激光器。此外，激光材料在光纤激光器、光碟激光器和焊接用绿光激光器内的独特排列进一步丰富了材料加工的方法。 表I. 材料加工中常用的激光波长。(点击放大) 材料加工所用激光波长从紫外线一直到红外线，包括了可见光谱。常用激光类型及其波长列于表I中。除激光类型外，选择激光时还要考虑其他许多方面，例如：激光腔的设计、光学传送元件和激光与材料相互作用。最为关键的是，医疗器械设计人员必须了解激光束如何与不同器械材料发生相互作用以及如何用于材料加工中。 激光与材料的相互作用
固体激光器原理-固体激光器 固体激光器发展历程 固体激光器发展历程 固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。 这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：
具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉 、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；http://具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质 固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。 玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。 晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943
一．固体激光器简介 激光是二十世纪最伟大的发明之一。自1958年肖洛（A. Schawlow）和汤斯（C. Townes）首篇光频下激光作用的论文以及1960年梅曼（T. Maiman）实现红宝石激光器以来，激光科学与激光技术的发展日新月异。激光高技术对传统学科和技术的发展产生巨大影响，以激光高技术为核心的相关产业已成为知识经济时代和信息时代的重要驱动力量，并带动了10倍以上高技术产业发展。激光高技术将在国民经济建设、军事和科学研究中发挥不可取代的关键作用，是一项具有战略性,全局性和带动性的战略高技术。 激光器按其工作物质来说，可分为固体、气体、液体、化学和自由电子激光器几大类。其中，固体激光器由于具有体积小，储能高、激发方案简单和可靠性高等优点，一直处在激光研究的中心地位。大多数激光应用领域不仅仅需要激光的输出功率高，而且要求激光光束质量好，表1-1给出了主要大功率激光器特性比较一览表。从表1-1我们可以看出，基于半导体激光器和固体激光技术发展起来的半导体激光泵浦固体激光器（DPL）是固体激光器发展历程上的巨大革新，它摒弃了半导体激光器光束质量差的缺点，继承了固体激光器光束质量好的优点；继承了半导体激光器效率高、寿命长的优点并摒弃了闪光灯泵浦的固体激光器效率低、寿命短的缺点，集半导体激光器、固体激光器的优势于一身，与传统闪光灯泵浦固体激光器和气体放电激光器相比可实现更高光束质量激光输出，且体积小10倍，效率和寿命均提高10倍，可靠性提高100倍；与化学激光器相比，具有效率高（电光效率约为17%）、波长短、能流密度高、体积小而紧凑（全固化）、寿命长（万小时）、易操作、运转灵便（连续/重复率/长/短脉冲）、易智能化、无污染等，再加上DPL输出功率动态范围极大（从mW到TW），又便于模块化和电激励，其应用遍及工业生产、国防建设、科学研究等众多领域。DPL实用化十年来的发展表明，DPL已成为固体激光发展的主要方向，并呈现出旺盛的生命力，其应用领域渗透到工业生产、国防建设、居家娱乐、科学研究等众多领域，将导致现有的器件更新换代，开拓重大新领域，成为国防和民用工业的新一代激光源。未来10～20年将发展成为高技术产业、国防建设重大的、不可取代的关键技术。 在某种意义上说，DPL不仅仅是泵浦源由闪光灯向半导体激光器转换的
本构方程在高分子科学和高分子工程中的应用 (吴其晔，高分子材料流变学) 判断一个本构方程的优劣主要考察： 1)方程的立论是否科学合理，论据是否充分，结论是否简单明了。 2)一个好的理论，不仅能正确描写已知的实验事实，还应能预言至今未知，但可能发生的事实。 3)有承前启后的功能。例如我们提出一个描写非线性粘弹流体的本构方程，当条件简化时，它应能还原为描写线性粘弹流体的本构关系。 4)最后也是最重要的一条，即实验事实(实验数据)是判断一个本构方程优劣的出发点和归宿。实践是检验真理的唯一标准。 对高分子液体流变本构方程理论和实验规律的研究对于促进高分子材料科学，尤其高分子物理的发展和解决聚合物工程中(包括聚合反应工程和聚合物加工工程)若干重要理论和技术问题都具有十分重要的意义。 一则由于高分子材料复杂的流变性质需要精确地加以描述，二则由于高新技术对聚合物制品的精密加工和完美设计提出越来越高的要求，因此以往那些对材料流动性质的经验的定性的粗糙认识已远远不够。 众所周知，高分子结构研究(包括链结构、聚集态结构研究)以及这种结构与高分子材料作为材料使用时所体现出来的性能、功能间的关系研究始终是高分子物理研究的主要线索。与“静态”的结构研究相比，高分子“动态”结构的研究，诸如分子链运动及动力学行为、聚集态变化的动力学规律、
