《激光原理 Principle of Laser》课程教学论文：乔栋 - CO2激光器在大学物理实验教学中的应用 -2007年

应用技术2007年2月第明 文章编号:1006-4877(2007)02-0074-03 CO2激光器在大学物理实验教学中的应用 乔栋,崔小朝 (太原科技大学,山西太原030024) 摘要:介绍了CO2激光器的发展情况,说明了CO2在大学光市场也以CO2激光器为主力,约占全部的70% 物理实验教学中的应用,CO2激光器实验对于培养学生的科每年以10%的速度增长。近几年来,随着国际和国 学素质是非常有益的,并阐述了教学与科研二者之间的内在内整体产业环境的改变,在产业水准提升、专业人 员缺乏、自动化需求增加、产品附加值和加工质量 关键词:CO2激光器;大学物理实验;应用 中图分类号:TN248.22,G642423文献标识码:A 有待提高的压力下,激光加工应用已逐渐被国内产 业界接受并采用。由于激光器起步较晚,短期内可 近年来,分子激光器发展较为迅速,受到了人维持较高的市场增长率,加工应用的市场潜力也很 们的广泛重视叫,其主要原因是它们的振一转能级大。但产业界和工业CO2激光器的使用者,仍然有 非常接近基态,利用这些振一转能级作为激光能级许多问题需要去解决,尤其在相关技术人员的养成 的能量转换,效率就会提高,其中CO2激光器是首训练和新的加工应用领域开拓这两方面,更需下大 先尝试的分子,目前,工业使用的CO2激光器最高力气。激光使用的前景是广阔的,激光加工手段的 功率可达25kW,红外光波波长为10.6m,它发展不断进步必将带来材料加工领域的一次革命。CO2 酸草据商业产品较为成熟,被广泛应用于环境测激光器具有输出光束的光学质量高、线宽窄、工作 量、机械切割、焊接、军事武器等各个领域。在激稳定、相干性好等优点。因此它在国民经济和国防 光的发展和应用方面,CO2激光器的制作和应用属上应用广泛,如应用于焊接、打孔、切割、通讯 于较早的一类。早在20世纪70年代末就有不少厂雷达、化学分析、激光诱发化学反应等诸多方面。 家从国外直接进口CO2激光器,从事工业加工、医 将CO2激光器应用到高校的教学实践中是一个 疗、科学研究等应用。80年代末CO2激光器就被新的领域,这将会为高素质人才的培养和社会发展 广泛引进并主要应用在金属材料加工领域。 带来新的契机 激光具有很多不同于普通光的特性,通称激光2CO2激光器原理以及在大学物理实验中的投入 4性即单色性,相干性,方向性以及高光强性。这 按照玻尔理论,原子只能处于一系列具有分立 些特性使得激光加工方法相对于传统的加工方法具能量的状态,称为定态。这些定态与电子绕核运动 有一系列的特点:能加工难熔性的材料,属于无接的一系列分立轨道相对应,分立轨道的半径为 触的加工,不会使工件出现过大的应力,具有很好 R=0.52×10-0n2m(n=1,2,3…),(1) 的重复性、聚焦性,可用于精密加工叫。 当n=1时,对应能量处于最低状态,其轨道半 CO2激光器的发展简况 径最小,当R=0.529×100m时,此时的定态称为基 ,CO2激光器作为目前连续输出功率较高的一种态,其余定态则称为激发态。处于基态的原子通常 ,其中经历了翻天覆地的变化,而且激光加工需要外加能量方可跃迁到高能级,原子体系在两个 是未来材料加工应用发展的趋势之一,而CO2激光定态之间发生跃迁时,必须满足频率条件: 加工一直占激光材料加工中最主要的位置,世界激 (2) 式中:h——普朗克常数; 收稿日期:2007-01-12;修回日期:2007-01- E。原子处于两个定态的能量 作者简介:乔栋(1981-),男,山西大同人。2004年9月就读 E原子处于两个定态的能量。 于太原科技大学,攻读硕士学位。 设某一原子或分子的能级在E1和E2时的原子

