天津大学材控专业材料现代成型技术复习重点研究生考试专业课研究生考试专业课.pdf
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1、学习必备 欢迎下载 材料现代成型技术复习重点-by 杨雪君 注:本资料根据老师所划重点整理,下划线部分为有可能考的填空题,*号部分重点记忆,仅供参考!(老师给的重点太多了。无语。)第一章 激光焊接与切割 1 焊接分为:熔焊,压焊,钎焊三大类 2 激光是利用原子受激辐射的原理,使工作物质受激而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束。3 原子具有一系列的不连续的 E1、E2、E3En 等能量状态,称为原子的稳定状态。这些不连续的能量值,通常称为原子的能级。4 原子总是使自己的能量状态处于最低值,即为基态。如果要使这些粒子产生辐射作用,首先就得把处于基态的粒子跃迁到高能级去,这一过程称为激发,而
2、激发后原子所处的状态称为激发态。5*自发跃迁的两种能量释放方式:无辐射跃迁(热形式),自发辐射跃迁(光的形式)6*受激辐射相当于加强了外来激励光,即具有光放大作用,因此受激辐射是激光产生的主要物理基础 7*原子被激发到高能级的某一能级后能不能产生受激辐射跃迁,要取决于其在各个能级的寿命。这种寿命很长的能级称为亚稳能级。亚稳态能级的存在,提供了形成激光的重要条件。8*粒子数反转分布:理解着记忆 图 1-8 三能级粒子数反转 A)能级 E3-E2形成粒子数反转 B)能级 E2-E1形成粒子数反转 9*谐振腔概念:谐振腔就是在工作物质的两端面上直接蒸镀上多层介质膜作为反射镜,或在工作物质两端的前面装
3、两块反射镜所组成。在两块反射镜中,一块对光束是全反射的,另一块是学习必备 欢迎下载 可部分透过的。光束在两块反射镜之间来回反射、加强激发并多次经过工作物质而形成振荡。使沿轴向的光子与亚稳态上的激发粒子作用,发生受激辐射,使光得到进一步放大(加强),并在装有部分透过反射镜的一端输出。10(大题)*论述激光的产生原理:a)激光工作物质中的原子都处在低能级(用圆点表示)。b)用特定的方法激励这些原子(用箭号表示),绝大部分原子被激发到高能级,实现了粒子数反转分布(用圆圈表示)。c)处在高能级上的原子,必有少数开始自发辐射,这些自发辐射的光子在前进中将引起受激辐射,不过不沿工作物质轴向的受激辐射光很快
4、失去作用。只有沿着轴线方向的受激辐射才能得到显著的加强。d)这时的光还很弱,处于高能级上的原子数还很多。这样在工作物质的两端加两块平行的反射镜(使构成谐振腔),使已经得到初步放大的受激辐射的光能在被激活的工作物质内部来回反射(振荡),使光进一步放大。e)受激发射光经过振荡达到最强,其中一部分从部分透过的反射镜上输出成为激光束,一部分反射回工作物质内继续放大。11*固体激光器的基本结构:工作物质,激励源,谐振腔 12*固体激光器的工作物质:分为基质和激活物质两部分;激活物质是发光的,基质是镶嵌激活物质的。固体激光器 激活物质 基质 几能级系统 钕玻璃 Nd3+钕离子 玻璃 四 红宝石 Cr3+A
5、l2O3?三 掺钕钇铝石榴石 Nd3+钕离子 YAG(钇铝石榴石)四 各固体激光器原理了解一下,详见PPT 在通常情况下钕离子差不多全部都在基态,低能态上几乎没有粒子,因此光泵只要往能级 E4 上激发少量粒子,就能实现 E3 与 E2 间的粒子数反转。亦即是说四能级系统获得粒子数反转比三能级系统容易得多。空题号部分重点记忆仅供参考老师给的重点太多了无语第一章激光焊接与切割焊接分为熔焊压焊钎焊三大类激光是利用原子受激辐射的原理使工作物质受激而产生的一种单色性高方向性强亮度高的光束原子具有一系列的不连续的等为基态如果要使这些粒子产生辐射作用首先就得把处于基态的粒子跃迁到高能级去这一过程称为激发而激
6、发后原子所处的状态称为激发态自发跃迁的种能量释放方式无辐射跃迁热形式自发辐射跃迁光的形式受激辐射相当于加强了外生受激辐射跃迁要取决于其在各个能级的寿命这种寿命很长的能级称为亚稳能级亚稳态能级的存在提供了形成激光的重要条件粒子数反转分布理解着记忆图三能级粒子数反转能级形成粒子数反转能级形成粒子数反转谐振腔概念谐振学习必备 欢迎下载 13*在连续固体激光器(即 Nd3+YAG 激光器)中,用作连续光源的有氪灯、碘钨灯、连续发光的氙灯。小功率时,用碘钨灯;大功率时,用氪灯 14*大题温度淬火 红宝石是个三能级结构,当处于基态的 Cr3+被激励,跃迁到 E3 能级上去后,会发生无辐射跃迁到E2 能级上
