激光加工物理基础

1、Institute of Laser Engineering (ILE) 第三讲第三讲 激光加工物理基础简介激光加工物理基础简介(一一) Institute of Laser Engineering (ILE) 激光加工是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料激光加工是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料 的相互作用，引起材料一系列复杂的物理和化学变化，从的相互作用，引起材料一系列复杂的物理和化学变化，从 而实现材料的制备、成形、改性、联接和去除等。按照光而实现材料的制备、成形、改性、联接和去除等。按照光 与物质的相互作用机理，激光加工可分为基于光热效应的与物质的相互作用机理，激光加工可

2、分为基于光热效应的 “热加工热加工”和基于光化学效应的和基于光化学效应的“冷加工冷加工”两种。两种。 激光加工的基本概念激光加工的基本概念 Institute of Laser Engineering (ILE) 激光的多维性特征 Institute of Laser Engineering (ILE) Dissociation limit Ionization limit Ground state molecules Electronic excitation using a UV laser Vibrational excitation using an IR laser hv Photo

3、 ionization hv e- hv Ionization 激光激光“冷冷”加加 工工 激光热加工激光热加工 激光加工的物理机制 Institute of Laser Engineering (ILE) 材料加工用典型激光器材料加工用典型激光器 YAG lasersCO2 lasers CO lasers Ruby lasers COIL lasers Solid state lasersGas lasers Diode lasers Double (triple ) frequency YAG lasers Excimer lasers COIL Chemical Oxygen-Iodi

4、ne Laser ( (化学氧碘激光器化学氧碘激光器) ) Nd:YAG Neodymium doped Yttrium Aluminium Garnet ( (掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石) ) ExcimerExcited Dimer ( (准分子准分子) ) Institute of Laser Engineering (ILE) 几种典型激光的光子能量几种典型激光的光子能量 CO2激光器激光器： =10.6 m、 =h =0.12eV CO激光器：激光器： =5.4 m、 =h =0. 23eV COIL激光器：激光器： =1.32 m、 =0.93eV Nd:YAG激光器激光器： =

5、1.06 m、 =h =1.16eV 半导体激光器半导体激光器： = 800-980nm 、 =1.251.54eV 三倍频三倍频YAG激光器激光器： =355nm、 =h =3.48eV KrF准分子激光器准分子激光器: =248nm, =h =4.9eV Institute of Laser Engineering (ILE) CO2和和YAG等红外激光器，光子能量低，加工过程是以热的形等红外激光器，光子能量低，加工过程是以热的形 式体现，即材料吸收激光能量引起温度升高、熔化或汽化，从式体现，即材料吸收激光能量引起温度升高、熔化或汽化，从 而实现材料表面热处理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切

6、割，而实现材料表面热处理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割， 等等，是为激光热加工。等等，是为激光热加工。 紫外波长的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子紫外波长的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子 的结合能相当的结合能相当（高分子聚合物主要由（高分子聚合物主要由H、C、O、N组成，其中组成，其中 C-H键的键能只有键的键能只有3.5 eV），），因此，紫外激光作用在这类物质上因此，紫外激光作用在这类物质上 将可能直接打破分子间的结合键，依靠所谓的光化学作用实现将可能直接打破分子间的结合键，依靠所谓的光化学作用实现 对该种材料的剥蚀加工，是为激光冷加工。但是，对该种材料的剥蚀加

7、工，是为激光冷加工。但是，高聚物中的高聚物中的 C-O, N-N, C-N 的键能均高于所有紫外光子的能量的键能均高于所有紫外光子的能量，紫外激光加，紫外激光加 工聚合物实际上是同时存在光解和热解两个过程。紫外激光加工聚合物实际上是同时存在光解和热解两个过程。紫外激光加 工金属和大多数的非金属则仍然是基于光热效应的热加工。工金属和大多数的非金属则仍然是基于光热效应的热加工。 红外飞秒激光加工是属于热加工，还是冷加工？红外飞秒激光加工是属于热加工，还是冷加工？ Institute of Laser Engineering (ILE) 激光制造工艺方法 1、激光热加工、激光热加工 固态加热固态加热

