第五章 激光加工.

1、激 光 加 工第五章 激光加工Laser Beam Machining激 光 加 工第一节 激光加工理论 一、光 波粒二象性 光的波动性 可看成电磁波 =c/ (-波长 c-波速 -频率) 可见光=0.40.76m，紫青蓝绿黄橙红 红外线 0.76m 紫外线0.4 m 波谱图 粒子性 以光速运动具有一定能量的粒子流 E=h (E-能量 h-普朗克常数 -频率)激 光 加 工波谱图激 光 加 工19161916年，爱因斯坦提出，原子中处于年，爱因斯坦提出，原子中处于高能级高能级的的自自由电子由电子，受到外来跃迁频率相同的光子的作用跳到，受到外来跃迁频率相同的光子的作用跳到低低能级能级，并发射，并

2、发射一个光子一个光子，新光子与原光子频率、发射，新光子与原光子频率、发射方向、相位等都相同时，变成方向、相位等都相同时，变成两个光子两个光子，条件合适的，条件合适的情况下，光子就会象雪崩一样得到放大，这种放大的情况下，光子就会象雪崩一样得到放大，这种放大的光称为激光光称为激光( (受激辐射受激辐射) )。1、历史背景 1) . 爱因斯坦提出的受激辐射的原理二二 激光产生激光产生2 ) . 1954年制成第一个微波量子放大器。年制成第一个微波量子放大器。3) . 1958年，美国的汤斯和肖洛发表年，美国的汤斯和肖洛发表“红外区和红外区和光学激射器光学激射器”，汤斯汤斯(Charles H.Tow

3、nes(Charles H.Townes，1915-1915- ) )，因此获，因此获19641964年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。激 光 加 工汤斯像汤斯像肖洛像肖洛像4 ). 1960年年，第一台红宝石激光器由，第一台红宝石激光器由梅曼梅曼制成。制成。1961年，汤斯的研究生加万制成了氦氖激光器年，汤斯的研究生加万制成了氦氖激光器。激 光 加 工hEE12 E2E1N2N1h 1.1.受激吸收：受激吸收：原子因受满足频原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较率条件的光的激励而跃迁到较高能态的过程高能态的过程 受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射2 2、自发辐射、自发辐射 没有

4、外没有外界作用，原子自发地由界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子的过程并辐射一个光子的过程。 E2E1N2N1h hEE12 各原子自发辐射的光是随机的、独立的、各原子自发辐射的光是随机的、独立的、-非相干光非相干光 。2 2、激光的量子理论、激光的量子理论激 光 加 工3.3.受激辐射受激辐射若原子受若原子受到一个满足频率条件到一个满足频率条件的外来光子的激励，的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同态，则辐射出另一同频率的光子来的过程频率的光子来的过程E2E1N2N1全同全同光子光子h h hEE12 ),( T受激辐射

5、光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同-光被放大了。光被放大了。激 光 加 工自发辐射、自发辐射、受激吸收受激吸收和和受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射E1E22 2、激光的量子理论、激光的量子理论hvhvhvhvhvE2E1受激吸收受激吸收E1E2自发辐射自发辐射 在两个能级间在两个能级间, ,受激吸收跃迁和受激辐射跃迁受激吸收跃迁和受激辐射跃迁具有相同的概率。具有相同的概率。激 光 加 工3 3、产生激光的基本条件、产生激光的基本条件(1)(1)、正常分布、正常分布: :正常条件下正常条件下, ,系统中低能级原子数系统中低能级

6、原子数总是多于高能级原子数总是多于高能级原子数. .此时此时, ,受激吸收占优势受激吸收占优势. .(2)(2)、反转分布、反转分布: :要使受激辐射占优势要使受激辐射占优势, ,必须实现粒子数必须实现粒子数反转分布反转分布, ,即高能级原子数要超过低能级原子数。即高能级原子数要超过低能级原子数。粒子数反转粒子数反转的实现的实现必须用激励必须用激励( (泵浦泵浦) )的办法的办法! !能级结构：能级结构：1 12 23 31 12 23 34 4三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统激 光 加 工 在激活介质的在激活介质的两端安置两块反射两端安置两块反射镜面，一个是全反镜面，一个是全反射镜，

7、一个是部分射镜，一个是部分反射镜，这对反射反射镜，这对反射镜面及其间的空间镜面及其间的空间称为称为光学谐振腔。光学谐振腔。3 3）、光学谐振腔）、光学谐振腔 要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采用用光学谐振腔。光学谐振腔。光学谐振腔光学谐振腔激 光 加 工工作物质工作物质I I0 0输出输出全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜1R2RL L直流高压直流高压布儒斯特窗布儒斯特窗波长：波长：0A6328 特点特点: : 连续式、寿命长、造价低、单色性好、连续式、寿命长、造价低、单色性好、 相干性好、方向性好。相干性好、方向性好。激 光 加 工聚光腔聚光腔

