第二讲制造用典型激光器

1、第二讲第二讲制造用典型激光器制造用典型激光器激光器的技术要素激光器的技术要素工作物质：工作物质：气体激光器、固体激光器、半导体激光器气体激光器、固体激光器、半导体激光器谐振腔：谐振腔： 稳定腔、临界腔、非稳腔稳定腔、临界腔、非稳腔泵浦方式：泵浦方式：光泵浦、电激励、共振能量转移、化学激励、光泵浦、电激励、共振能量转移、化学激励、 热激励热激励热管理热管理冷却技术冷却技术CO2激光器激光器40%固体和碟片激光器固体和碟片激光器32%光纤激光器光纤激光器7%半导体激光器半导体激光器2%准分子激光器准分子激光器19%2008全球材料加工激光器市场分布全球材料加工激光器市场分布CO2激光器激光器主要用

2、于切割、焊接、打标主要用于切割、焊接、打标固体激光器固体激光器应用广泛，主要包括焊接、打孔、打标、切割、微加工应用广泛，主要包括焊接、打孔、打标、切割、微加工半导体激光器半导体激光器主要用于表面处理、焊接、塑料连接主要用于表面处理、焊接、塑料连接准分子激光器准分子激光器主要用于光刻和微加工主要用于光刻和微加工一、一、CO2激光器激光器工作物质：工作物质：CO2分子分子同时加入：同时加入：N2、He与固体激光器和半导体激光器相比，与固体激光器和半导体激光器相比，CO2气体激光器的激活离气体激光器的激活离子浓度较低，高功率器件的体积一般比较庞大。子浓度较低，高功率器件的体积一般比较庞大。 CO2激

3、光器的优点：激光器的优点：高效率高效率。CO2激光的量子效率高，达激光的量子效率高，达38%，能量转换效率一般为，能量转换效率一般为10%-25%。高功率高功率。效率高、气效率高、气体工作物质容易实现大体积激励，且冷却方便高效。体工作物质容易实现大体积激励，且冷却方便高效。高光束高光束质量质量。气体工作物质均匀性好，容易获得高光束质量的高功率。气体工作物质均匀性好，容易获得高光束质量的高功率激光输出；激光输出；激励方式灵活激励方式灵活，既可以连续运转，也可以脉冲运，既可以连续运转，也可以脉冲运转；转；工作波长为工作波长为10.6 m，正好处在大气窗口，传输方便。，正好处在大气窗口，传输方便。C

4、O2分子的振动模型分子的振动模型OCO对称振动对称振动v1变形振动变形振动v2l反对称振动反对称振动v3振动能级用振动能级用(v1 v2l v3）标记）标记v=0激发10.6mN200.100.050.150.200.250.300.35v=1碰撞碰撞碰撞9.6m能量(103cm-1)000200000001020010000110CO2分子的部分能级跃迁图 He在在CO2激光器中取什么作用？激光器中取什么作用？怎样获取怎样获取9.6um激光输出？激光输出？CO2激光器的种类激光器的种类封离式封离式CO2CO2激光器激光器慢速轴流慢速轴流CO2CO2激光器激光器横流横流CO2CO2激光器激光器

5、TurboTurbo型快速轴流型快速轴流扩散型扩散型Slab CO2Slab CO2激光器激光器罗兹泵快速轴流罗兹泵快速轴流封离型封离型CO2激光器激光器封离式封离式CO2激光器的优点是结构简单，光束质量高，可以获得激光器的优点是结构简单，光束质量高，可以获得基模输出，同时造价和运行费用低。基模输出，同时造价和运行费用低。 激光功率低：激光功率低：5070W/m增加放电管直径能否提高激光功率？增加放电管直径能否提高激光功率？横流横流CO2激光器激光器有哪些措施可改善光束质量？有哪些措施可改善光束质量？输出功率高：数输出功率高：数kW/m光束质量较差光束质量较差气流速度低：气流速度低：4050m

6、/min大功率大功率CO2激光器举例激光器举例Rofin HF系列横流系列横流CO2激光器激光器快速轴流快速轴流CO2激光器激光器输出功率较高（输出功率较高（kW/mkW/m），光束质量较好。），光束质量较好。后腔镜输出窗口热交换器风机高频电源气流速度高：气流速度高：300600m/s大功率大功率CO2激光器举例激光器举例Trumpf 射频激励快速轴流射频激励快速轴流CO2激光器激光器TruFlow1200TruFlow5000TruFlow8000TruFlow15000TruFlow20000激光功率激光功率1200W5000W8000W15000W20000W光束质量光束质量K0.60.