8、 退火退火、表面相变硬化、表面相变硬化 热应力成形、矫直热应力成形、矫直 控制断裂切割控制断裂切割 激光辅助切削加工激光辅助切削加工 熔化熔化 表面抛光表面抛光 表面重熔改性、表面合金化、熔覆表面重熔改性、表面合金化、熔覆 表面织构化表面织构化 金属零件增材成形、再制造金属零件增材成形、再制造 热传导焊接热传导焊接 2、激光、激光“冷冷”加工加工 刻蚀刻蚀 光固化光固化(多光子聚合多光子聚合)成形成形 激光辅助化学蚀除激光辅助化学蚀除 功能材料激光辐照改性功能材料激光辐照改性 汽化汽化 熔深焊接熔深焊接 切割、制孔、雕刻切割、制孔、雕刻 物理物理/化学气相沉积、化学气相沉积、 表面清洗表面清洗

9、 冲击波改性、冲击波成形冲击波改性、冲击波成形 Institute of Laser Engineering (ILE) 激光热加工基本物理过程示意图激光热加工基本物理过程示意图 a. 固态加热b. 表面重熔c. 小孔效应d. 等离子体屏蔽 103W/cm2108W/cm2 Institute of Laser Engineering (ILE) 激光焊接熔深激光焊接熔深/熔宽与激光功率（密度）的关系熔宽与激光功率（密度）的关系 3 2 1 0 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 5 激光功率(kW) 6 深度 宽度 焊缝深度/宽度( mm) 材料: st37-2低碳钢

10、 RS20000 CO2激光器, D=100mm, f=300mm, df=1.1mm, f=0 V=2m/min 无辅助气体 Institute of Laser Engineering (ILE) 表面加热表面加热切割切割深熔焊接深熔焊接 不同加工方法激光束入射条件示意不同加工方法激光束入射条件示意 Institute of Laser Engineering (ILE) 实现不同激光加工之简单方法实现不同激光加工之简单方法 Institute of Laser Engineering (ILE) 激光加工工艺与激光功率密度及作用时间的关系激光加工工艺与激光功率密度及作用时间的关系 Ins

11、titute of Laser Engineering (ILE) 激光加工的特点激光加工的特点 Institute of Laser Engineering (ILE) 激光的应用必然是激光的应用必然是充分地利用充分地利用激光独有的激光独有的 特性特性,寻找寻找KILLER APPLICATIONS！ Institute of Laser Engineering (ILE) 金属对金属对激光吸收的一般规律激光吸收的一般规律 Institute of Laser Engineering (ILE) 吸收系数与穿透深度吸收系数与穿透深度 I0 I(z) R ：材料表面的反射率；材料表面的反射率；

12、 ： 材料的吸收系数（材料的吸收系数（cm-1） z eR)I(I(z) 0 1 k4 k：材料吸收指数：材料吸收指数 ：激光波长：激光波长 iknnc k l 4 1 Institute of Laser Engineering (ILE) 光在介质界面上的反射和折射光在介质界面上的反射和折射 电场强度电场强度E和磁场强度和磁场强度H的切的切 线分量在界面上连续；线分量在界面上连续； 电位移矢量电位移矢量D和磁感应强度和磁感应强度B 的法向分量在界面上连续的法向分量在界面上连续 ttEE21ttHH21 vvDD21 vvBB21 ED HB E c kB 1 2 EI sinsin 201

13、 nin 1 2 i0 Institute of Laser Engineering (ILE) 垂直入射时的反射率和吸收率垂直入射时的反射率和吸收率 22 22 2 )( )( kn kn n n R c c 22 )( 4 1 kn n RA Institute of Laser Engineering (ILE) 金属对激光的吸收金属对激光的吸收 金属中存在大量的自由电子，如果光子的能量较低（金属中存在大量的自由电子，如果光子的能量较低（CO2和和YAG等红外激光等红外激光 属于此类），通常只对金属中的自由电子发生作用，也就是说能量的吸收是通过属于此类），通常只对金属中的自由电子发生作用

