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1、第第 1 章：章：激光焊接激光焊接 1.1激光的产生及特性激光的产生及特性第第1章章 激光焊接激光焊接1一、一、光电效应（光电效应（Photoelectric Effect）光电效应：光电效应：1887年年德国物理学家赫兹首先发现了光电效应。可德国物理学家赫兹首先发现了光电效应。可见光或紫外光射到某些金属表面上时，有电子从表面逸出的现见光或紫外光射到某些金属表面上时，有电子从表面逸出的现象。这种发射出来的电子叫做光电子。象。这种发射出来的电子叫做光电子。第第1章章 激光焊接激光焊接2第第1章章 激光焊接激光焊接（1）极限频率的存在：）极限频率的存在：光的波长光的波长小于某一临界值时，才能发射电
2、子，小于某一临界值时，才能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关。而与光强度无关。（2）光电效应的瞬时性）光电效应的瞬时性：只要光只要光的频率高于金属的极限频率，光的的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过是瞬时的，不超过10-9/秒秒。光电效应存在以下特点：光电效应存在以下特点：3经典理论对这经典理论对这2个特点难以解释个特点难以解释第第1章章 激光焊接激光焊
3、接根据经典的根据经典的“光的波动性光的波动性”理论：无论何种频率理论：无论何种频率的光照射在金属上，只要入射光足够强，使电子获得的光照射在金属上，只要入射光足够强，使电子获得足够的能量，电子就能从金属表面逸出来。足够的能量，电子就能从金属表面逸出来。这就是说，光电效应的发生应该与光的频率无关，这就是说，光电效应的发生应该与光的频率无关，只要光强足够大，则就能发生光电效应，不应存在只要光强足够大，则就能发生光电效应，不应存在极极限频率限频率。但是，实验表明，只有在入射光的频率大于极限频但是，实验表明，只有在入射光的频率大于极限频率时，才能发生光电效应。率时，才能发生光电效应。4第第1章章 激光焊
4、接激光焊接另外，还有一点与光的波动性相矛盾，即另外，还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应光电效应的瞬时性，的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，时间要长一些，金属金属中的电子才能积累住足够的能量，中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。飞出金属表面。可事实是：只要光的频率高于金属的极限频率，可事实是：只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光的亮度无论强弱，光子光子的产生都几乎是瞬时的，不的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的
5、能量单位（即光子或光量子）所长有关的严格规定的能量单位（即光子或光量子）所组成。组成。5第第1章章 激光焊接激光焊接二、二、爱因斯坦的光子理论提出爱因斯坦的光子理论提出（1）爱因斯坦是在在普朗克的）爱因斯坦是在在普朗克的“能量子能量子”假说启发下上提出假说启发下上提出光子理论的。光子理论的。普朗克的量子假说认为，辐射是由一分分的能量组成的。就象物质是由一个个原子组成的一样。辐射中的一份能量即是一个量子。量子的能量大小取决于辐射的波长，波长越短，能量越大；波长越长，能量越小。即：量子的能量与波长成反比，与频率成正比。（2）爱因斯坦注意到它有可能解决经典物理学所遇到的其他爱因斯坦注意到它有可能解决
6、经典物理学所遇到的其他问题。问题。为了解释光电效应的实验事实，1905年，爱因斯坦根据普朗克能量子假说而进一步提出的光量子(light quantum)，即光子(photon)概念，对光电效应的研究做出了决定性的贡献。6（3）爱因斯坦光子假说的核心思想：）爱因斯坦光子假说的核心思想：表面上看起来连续的光波本质上是量子化的。单色光由大量不连续的光子组成。若单色光频率为v，那么每个光子的能量为Ehv,动量为p=hv/c。（4）由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论的两个基）由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论的两个基本点是：本点是：（a）光是由一份一份的光量子组成的光子流。每个光子的能量为E=hv，动量
7、为p=hv/c。由N个光子组成的光子流，能量为N hv。（b）光与物质相互作用，即是每个光子与物质中的微观粒子相互作用。第第1章章 激光焊接激光焊接71.爱因斯坦的光子理论：爱因斯坦的光子理论：光是以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子或光光是以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子或光子，光子的能量是子，光子的能量是:=h v （v 是频率）光强决定于光强决定于单位时间内通过单位面积的光子数单位时间内通过单位面积的光子数N.单单色光的光强是色光的光强是:N h v2.光电效应方程光电效应方程A:逸出功逸出功光子只能作为一个整体被发射和吸收。光子只能作为一个整体被发射和吸收。第第1章章 激光焊接