7、550.520.240.22光束质量光束质量M21.671.821.94.24.5扩散冷却板条扩散冷却板条CO2激光器激光器输出功率：输出功率：8kW优点：优点：输出功率稳定，光束质量高；输出功率稳定，光束质量高；结构紧凑，体积小；结构紧凑，体积小；气体消耗小，运行成本低；气体消耗小，运行成本低；运行噪声低。运行噪声低。 大功率大功率CO2激光器举例激光器举例Rofin DC系列扩散冷却系列扩散冷却CO2激光器激光器ROFIN DC 020ROFIN DC 030ROFIN DC 050ROFIN DC 080激光功率激光功率2000W3000W5000W8000W光束质量光束质量K0.950

8、.950.950.95光束质量光束质量M21.051.051.051.05CO2激光器连续输出功率可以很高，但脉冲峰值功率较低。激光器连续输出功率可以很高，但脉冲峰值功率较低。 横向激励高气压（横向激励高气压（TEA）CO2激光器激光器普通普通CO2激光器通常工作在低气压下，单位体积粒子数密度低。激光器通常工作在低气压下，单位体积粒子数密度低。CO2激光器：激光器：4 1016/cm3 ，固体激光器：，固体激光器： 1020/cm3 普通普通CO2激光器存在一个激光器存在一个“最佳工作气压最佳工作气压”。泵浦功率与气压。泵浦功率与气压平方成正比，气压增大时，工作气体温度升高，输出功率下降。平方

9、成正比，气压增大时，工作气体温度升高，输出功率下降。当以脉冲方式工作时，选择适当的激励放电脉冲宽度和间隔，当以脉冲方式工作时，选择适当的激励放电脉冲宽度和间隔，使激光过程的时间小于激光下能级的驰豫时间，气体压力可达使激光过程的时间小于激光下能级的驰豫时间，气体压力可达12大气压。大气压。-TEA CO2激光器。激光器。二、固体二、固体激光器激光器固体激光器是在固体基质材料（晶体或玻璃）中掺杂少量可产固体激光器是在固体基质材料（晶体或玻璃）中掺杂少量可产生激光的激活离子（主要是三价的稳定离子，如生激光的激活离子（主要是三价的稳定离子，如Cr3+、Nd3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+、Er3+、

10、Ti3+等）。通过泵浦光的作用产生光等）。通过泵浦光的作用产生光激励，形成粒子数反转分布，并以其本身固有的波长发射。激励，形成粒子数反转分布，并以其本身固有的波长发射。 几种典型固体激光器工作物质及其工作波长几种典型固体激光器工作物质及其工作波长 工作物质激光波长/m掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)掺镱钇铝石榴石(Yb3+:YAG)红宝石(Cr3+:Al2O3)钕玻璃(Nd3+:glass)掺钛蓝宝石(Ti3+:Al2O3)1.0641.030.69431.0541.0620.661.18什么原因使得红宝石激光器成为过眼烟云？什么原因使得红宝石激光器成为过眼烟云？对激光材料加工而言，目前应用

11、最广的固体激光器对激光材料加工而言，目前应用最广的固体激光器是掺钕钇铝石榴石（是掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）激光器。）激光器。Nd3+:YAG晶体是将一定比例的晶体是将一定比例的Al2O3、Y2O3和和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶而成的，呈淡紫色，在单晶炉中进行熔化，并结晶而成的，呈淡紫色，具有以下特点：具有以下特点：熔点高熔点高(1970 C)，热稳定性能良好，热稳定性能良好，热导率高热导率高(室温下的热导率约为室温下的热导率约为0.03Cal/cm s C)，热，热膨胀系数小；膨胀系数小；机械性能较好，硬度较高；机械性能较好，硬度较高；化学性化学性质稳定，不溶于水，空气中不潮

12、解，亦不溶于一般质稳定，不溶于水，空气中不潮解，亦不溶于一般的酸类；的酸类；抗光照性能好，可在长期光泵辐射条件抗光照性能好，可在长期光泵辐射条件下保持稳定的光学和物理性能。下保持稳定的光学和物理性能。YAG晶体是目前唯晶体是目前唯一能在室温下连续工作的固体激光物质。一能在室温下连续工作的固体激光物质。 YAG激光器的特点：激光器的特点：介质掺杂离子浓度较大（比气体介质掺杂离子浓度较大（比气体工作物质高工作物质高45个数量级），容易获得大能量输出，并个数量级），容易获得大能量输出，并适用于采用调适用于采用调Q、锁模技术获得巨脉冲和超短脉冲；、锁模技术获得巨脉冲和超短脉冲；波长短，与金属材料的耦合

