激光焊接原理

2.1激光產生的基本原理和方法

光與物質的相互作用，實質上是組成物質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，任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態，物質與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，并相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E ，頻率為ν=△E/h。愛因斯坦認為光和原子的相互作用過程包含原子的自發輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。我們考慮原子的兩個能級E1和E2，處于兩個能級的原子數密度分別為N1和N2。構成黑體物質原子中的輻射場能量密度為ρ，并有E2 -E1=hν。

2.1. 自發輻射

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

2.2. 受激輻射

除自發輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。當頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

2.3. 受激吸收

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

由受激輻射和自發輻射的相干性可知，相干輻射的光子簡并度很大。普通光源在紅外和可見光波段實際上是非相干光源。如果能夠創造這樣一種情況：使得腔內某一特定模式的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形成很高的光子簡并度，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各種技術措施減少腔內光場的模式數、使介質的受激輻射恒大于受激吸收來提高光子簡并度，從而達到產生激光的目的。

產生激光的基本條件：一是能在外界激勵能源的作用下形成粒子數密度反轉分布狀態的增益介質；二是要使受激發射光強超過受激吸收，必須實現粒子數反轉N2/G2- N1/G1>0；三是要使受激發射光強超過自發發射，必須提高光子簡并度。