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激光的产生和材料对激光的吸收

2019-4-19   杭州远华激光

激光产生必须具备三个主要条件:  

一、激活物质(介质)。即被激励后能发生粒子数反转的物质(粒子反转:平衡稳定状态的粒子:分子,原子,离子。例如被外来光照、电子碰撞、分解、化合、加热等激发后(高能级)都会力图回到最初的状态基态(低能级)从高能级回到低能级的过程(跃迁)释放的能量就是辐射),如方圆脉冲电源激光激光器原理是红宝石激光器通过脉冲氙灯照射施加光能,红宝石中铬离子从低能级-高能级-低能级的过程,所释放的辐射。这种物质也叫工作介质,如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等等,他们都是具有亚稳态能级别的物质。  

二、激励装置。能使激活物质发生粒子数反转分布的能源,即各种激光器所使用的电源。    

三、光学谐振腔。光子在其中反复震荡并多次被放大的谐振腔,激光振荡器中初始的光辐射,跃迁式自发辐射,而由于自发辐射射出来的光子无规律的向四面八方,不具有单一性,因此还不能叫真正的激光,需要一套装置光学谐振腔实现光的单一性辐射,解决方法是在工作物质两端放置两块相互平行的反射镜,并与工作物质的光轴垂直。两个反射镜包括一个全反射镜(反射率99%以上),一个半反镜片(反射率40-60%),谐振腔就是指由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成的,其作用是选择频率一致的光最优先放大二拟制其它频率的光,衍射,吸收,散射后积累射出形成激光。  

激光产生的过程可以归纳为激励---激活介质(工作物质)粒子数反转的自发辐射---其它粒子受辐射---光子放大---光子震荡及光子放大---激光产生。

表层材料对激光的吸收能力大小的参数是吸收率,是材料吸收的激光能量与激光器输出能量的比值。吸收率测量是材料对激光吸收研究的基础。对固定波长的激光的激光对材料的吸收与透射

光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料中自由电子或束缚电子相互作用的结果。金属中存在大量的自由电子,这些自由电子在激光电磁波的作用下强迫振动而产生次波。这些次波形成强烈的反射波和较弱的透射波。对于波长为0.25чm的紫外波长到10.6чm的红外光的测量结果表明:光波在各种金属中的穿透深度为10mm左右,吸收系数约为10的5次方cm-1~10的6次方cm-1.

CO2与YAG等红外激光照射到金属材料表面是,由于光子能量小,通常只对金属中的自由电子发生作用,也就是说能量吸收是通过金属中的自由电子这个中间体,然后电子通过碰撞将能量传递给晶格。当激光的波长较短(<0.5чm)时,由于激光光子能量较大,引起价带电子向导带电子的跃迁,从而使金属的反射能量降低,透射能量增强,金属对激光的吸收率增大。室温下,多少金属对10.6чm波长的CO2 激光的吸收率不足10%,而对1.06чm波长的YAG激光的吸收率约为CO2激光的3-4倍

当温度升高时,金属中电子的热运动加剧,因此随着温度升高金属的吸收率增大。

强激光作用下,金属对激光的吸收出现突然增大的现象,其数值远远超过金属吸收率的温度依赖关系所决定的数值,这样现象称为金属的反常吸收,它与材料的蒸发和光致等离子体的形成有关。

影响激光吸收的因素有两种:

一、材料厚度。在激光功率一定的情况下,材料的提交反射率随厚度的增加而增加;材料的透射率随材料的厚度增加而衰减。

二、激光功率。材料厚度一定的情况下,材料的体积反射率随激光功率的增加而增加,直到激光功率密度达到材料表面的烧蚀阈值,此时材料的透射率随激光功率增加而衰减;材料对激光能量的吸收率随激光功率的增加而减小。

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