入职培训--激光原理(2004.11)

吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达 到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。

12 激光打标的实现方式
原理：利用激光的辐射，塑料聚合物基体内产生局部高能量，这些能量被聚合物
基体或者添加剂吸收，转化为热能，当热能达到一定数值时，就会引起聚合物内部 的各种物理或者化学变化，例如发生炭化、发泡、变色反应等，最后得到与基体不 一样颜色的标记。
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其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。 u 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光
照射部位没有或影响极小，因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。 u 激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加
工的高度自动化和达到很高的加工精度。
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7 什么是激光加工
根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反 应加工两类。
激光热加工：指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括
激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等。
光化学反应加工：指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光
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单色性好：激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。激光器的单
色性远远超过任何一种单色光源。
单色性好可以便于滤光提高信噪比。 如果是材料加工，单色性对于控制激 光的吸收深度和分布非常有用，因为 不同材料的吸收光谱不同，就可以有 选择有控制地处理材料。单色光在光 学设计上方便很多，没有色散相差， 而且单色性越好，对应的波长或者频 率越稳。
激光精密加工可分为四类应用，分别是精密切割、精密焊接、精密打孔和表面处理。
激光精密切割

hν =E2 - E 1
dn2 = −A21n2 dt
自发跃迁爱因斯坦系数
− t
n2 = n20e− A21t = n20e τs 1 τs = A21
dn2 1 A21 = − dt n2
原子在E2能级上平均寿命
ns µs
如果某激发态能级的寿命相对其它能级长得多，则 称此能级为亚稳态能级。 10
(2.1.3)
8πν P = 3 Vdν ν c
黑体辐射普朗克公式-单色能量密度
8πhν3 ρν = nν E = c3 1 e
hν KT
(2.1.4)
−1
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§2.1 激光的基本理论 光与物质相互作用的三个过程：
为简化问题， 为简化问题，我们只考虑原子的 两个能级E2和E 1并有 E2—E 1 = hν 两个能级 单位体积内处于两能级的原 子数分 别用n2和n1，如图所示。
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§2.3 谱线加宽和线型函数 线型函数
为频率的函数。 自发辐射功率P (ν ) 为频率的函数。设总的辐射功率为P0,有：
+∞
P0 =
−∞
∫ P(v)dν
(2.3.1)
% 引入 线型函数 g (ν ,ν 0 ) (给定了光谱线的轮廓或形状) ： 给定了光谱线的轮廓或形状) P (ν ) % (ν ,ν 0 ) = g (2.3.2)
E2 − E1 ) KT
式中， 分别为能级E 式中，f2和f1分别为能级 1和E2的统计权重 3.在热平衡状态下 n1 （或 n2）应保持不变。
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§2.1 激光的基本理论
4. A21 、B21 、B12 的相互关系：
爱因斯坦三系数之间的关系 B21f2 = B12f1

ONE KEEP VIEW 激光原理与技术PPT精品文档目录CATALOGUE•激光基本原理•激光器类型及工作原理•激光技术应用领域•激光技术发展趋势与挑战•激光安全与防护知识普及•总结与展望PART01激光基本原理激光产生条件粒子数反转高能级粒子数大于低能级粒子数，是产生激光的必要条件。

增益大于损耗增益介质中的受激辐射放大作用要大于各种损耗，才能实现光放大。

光学谐振腔提供正反馈，使受激辐射光在腔内多次反射、放大，形成稳定振荡。

激光发射过程泵浦过程通过外部能量输入（如光、电、化学等），使增益介质中的粒子从低能级跃迁到高能级，实现粒子数反转。

受激辐射过程处于高能级的粒子在外部光子的作用下，跃迁到低能级并发出与入射光子完全相同的光子，实现光放大。

光学谐振腔内的振荡过程受激辐射产生的光子在腔内多次反射、放大，形成稳定的光场分布和振荡模式。

功率激光的功率决定了其能量大小和输出能力，高功率激光具有更强的穿透力和加工能力。

稳定性激光的稳定性决定了其长期运行的可靠性和稳定性，对于高精度、高稳定性的应用尤为重要。

光束质量激光的光束质量决定了其聚焦能力和传输效率，优质的光束质量可以提高激光加工的精度和效率。

波长激光的波长决定了其颜色和应用领域，不同波长的激光具有不同的特性和用途。

激光特性参数PART02激光器类型及工作原理工作原理通过激励源（泵浦源）将能量传递给工作物质，使其产生粒子数反转分布，然后在谐振腔内通过受激辐射产生激光。

特点具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于科研、工业、医疗等领域。

构成由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。

构成主要由放电管、反射镜和电源三部分组成。

工作原理在放电管中充入一定种类和压强的气体，通过高压放电激励气体分子或原子，使其产生受激辐射并放大，形成激光输出。

特点具有光束质量好、输出功率大、效率高、结构简单等优点，常用于高精度测量、光谱分析等领域。

构成主要由染料溶液、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。