! " " # 年 ! 月第 ! 期 %&’()&* +,’- %.,/ ,0! 激光器在大学物理实验教学中的应用 乔 栋!崔小朝 近年来! 分子激光器发展较为迅速! 受到了人 们的广泛重视123 ! 其主要原因是它们的振"转能级 非常接近基态! 利用这些振"转能级作为激光能级 的能量转换! 效率就会提高! 其中 !"# 激光器是首 先尝试的分子! 目前! 工业使用的 !"# 激光器最高 功率可达 #$ %&! 红外光波波长为 ’()* +! 它发展 较早! 商业产品较为成熟! 被广泛应用于环境测 量# 机械切割# 焊接# 军事武器等各个领域$ 在激 光的发展和应用方面! !", 激光器的制作和应用属 于较早的一类$ 早在 ,( 世纪 -( 年代末就有不少厂 家从国外直接进口 !", 激光器! 从事工业加工% 医 疗# 科学研究等应用& .( 年代末 !", 激光器就被 广泛引进并主要应用在金属材料加工领域& 激光具有很多不同于普通光的特性! 通称激光 / 性即单色性! 相干性! 方向性以及高光强性& 这 些特性使得激光加工方法相对于传统的加工方法具 有一系列的特点’ 能加工难熔性的材料! 属于无接 触的加工! 不会使工件出现过大的应力! 具有很好 的重复性% 聚焦性! 可用于精密加工1!3 & ! ,0! !"#$%&’( !", 激光器作为目前连续输出功率较高的一种 激光! 其中经历了翻天覆地的变化! 而且激光加工 是未来材料加工应用发展的趋势之一! 而 !", 激光 加工一直占激光材料加工中最主要的位置! 世界激 光市场也以 !", 激光器为主力! 约占全部的 -(!! 每年以 ’(!的速度增长& 近几年来! 随着国际和国 内整体产业环境的改变! 在产业水准提升% 专业人 员缺乏% 自动化需求增加% 产品附加值和加工质量 有待提高的压力下! 激光加工应用已逐渐被国内产 业界接受并采用& 由于激光器起步较晚! 短期内可 维持较高的市场增长率! 加工应用的市场潜力也很 大& 但产业界和工业 !", 激光器的使用者! 仍然有 许多问题需要去解决! 尤其在相关技术人员的养成 训练和新的加工应用领域开拓这两方面! 更需下大 力气& 激光使用的前景是广阔的! 激光加工手段的 不断进步必将带来材料加工领域的一次革命& !", 激光器具有输出光束的光学质量高% 线宽窄% 工作 稳定% 相干性好等优点& 因此它在国民经济和国防 上应用广泛! 如应用于焊接% 打孔% 切割% 通讯% 雷达% 化学分析% 激光诱发化学反应等诸多方面& 将 !", 激光器应用到高校的教学实践中是一个 新的领域! 这将会为高素质人才的培养和社会发展 带来新的契机& # ,0! !"#)*+,-./0*123$45 按照玻尔理论! 原子只能处于一系列具有分立 能量的状态! 称为定态& 这些定态与电子绕核运动 的一系列分立轨道相对应! 分立轨道的半径为’ ! 0 ()1,"’(2’( ", # ("0’! ,! 3)*! (’* 当 "0’ 时! 对应能量处于最低状态! 其轨道半 径最小! 当 !0()1,4"’(2’( $ 时! 此时的定态称为基 态! 其余定态则称为激发态& 处于基态的原子通常 需要外加能量方可跃迁到高能级! 原子体系在两个 定态之间发生跃迁时! 必须满足频率条件’ %! 0&52&%! (,* 式中’ ’""普朗克常数+ &5""原子处于两个定态的能量+ &%""原子处于两个定态的能量& 设某一原子或分子的能级在 &’ 和 &, 时的原子 6789:#$$%&’())!*$$-"(,&$$-/&$3 ;:*$$-&(’&’,#?@=>:*$$-&(’&,4 AB’C:乔 栋(2452-*!男!山西大同人& !""6 年 4 月就读 于太原科技大学!攻读硕士学位& D E:介绍了 ,0! 激光器的发展情况! 说明了 ,0! 在大学 物理实验教学中的应用! ,0! 激光器实验对于培养学生的科 学素质是非常有益的! 并阐述了教学与科研二者之间的内在 关系& FGH:,0! 激光器+大学物理实验+应用 3IJK9:%* !657!!!896!76!: 6LMNO:& (太原科技大学! 山西 太原 ":""!6* 应 用 技 术 #6 万方数据