高分子流体的非线性粘弹行为等，更是近年来引人注目的前沿领域。按现代凝聚态物理学的概念，高分子体系被称为软物质(soft matter)或复杂流体(complex fluids)。所谓软物质，即材料在很小的应变下就会出现强烈的非线性响应，表现出独特的形态选择特征。这正是高分子流体的本征特点。如果能精确描述出高分子液体的复杂应力-应变关系，找出这种关系与材料的各级结构间的联系，无疑对高分子凝聚态理论的发展具有重要意义。 在高分子工程方面，当前各种各样新型合成技术及新成型方法、新成型技术(如反应加工成型、气辅成型、振动剪切塑化成型、特种纤维的纺制、新成纤技术等)陆续问世，在每一种技术发展过程中，研究高分子液体(熔体、溶液)的流动规律以及新工艺过程与高分子材料结构性能控制的关系，都是最重要的课题。高分子材料的特点之一是它们的物理力学性能不完全取决于化学结构。化学结构一定的高分子材料可以由于不同的聚集状态(凝聚态结构)而显示出不同性质。在工业上，这不同的凝聚态大多是由于不同的加工成型方法而造成的。因此采用流变本构方程精确地研究和设计成型方法和成型设备，通过在成型过程中对高分子形态的主动控制来获得性能更为优越的新型材料，是高分子工程中的重要热点课题。 要完成这些任务，仅有对高分子熔体和溶液的流动性质粗浅的认识(比如仅仅测量粘度)是不够的。取而代之的是要对大形变下高分子材料的反常的流变性质给出全面的定量的理性描写，要为解决高分子材料合成和加工中出现的流体动力学和应力分析问题提供一种解决问题的手段。目前，高分子流变学的基本原理和方法已深入到高分子科学研究和高分子材料合成和加工工程的各个领域。许多领域中，如高分子材料设计、配方设计、模
激光的基础知识 相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上，激光常用于切割或微细加工。在军事上，激光被用来拦截导弹。科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。 激光的特性 高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。 （1）激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达1011W/cn2Sr 。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。 （2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。 （3）激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。 （4）激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。 正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到了广泛地应用。 激光产生原理 激光的发展有很长的历史，它的原理早在1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958 年激光才被首次成功制造。激光英文名是Laser，即Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。 激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要 过程。但在阐释这个过程之前，我们必先了解物 质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。 物质由原子组成。图一是一个碳原子的示 意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。 质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布 满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是， 电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世 界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固 定的「能级」，不同的能级对应于不同的电子能 图一碳原子示意图。 量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这 些能级想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道(也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳2 个电子，较高的轨道则可容纳8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的[1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。
