第十一章 高能束表面改性技术之激光束表面改性技术）

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1、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：LightAmplification

2、byStimulatedEmissionofRadiation），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

3、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E2能级跃迁到E1上时，所辐射出光子的频率v21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（6.63×10-34J·s）如果处于高能级E2的原子，当有光子趋近它时，而且光的频率是v21时，此原子则可在外来光子的激发下，从高能级

4、E2跃迁到低能级E1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，

5、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

6、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

7、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）CO2气体激光器组成系统：气体激光器主要由工作物质、光学谐振腔、风机、热交换器、电源、真空泵等几部分组成。基本原理：CO2气体激光器以CO2气体作为放电介质，

8、在直流高压下，大量CO2气体分子获得能量后，激发、跃迁到高能态，并使处于高能态的粒子数多于基态的粒子数，然后，高能态粒子向低能级跃迁，发射光子，经谐振腔振荡放大后，输出激光束。主要特点：高功率、高转化率、高光束质量。（2）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器组成系统：掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器为固体激光器，由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、冷却滤光及激光电源等几部分组成。基本原理：以掺钕的钇铝石榴石为工作物质