207年2月应用技术 或分子密度(以下统称为粒子数)为n1和n2,在热 在具体实验操作中,选用了厚度均匀的纸片作 平衡状态下温度T>0,E1为测试样品,用秒表记录时间(测量时间均在误差 n2的状态,也就是能级高的粒子数少于能级低的粒范围内),首先打开“电源开关”,使得循环水泵开 子数。但如果用某些方法从外部给原子或分子提供始工作,待水充满激光器的水冷层后,再进行下 能量,则它们就能从E1能级被抽运到E2能级,即步操作,将事先准备好的样品(厚度为0.1mm)放 处于激发态,粒子数变成n<n2。因T<0,是负温度入激光箱体前端大约6mm宽的缝隙演示空间,打 状态,能级与粒子数的关系与热平衡状态时相反,开“高压开”,顺时针调节“功率旋纽”调节功率 故称为粒子数反转分布状态。要产生激光振荡必须旋纽,直到激光器烧穿样品为止(每次烧穿时间固 达到反转分布,原子或分子的状态由高能级向低能定不变),记下此时对应的功率,烧穿后的小孔近 级转移,即产生受激跃迁,此时发出固有频率的似为圆形,并用游标卡尺测出每个孔径的大小,然 一般来说,利用电子碰撞能进行抽用,产生气匀增加纸片的层数),测定烧穿不同厚度样品所需 体激光。由于CO2是三原子分子,这种分子当放电的时间。图3和图4是一次典型的实验结果,数据 产生的电子碰撞而得到能量时,就会由于激发而振仅供参考。 动。本实验使用的CO2激光器在CO2中添加了N2 和He,大大增加了其激光功率。在抽用过程中 由于跃迁辐射是随机的,产生谱线的频率、相位 偏振状态以及传播方向仍是不相关的,只有从中取 出一定频率和一定方向的光,使其享有最优越的条 1.8 件进行放大,同时抑制其他方向和频率的光信号 从转得方向性、单色性很好的强光束。为了达到 这个目的,本实验用的装置还设计了一个光学谐振 0.500.550600.650.700.750.80 腔。图1和图2分别是大功率CO2激光器的结构示 意图四和CO2激光器原理示意图 图3激光功率与烧穿孔直径的关系 1—电源开关:2—高压开:3—高压断:4功 率调节旋钮;5——激光功率指示;6——进出水像胶管; 01020.3040.5060.7080.910111213 7—激光箱体;8—演示空间;9—箱体前盖 图4样品厚度与烧穿时间的关系 图1CO2激光器的结构示意图 从本次实验结果可以看出,当烧穿时间一定 气体循环 时,所选用样品烧穿后孔径的大小随着功率的增加 而增加,但二者并不成线形关系;当CO2激光器输 出功率一定时,均匀增加样品的厚度,烧穿时间也 在不断地增加,二者也不成线形关系。 催化 3结束语 倣电室[光腔 械泵 实验教学与科研二者之间是相互依存、相互促 电源 光输出 进的关系。一方面,科研工作促进教学内容的不断 图2CO2激光器的原理示意图 更新,通过科研能够发现物理实验里面更加前沿的

! " " # 年! 月第 ! 期 %&’()&* +,’- %.,/ 或分子密度 !以下统称为粒子数" 为 !! 和 !"# 在热 平衡状态下温度 "#$# #!%#" 的能量状态是处于 !!# !" 的状态# 也就是能级高的粒子数少于能级低的粒 子数$ 但如果用某些方法从外部给原子或分子提供 能量# 则它们就能从 #! 能级被抽运到 #" 能级# 即 处于激发态# 粒子数变成 !!%!"$ 因 "%$# 是负温度 状态# 能级与粒子数的关系与热平衡状态时相反# 故称为粒子数反转分布状态$ 要产生激光振荡必须 达到反转分布# 原子或分子的状态由高能级向低能 级转移# 即产生受激跃迁# 此时发出固有频率的 光$ 一般来说# 利用电子碰撞能进行抽用# 产生气 体激光$ 由于 &’" 是三原子分子# 这种分子当放电 产生的电子碰撞而得到能量时# 就会由于激发而振 动$ 本实验使用的 &’" 激光器在 &’" 中添加了 (" 和 )*# 大大增加了其激光功率$ 在抽用过程中# 由于跃迁辐射是随机的# 产生谱线的频率% 相位% 偏振状态以及传播方向仍是不相关的# 只有从中取 出一定频率和一定方向的光# 使其享有最优越的条 件进行放大# 同时抑制其他方向和频率的光信号# 从而获得方向性% 单色性很好的强光束$ 为了达到 这个目的# 本实验用的装置还设计了一个光学谐振 腔$ 图 ! 和图 " 分别是大功率 &’" 激光器的结构示 意图0!1 和 &’" 激光器原理示意图$ 在具体实验操作中# 选用了厚度均匀的纸片作 为测试样品# 用秒表记录时间 !测量时间均在误差 范围内"# 首先打开 &电源开关’# 使得循环水泵开 始工作# 待水充满激光器的水冷层后# 再进行下一 步操作# 将事先准备好的样品 !