激光切割基础知识 第一部分 激光切割的原理和功能 一、激光切割的原理 激光切割是由电子放电作为供给能源，通过 He 、N 2、CO 2 等混合气体为激发媒介，利用反射镜组聚焦产生激光光束，从而对材料进行切割。 激光切割的过程：在数控程序的激发和驱动下，激光发生器内产生出特定模式和类型的激光，经过光路系统传送到切割头，并聚焦于工件表面，将金属熔化；同时, 喷嘴从与光束平行的方向喷出辅助气体将熔渣吹走；在由程控的伺服电机驱动下，切割头按照预定路线运动，从而切割出各种形状的工件。 图1：激光切割示意图 二、机床结构 SLCF-X15×40F 数控激光切割机是意大利普瑞玛（PRIMA ）工业公司的主导机型——悬臂式飞行光路结构的激光切割机，加工板材尺寸为1500×4000毫米，配有交换工作台。 （一） 该机型的主要特点如下： ● 悬臂式开式结构，可从三个方向上下料，人机接近性极好，可放置超长超宽的 板材。 ● 可移动式切割工作台与主机分离，柔性大。可加装焊接、切管等功能。 ● 精密传动部件不在切割区域内，防护容易，也不会由于工作台及床身切割热变 形影响机床的精度。 ● 从根本上消除了电器双边同步锁产生的误差，避免了横梁的扭动，使得光路稳 定，切割精度提高。 ● 配有高速的Z 轴系统，同时可通过数控系统控制辅助气体的压力、流量等，大 大提高了加工效率。 1234561—激光器；2—激光束；3—全反射棱镜；4—聚焦物镜；5—工件；6—工作台
●新型的PM—400V2.0智能化编程软件，具有蛙跳、共边切割、优化套排料、高 效穿孔、尖角处理等功能。 ●具有先进的多腔分室除尘系统，比单纯的抽风系统除尘效果更高。 （二）机床的结构主要由以下几部分组成： 1、床身 全部光路安置在机床的床身上，床身上装有横梁、切割头支架和切割头工具，通过特殊的设计，消除在加工期间由于轴的加速带来的振动。机床底部分成几个排气腔室，当切割头位于某个排气室上部时，阀门打开，废气被排出。通过支架隔架，小工件和料渣落在废物箱内。 2、工作台 移动式切割工作台与主机分离，柔性大，可加装焊接、切管等功能。配有两张1.5米×4米的工作台可供交换使用，当一个工作台在进行切割加工的同时，另一张工作台可以同时进行上下料操作，有效提高工作效率。两个工作台可通过编程或按钮自动交换。 工作台下方配有小车收集装置，切割的小料及金属粉末会集中收集在小车中。 3、切割头 是光路的最后器件，其内置的透镜将激光光束聚焦，标准切割头焦距有 5 英寸和 7.5 英寸(主要用于割厚板)两种。良好的切割质量与喷嘴和工件的间距有关，本机切割头使用德国PRECITEC公司生产的非接触式电容传感头，在切割过程中可实现自动跟踪与修正工件表面与喷嘴的间距，调整激光焦距与板材的相对位置，以消除因被切割板材的不平整对切割材料造成的影响。自动找准材料的摆放位置（红光指示器）。 4、控制系统 控制系统包括数控系统（集成可编程序控制器PLC）、电控柜及操作台。PMC-1200数控系统由32位CPU控制单元、数字伺服单元、数字伺服电机、电缆等组成，采用全中文才做界面，10.4"彩色液晶显示器，能实现机外编程计算机与机床的控制系统进行数据传输通讯（具有232接口），具有加速、突变限制；具有图形显示功能，可对激光器的各种状态进行在线和动态控制功能。 5、激光控制柜 控制和检查激光器的功能，并显示系统的压力、功率、放电电流和激光器的运行模式。 6、激光器 采用原装进口德国ROFIN公司SLAB3000W型激光发生器，是目前世界先进的RF 激励板式放电的二氧化碳激光器。其心脏是谐振腔, 激光束就在这里产生，激光气体是由二氧化碳﹑氮气﹑氦气的混合气体，通过涡轮机使气体沿谐振腔的轴向高速运动，气体在前后两个热交换器中冷却，以利于高压单元将能量传给气体。 7、冷却设备 冷却激光器、激光气体和光路系统。 8、除尘装置 内置管道及风机，改善了工作环境。切割区域内装有大通径除尘管道及大全压的离心式除尘风机，加之全封闭的机床床身及分段除尘装置，具有较好的除尘效果。 9、供气系统 包括气源、过滤装置和管路。气源含瓶装气和压缩空气（空气压缩机、冷干机）。
激光在材料中的应用 杜鹏 (哈尔滨工业大学材料学院材料科学系1141900308) 摘要本文介绍了激光的产生机理和性能特点，从材料吸收和激光波长的关系讨论了激光加工中使用的激光器，介绍了国内外在激光材料加工方面所做的工作，尤其是超微细加工和材料热加工方面的进展。最后展望了激光加工的发展前景，指出应该大力发展激光加工的应用研究。 关键词激光飞秒激光微加工 引言自上世纪60年代成功研制第一台激光器不久，人们就开始进行激光与材料交互作用方面的研究。这是继原子能，计算机，半导体之后人类的又一重大发明。激光在材料中的应用十分广泛，包括：简单的材料吸收光致局部加热，也可以是复杂的光致化学反应已经烧蚀，等离子体的产生等，这些现象都与激光特性，材料性质和加工环境有关。近年来，非接触性和高加工精度受到人们的亲睐，激光切割，激光表面热处理，激光焊接和工业领域的迫切需求大大促进了激光加工技术的实用化。随着深入研究，激光脉冲的时域宽度被压缩的越来越短，由纳秒到皮秒直至飞秒，不但提供加工精度，还可以加工以前长脉冲激光无力加工的透明材料。超短脉冲激光微加工具有广阔的前景。 1.激光的发生 1.1受激辐射 自发辐射：假设存在于发光有关的两个能级E1、E2。如果原子已经处于高能级E2，它可以自发地、独立地向低能级E1跃迁并发射一个光子。
