激光相变硬化的原理

激光相变硬化

1 激光相变理论

1.1 激光相变与常规淬火的区别

根据钢的淬火原理：将钢在固态下加热到临界温度Ac3或Ac1以上一定温度（50~100℃），并在该温度下保持一段时间以后大于临界速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火，如图1中曲线2所示。将钢加热到奥氏体转变临界温度（Ac3或Ac1）以上获得奥氏体组织，保温的目的是使组织充分奥氏体化，然后以大于临界淬火速度的冷却速度得到马氏体组织。与常规淬火相比，激光淬火升温速度快，没有保温过程，达不到平衡时的均匀组织状态。

理想的淬火冷却过程如图2中曲线2所示：650℃以上应当缓慢冷却，以尽量降低淬火热应力；650~400℃之间应快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。在400℃以下Ms点附近的温度区域，应当缓慢冷却以尽量减少马氏体转变时产生的组织应力。这样可保证在获得马氏体组织条件下，减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。激光淬火冷却的特点是停止加热的瞬间温度达到最高，随即以104~105℃/s冷却速度冷却，远大于淬火介质为盐水或碱水的最大冷却速度（2000℃/s和2830℃/s），根据冷却速度与时间的关系可以推断激光淬火冷却曲线在钢的理想

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20 0 4年第 2 5卷第 6期(第 9总 8期 )

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文章编号：1 0— 4 I2 0 ) 60 9— 3 0 65 3 ( 0 4 0— 3 80

格林函数法计算激光相变硬化温度场贾晶，苏晓强(山西大学物理电子工程学院 .L西太原 0 0 0 )【 J 3 0 6

摘

要：用格林函数法对激光相变硬化时的温度场进行了计算 .从热传导方程出发 .对光斑形状、材料热

物性作了恰当近似，用“像光源”方法对边界条件进行了处理 .分析了加热和冷却过程中 .料内部组织的变材化，并用无界边条件的解来模拟硬化带的特点. 关键词：激光相变硬化；相变温度场；格林函数

中图分类号： TG6 5 6

文献标识码：A

Ca c a i n o m pe a ur e d i s r Tr ns o m a i n l ul t o f Te r t e Fi l n La e a f

固态相变原理

1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：

1） 2） 3）

相变能否进行，相变的方向 相变进行的途径及速度

相变的结果，即相变时结构转变的特征。

分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。 相变是朝着能量降低的方向进行；

相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；

相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。 2、固态相变的特殊性

（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。

固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。 3、相变驱动力和相变阻力

驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。 储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。

界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。

相变阻力是界面能和弹性应变能。

弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。 4、长大方式

新相晶核的长

1. 相变及相变存储的原理：

物质在一种相态（或物态，简称相）下拥有单纯的化学组成和物理特质。相变指一种物质从一种相转变为另一种相的过程，随着物质相的改变，其物理、化学性质也随之改变。同时相变是由于有序和无序两种倾向的相互竞争，相互作用引起有序，热运动造成无序，不同相态下的同一种物质能量各异，所以相变的过程伴随着能量的改变。通常气体和液体分别只有一种相即气相、液相。而对于固体，不同点阵结构的物理性质不同，分属不同的相，因此同一固体可以有不同的相。如铁有a铁、β铁、γ铁和δ铁4个固相；固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相；碳有金刚石和石墨两相等。

相变材料在不同相下呈现无序和有序两种状态，此时其电阻值有明显差异，所以可以利用这种差异来表示数据存储的“0”和“1”。在非晶态时材料表现为半导体性，其电阻值高；在晶态时，其电阻值低。(Crespi L, Ghetti A, Boniardi M, Lacaita A L. Electrical conductivity at melt in phase change memory. Electron Device Letters, IEEE, 2014, 7:747-749.)

2. 相变存储器的工作原理和

固态相变原理

1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：

1） 2） 3）

相变能否进行，相变的方向 相变进行的途径及速度

相变的结果，即相变时结构转变的特征。

分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。 相变是朝着能量降低的方向进行；

相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；

相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。 2、固态相变的特殊性

（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。

固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。 3、相变驱动力和相变阻力

驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。 储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。

界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。

相变阻力是界面能和弹性应变能。

弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。 4、长大方式

新相晶核的长

《激光原理》习题解答第一章习题解答

1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM，它的单色性??解答：设相干时间为?，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即

?0应为多少？

Lc???c

根据相干时间和谱线宽度的关系

???c1??cLc

又因为

???0??????0??，?0??0，?0?632.8nm

由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=

?0??0=

?0632.8nm?6.328?10?10 =12Lc1?10nm?3000MHZ输出1瓦连续功率，问每秒钟

解答完毕。

2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm和?从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。