厚度为 $+! ,," 放 入激光箱体前端大约 - ,, 宽的缝隙演示空间# 打 开 &高压开’# 顺时针调节 &功率旋纽’ 调节功率 旋纽# 直到激光器烧穿样品为止 !每次烧穿时间固 定不变"# 记下此时对应的功率# 烧穿后的小孔近 似为圆形# 并用游标卡尺测出每个孔径的大小# 然 后固定输出功率 !!+$$ ."# 增加样品的厚度 !均 匀增加纸片的层数"# 测定烧穿不同厚度样品所需 的时间$ 图 / 和图 0 是一次典型的实验结果# 数据 仅供参考$ 从本次实验结果可以看出# 当烧穿时间一定 时# 所选用样品烧穿后孔径的大小随着功率的增加 而增加# 但二者并不成线形关系( 当 &’" 激光器输 出功率一定时# 均匀增加样品的厚度# 烧穿时间也 在不断地增加# 二者也不成线形关系$ ! !"# 实验教学与科研二者之间是相互依存% 相互促 进的关系$ 一方面# 科研工作促进教学内容的不断 更新# 通过科研能够发现物理实验里面更加前沿的 5 4 3 ! 2 6 # 7 8 2))电源开关( !))高压开( 3))高压断( 4))功 率调节旋钮( 5))激光功率指示( 6))进出水像胶管( #))激光箱体( 7))演示空间( 8))箱体前盖 $ # ,9! %&’(!)*+$ $ $ ,9! %&’,-.*+$ 气体循环 泵或风机 热交 换器 热交 换器 混合 气体 放电室 光腔 机械泵 催化 电源 激光输出 $ ! %&/0123456,78 2:4 2:5 2:6 2:# 2:7 2:8 !:" !:2 !:! !:3 !:4 !:5 $;! ?78 22" 2"" 8" ":2 7" #" 6" 5" 4" 3" !" 2" " ":! ":3 ":4 ":5 ":6 ":# ":7 ":8 2:" 2:2 2:! 2:3 %;> &;!<<" 应 用 技 术 #5 万方数据

用技术2007年2月第明 东西,了解得多了,研究得深了,接触面宽了,自上时代潮流、领先技术成果的取得、学校学术水平 然就能对教学内容提出新的观点。另一方面,教师的提高具有非常重要的作用,科研的对象是客观规 在教学过程中适时体现科研成果,将为学生走上工律,科研是高级的实践活动。要把高等院校逐步办 作岗位后从事相关的科学研究工作奠定基础。教与成既是教育中心又是科研中心,离开实验教学是万 学的师生互动将进一步激发师生的灵感,既加深学万不能的。科研和实验教学是相互促进的而不是矛 生对理论知识的理解,又激发学生学习物理知识的盾的,两方面均不可偏废。因此,该实验方法很值 兴趣,也有助于教师今后的研究工作。高等院校搞得研究和深入探索。 科研,不但能够得到技术领先的成果,而且还能培参考文献 养锻炼出高级专业人才,对实验教师也具有促进水[]蔡伯荣王瑞丰程泽东等激光器件M湖南:湖南科学 平提高的作用。教学中实验是对课堂所学知识的直 观认识和自然规律的直接体现,在科学研究、科学 术出版社,1981:75 探索中是理论验证和基本数据的来源,实验在教学2]叶瑞英定性与半定量物理实验M四川四川大学出版 社,2001:69 和科研中具有不可替代的重要地位。科研对学校跟 Application of CO2 Laser Implement to Teaching of Physics Experiments in College Qiao dong, Cui Xiaochao Abstract: The author briefly introduces the development ofCO2 laser implement, and illustrated its application to physics experiment teaching in college in detail. Thisexperiment isvery helpful to cultivating students'science diathesis. Finally, therelationship between scientific 数据n indteachingwereillustrated too