8、激光焊接三、三、光子与光的二象性光子与光的二象性 8金属红限频率0/Hz波长/nm逸出功/eV铯Cs4.81014625 红1.9铍Be9.41014319 紫外3.9钛Ti9.910143034.1汞Hg1.0910152754.5金Au1.1610152584.8对于一定的金属，逃出功对于一定的金属，逃出功A为定值，可见光子频率越高，光电子为定值，可见光子频率越高，光电子的初动能越大，并且当入射光频率低于红限频率的初动能越大，并且当入射光频率低于红限频率V0，hA/h），以致每个光子），以致每个光子的能量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红的能量足够大，电子才能克服逸出功而逸出
9、金属表面。所以红限频率限频率V0=A/h；对于不同的金属；对于不同的金属A不同，红限频率也不同。例：不同，红限频率也不同。例：第第1章章 激光焊接激光焊接9激光：激光：Laser (light amplification by stimulated emission of radiation)辐射的受激发射光放大。辐射的受激发射光放大。（美国人梅曼制造出第一台激光器）（美国人梅曼制造出第一台激光器）第第1章章 激光焊接激光焊接四、四、什么是激光什么是激光10五、激光的形成机理五、激光的形成机理1.自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射（1）物质的原子从外界获得能量后进入激发态）物质的原子从外界获
10、得能量后进入激发态E2，随后又很快返回基态或者较低的能态随后又很快返回基态或者较低的能态E1，并伴随着发，并伴随着发出光辐射，原子没有受到外来感应场的作用而跃返低出光辐射，原子没有受到外来感应场的作用而跃返低能态，并同时发出光辐射的过程称为自发跃迁，产生能态，并同时发出光辐射的过程称为自发跃迁，产生的光辐射称为的光辐射称为自发辐射自发辐射。（2）能量相应于两个能级差的光子会把原子从低能）能量相应于两个能级差的光子会把原子从低能态激发到高能态，这个过程称为态激发到高能态，这个过程称为受激吸收跃迁受激吸收跃迁。第第1章章 激光焊接激光焊接11（3）在能量相应于两个能级能量差的光子的作）在能量相应于
11、两个能级能量差的光子的作用下，会使在高能态的原子向低能态跃迁，并同用下，会使在高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相应能量的光子，就是时发射出相应能量的光子，就是受激辐射。受激辐射。发光前发光前发光后发光后发光前发光前发光后发光后吸收前吸收前吸收后吸收后自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收受激辐射受激辐射第第1章章 激光焊接激光焊接12 光的吸收过程：当能量为光的吸收过程：当能量为 的光子与的光子与处于高能级处于高能级E2的原子接近时，可能引起受激辐射。的原子接近时，可能引起受激辐射。而当能量为而当能量为 的光子与处于低能级的光子与处于低能级E1的的原子接近时，光子就可能被原子吸收。而使原子从原
12、子接近时，光子就可能被原子吸收。而使原子从低能级激发到高能级低能级激发到高能级.玻尔兹曼统计分布率玻尔兹曼统计分布率（处于平衡态的工作物质的原子）：（处于平衡态的工作物质的原子）：2.产生激光的基本条件产生激光的基本条件Nn为粒子数为粒子数,En该能级的能量，该能级的能量，k为波尔兹曼常量，为波尔兹曼常量，T为热力学温度，为热力学温度，第第1章章 激光焊接激光焊接13而有：而有：可见在热平衡时，高能级上的原子数总少于低能级可见在热平衡时，高能级上的原子数总少于低能级上的原子数，在一定温度下，（上的原子数，在一定温度下，（E2-E1)越大，越大，N2相相对于对于N1就越大。就越大。又由最小能量原
13、理，又由最小能量原理，N N1 1NN2 2,为正常分布为正常分布所以，光通过正常状态下的工作物质时总是减弱的所以，光通过正常状态下的工作物质时总是减弱的不可能实现受激辐射光放大不可能实现受激辐射光放大要获得光放大，就必须使受激辐射占优势，就是要获得光放大，就必须使受激辐射占优势，就是要使得处在高能级上的原子数比低能级上的多。要使得处在高能级上的原子数比低能级上的多。即：即：N2N1粒子数反转粒子数反转产生激光的基本条件产生激光的基本条件之一之一第第1章章 激光焊接激光焊接14E!E4E3激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态E2无辐射跃迁无辐射跃迁E!E3E2激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态三能级
