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发布时间:2020-11-11
激光与激光切割基础知识之激光的产生

      1.光的产生

      物质的组成

      世界上能看到的任何宏观物质都是由原子、分子、离子等微观粒子构成。其中,分子是 原子通过共价键结合形成的,离子是原子通过离子键结合形成的,所以归根结底,物质是由 原子构成的,如图1-1所示。

      原子的结构

      原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的,如图1-2所示。

      根据量子理论,同一个原子内的电子在不连续的轨道上运动,并且可以在不同的轨道上 运动,如同一辆车在髙速公路上可以开得快、在市区里就开得慢一样。


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      在图1-3所示的玻尔的原子模型中,电子分别可以有n=1、n = 2、n = 3三条轨道,原子对 应不同轨道有三个不同的能级。


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2.光的特性

1)波粒二象性

光是频率极高的电磁波,具有物理概念中波和粒子的一般特性,简称具有波粒二象性。 光的波动性和粒子性是光的本性在不同条件下表现出来的两个侧面。

(1) 电磁波谱:把电磁波按波长或频率的次序排列成谱,称为电磁波谱,如图1-5所示。

(2) 可见光谱:可见光是一种能引起视觉的电磁波,其波长范围为380~780 nm,频率范 围为 3. 9X10~7. 5X10Hz。

(3) 光在不同介质中传播时,频率不变,波长和传播速度变小。

式中:“为光在不同介质中的传播速度;C为光在真空中的传播速度;人为光在不同介质中的 波长;為为光在真空中的波长;〃为光在不同介质中的折射率。

2)光的波动性体现

光在传播过程中主要表现出光的波动性,我们可以通过光的直线传播定律、反射定律、折射定律、独立传播定律、光路可逆原理等证明光在传播过程中表现出波动性。

光在低频或长波区波动性比较显著,利用电磁振荡耦合检测方法可以得到输入信号的 振幅和相位。

①光的粒子性体现

光在与物质相互作用过程中主要表现出光的粒子性。

光的粒子性就是说光是以光速运动着的粒子(光子)流,一束频率为V的光由能量相同的光子所组成,由此可知,光的频率愈高(即波长愈短),光子的能堇愈大。光在高频或短波区表现出极强的粒子性,利用它与其他物质的相互作用可以得到粒子 流的强度,而无需相位关系。

受激辐射过程发出的光子与入射光子的频率、相位、偏振方向以及传播方向均相同,且 有两倍同样的光子发出,光被放大了一倍,它是激光产生的先决条件。


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受激辐射存在逆过程一一受激吸收过程,如图l-6(b)所示。受激辐射的过程是复制产 生光子,受激吸收的过程是吸收消耗光子,激光产生的实际过程要看哪种作用更强。

2)粒子数反转分布——激光产生的必要条件

(1)玻尔兹曼定律:热平衡状态下,大量原子组成的系统粒子数的分布服从玻耳兹曼定 律,处于低能级的粒子数多于高能级的粒子数,如图l-7(a)所示,此时受激辐射V受激吸收。 为了使受激辐射占优势从而产生光放大,就必须使高能级上的粒子数密度大于低能级上的 粒子数密度.即N2>N},称为粒子数反转分布,如图1-7所示。

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实现粒子数反转是激光产生的必要条件。

(2)实现粒子数反转分布:在激光器的实际结构上,通过改变激光工作物质的内部结构 和外部工作条件这样两个途径来实现持续的粒子数反转分布。

①给激光工作物质注入外加能量:如果给激光工作物质注入外加能量,打破工作物质的 热平衡状态,持续地把工作物质的活性粒子从基态能级激发到高能级,就可能在某两个能级 之间实现粒子数反转

注入外加能址的方法在激光的产生过程中称为激励,也称为泵浦。常见的激励方式有 光激励、电激励、化学激励等。

光激励通常是用灯(脉冲鼐灯、连续氮灯、碘钧灯等)或用激光器作为泵浦光源照射激光 工作物质,这种激励方式主要为固体激发器所釆用,如图1-9所示。

电激励是采用气体放电方法使具有一定动能的自由电子与气体粒子相碰撞,把气体粒 子激发到髙能级,这种激励方式主要为气体激光器所采用,如图1-10所示。

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化学激励则是通过化学反应产生一种处于激发态的原子或分子,这种激励方式主要为 化学激光器所采用。