8、E3E3E2E2E1E1n3n3n2n2n1n1激励激励Ao5500550069436943Ao亚稳态亚稳态()31 03 snn21 特点：脉冲式，功率高。特点：脉冲式，功率高。激 光 加 工能量转换率高能量转换率高, ,功率大、工作条件简便功率大、工作条件简便. .材料加工、远距离目标识别材料加工、远距离目标识别, ,光纤传感光纤传感, ,非线非线性光学性光学, ,等离子体物理等离子体物理, ,医学光化学等医学光化学等. .激 光 加 工激 光 加 工一、方向性好一、方向性好 激光束的发散激光束的发散角很小，一般为角很小，一般为sr101085 激光定位、导向、激光定位、导向、测距等就利用

9、了方向测距等就利用了方向性好的特点。性好的特点。激 光 加 工二、亮度高二、亮度高 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。位立体角内发射的功率。 激光的输出功率虽然有个限激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在亮度也特别大。把分散在180180范围内的光集中到范围内的光集中到0.18 0.18 范围，范围，亮度提高亮度提高100100万倍。通过调万倍。通过调Q Q等技等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一术，压缩脉冲宽度，还

10、可以进一步提高亮度。步提高亮度。激 光 加 工 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。小区域产生几百万度的高温。 激光加工、激光手术、激光武器等就利用激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。了高亮度的特点。激光打孔激光打孔激光切割激光切割激 光 加 工低能激光武器低能激光武器高能激光武器高能激光武器激 光 加 工三、单色性好三、单色性好 在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（器的氪灯（K K1 18686）；它的谱线宽度为）；它的谱线宽度为4.74.71010-3-3

11、纳米，纳米，而激光谱线宽为而激光谱线宽为 纳米，为氪灯谱线宽度的纳米，为氪灯谱线宽度的5 5万分万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。色性。 910 计量工作的计量工作的标准光源、激光标准光源、激光通讯等利用了单通讯等利用了单色性好的特点。色性好的特点。光缆光缆激 光 加 工激光通讯激光通讯激 光 加 工四、相干性好四、相干性好激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 普通光源的相干长普通光源的相干长度约为度约为1 1毫米至几十厘毫米至几十厘米，激光可达几十公里米，激光可达几十公里 全息照相、全息全息照相、全息存储等就利用了相干存

12、储等就利用了相干性好的特点。性好的特点。全息照相全息照相相干时间：光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔；相干长度:相干时间间隔内走过的路程称为激 光 加 工例例3激光激光 原子力显微镜原子力显微镜(AFM) 用一根钨探针或硅用一根钨探针或硅探针在距试样表面探针在距试样表面几毫微米的高度上几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固来探测固体表面的情况。体表面的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜（AFM）激光器激光器分束器分束器布喇格室布喇格室棱镜棱镜检测器检测器反馈机构反馈机构接计算机接计算机微芯片微芯片压电换能器压电换能器压电控制

13、装置压电控制装置激 光 加 工主要应用激光良好的相干性测量距主要应用激光良好的相干性测量距离离, , 而进一步测量速度、流体的流速、角速度等。而进一步测量速度、流体的流速、角速度等。激 光 加 工激光测距仪激光测距仪; ;激光雷达激光雷达; ;激光制导激光制导; ;激光炮激光炮. .CDCD激 光 加 工五、激光加工的基本原理激 光 加 工六、激光加工的特点 激光功率密度大工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化即使熔点高硬度大和质脆的材料(如陶瓷金刚石等)也可用激光加工 激光头与工件不接触不存在加工工具磨损问题 工件不受应力不易污染 可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工激 光 加 工六、

14、激光加工的特点 激光既适于精密微细加工又适于大型材料加工 激光束的发散角可小于1毫弧光斑直径可小到微米量级作用时间可以短到纳秒和皮秒 大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级 激光束容易控制易于与精密机械精密测量技术和电子计算器相结合实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度 在恶劣环境或其它人难以接近的地方可用机器人进行激光加工激 光 加 工第二节 激光加工设备一、激光加工机的组成： 激光器 光学系统 电源 机械系统激 光 加 工二、激光器的种类激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长输出频率特性激 光 加 工 2、按工作、按工作方式分类方式分类 连续式（功率可达连续式（功率可达1

15、04 W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1017W /cm2 ）激光器的种类：激光器的种类： 固体固体 （如红宝石（如红宝石Al2O3） 液体液体 （如某些染料）（如某些染料） 气体气体 （如（如He-Ne、CO2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs） 自由电子自由电子1、按工作、按工作物质分类物质分类激 光 加 工固体激光器固体激光器组成：工作物质、光泵（脉冲氙灯）、玻璃套管、滤光液、冷却水、聚光器、谐振腔等激 光 加 工（一）固体激光器工作物质-各种激光晶体和玻璃输出波长-由工作物质中激活元素决定。输出方式-连续灯泵浦连续光 脉冲灯泵浦脉冲光例如：可调谐的固体激光器掺