13、效率高；波长短，与金属材料的耦合效率高；可以采用光纤传可以采用光纤传输；输；结构紧凑，体积小，使用和维护方便结构紧凑，体积小，使用和维护方便。不足：不足：传统灯泵浦固体激光器运转效率低，电光转换传统灯泵浦固体激光器运转效率低，电光转换效率仅为效率仅为2%左右；左右；固体工作物质在工作过程中存在固体工作物质在工作过程中存在内部温度梯度，会引起热应力和热透镜效应，使得固体内部温度梯度，会引起热应力和热透镜效应，使得固体激光器的平均功率和光束质量较激光器的平均功率和光束质量较CO2气体激光器低；气体激光器低；固体激光器每瓦输出功率的成本比固体激光器每瓦输出功率的成本比CO2气体激光器高；气体激光器高

14、；波长短，加工时的漫反射光对人眼视力的危害较大，波长短，加工时的漫反射光对人眼视力的危害较大，应采用更加严格的安全防范措施。应采用更加严格的安全防范措施。 Nd3+:YAG晶体的吸收光谱(300K) 主要有五个吸收光谱带，中心波长分别在525、585、750、810、870nm附近，其中以750nm和810nm为中心的两个吸收带最为重要。 750nm810nm914nm1064nm1319nm042681012142922/54HF234274SF294I234F2134I2114I能量(103cm-1)Nd3+:YAG晶体的能级结构 聚光腔后腔镜泵浦灯工作物质泵浦光冷却水受激辐射输出镜激光束

15、泵浦灯灯泵固体灯泵固体激光器激光器效率低：效率低：3%左右左右功率低：功率低：6kW光束质量差：光束质量差：24mmmrad大功率固体激光器举例大功率固体激光器举例TRUMPF公司公司HL系列灯泵浦固体激光器系列灯泵浦固体激光器HL1106DHL2206DHL3306DHL4406D激光功率激光功率1100W2200W3300W4400W光束质量光束质量25mm mrad25mm mrad25mm mrad25mm mrad光纤直径光纤直径600 m600 m600 m600 m光谱强度波长/nm波长/nm(b)连续Kr灯(a)脉冲Xe灯泵浦光仅一小部分可用于激发泵浦光仅一小部分可用于激发Nd

16、3+。泵浦灯光谱中还含有不。泵浦灯光谱中还含有不利于晶体棒的紫外光谱，因此通常还需要采取措施加以过滤。利于晶体棒的紫外光谱，因此通常还需要采取措施加以过滤。 0.4%2.6%5%5%7%30%8%外电源灯输入电源损失100%灯热损耗光功率50%50%聚光腔吸收功率工作物质吸收功率冷却液吸收功率灯再吸收功率工作物质耗散的热受激发射荧光输出激光输出光学损耗2%0.6%灯泵浦灯泵浦YAG激光器的能量转换过程激光器的能量转换过程热透镜效应热透镜效应激光棒中产生热量要由棒表面的流动水冷却，这样就会在棒内形成温度梯度。 KrrlrPTrTp4)(2202000TpP由冷却条件决定的棒表面温度泵浦功率，棒耗

17、散泵浦功率百分比l 棒的长度，r0棒的半径，r距离棒轴的径向距离K 导温系数 板条固体激光器板条固体激光器输出耦合镜后腔镜泵浦光(a)侧视图板条泵浦光冷 却介质(b)横截面图冷却泵浦绝热zxyxT(x)0yT(y)0板条内部温度分布板条内部温度分布在制造用激光器发展历史上，为什么板条固体激在制造用激光器发展历史上，为什么板条固体激光器没有真正成为进入工业应用的产品？光器没有真正成为进入工业应用的产品？泵浦源泵浦源效率和热问题解决途径效率和热问题解决途径二极管阵列聚焦光学系统输出耦合镜后腔镜(a)侧面泵浦方式半激导光体器晶体棒输出耦合镜后腔镜聚焦光学系统(b)端面泵浦方式半导体激光器泵浦棒状固体

