激光焊接原理

2.1激光產(chǎn)生的基本原理和方法

光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子。微觀粒子都具有一套特定的能級(jí)，任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，物質(zhì)與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級(jí)的能量差△E ，頻率為ν=△E/h。愛(ài)因斯坦認(rèn)為光和原子的相互作用過(guò)程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過(guò)程。我們考慮原子的兩個(gè)能級(jí)E1和E2，處于兩個(gè)能級(jí)的原子數(shù)密度分別為N1和N2。構(gòu)成黑體物質(zhì)原子中的輻射場(chǎng)能量密度為ρ，并有E2 -E1=hν。

2.1. 自發(fā)輻射

處于激發(fā)態(tài)的原子如果存在可以接納粒子的較低能級(jí)，即使沒(méi)有外界作用，粒子也有一定的概率自發(fā)地從高能級(jí)激發(fā)態(tài)（E2）向低能級(jí)基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過(guò)程稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)上的一致，是非相干光。

2.2. 受激輻射

除自發(fā)輻射外，處于高能級(jí)E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級(jí)。當(dāng)頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過(guò)程稱為受激輻射。

2.3. 受激吸收

受激輻射的反過(guò)程就是受激吸收。處于低能級(jí)E1的一個(gè)原子，在頻率為 的輻射場(chǎng)作用下吸收一個(gè)能量為h ν的光子，并躍遷**能級(jí)E2，這種過(guò)程稱為受激吸收。自發(fā)輻射是不相干的，受激輻射是相干的。

由受激輻射和自發(fā)輻射的相干性可知，相干輻射的光子簡(jiǎn)并度很大。普通光源在紅外和可見(jiàn)光波段實(shí)際上是非相干光源。如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況：使得腔內(nèi)某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡(jiǎn)并度，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場(chǎng)的模式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收來(lái)提高光子簡(jiǎn)并度，從而達(dá)到產(chǎn)生激光的目的。

產(chǎn)生激光的基本條件：一是能在外界激勵(lì)能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的增益介質(zhì)；二是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過(guò)受激吸收，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N2/G2- N1/G1>0；三是要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過(guò)自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡(jiǎn)并度。