7、,E2 是个亚稳能级,寿命较长,因此在E2 上可以积聚大量的铬离子,当光泵强度足够时,就可以在E2 和 E1之间实现粒子数反转分布。铬离子在E2 上积聚的同时,在 E2 和 E1 之间也有无辐射跃迁。它是 E2 上的 Cr3+通过和晶格相互作用,把部分能量传给晶格,变成晶格的振动能,而 Cr3+返回 E1。在温度较低时,晶格的振动较弱,Cr3+和晶格的作用不显著,所以无辐射跃迁可以忽略。而当温度升高时,晶格振动加剧,能级 E2 上的 Cr3+和晶格的相互作用增强了,无辐射跃迁几率也就大了,这就意味着实现粒子数反转分布不容易了,激励阈值也提高了,严重时还会使已有的激光输出终止。这就是温度淬火。1
8、5*大题热透镜效应 钕玻璃的导热性比较低(钕玻璃的导热性比晶体低 10-100倍),所以每次使用氙灯照射钕玻璃,即每次激励时产生的热量不能及时传走,其结果是钕玻璃棒的温度升高。中心处的温度高于边缘,棒中心的折射率比边缘大,中心比边缘的几何路程也大,光通过钕玻璃棒,相当于通过了一个凸透镜,这样就是光偏离了棒的轴线方向,在谐振腔内来回反射时,必然会使损耗增加,阈值提高,效率下降,发散角增大,甚至使棒损坏。这种现象成为“热透镜效应”。16*气体激光器分为三类:原子激光器;分子激光器;离子激光器 17*二氧化碳激光器:放电管,谐振腔,激励电源,冷却系统 18*二氧化碳谐振腔:二氧化碳气体激光器的谐振腔
9、多采用平凹腔,一般总以凹面镜作为全反射镜,而以平面镜作输出端反射镜。19*对于全反射镜,不用多层介质膜而用金属膜,如金膜、银膜和铝膜。20*目前大功率二氧化碳激光器一般用砷化镓做镜片。无辐射跃迁E激发态E!3E2亚稳态基态泵浦hv31=E3-E1hv21=E2-E1hv21自发辐射跃迁E2E1hv21受激辐射无辐射跃迁晶格振动Cr3+晶格能量温度低时不明显温度高时振动加剧无辐射跃迁几率增大粒子数反转分布难度增大,激励阈值提高空题号部分重点记忆仅供参考老师给的重点太多了无语第一章激光焊接与切割焊接分为熔焊压焊钎焊三大类激光是利用原子受激辐射的原理使工作物质受激而产生的一种单色性高方向性强亮度高的
10、光束原子具有一系列的不连续的等为基态如果要使这些粒子产生辐射作用首先就得把处于基态的粒子跃迁到高能级去这一过程称为激发而激发后原子所处的状态称为激发态自发跃迁的种能量释放方式无辐射跃迁热形式自发辐射跃迁光的形式受激辐射相当于加强了外生受激辐射跃迁要取决于其在各个能级的寿命这种寿命很长的能级称为亚稳能级亚稳态能级的存在提供了形成激光的重要条件粒子数反转分布理解着记忆图三能级粒子数反转能级形成粒子数反转能级形成粒子数反转谐振腔概念谐振学习必备 欢迎下载 21*考大题:二氧化碳激光器工作原理 如右图所示,通过电极放电,高速电子与 二氧化碳分子碰撞,把 CO2 分子激发到高能级 001 上,然后在 0
11、01 和 100 能级之间实现激光作用的分子数反转的条件。但是,纯 CO2 激光器的功率很低,必须加入 N2(氮)和 He(氦)才能提高输出功率和效率。加入 N2 时,N2 的第一能级与二氧化碳的 001能级的能量几乎相等,符合共振条件,即两气体易于在碰撞时交换能量。放电时,电子与 N2 分子碰撞,把 N2 分子激发到第一能级,然后处于激发态的N2分子与 CO2碰撞时就共振转移,把能量交给 CO2,使 CO2 激发到 001 能级 上去。上述过程就可以实现在高低能级间分子数反转分布。当有外界电子激励并在谐振腔内振荡时,便会输出激光。22*考大题 CO2 激光器的能量转换效率高的原因:理解记吧
12、1)激光工作能级寿命比较长,有利于粒子数反转的积累 2)CO2 激光器是用电能激发的,具有一定能量的电子与处于基态的 CO2 分子发生非弹性碰撞后,CO2 分子直接被电子激发到 E4 能级上去,这种电子与分子碰撞的几率比原子或离子的碰撞几率要大几百倍以至几千倍。3)在 CO2 混合气体放电过程中,部分 CO2 分子被离解成 CO 和氧原子,它们再复合时能形成处于 E4 能级的 CO2 分子。此外,电子碰撞 CO 分子的几率也很大,CO 分子被电子激发后,与基态的 CO2 分子碰撞通过能量转移也能将基态CO2 分子激发到 E4 能级上去。CO2 分子的电离能比较小,利用这一激发过程对形成 CO2
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