②改善激光工作物质的能级结构:在实际应用中能够实现粒子数反转的工作物质主要有三能级系统和四能级系统两类。三能级系统如图l-ll(a)所示,粒子从基态&首先被激发到能级耳,粒子在能级上是不稳定的,其寿命很短(约IO"8 s),很快地通过无辐射跃迁到达能级E2上。能级E2是亚稳态,粒子在耳上的寿命较长(ICT,~1 s) .因而在E2上可以积聚足够多的粒子,这样就可以在亚稳态和基态之间实现粒子数反转。

此时若有频率为p=(E2-E,)/A的外来光子的激励,将诱发E2上粒子的受激辐射,并 使同样频率的光得到放大。红宝石就是具有这种三能级系统的典型工作物质。

三能级系统中,由于激光的下能级是基态,为了达到粒子数反转,必须把半数以上的基 态粒子泵浦到上能级,因此要求很高的泵浦功率。

四能级系统如图l-ll(b)所示,它与三能级系统的区别是在亚稳态E2与基态Eo之冋还 有一个高于基态的能级由于能级E基本上是空的,这样旦与§之间就比较容易实现 粒子数反转,所以四能级系统的效率一般比三能级系统的高。

以钗离子为工作粒子的固体物质.如敏玻璃,掺敏钮铝石榴石晶体以及大多数气体激光 工作物质都具有这种四能级系统的能级结构。

三能级系统和四能级系统的能级结构的特点是都有一个亚稳态能级,这是工作物质实 现粒子数反转必需的条件。

(2)光学谐振腔——激光持续产生的源泉

(1)谐振腔功能:虽然工作物质实现了粒子数反转就可以产生相同频率、相位和偏振的 光子,但此时光子的数目很少且传播方向不一。

如果在工作物质两端面加上一对反射镜,或在两端面镀上反射膜,使光子来回通过工作 物质,光子的数目就会像滚雪球似地越滚越多,形成一束很强且持续的激光输出。

把由两个或两个以上光学反射镜组成的器件称为光学谐振腔,如图1-12所示。

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(2)谐振腔结构:两块反射镜置于激光工作物质两端,反射镜之间的距离为腔长。其中 反射镜R的反射率接近100%,称为全反射镜,也称为高反镜;反射镜R2部分反射激光,称 为部分反射镜,也称为低反镜(半反镜)。

全反射镜和部分反射镜不断引起激光器谐振腔内的受激振荡,并允许激光从部分反射 镜一端输出,故部分反射镜又称激光器窗口。

在谐振腔内.只有沿轴线附近传播的光才能被来回反射形成激光,而离轴光束经几次来 回反射就会从反射镜边缘逸出谐振腔.所以激光光束具有很好的方向性。

4) 网值条件——激光输出对器件的总要求

有了稳定的光学谐振腔和能实现粒子数反转的工作物质,还不一定能产生激光输出。

工作物质在光学谐振腔内虽然能够产生光放大,但在谐振腔内还存在着许多光的损耗 因素,如反射镜的吸收、透射和衍射,以及工作物质不均匀造成的光线折射和散射等。如果 各种光损耗抵消了光放大过程,也不可能有激光输出。

用阈值来表示光在谐振腔中每经过一次往返后光强改变的趋势。

若阈值小于1,意味着往返一次后光强减弱。来回多次反射后,它将变得越来越弱,因而 不可能建立激光振荡。因此,实现激光振荡并输出激光,除了具备合适的工作物质和稳定的 光学谐振腔外,还必须减少损耗,达到产生激光的阈值条件。

5) 产生激光的充要条件

(1) 要有含亚稳态能级的工作物质。

(2) 要有合适的泵浦源,使工作物质中的粒子被抽运到亚稳态并实现粒子数的反转分 布.以产生受激辐射光放大。

(3) 要有光学谐振腔,使光往返反馈并获得増强,从而输出高定向、高强度的激光。

(4) 要满足激光产生的阈值条件。

综上所述.激光(laser)的产生就是受激辐射的光放大效应(light amplification by stimu-lated emission of radiation)可以顺利进行的过程。


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