18、半导体激光器泵浦棒状固体激光器激光器效率提高：效率提高：10%左右左右光束质量改善：光束质量改善：12mmmrad不能从根本上改变热效应。不能从根本上改变热效应。在制造用激光器发展历史上只在制造用激光器发展历史上只是昙花一现。是昙花一现。大功率固体激光器举例大功率固体激光器举例Rofin-Sinar公司公司DY系列二极管泵浦固体激光器系列二极管泵浦固体激光器盘片固体激光器盘片固体激光器大功率固体激光器举例大功率固体激光器举例TRUMPF公司公司HLD系列片状固体激光器系列片状固体激光器TruDisk1000TruDisk2001TruDisk3302TruDisk16002激光功率激光功率10

19、00W2000W3300W16000W光束质量光束质量2mm mrad4mm mrad8mm mrad8mm mrad光纤直径光纤直径50 m100 m200 m200 m半激导光体器掺杂光纤输出耦合镜后腔镜聚焦光学系统光纤激光器光纤激光器泵浦光保护层外包层内包层纤芯双包层光纤结构示意图 为什么高功率光纤激光器要采用双包层光纤结构？为什么高功率光纤激光器要采用双包层光纤结构？三、半导体三、半导体激光器激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质，用电注入直半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质，用电注入直接泵浦的一种小型化激光器。它具有超小型、高效率、结构简接泵浦的一种小型化激光器。它

20、具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜、波长更短、与金属材料的耦合效率高等优点。单、价格便宜、波长更短、与金属材料的耦合效率高等优点。 半导体激光器的激发机理和气体和固体激光器完全不同。它的半导体激光器的激发机理和气体和固体激光器完全不同。它的电子跃迁发生在半导体材料的导带中的电子态和价带中的空穴电子跃迁发生在半导体材料的导带中的电子态和价带中的空穴态之间，而不像原子、分子、离子激光器那样发生在两个确定态之间，而不像原子、分子、离子激光器那样发生在两个确定的能级之间。在电流或光激励下，半导体价带中的电子可以获的能级之间。在电流或光激励下，半导体价带中的电子可以获得能量，跃迁到导带上，在价带中形

21、成一个空穴，这相当于受得能量，跃迁到导带上，在价带中形成一个空穴，这相当于受激吸收过程。价带中的空穴也可以被从导带跃迁下来的电子填激吸收过程。价带中的空穴也可以被从导带跃迁下来的电子填充复合，并放出一个光子，这相当于自发辐射或受激辐射。充复合，并放出一个光子，这相当于自发辐射或受激辐射。 用于激光材料加工的大功率半导体激光器所使用的材料体系是用于激光材料加工的大功率半导体激光器所使用的材料体系是以以GaAs和和Ga1-xAlxAs(下标下标x表示表示GaAs中被中被Al原子取代的原子取代的Ga原原子百分数子百分数)为基础的。这种激光器的波长取决于下标为基础的。这种激光器的波长取决于下标x及掺杂

22、情及掺杂情况，一般为况，一般为850nm左右。左右。 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 1000m200m100mP区N区解理面/金属电极最简单的半导体激光器由一个最简单的半导体激光器由一个PN结组成。结组成。PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开，称为解理面，结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开，称为解理面，此二表面极为光滑，可直接用作平面反射镜，构成谐振腔。上此二表面极为光滑，可直接用作平面反射镜，构成谐振腔。上下电极施加正向电压时，使结区产生双简并的能带结构及激光下电极施加正向电压时，使结区产生双简并的能带结构及激光工作电流。激光可以从一侧解理面输出，也可以由两侧输出。工作

23、电流。激光可以从一侧解理面输出，也可以由两侧输出。由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性差，特别是在结由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性差，特别是在结的垂直平面内，发散角的垂直平面内，发散角很大，可达成很大，可达成20 30 。在结的水。在结的水平面内，发散角平面内，发散角 /约为几度。约为几度。 由于半导体激光器单管的有源区体积小，输出功率受限于腔面由于半导体激光器单管的有源区体积小，输出功率受限于腔面毁灭性失效，一般单个的毁灭性失效，一般单个的PN结半导体激光器的输出能量只有结半导体激光器的输出能量只有几毫瓦、几十毫瓦或几百毫瓦数量级，目前最好的是几毫瓦、几十毫瓦或几百毫瓦数量级，