16、Cr3+的紫翠玉宝石激光器。输出波长0.7-0.8m掺Cr3+的氟化锌钾激光器。输出波长780-850nm激 光 加 工掺钕钇铝石榴石 Nd:YAG 1064nm1047nm1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm2940nm:医学和通信近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm1100nm固体激光器常用于产生强激光，连续输出几千瓦,脉冲输出几万焦耳激 光 加 工掺铒光纤激光器在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源也可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。激 光 加 工光纤放大器（光纤激光器）由微型激光器芯片

17、驱动的掺铒的光纤。原理：当激光在光纤中传输时，光纤中的铒离子 受微型激光器发出的激光激发，经过能级 跃迁，不断把能量传递给光子，使得激光 在传输中所损耗的能量不断地得到补充， 经过数百千米甚至数千千米的行程后，被 减弱的光信号又恢复了活力用途：通信，局域网，数字电视，宽带网络等激 光 加 工二极管激光器（半导体激光器）半导体激光器发展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50 m x 150 m x 250 m，比普通的米粒还小用于：光通信，光盘，激光打印，光计算机，微量气体探测等方面激 光 加 工半导体激光器半导体激光器激 光 加 工工作物质：砷化镓等半导体材料。工作原理：砷化镓等半导体材

18、料只允许电流沿着一个方 向流动。当穿过介质的光遇到一个被激发的 原子时，它将使这个原子以相同的波长和频 率释放能量，光在来回传播的过程中，不断 地被加强，直到从反射镜面上逃逸出去，形 成激光。二极管激光器（半导体激光器）激 光 加 工（二）气体激光器（二）气体激光器气体激光器 原子激光器，分子激光器，离子激 光器，准分子激光器。原子激光器：以氦氖激光器为代表，这种激光器大 都是连续工作方式，输出功率在100毫 瓦以下，多用于检测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可 以发射较强的连续功率激光，功率可达 几十瓦，是可见光中的重要激光器件， 多用于扫描，医学及全息学等方面。激

19、光 加 工气体激光器气体激光器激 光 加 工（二）气体激光器（二）气体激光器分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光 的热效应高，故多用于激光刀，医疗， 机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点发光都在紫外波段。 用途多用于微细加工，光刻及医学。 原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当 两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时， 两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。激 光 加 工（三）液体激光器（三）液体激光器主要是染料激光器。多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。特点特点：从红外到紫外范围

20、调谐任意波长(几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的应用。激 光 加 工液体激光器液体激光器激 光 加 工原理：自由电子激光器是利用自由电子在真空磁场中的 周期性摆动产生激光。特点：自由电子通过很多对极性彼此相反的磁铁组成的 交变磁场，磁场的周期取决于这些磁铁的大小与 间距。发射激光的波长由交变磁场的周期及入射 电子的能量决定。用途：自由电子激光器可连续工作，输出功率几百瓦。 也可脉冲式工作，平均最高功率几兆瓦。用于材 料科学，医学，表面科学，化学，生物及生命科学等。（四）自由电子激光器激 光 加 工X射线激光器 X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光子

21、能量非常高目前，最短的X射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区， X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学，医学，生命科学的研究。已经用波长4.483nm X射线激光制成了X射线显微镜，并成功地得到了老鼠精子内核的图象,用于DNA在精子细胞内排列的研究。激 光 加 工生物微腔激光器 砷化镓基底半导体反射镜量子阱增益区液体中的细胞介质膜反射镜玻璃基底 一种研究活体生物细胞的手段和方法，将一含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光表面，上面覆盖镀有反射膜的玻璃片

22、。细胞置于激光共振腔中，当激光在腔内往返数百次后，细胞中的信息充分被激光发射带出，通过这些信息的识别，由发射激光的脉冲形状，模式，空间分布以及收集到的荧光图象，就可知道细胞属于那一类。是正常细胞还是癌细胞等。这种生物微腔激光器 一般用波长850纳米的半导体激光器来制作。 激 光 加 工纳米激光器问世据2001年美国科学杂志报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器纳米激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器，这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。激 光 加 工第三节 激光加工工艺及应用 打孔 切割 划片 焊接 热处理 微调 调频 调动平衡激 光 加 工第三节 激光加工工艺及应用 激光打孔 采用脉冲激光器可进行打孔脉冲宽度为0.1 1毫秒特别适于打微孔和异形孔孔径约为0.0051毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承金刚石拉丝模化纤喷丝头等工件的加工(图1)。激光加工的红宝石钟表轴承孔激 光 加 工第三节 激光加工工艺及应用 激光切割划片与刻字 在造船汽车制造等工