各个原子发射的自发辐射光子，除了能量上的制约以外，发射方向和偏振态都是随机和无规则的。若N2代表高能级E2的原子密度，则在单位体积内单位时间发生自发辐射的原子数(dN2/dt)Sp 与高能级的原子数N2成正比。 受激辐射：当一个能量hv=E2-E1的光子趋近高能级E2时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子来。受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态 1.2激光工作原理 红宝石激光器的主要部分是激光工作物质（Al 2O 3单晶)和激活物质Cr 3+提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳能级构成三能级激光器。受激辐射产生的光子受到谐振腔的限制，光波沿着红宝石轴来回传播，强度越来越强，发出高度准直的高强度相干波。 2. 激光在超微细加工方面的发展 2212N A sp dt dN -=2212),(N T v B sp dt dN ρ-=
固体激光器原理及应用 摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五个方面的应用及未来的发展方向。 关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 1激光与激光器 1.1激光 1.1.1激光（LASER） 激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100多年。确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 1.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件： 1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分 子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构； 2)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产 生粒子数反转； 3)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择 被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 1.1.3激光的特点 与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。
A N S Y S材料模型
第七章材料模型 ANSYS/LS-DYNA包括40多种材料模型，它们可以表示广泛的材料特性，可用材料如下所示。本章后面将详细叙述材料模型和使用步骤。对于每种材料模型的详细信息，请参看Appendix B,Material Model Examples或《LS/DYNA Theoretical Manual》的第十六章（括号内将列出与每种模型相对应的LS-DYNA材料号）。 线弹性模型 ·各向同性（#1） ·正交各向异性（#2） ·各向异性（#2） ·弹性流体（#1） 非线弹性模型 ·Blatz-ko Rubber(#7) ·Mooney-Rivlin Rubber(#27) ·粘弹性（#6） 非线性无弹性模型 ·双线性各向同性（#3） ·与温度有关的双线性各向同性（#4） ·横向各向异性弹塑性（#37） ·横向各向异性FLD（#39） ·随动双线性（#3） ·随动塑性（#3） ·3参数Barlat（#36） ·Barlat各向异性塑性（#33）
·与应变率相关的幂函数塑性（#64） ·应变率相关塑性（#19） ·复合材料破坏（#22） ·混凝土破坏（#72） ·分段线性塑性（#24） ·幂函数塑性（#18） 压力相关塑性模型 ·弹-塑性流体动力学（#10） ·地质帽盖材料模型(#25) 泡沫模型 ·闭合多孔泡沫(#53) ·粘性泡沫(#62) ·低密度泡沫(#57) ·可压缩泡沫(#63) ·Honeycomb(#26) 需要状态方程的模型 ·Bamman塑性（#51）·Johnson-Cook塑性（#15）·空材料（#9） ·Zerilli-Armstrong(#65) ·Steinberg(#11) 离散单元模型 ·线弹性弹簧
米亚奇公司 Nd（钕）:YAG激光器激光焊接指南 米亚奇公司2003年版 此处包含的材料，未经米亚奇公司书面同意，严禁复 制或用于任何用途 联系方式： 米亚奇公司 Myrtle大道1820号 蒙罗维亚CA, 91017-7133 Tel.: 626 303 5676 Fax: 626 599 9636 https://www.doczj.com/doc/6317139541.html,