Keywords: CO2 Laser implement; college physics experiment; application (上接第73页) 颗粒中,利用物理沉积或者化学键合的手段,使聚参考文献: 乙烯亚胺附着在无机颗粒的表面,从而制备出性能[]陆耕张柱,曾汉民整合纤维的研究:含偕胶肟基整合纤 优越的重金属离子吸收剂,但由于物理沉积和化学 维的制备门离子交换与吸收,1992.8(2:117 键合不是处理手段困难,就是聚乙烯亚胺附着量少21 Yun Lu, Ruowen FU, Hanmin Zeng. e Reductive Char- 且不牢固,在实际应用中也存在种种缺点,为此 acteristic of Amidoxime Chelate Nonwoven Fabric UI 拟采用有机大孔树脂为基体,利用有机官能团之间 Polym Science,1993,35(4):489 的化学作用,使聚乙烯亚胺更多和更牢固地吸附在 3] Chanda m, rempel G L. hromium(Ill) removal by poly(eth- 树脂基体上,合成制备出性能更为突出的螯合树 yleneimine) granular sorbents made by a new process of Disposal of Nickel Contained Heavy Metal Waste Water Ren zhihong Abstract: Through the analysis of the actuality of nickel contained heavy metal waste water disposal method, paper presents its developmenttendency, astonickelcontainedwaste water, the way ofpolyethyleneimineresinisa feasiblemethod. Keywords: heavy metal waste water, secondary pollution; aziridine, chelating resin 76

! " " # 年 ! 月第 ! 期 %&’()&* +,’- %.,/ 颗粒中! 利用物理沉积或者化学键合的手段! 使聚 乙烯亚胺附着在无机颗粒的表面! 从而制备出性能 优越的重金属离子吸收剂! 但由于物理沉积和化学 键合不是处理手段困难! 就是聚乙烯亚胺附着量少 且不牢固! 在实际应用中也存在种种缺点! 为此! 拟采用有机大孔树脂为基体! 利用有机官能团之间 的化学作用! 使聚乙烯亚胺更多和更牢固地吸附在 树脂基体上! 合成制备出性能更为突出的螯合树 脂" !"#$% 012 陆耕3张柱4曾汉民5螯合纤维的研究# 含偕胺肟基螯合纤 维的制备0625离子交换与吸收4177!489!:;11#5 0!2 (5JO@FG"01$30)’/ $) +(44080 ?$@( A()8!+B$ C$@(67@( DE/’1&6’F %JB EEPBO GF\SBFB=Ma L@SSBIB \JVPGLP BR\BOGFB=Ma E\\SGLEMG@= I$/"(/&4 (9 J$6K04 +()’&$)0A L0&M; N0’&4 O&/’0 O&’01 P0) Q7$7()8 RS/’1&6’F %JO@<IJ MJB E=ESVPGP @Q MJB ELM<ESGMV @Q =GLbBS L@=MEG=BK JBENV FBMES AEPMB AEMBO KGP\@PES FBMJ@K4 \E\BO \OBPB=MP GMP KBNBS@\FB=MMB=KB=LV4EPM@=GLbBSL@=MEG=BKAEPMBAEMBO4MJBAEV@Q\@SVBMJVSB=BGFG=BOBPG=GPEQBEPGTSBFBMJ@K5 G0;H(1A/F JBENV FBMES AEPMB AEMBOa PBL@=KEOV \@SS<MG@=a EcGOGKG=Ba LJBSEMG=I OBPG= %上接第 #W 页& 应 用 技 术 #^ 万方数据