14、系统三能级系统 四能级系统四能级系统 泵泵浦浦无辐射跃迁无辐射跃迁泵泵浦浦 粒子数反转是实现受激辐射光的必要条件。粒子数反转是实现受激辐射光的必要条件。但是并但是并不是所有的发光物质都可以实现粒子数反转。只有那些不是所有的发光物质都可以实现粒子数反转。只有那些具有亚稳衡结构的物质才能作为激光的工作物质。具有亚稳衡结构的物质才能作为激光的工作物质。为了工作物质实现粒子数反转，可以从外界输入能为了工作物质实现粒子数反转，可以从外界输入能量（如光照、放电等）把低能量上的原子激发到高能级量（如光照、放电等）把低能量上的原子激发到高能级上去，这个过程称为激励（或泵浦或抽运）。上去，这个过程称为激励（或泵
15、浦或抽运）。第第1章章 激光焊接激光焊接15产生激光的能级系统（例）产生激光的能级系统（例）（1）三能系统（三能系统（2）四能级系统）四能级系统 三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统红宝石激光器红宝石激光器铷玻璃激光器铷玻璃激光器第第1章章 激光焊接激光焊接16激励源激励源(泵浦或抽运泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等热激励，化学激励等。激励激励-从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程（
16、又称的过程（又称“激发激发”、“抽运抽运”或或 “泵浦泵浦”）。）。1）光泵抽运光泵抽运如红宝石激光器如红宝石激光器粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2E1E217全反射镜全反射镜 V部分透光反射镜部分透光反射镜 对波长的选择：对波长的选择：光学谐振腔光学谐振腔 1、正反馈作用、正反馈作用2、选膜作用、选膜作用使使工作物质处于粒子粒子数反转，虽然可以实工作物质处于粒子粒子数反转，虽然可以实现光放大，并不一定能获得激光，要获得激光，现光放大，并不一定能获得激光，要获得激光，还必须有一个光学谐振腔。还必须有一个光学谐振腔。产生激光的基本条件产生激光的基本条件之二之二第第1章章 激光焊接激光焊接18
17、光学谐振腔光学谐振腔:要有一个能使受激幅射和光放大过程持要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：续的构造：全反全反射镜射镜半反半反射镜射镜实物图实物图原理图原理图激光工作物质激光工作物质第第1章章 激光焊接激光焊接19(1)红宝石红宝石激光器激光器 聚光反射器聚光反射器红宝石棒红宝石棒触发电极触发电极氙闪光灯氙闪光灯激光束激光束无辐射跃迁无辐射跃迁E!E3E2激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态泵泵浦浦550.0 nm694.3 nm激励能源，工作物质，谐振腔激励能源，工作物质，谐振腔激光器的结构激光器的结构激光器基本上由三部分份组成：激光器基本上由三部分份组成：第第1章章 激光焊接激光焊接2
18、0(2)氦氖激光器氦氖激光器 氦氖原子能级氦氖原子能级 无辐射跃迁无辐射跃迁泵泵浦浦E!E4E3激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态E2阳极阳极阴极阴极毛细管毛细管部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜内腔式内腔式球面反球面反射镜射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗外腔式外腔式球面半球面半反射镜反射镜第第1章章 激光焊接激光焊接21激光器的种类激光器的种类1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大。大。2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，介质、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，介质均匀光束质量好且能长时间稳定
19、工作。均匀光束质量好且能长时间稳定工作。He-Ne激光器简介：最早激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。制成且应用最广泛。激光波长为激光波长为632.8纳米纳米(氖原子发出氖原子发出)，采用电激励。，采用电激励。高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四能级系统。能级系统。3、液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽。液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽。4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而坚固。而坚固。第第1章章 激光焊接激光焊接22激光器分类表激光器分类表第第1章章 激光焊接激光焊接23