目录 1.激光基础 1.1 介绍 1.2 激光产生的原理 1.3 Nd:YAG激光的介质 1.4 泵浦源 1.5 谐振器 1.6 激光安全 2.激光焊接基本原理 2.1脉冲激光焊接 2.1.1实时功率反馈 2.1.2输出功率斜波 2.1.3脉冲的成形 2.1.4时间的分配 2.1.5能量分配 2.1.6光束的传输 2.1.7聚焦头 2.2激光是怎么实现焊接的 2.3主要焊接参数 2.3.1接缝设计与配合 2.3.2部分聚焦 2.3.3材料的选择和其表面镀层 2.4激光的参数 2.4.1名词术语 2.4.2光学系统 2.4.3聚焦镜片 2.4.4峰值功率和脉冲宽度 2.4.5接缝的焊接 2.4.6保护气体 2.5焊接举例
1.激光基础 1.1介绍 “激光”一词是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射而放大的光）的缩写，激光器的要素有： Nd:YAG激光器有两种类型，连续波的和脉冲波的，正如它们的名字所指，连续激光的波形要么是开，要么是关，但脉冲激光只用部分脉冲完成焊接。脉冲激光利用峰值功率进行焊接，反之连续激光使用的是平均功率，这使得脉冲激光只用很小的能量就能实现焊接，并形成了更小的热影响区，脉冲激光焊提供了无与伦比的点焊性能和极低的焊接热输入，米亚奇的就是脉冲激光焊机。 1.2激光产生的原理 激光本质上是分三步产生的，发生几乎是瞬间的。 1.泵浦源给介质提供能量，将介质内部原子激活，使得带电原子暂时被激发到 高能级，处在此活跃级的带电原子是不稳定的，于是跃迁到低能级，在这个过程中，从泵浦源吸收能量的电子释放多余的能量并辐射出一个光子，这个过程叫做自发辐射，通过这种方式产生的光子是激光的种子。 2.光子自发传播并最终撞击到别的处于高能级的电子，由于光速极快，处在激 发态的原子的密度很大，所以这个过程是极其短暂的，入射光子将电子从高能级激发到低能级并产生另一个光子，这两个光子是相干的，这意味着它们相位相同，波长相同，传播方向相同，这个过程叫做受激辐射。 3.光子传播方向是不定的，然而一些沿着介质传播的光子撞击共振器的反射镜， 又通过介质反射回来，共振反射镜决定了受激辐射的优先扩大方向，为了使
1 John-Cook 材料本构模型 )1)(ln 1)((**m n p y T C B A -++=εεσ& 式中， p ε —— 等效塑性应变； * ε & —— 0.10=ε&s -1的无量纲塑性比，0 * εεε&&&p =； *T —— 相对温度，room melt room T T T T T --= * A —— 屈服应力，Pa ； B —— 应变硬化系数，Pa ； n —— 应变硬化指数； C —— 应变率相关系数； m —— 温度相关系数。 表达式的第一项)(n B A ε+ 表示对于0.1*=ε&和0*=T （等温状态）时的应力与应变的函数关系；表 达式的第二项)ln 1(* ε &C +和第三项)1(*m T -分别表示应变和率温度的影响。 表 Johnson 和Cook 给出的值 韩永要《弹道学报》第16卷第2期
603钢 7.85 210 0.220 792 180 0.016 0.12 1.0 1520 294 （断裂破坏时的）应变 ]1][ln 1][[*5*421* 3 T D D e D D D f +++=εεσ 其中，D 1、D 2、D 3、D 4、D 5输入参数， *是压力与有效应力之比，eff p σσ /* =。 当破坏参数∑ ?=f p D ε ε 达到1时，发生破坏。 * Hirofumi Iyama, Kousei Takahashi, Takeshi Hinata, Shigeru Itoh ．Numerical Simulation of Aluminum Alloy Forming Using Underwater Shock Wave ．8th International LS-DYNA Users Conference E/GPa A/MPa B/MPa C n m T melt /K T room /K A7039 337 343 0.01 0.41 1.00
激光原理期末知识点总复习材料 2.激光特性：单色性、方向性、相干性、高亮度 3.光和物质的三种相互作用：自发辐射，受激吸收，受激辐射 4.处于能级u 的原子在光的激发下以几率 向能级 1跃迁，并发射1个与入射光子全同的光子，Bul 为受激辐射系数。 5.自发辐射是非相干的。受激辐射与入射场具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同方 向传播，因而具有良好的相干性。 6.爱因斯坦辐射系数是一些只取决于原子性质而与辐射场无关的量，且三者之间存在一定 联系。7.产生激光的必要条件：工作物质处于粒子数反转分布状态 8.产生激光的充分条件：在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强Is 9.谱线加宽特性通常用I 中频率处于ν～ν+d ν的部分为 I(ν)d ν,则线型函数定义为线型函数满足归一化条件： 10.的简化形式。11. 四能级比三能级好的原因：更容易形成粒子数反转 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ? ?--=+-=021112203213030010103232121202111222313230303,,ρul ul B W =1 )(=?∞ ∞-ννd g 1 21212)(-+=S A τ建议收藏下载本文，以便随时学习！