24、目前最好的是13W。为了获得高的输出功率，可以将多个发射单元以列阵的形式集为了获得高的输出功率，可以将多个发射单元以列阵的形式集成起来形成成起来形成“激光条激光条”。 把若干个激光条纵向叠加，堆砌成面阵，各条之间安装微通道把若干个激光条纵向叠加，堆砌成面阵，各条之间安装微通道散热器，通常将这样的单元结构称为散热器，通常将这样的单元结构称为“激光堆激光堆”，多个激光条，多个激光条构成一个激光堆就可以获得千瓦量级的激光功率。构成一个激光堆就可以获得千瓦量级的激光功率。 采用特殊设计的反射镜、或采用偏振耦合或波长耦合技术等采用特殊设计的反射镜、或采用偏振耦合或波长耦合技术等将几个激光堆发出的光束进行

25、合束，可以获得更高功率。将几个激光堆发出的光束进行合束，可以获得更高功率。 FiberDiscCO2Nd:YAGDiodeWavelength1.07um1.03um10.6um1.06um0.91.03umWall Plug Efficiency30%15%10% 3%70%Output Powersto 50kWto16kWto 20Kwto 6kW10kWBPP (4/5kW) 2.5862540Diode Lifetimes100,000100,000N.A.1,000100,000CoolingAir/WaterWaterWaterDionizedwaterFloor Space (

26、4/5kW) 4 m 2 3 m 2 6 m 2 0.5m 2Fiber deliveryYesYesNoYesYes几种红外激光器技术参数对比几种红外激光器技术参数对比PRC，6千瓦CO2激光器 IPG,4千瓦光纤激光器(在3.8千瓦下试验)TRUMPF，4千瓦,灯泵Nd:YAG激光器TRUMPF， 4千瓦圆盘激光器美国Edison 焊接研究所（EWI） CO2和和YAG激光焊接成本比较激光焊接成本比较四、准分子四、准分子激光器激光器准分子是一种激发态下能够暂时结合成的不稳定分子，而在基准分子是一种激发态下能够暂时结合成的不稳定分子，而在基态又迅速离解成原子的缔合物，因此也称之为态又迅速离解

27、成原子的缔合物，因此也称之为“受激准分子受激准分子”。与激光有关的准分子可划分为三类：一类是惰性气体准分子，与激光有关的准分子可划分为三类：一类是惰性气体准分子，如如Xe2*、Ar2*、Kr2*等；一类是惰性气体原子与卤素原子结等；一类是惰性气体原子与卤素原子结合成的准分子，如合成的准分子，如XeF*、XeO*、XeCl*、KrF*、ArF*等；第等；第三类是金属原子与卤素原子结合成的准分子，如三类是金属原子与卤素原子结合成的准分子，如HgCl*、HgBr*、BeO*、CuF*等。其中应用较广的是第二类准分子。等。其中应用较广的是第二类准分子。 激光器类型激光器类型Ar2*Kr2*ArCl*A

28、rF*KrCl*KrF*XeCl*XeF*激光波长激光波长/nm126146170193223248308353几种常用准分子激光器工作波长几种常用准分子激光器工作波长 核间距R0AB势能C准分子能级结构示意图准分子能级结构示意图 曲线A表示较高的激发态，B表示激光上能级，C表示基态。激发态时在某一核间距处势能最小，具有束缚态的特征，能级寿命为10-8s数量级。基态时势能曲线随核间距的增加而单调下降，显示了原子相互排斥的特征。基态分子的寿命极短，为10-13s数量级。激发态比基态稳定，在核间距R0处很容易形成B、C间的粒子数反转分布。 准分子从激发态向基态的跃迁可以说是从束缚态向自由态的跃迁。

29、由于下能级近似是空的，因此不存在低能级被充满而终止反转的问题。只要有一定数量的准分子存在，反转就存在，因此容易获得较大的粒子反转数和较高的增益，有利于获得巨脉冲。同时，由于激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗，因此量子效率高，接近100%。 由于准分子存在的寿命极短，因此准分子激光器一般输出几十个纳秒的脉冲激光。为了实现粒子数反转分布，要求泵浦脉冲上升时间短。工业准分子激光器大多采用快速放电激励技术。 制造用激光器的输出特性制造用激光器的输出特性 1、激光波长、激光波长 激光波长决定激光加工的基本原理 激光波长影响激光与物质的相互作用 激光波长决定激光束精细聚焦的可能性 激光波长决定激光加工系统光束的传输方