激光及现代激光制造技术

1、激光及现代激光制造技术摘要：激光是21世纪不可或缺的技术手段，要初步掌握激光的产生 原理、特点，了解现代激光制造技术以及其他激光高新技术。关键词：激光、现代激光制造技术一、序言激光是二十世纪自然科学的重大发明之一。I960年世界上第一 台激光器的出现标志着量子光学由理论发展到技术工程，激光的诞 生开始了一场光子学的革命，产生了光电子学。以激光作为光能源 和光工具的新型制造技术开始登上历史舞台，引领着制造技术进入 激光制造的新时代。21世纪是光子的时代，激光在改变着世界。信息与通信、医疗保健与生命科学、国防和激光制造是世界范 围内激光制造技术应用最主要的四个领域，其中激光制造占据约32% 的比重

2、，处于所有应用领域之首，同时也是发展最快、对一个国家 国民经济影响最大的激光技术应用领域。现代激光制造技术作为一 种先进的加工技术，与光学、光电子学、材料学、机械学、计算机、 自动化、信息学、生物医学等多个学科相结合，成为交叉学科前沿 的生长点。二、激光1、激光产生的物理基础（1）原子能级各种发光现象都与光源内部院子的运动状态有关，原子的运动 状态改变了，其内能将相应改变，而物质的发光与内能直接有关。了解原子的能级结构，是研究发光现象的基础。玻尔假说指出，原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不 吸收电磁辐射，原子定态能量只能采取某些分立值E1、E2、， 这些定态能量的值称为能级。只有当原子从

3、一个定态跃迁到另一个 定态时才发出或吸收电磁辐射。按照光子假设，电磁辐射的最小单 元是光子，其能量为hu。电子从高能级轨道跃迁到低能级轨道时就 发射光子，而从低能级轨道跃迁到高能级轨道时就需要吸收光子。 每个跃迁对应一个特定的波长和能量。与跃迁对应的高能级能量E2 和低能级能量E1满足关系式E2 - E1 = hu = hc / 人式中，C为真空中的光速，C近似等于3X108m/s ； X为波长；u为频 率；h为普朗克常量，h = 6.62 x 10 -34 J. s。自发辐射、受激辐射和受激吸收激光是通过光与物质相互作用尤其是作用过程中的受激辐射而 产生的。受激辐射的概念是爱因斯坦于1917

4、年首先提出的，为40 余年后激光的产生奠定了基础。爱因斯坦从量子论的观点出发提出 在辐射与物质的相互作用中包含三个过程：自发辐射、受激辐射和 受激吸收。自发辐射是没有收到任何外界的刺激下，处于高能级粒子自发 地跃迁到低能级，同时辐射频率为U的光子，并满足E2-E广hu。当 粒子受到外来能量为的光子作用下并且满足E2-E广hu，则处于低 能级上的粒子由于吸收一个能量为 的光子而受到激发跃迁到高能 级上去，该过程即为物质的受激吸收。受激辐射与受激吸收的过程 正好相反，当粒子受到外来的能量为E2-E广hu，的光子作用时，处 在高能级的粒子在能量为的光子诱发下，而从高能级跃迁到低能 级，并且发射一个与

5、外来光子一模一样的光子，这种过程叫受激辐 射，受激辐射对入射光具有放大作用。（3）光的受激辐射放大光通过介质时，受激辐射和受激吸收同时存在互相竞争。如果 受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数，则对外表现为管的放大; 如果受激吸收的光子数多于手机辐射的光子数，则对外表现为光的 吸收。一般在热平衡的状态下，低能级的粒子数总是高于高能级的 粒子数，因此，当光通过介质时受激吸收应该占优势，光子数减少， 即通常对外表现总是为光的吸收。高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数时的状态称为是离子 的反转。热平衡状态下实现粒子数的反转是不可能的，只有当外界 向介质提供能量时，使介质处于非平衡状态下，才可以实现粒子

6、数 反转。在这种状态下若有一束光通过介质，而光子的能量恰好等于 高低能级的能量差，就可以产生受激辐射，使输出的光能量超过入 射的光能量此时介质对光有增益作用。产生粒子数反转分布的介质称为激活介质，通常称为激光器的 工作物质，形成粒子数反转分布是产生激光的必要条件。要实现粒 子数反转，介质本身的能级结构应该存在亚稳态，以利于高能级上 粒子数的积存，实现高能级上粒子书大于低能级上粒子数。同时必 须采用外界激励方式向介质提供能量，对于不同类型的介质，实现 粒子数反转的具体方式不同。外界激励的过程又称为泵浦，通常采 用光激励、电激励、化学分解或化合等方式给介质输入一定的能量。2、激光的特点（1）高单色