12 E 2 1 12.13.14.15.程的本征函数和本征值。研究方法：①几何光学分析方法②矩阵光学分析方法③波动光学 分析方法。处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔。 16.腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，在垂直于腔轴的横截面内的稳定场 分布称为谐振腔的横模。 17. 腔长和折射率越小，纵模间隔越大。对于给定的光腔，纵模间隔为常数，腔的纵模在频率尺上是等距排列的 不同的横模用横模序数m,n 描述。对于方形镜谐振腔这种轴对称系统来说，m,n 分别表示 沿腔镜面直角坐标系的水平和垂直坐标轴的光场节线数。对于圆形镜谐振腔这种旋转对称 系统来说，m,n 分别表示沿腔镜面极坐标系的角向和径向的光场节线数。 18. 腔内光子的平均寿命就等于腔的时间常数。 19. δ：平均单程损耗因子，τR ：腔的时间常数，Q ：品质因数，三个量都与腔的损耗有 20. 21.共轴球面腔的稳定性条件： 当g 1g 2=0或1时是临界腔，当g 1g 2>1或<0时是非稳定腔。 22.所谓自再现模就是这样一种稳定场分布，其在腔内渡越一次后，除振幅衰减和相位滞后 外，场的相对分布保持不变。
实用标准 激光切割基础知识 第一部分激光切割的原理和功能 一、激光切割的原理 激光切割是由电子放电作为供给能源，通过 He 、N 2、CO 2等混合气体为激 发媒介，利用反射镜组聚焦产生激光光束，从而对材料进行切割。 激光切割的过程：在数控程序的激发和驱动下，激光发生器内产生出特定模 式和类型的激光，经过光路系统传送到切割头，并聚焦于工件表面，将金属熔化； 同时 , 喷嘴从与光束平行的方向喷出辅助气体将熔渣吹走；在由程控的伺服电机 驱动下，切割1头按照预定路线运2动，从而切3割出各种形状的工件。 4 5 61—激光器；2—激光束； 3—全反射棱镜；4—聚焦物镜； 5—工件；6—工作台 图 1 ：激光切割示意图 二、机床结构 SLCF-X15 ×40F 数控激光切割机是意大利普瑞玛（PRIMA ）工业公司的主导 机型——悬臂式飞行光路结构的激光切割机，加工板材尺寸为1500 ×4000 毫米， 配有交换工作台。 （一）该机型的主要特点如下： 悬臂式开式结构，可从三个方向上下料，人机接近性极好，可放置超长超宽的 板材。 可移动式切割工作台与主机分离，柔性大。可加装焊接、切管等功能。 精密传动部件不在切割区域内，防护容易，也不会由于工作台及床身切割热变 形影响机床的精度。 从根本上消除了电器双边同步锁产生的误差，避免了横梁的扭动，使得光路稳 定，切割精度提高。 配有高速的 Z轴系统，同时可通过数控系统控制辅助气体的压力、流量等，大
高效穿孔、尖角处理等功能。 具有先进的多腔分室除尘系统，比单纯的抽风系统除尘效果更高。 （二）机床的结构主要由以下几部分组成： 1、床身 全部光路安置在机床的床身上，床身上装有横梁、切割头支架和切割头工具，通过特殊的设计，消除在加工期间由于轴的加速带来的振动。机床底部分成几个 排气腔室，当切割头位于某个排气室上部时，阀门打开，废气被排出。通过支架 隔架，小工件和料渣落在废物箱内。 2、工作台 移动式切割工作台与主机分离，柔性大，可加装焊接、切管等功能。配有两 张1.5 米×4米的工作台可供交换使用，当一个工作台在进行切割加工的同时， 另一张工作台可以同时进行上下料操作，有效提高工作效率。两个工作台可通过 编程或按钮自动交换。 工作台下方配有小车收集装置，切割的小料及金属粉末会集中收集在小车中。 3 、切割头 是光路的最后器件，其内置的透镜将激光光束聚焦，标准切割头焦距有 5 英寸和 7.5 英寸 (主要用于割厚板 )两种。良好的切割质量与喷嘴和工件的间距有关，本机切割头使用德国 PRECITEC公司生产的非接触式电容传感头，在切割过程中可实现自动跟踪与修正工件表面与喷嘴的间距，调整激光焦距与板材的相对位置，以消除因被切割板材的不平整对切割材料造成的影响。自动找准材料的摆 放位置（红光指示器）。 4 、控制系统 控制系统包括数控系统（集成可编程序控制器 PLC）、电控柜及操作台。 PMC-1200 数控系统由 32 位 CPU控制单元、数字伺服单元、数字伺服电机、电缆等组成，采用全中文才做界面， 10.4" 彩色液晶显示器，能实现机外编程计算机与 机床的控制系统进行数据传输通讯（具有 232 接口），具有加速、突变限制；具 有图形显示功能，可对激光器的各种状态进行在线和动态控制功能。 5、激光控制柜 控制和检查激光器的功能，并显示系统的压力、功率、放电电流和激光器的 运行模式。 6、激光器 采用原装进口德国 ROFIN 公司 SLAB3000W 型激光发生器，是目前世界先进 的RF激励板式放电的二氧化碳激光器。其心脏是谐振腔 , 激光束就在这里产生，激光气体是由二氧化碳﹑氮气﹑氦气的混合气体，通过涡轮机使气体沿谐振腔的轴向高速运动，气体在前后两个热交换器中冷却，以利于高压单元将能量传给气体。 7、冷却设备 冷却激光器、激光气体和光路系统。 8、除尘装置 内置管道及风机，改善了工作环境。切割区域内装有大通径除尘管道及大全 压的离心式除尘风机，加之全封闭的机床床身及分段除尘装置，具有较好的除尘 效果。 9、供气系统 包括气源、过滤装置和管路。气源含瓶装气和压缩空气（空气压缩机、冷干机）。