14、，也就是说能量的吸收是通过 金属中的自由电子这个中间体，然后电子通过碰撞将能量传递给晶格。金属中的自由电子这个中间体，然后电子通过碰撞将能量传递给晶格。 21 i c nnik cc 1 22 kn 2 2 1 nk Institute of Laser Engineering (ILE) 21 21 22 21 0 1 2 1 D R AR DD 1 2 1 0 1 2 22 1 2 1 2 Drude反射率和吸收率反射率和吸收率 我们可以很直观地看出，辐射激光的波长越短（即圆频率越大）、导电 性越差（即电导率0越小），金属对入射激光的吸收率越高。 Institute of Laser En

15、gineering (ILE) Hagen-Rubens关系式关系式 在低频辐射时，即 22 21 0 21 2 2 2 p kn 21 0 2 1 N R 21 0 2 N A 上述反射率和吸收率是Drude反射率和吸收率的一种特例，其适应范围是十分有限的。 对于高导电性金属，仅在长波辐射时有效（如金属Ag，波长须大于500m），对于弱 导电性金属，公式的适应范围可以扩大到中红外（如金属Hg，波长大于7m即可）。 因此，就现有的可用于金属材料加工的激光器件而言，只有在CO2激光辐射弱导电性 金属时，才可以采用以上公式计算金属的反射率和吸收率。 21 6 .10 2 .11A Institut

16、e of Laser Engineering (ILE) 带间吸收带间吸收 当激光的波长较短(0.5m)时，由于激光光子的能量较大，激光除与自 由电子发生相互作用之外，还可对金属中的束缚电子发生作用，引起价 带电子向导带电子的跃迁，从而使金属的反射能量降低，透射能量增强， 金属对激光的吸收率增大。因此，对可见和紫外激光，必须考虑带间跃 迁(interband transitions)引起的吸收增加，即带间吸收AIB (Interband absorption)。因此，金属的吸收率由以下二部分组成，称为金属的内在 吸收或固有吸收，用Ai表示： AAA iDIB Institute of Lase

17、r Engineering (ILE) 激光垂直入射时室温下金属的吸收率 Institute of Laser Engineering (ILE) 反射率和吸收率反射率和吸收率 与激光偏振状态和入射角的关系与激光偏振状态和入射角的关系 什么是光的偏振什么是光的偏振 电磁波中起光作用的主要是电场矢量，所以电场矢量又叫光电磁波中起光作用的主要是电场矢量，所以电场矢量又叫光 矢量。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有各种不矢量。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有各种不 同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。 光波为横向电磁波，电场、磁场

18、、传播速度三者相互垂直：光波为横向电磁波，电场、磁场、传播速度三者相互垂直： 2 c Ec B Institute of Laser Engineering (ILE) 五种常见的光的偏振态：五种常见的光的偏振态： 一、线偏振光一、线偏振光 光矢量只沿一个固定的方向振动，也就是说光矢量只在光矢量只沿一个固定的方向振动，也就是说光矢量只在 同一个平面内振动，因此线偏振光也称为平面偏振光。同一个平面内振动，因此线偏振光也称为平面偏振光。 E 偏振面 偏振面：光矢量的方向和光的传播 方向构成的平面 光振动在图示平面内 光振动在垂直于图示平面内 Institute of Laser Engineeri

19、ng (ILE) 二、自然光二、自然光 自然光不仅初相位彼此不相关，而且光振动的方向也是随机分布的。自然光不仅初相位彼此不相关，而且光振动的方向也是随机分布的。 在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均来在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均来 说，光矢量具有轴对称而且均匀分布，各方向光振动的振幅相同。说，光矢量具有轴对称而且均匀分布，各方向光振动的振幅相同。 三、部分偏振光三、部分偏振光 介于线偏振光和自然光之间，在垂直于光传播方向的平面内，沿各介于线偏振光和自然光之间，在垂直于光传播方向的平面内，沿各 个方向振动的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的

20、光矢量之间没有固个方向振动的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之间没有固 定的相位关系。定的相位关系。 在图示平面内的光振动较强 在垂直于图示平面内的光振动较强 Institute of Laser Engineering (ILE) 在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按 一定的频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢一定的频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢 量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。 如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫 椭圆偏振光。椭圆偏振光。 四、圆偏振光四、圆偏