7、性单色光是指光的频率或波长单纯的程度。原子吸收或发射所产 生的任何谱线，其频率或波长都在一定范围内，即有一定的宽度称 为谱线宽度，这时衡量光的单色性好坏的量度。普通光源发出的光 的谱线快读很宽，如太阳光和灯光的谱线宽度为几百纳米，激光出 现之前单色性最好的光源氪灯的光的谱线宽度是10 -2纳米数量级。由 于激光器发出的激光是工作物质中的粒子在有限的几个高低能级之 间实现粒子数反转，因此，激光震荡只发生在一条或几条谱线中， 所以单色性很好。（2）高方向性激光束之所以具有方向强的特点是由于激光器受激辐射的机理 和光学谐振腔对光束的方向限制所决定的。然而激光所能达到的最 小光束发散角还要受到衍射效应

8、的限制它不能小于激光通过输出孔 径的衍射角气，七称为衍射极限。（3）高相干性光的相干性是指在不同时刻、不同空间点上两个光波场的相关 程度。相干性又可分为空间相干性和时间相干性。空间相干性用来 描述垂直于光束传播方向上各点之间的相位关系，光束的空间相干 性和它的方向性紧密联系；而时间相干性则用来描述沿光束传播方 向上各点的香味关系，光束的时间相干性和它的单色行也是密切联 系的。（4）高亮度对于普通光源来讲，由于方向性很差，所以光强度低；对于 激光来讲，由于谐振腔对光束方向性的限制，激光束的发散角很小， 所以光强度很高。人类文明的发展与制造技术的进步紧密相关。远在石器时代， 人类就利用石料来制造工

9、具。随着社会进步和人类文明发展，制造 技术经历了力加工、火焰加工、电加工的历史进程。第一台激光器 的诞生，将激光引进科学研究领域，从此引领着制造技术进入激光 制造的新时代。1、激光制造应用技术激光制造应用技术包括：连接技术、去除和分离技术、表面 技术、成形技术、材料制备技术以及微技术。自20世纪70年代出 现大功率激光器件以来，激光制造技术迄今已经形成了激光焊接、 激光切割、激光打孔、激光标记、激光表面热处理、激光合金化、 激光熔覆、激光快速圆形制造、金属零件激光直接成形、激光刻槽 和激光掺杂等十几种应用工艺，在电子、机械、冶金、汽车、铁路、 航空航天、船舶等工业部门得到越来越广泛的应用。2、

10、激光制造系统技术激光制造系统由激光源、传输、聚焦系统、运动与控制系统、 传感与检测系统组成，其核心是光的产生、传播和操控。激光的能 量或功率、光束质量、对光的控制是衡量制造用“光能源”和“光 工具”的标准。激光制造系统的光源主要包括CO2激光器、固体激光 器和准分子激光器。另外，引人注目的是直接用于材料加工的大功 率半导体激光器的发展，它的意义在于它的更短的波长、小型化、 高效率、与光纤的良好耦合、易于调制等优良特性，目前限制其应 用的不足是光束质量还较差。激光微制造的激光制造系统，目前有 准分子激光器、固体倍额紫外激光器、飞秒激光器、光纤激光器， 其发展趋势是获得微小的聚焦激光光斑或短作用时间，而对光的控 制的加工微系统还在发展中。除了激光源以外，激光制造系统技术还包括：激光光束传输与聚焦技术、激光光束光斑质量诊断与控 制技术、激光与工件相对运动系统技术、制造过程中的传感、跟踪、 检测技术等。3、激光制造技术的发展现代激光制造技术作为通用的的加工手段，其前沿领域之一是 应用领域的扩展激光制造应用技术不断提出并解决新的问题，如： 扩大被加工材料的范围；提高被加工材料的吸收率；实现运输机械 轻型化等等。同时对激光制造技术提出新的要求，如激光器小型化、 高效率转换与集成化等。现代激光制造的另一前沿领域是与现代科 技发展微型化趋势相一致的激光制造，与之相