固体激光器的应用 所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。距今已有整整五十年了，在这五十年固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃并且对人类社会产生了巨大的影响。固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。 固体激光器从其诞生开始至今一直是备受关注。其输出能量大峰值功率高结构紧凑牢固耐用因此在各方面都得到了广泛的用途其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用给我们的现实生活带了许多便利。现在激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域它标志着新技术革命的发展。诚然如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比我们不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。 一、固体激光器的类别： 固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：Al2O3)、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd：YAG）、掺钛的铝酸忆（Nd：Y ALO）、掺钛的氟化忆锂（Nd：YLF）等多种。它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694．3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。 二、固体激光器的构造及原理： 在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。 固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激励，会发射出各种不同波长的激光。 早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器，来完成激光工作物质内原子的受激辐射过程的，这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电能直接转化为激光的能量，一直是人们梦寐以求的事情。近年来，科学家成功地研制出了半导体激光器，一旦接通电源，便会发出激光。选用不同的半导体材料和不同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出
第四章激光材料 激光器是60年代初才出现的一种新颖光源，激光较普通光具有三个突出特点：第一，方向性好，亮度高；第二，单色性好；第三，相干性好。 首先，在现有的各类光源中，激光的亮度最高，比太阳表面的亮度还要高1010 倍。 激光的另一个特点是方向性好。 普通光源发出的光是向四面八方发射的，激光器则不同，他只向一定的方向发出一束几乎平行的光，光束的发射角很小。 例如，氦—氖激光器的光束发散角只有1～5mrad。虽然探照灯的方向性较好，但它的光束在几公里之外扩展到几十米，而激光器的光束在几公里之外，扩展的范围仅有几厘米。 其次，激光的单色性好。 一般有单色光源发出的光实际上波长并不是单一的，而是有一定的波长范围，这个范围称为单色光的谱线宽度。光的波长范围越小，谱线宽度越窄，说明它的单色性越好。 在普通光源中，单色性最好的是氪灯，发出光的谱线宽度在室温下为0.00095 nm。
氦—氖气体激光器发出的光，其谱线宽度在室温下为1×10-8 nm。 由此可知，激光器的单色性比氪灯要好上万倍。 激光还具有相干性，它有高度的空间相干性和时间相干性。 空间相干性是指从两个不同点发出的单色光相位间的相关性。 时间相干性是指从一点光源发出的单色光经过不同路径而到达同一区域时，由于时间差而产生干涉现象。 激光器发出的激光有可见光，也有红外光，紫外光甚至是x射线。 第一节激光产生的原理 在正常情况下，原子中的电子大多数处于能级较低的稳定状态。 在原子受到光的照射，加热或微粒的碰撞后，就吸收外来的能量，电子便从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发状态。 处于激发状态的电子不稳定，会很快跳回到基态，同时放出能量。