解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt时间内输出的能量为dE，则 功率=dE/dt

激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即

dE?nh?，其中n为dt时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。

由以上分析可以得到如下的形式：

n?dE功率?dt? h?h?每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：

n功率1?Js?每秒钟发射的光子数?N???s?1

绿色激光原理 1 引言

近来，便携式移动显示市场由于需求的急剧增长而吸引了大量的关注。但是，缺少高亮度的绿光光源成为限制移动显示市场成长的关键问题。尽管发光二极管(LED)已经被作为光源用于第一代移动显示设备中，但LED光源(特别是绿光LED)的效率和亮度无法满足高亮度微投影市场的需求。为了达到更高的亮度、长寿命和更丰富的色彩，基于激光技术的显示设备被认为更具有优势。在激光二极管市场，红色和蓝色的半导体二极管已经成熟并且在显示设备中得到广泛应用。尽管最近绿色半导体激光器技术已经取得了一定的进展，但是已报道的研究结果还远远不能满足激光显示的要求。绿色半导体激光器距离批量的商业化应用还有一段较长的距离。因此，低成本紧凑型绿光光源成为目前激光显示产业发展的技术瓶颈。为推动激光显示产业的发展，各国的研究人员正全力进行绿光激光器的研究。

除了从半导体激光器直接产生绿光外，当前最常用也最成熟的获得绿光的技术是使用非线性光学晶体将全固态激光器产生的1064 nm的红外光倍频为532 nm的绿光。倍频绿光激光器通常分为单通倍频和腔内倍频两种类型，单通倍频由于需要的非线性光学晶体长，体积大，并且温度控制要求严格，不适合应用于消费类工业产品中。当前开发激光显示用

测验1.1

1、

梅曼（Theodore H. Maiman）于1960年发明了世界上第一台激光器——红宝石激光器,其波长为694.3nm。其频率为: A：4.74x10∧14(14是上标)Hz B：4.32x10∧14(14是上标)Hz C：3.0x10∧14(14是上标)Hz 您的回答： B

参考答案： B null

满分：10分 得分：10分

2、

下列说法错误的是：

A：光子的某一运动状态只能定域在一个相格中，但不能确定它在相格内部的对应位置 B：微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定 C：微观粒子在相空间对应着一个点 您的回答： C

参考答案： C null

满分：10分 得分：10分 3、

为了增大光源的空间相干性，下列说法错误的是： A：采用光学滤波来减小频带宽度 B：靠近光源

C：缩小光源线度 您的回答： B

参考答案： B

null

满分：10分 得分：10分

4、

相干光强取决于： A：所有光子的数目

B：同一模式内光子的数目 C：以上说法都不对 您的回答： B

参考答案： B null

满分：10分 得分：10分

5、

中国第一台激光器——红宝石激光器于1961年被发明制造出来。其波长为 A： 632.8n

《激光原理》习题解答第一章习题解答

1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM，它的单色性???0应为多少？

解答：设相干时间为?，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即 Lc???c

1c根据相干时间和谱线宽度的关系 ????

?Lc又因为

???0??????0??，?0?c?0，?0?632.8nm

由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=

?0??0=

?0632.8nm?6.328?10?10 =12Lc1?10nm解答完毕。

2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm和??3000MHZ输出1瓦连续功率，问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。

解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt时间内输出的能量为dE，则

功率=dE/dt

激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即

dE?nh?，其中n为dt时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。

由以上分析可以得到如下的形式：

dE功率?dtn??

h?h?每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：

n功率1?Js??1 每秒钟发射的光子数?N???

一、选择题

1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（ B ） ?2．在一定温度下，自发辐射几率是受激辐射几率的（ B ）倍

(A) 8?vc33(A) A21?? (B) A21?1 (C) A21?N2? (D) A21??e

(B) 8?hvc33 (C) 8?hvc3 (D) 8?vc32

3．爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（ C ）

(A) A21B21?g1g2e?hvkT (B)A21B21? 8?vc33Δv (C) A21B21? 8?hvc33 (D) A21B21? 8?hvc22

4．自然增宽谱线为（ C ） 碰撞增宽谱线为（ C ）

（A） 高斯线型 （B）抛物线型 （C） 洛仑兹线型 （D）双曲线型

5. 对称共焦腔在稳定图上的坐标为（ B ）平行平面腔在稳定图上的坐标为（ C ） 半共心腔在稳定图上的坐标为（ D ）对称共心腔在稳定图