21、振光 五、椭圆偏振光五、椭圆偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光和圆偏振光和椭圆偏振光中的光矢量的转动相当于两个相互垂直的振动的椭圆偏振光中的光矢量的转动相当于两个相互垂直的振动的 合成，这两个分振动之间有确定的相位关系。具体来说，两束偏振面垂合成，这两个分振动之间有确定的相位关系。具体来说，两束偏振面垂 直的线偏振光叠加，当相位固定时，获得椭圆偏振光，当两束偏振光的直的线偏振光叠加，当相位固定时，获得椭圆偏振光，当两束偏振光的 强度相等且相位为强度相等且相位为 /2或或3 /2时，得到圆偏振光时，得到圆偏振光。 Institute of Laser Engineering (ILE) 反射

22、和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 自然光在两种各向同性介质分界面上反射和折射时，不仅光的传播方向要自然光在两种各向同性介质分界面上反射和折射时，不仅光的传播方向要 改变，而且偏振状态也要发生变化改变，而且偏振状态也要发生变化。一般情况下，反射光和折射光不再是。一般情况下，反射光和折射光不再是 自然光，而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振自然光，而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振 动，而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动。动，而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动。 自然光反射和折射后产生部分偏振光 Institute of Laser

23、 Engineering (ILE) 布儒斯特定律：布儒斯特定律： 反射光的偏振化程度和入射角有关反射光的偏振化程度和入射角有关。当入射角等于某一特定值。当入射角等于某一特定值i0时，反射时，反射 光是光振动垂直于入射面的线偏振光。这个特定的入射角称为起偏角，即光是光振动垂直于入射面的线偏振光。这个特定的入射角称为起偏角，即 布儒斯特角。布儒斯特角。 0 0 90i 当光以布儒斯特角入射时，反射光和折 射光垂直，有： 02201 cossinsininnin 21 1 2 0 n n n tgi i0 i0 n1 n2 Institute of Laser Engineering (ILE)

24、反射率和吸收率反射率和吸收率 与激光偏振态和入射角的关系与激光偏振态和入射角的关系 1cos2cos)( 1cos2cos)( )( 222 222 nkn nkn Rp 1cos2cos)( cos4 )(1)( 222 nkn n RA pp 222 222 coscos2)( coscos2)( )( nkn nkn Rv 222 coscos2)( cos4 )(1)( nkn n RA vv Institute of Laser Engineering (ILE) 吸收率吸收率 与激光偏振状态和入射角的关系与激光偏振状态和入射角的关系 吸 收 率 % 入射角 铁 Institute

25、of Laser Engineering (ILE) 切割前沿激光的偏振状态切割前沿激光的偏振状态 E / E E E / E / E 切割方向 切割方向 Institute of Laser Engineering (ILE) 切割前沿不同位置的吸收率与激光偏振切割前沿不同位置的吸收率与激光偏振 状态的关系状态的关系 切割前沿位置方位角() 吸 收 率 Institute of Laser Engineering (ILE) 线偏振光切割时切口质量不均匀线偏振光切割时切口质量不均匀 Institute of Laser Engineering (ILE) 切割前沿能量耦合效率与偏振状态的关系

26、切割前沿能量耦合效率与偏振状态的关系 吸 收 率 倾斜角 Institute of Laser Engineering (ILE) 偏振态对焊接的影响偏振态对焊接的影响 Institute of Laser Engineering (ILE) 采用平行偏振光进行表面处理采用平行偏振光进行表面处理 Institute of Laser Engineering (ILE) 采用垂直偏振光进行焊接采用垂直偏振光进行焊接 实验 理论 入射角 吸 收 率 不锈钢 F df F压力，df聚焦光斑直径 焊接区 聚焦镜 激光束 Institute of Laser Engineering (ILE) 激光束 激光束 激光束 导带槽 压力轮传送轮 导带轮 激光束 带材 聚焦镜 导带槽 Institute of Laser Engineering (ILE) 线偏振激光的获得线偏振激光的获得 a) b) Institute of Laser Engineering (ILE) 圆偏振激光的获得圆偏振激光的获得 入射激光入射激光 线偏振光线偏振光 圆偏振