第二章 激光焊接的基本原理
激光产生的基本理论
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射
光放大作用简单地说，就是输入是一个外来光子，而输出的则是 性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的两个光子中，一 个就是外来光子本身，而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的， 即是被外来光子“激”出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射， 得到两个完全相同的光子，这就是光的“放大”。这两个光子再去激 发两个粒子产生受激辐射，就可以得到完全相同的4个光子，4、8、1 6……如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多，可见受激 辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放大了的 光，便是激光。
第二章 激光焊接的基本原理
激光产生的基本理论
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射 由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的原子总是要
自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子，这个过程称为自发辐射。 处于低能级E1上的原子，吸收外来能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。
两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就 越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。 自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。 前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态 粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。当外界不断地提供能量时，粒 子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射……如此 循环不止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。以 电灯为例：接通电源后，电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼 热，使钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光子， 于是灯泡就亮了。
第二章 激光焊接的基本原理
激光产生的三要素
三要素：激励源，工作介质，谐振腔
激光焊接技术简介
主要内容
第一章 激光的发展历程 第二章 激光焊接的基本原理 第三章 激光焊接工艺 第四章 激光焊接的特性 第五章 激光焊接的局限性 第六章 激光焊接的应用
第一章 激光的发展历程
1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念，即处于高 能级的原子受外来光子作用，当外来光子的频率与其 跃迁频率恰好一致时，原子就会从高能级跃迁到低能 级，并发射与外来光子完全相同的另一光子，新发出 的光子不仅在频率方面与外来光子相一致，而且在发 射方向、偏振态以及位相等方面均与外来光子相一致， 因此，受激辐射具有相干性；在发生受激辐射时，一 个光子变成了两个光子，利用这个特点，可实现光放 大，并且能够得到自然条件下得不到的相干光．
处于高能级E2上的原子，受外来频率（满足hv=E2-E1 ）的光子的激 励，从E2跃迁到E1，发出一个和外来光子完全相同的光子，称为受激辐射。
受激辐射和自发辐射有本质的区别：前者是受激产生，后者是自发产 生；前者跃迁时产生的光子与外来光子在频率、相位、方向、和偏振方向 上完全一致，产生的光子相当于加强了外来光子的，即光放大作用，而后 者产生的光子在这些特性上彼此完全不相干。
第二章 激光焊接的基本原理
激光产生的基本理论
激光产生的基本理论是受激辐射，它是爱因斯坦在普朗克黑体辐射量 子化理论和玻尔的电子运动量子化轨道假设的基础上提出的。
1.原子能级和辐射跃迁 按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续 的轨道，这些轨道称为能级。当电子在不同的能级时，原子系统的能量是 不相同的，能量最低的能级成为基态。当电子由于外界的作用从较低的能 级跃迁到较高的能级时，原子的能量增加，从外界吸收能量。反之，电子 从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子 吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。发出或吸 收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1，h为普朗克常数6.626×1034J·s，v为光的频率，E2和E1分别为高能级和低能级的能量）。
受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930 年间拉登堡及其合作者对氖的色散的研究并于1933年绘制出 色散系数随放电带电流密度变化的曲线。1940年法布里坎特 首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。到了第 二次世界大战之后，1947年兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反 转可以受激辐射，从此激光理论的研究开始突破。1952年帕 塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观察到了负吸收现象。 第二年，韦伯产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放 大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯 科威尔实现了固体顺磁微波激射器。既然微波可以激发受激 辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。1958年汤斯和肖 洛发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提 出了建造红宝石激光器的建议。终于1960年由休斯航空公司 的莱曼建造出第一部可用的激光装置。（从此人类拥有了激 光这一利器。Leabharlann 第二章 激光焊接的基本原理
激光产生的基本理论
2、自发辐射、受激吸收和受激辐射 自发辐射的特点是：由于物质(发光体)中每个粒子都独立地被激发到
高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联系，所以各个粒子在自发辐射 过程中产生的光子没有统一的步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长 有长有短，而且传播的方向也不一致。因为自发辐射光是由这样许许多多 杂乱无章的光子组成的，所以我们通常见到的光，是包含许多种波长成份 (即多种颜色)、射向四面八方的杂散光。阳光、灯光、火光等普通光都属 于自发辐射光。
第二章 激光焊接的基本原理
激光产生的基本理论
3、粒子数反转
在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满足玻尔 兹曼公式，即能级的能量愈高，上面的粒子数越少。这时如果给粒子 系统提供一个外来能量，使低能级上的粒子吸收能量跃迁至高能级上， 使高能级上的粒子吸收能量跃迁到高能级上，使高能级上的粒子数多 于低能级上的粒子数，这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个 形成了粒子数反转的能级之间，受激辐射的分量才能大于受激吸收， 光才能得到放大。