第十一章 高能束表面改性技术之激光束表面改性技术.pptVIP

? 由高密度光子、电子、离子组成的激光束、电子束、 离子束有一个共同的特点，那就是通过特定装置可以 聚焦到很小甚至非常微细的尺寸，形成极高能量密度 的粒子束即高能束。将高能束作用于材料表面，可以 在极短的时间内以极快的速度使材料基体表面特性发 生改变。也可以作为微细加工技术，在材料表面形成 各种图案和形状，获得各种特殊的功能。因此，高能 束在材料表面改性和微细加工领域中得到了广泛的应 用。 第十一章 高能束表面改性技术 一、激光束表面改性的原理 1 、激光及其特性 ? （ 1 ）激光产生的原理 ? 激光（ Laser ： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ），含义为 “ 由辐射受激发射产生的光放大 ”。 ? 光与物质相互作用的规律是构成激光器的理论 基础。 第一节 激光束表面改性技术 ? ①原子的能级分布 ? 原子由位于中心的带 正电的原子核和环绕 核的电子组成，电子 分布在原子内的多层 轨道上运动。 ? 当由于某种原因电子 在原子中的运动从一 个轨道跃迁到另一个 轨道上时，电子的能 量发生变化， 同时反 映为整个原子的能量 变化 。 激 发 能 级 基能 级 ? 热平衡温度下，原子数按能级的分布服从玻 耳兹曼定律，即 N ：相应能级上的粒子数 T ：绝对温度 k ：玻耳兹曼常数 ? ②自发辐射与受激辐射 ? 处于激发态的原子是不稳定的，总是力图向低能级跃 迁。 ? 原子从高能级跃迁到低能级上，要释放出多余的能量。 释放能量的形式有两种。一种是变为热运动，称为 无 辐射跃迁 ；另一种是以光的形式辐射，叫做 辐射跃迁 。 ? 从 E 2 能级跃迁到 E 1 上时，所辐射出光子的频率 v 21 为 ? 如果原子的辐射跃迁都是自发独立进行的，辐射出来 的光子在发射方向、初始位相都是任意的，这种辐射 称为 自发辐射 。 h ：普朗克常数 （ 6.63 × 10 -34 J· s ） ? 如果处于高能级 E 2 的原子，当有光子趋近它时，而且 光的频率是 v 21 时，此原子则可在外来光子的激发下， 从高能级 E 2 跃迁到低能级 E 1 上去，并发射出一个同样 的光子。这样原子的一个光子变成了两个光子，这个 过程称为 受激辐射 。 ? 受激辐射产生的光子与入射光子的性质状态完全相同， 即频率、位相和传播方向均相同 。由于这一特性，受 激辐射光与入射光相干迭加，产生光的放大作用。 ? ③粒子数反转 ? 受激辐射的强弱取决于处于高能级上的原子数，只有 在受激辐射占优势时才能发射出激光。 ? 正常状态下物质中处于低能级上的原子数总大于高能 级上的原子数。只有当高能级的原子数多于低能级的 原子数时才能满足受激辐射占优势的条件，这种状态 称为 粒子数反转 。 ? 要达到粒子数反转状态，可以利用 激励源 ，把处于低 能级上的原子激发到高能级上去。 ? 工作物质不同，激励方法不同，最常用的是光学和电 学方法。 工作原理：当工作物质受到外界激发产生辐射时，其传播方 向与腔体轴向相同的光子将引起其他激发态的工作物质产 生连锁性的受激辐射，在到达部分反射镜时放出一部分光 子，其他大部分仍反射回来，进行反馈，从而形成光振荡， 并不断从部分反射镜的输出端发射出光子成为激光束。 ? ④光学谐振腔 ? 为了获得激光束，还需要一个光学谐振腔，对激光进行 振荡。 ? 最简单的光学谐振腔由放置在工作物质两侧的平面反射 镜组成。这两个反射镜严格平行，其中一个是反射率为 100% 的全反射镜，另一个是反射率为 50%~90% 的部分 反射镜。 ? （ 2 ）激光的特性 ? 与普通光相比，激光具有高度的单色性、方向 性、亮度性、相干性和极大的能量密度。 对金 属材料表面改性而言，激光是一种聚焦性好、 功率密度高、易于控制、能在大气中远距离传 输的热源。 2 、激光束与材料表面的交互作用 ? 激光束辐射到材料表面时，与材料间的相互作用根据 辐射密度与持续时间分为以下几个阶段： ? ①激光照射到材料表面； ? ②激光被材料吸收变为热能； ? ③表层材料受热升温； ? ④发生固态转变，熔化甚至蒸发； ? ⑤材料在激光作用后冷却。 ? 当激光辐射的功率密度与持续时间不变时，上述过程 的进展取决于被处理材料的特性，如材料的反射率、 密度、导热系数、固态相变温度、熔化温度、蒸发温 度、熔化比热容与蒸发比热容等。 二、激光束表面改性的设备 ? 激光束表面改性设备主要包括激光器、外围光 学装置、机械系统和辅助系统等。 1 、激光器 ? 应用最多的工业激光器主要有三类：二氧化碳 激光器、掺钕钇铝石榴石（ YAG ）激光器和准 分子激光器。 （ 1 ） CO 2 气体 激光器 ? 组成系统：气体激光器主要由工作物质