第五章-激光加工

激光加工

LaserBeamMachining主讲人：张峰第一章激光加工理论一、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=0.4~0.76m，紫青蓝绿黄橙红红外线>0.76m紫外线<0.4m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)波谱图1916年，爱因斯坦提出，原子中处于高能级的自由电子，受到外来跃迁频率相同的光子的作用跳到低能级，并发射一个光子，新光子与原光子频率、发射方向、相位等都相同时，变成两个光子，条件合适的情况下，光子就会象雪崩一样得到放大，这种放大的光称为激光(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.激光产生2)1958年，美国的汤斯和肖洛发表“红外区和光学激射器”，汤斯(CharlesH.Townes，1915-)，因此获1964年诺贝尔奖。汤斯肖洛3).1960年，第一台红宝石激光器由梅曼制成。1961年，汤斯的研究生加万制成了氦氖激光器。E2E1N2N1h1）受激吸收：原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高能态的过程

受激吸收、自发辐射、受激辐射2）自发辐射没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子的过程。

E2E1N2N1h

各原子自发辐射的光是随机的、独立的、---非相干光。2、激光的量子理论3）受激辐射若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来的过程E2E1N2N1全同光子hh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。3、产生激光的基本条件(1)、正常分布:正常条件下,系统中低能级原子数总是多于高能级原子数.此时,受激吸收占优势.(2)、反转分布:要使受激辐射占优势,必须实现粒子数反转分布,即高能级原子数要超过低能级原子数。激励的方法:光照、放电、化学反应、核能等等。粒子数反转的实现必须用激励(泵浦)的办法!能级结构：1231234三能级系统四能级系统

在激活介质的两端安置两块反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。3）、光学谐振腔

要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采用光学谐振腔。光学谐振腔光学谐振腔工作物质I0输出全反射镜部分反射镜L直流高压以氦氖激光器为例布儒斯特窗四能级系统波长：特点:连续式、寿命长、造价低、单色性好、相干性好、方向性好。红宝石激光器红宝石棒氙灯聚光腔E3E2E1n3n2n1激励55006943亚稳态三能级系统特点：脉冲式，功率高。n2>n1二氧化碳激光器特点:能量转换率高,功率大、工作条件简便.应用:材料加工、远距离目标识别,光纤传感,非线性光学,等离子体物理,医学光化学等.其他激光器:氩离子激光器,染料激光器、钕玻璃激光器、半导体激光器。三、激光的四大特性

方向性强亮度大单色性好相干性好一、方向性好

激光束的发散角很小，一般为

激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。二、亮度高

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。

激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180°范围内的光集中到0.18°范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。

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。

激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光打孔激光切割低能激光武器高能激光武器三、单色性好

在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（K186）；它的谱线宽度为4.7×10-3纳米，而激光谱线宽为纳米，为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。

计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。光缆激光通讯四、相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里

全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。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——

原子力显微镜(AFM)

用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动,来探测固体表面的情况。试样通常是微电子器件。激光-原子力显微镜（AFM）激光器分束器布喇格室棱镜检测器反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置第四章激光加工（1）激光加工主要应用光照对物体局部产生热效应,而使物质汽化、融化。（2）激光计量主要应用激光良好的相干性测量距离,而进一步测量速度、流体的流速、角速度等。（3）激光测距仪;激光雷达;激光制导;激光炮.（4）激光信息存储应用激光单色性好、相干性好的特点，可以使激光汇聚于一个非常小的点上。CD其它如激光防伪标志;激光手术刀;激光通讯（光纤通讯）;激光光谱分析;激光全息术;干涉记录等等.第五章、激光加工的基本原理主要应用光照对物体局部产生热效应,而使物质汽化、融化过程：光的吸收与能量传输材料的无损加工材料的破坏及作用终止后的冷凝第六章激光加工的特点①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②激光头与工件不接触﹐不存在加工工具磨损问题③工件不受应力﹐不易污染④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工

⑤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⑥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⑦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

2、按工作方式分类

连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1017W/cm2

）激光器的种类：

固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne、CO2）半导体（如砷化镓GaAs）自由电子1、按工作物质分类固体激光器组成：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（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Cr3+的紫翠玉宝石激光器。输出波长0.7-0.8μm掺Cr3+的氟化锌钾激光器。输出波长780-850nm掺钕钇铝石榴石Nd:YAG1064nm1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm:医学和通信近年来，研制出掺钛(Ti)蓝宝石激光器670nm~1100nm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。光纤放大器（光纤激光器）由微型激光器芯片驱动的掺铒的光纤。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50mx150mx250m，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半导体激光器工作物质：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）（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。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。（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：从红外到紫外范围调谐任意波长(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。液体激光器原理：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4.483nmX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。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。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。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。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

激光打孔：采用脉冲激光器可进行打孔﹐脉冲宽度为0.11毫秒﹐特别适于打微孔和异形孔﹐孔径约为0.005～1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

激光切割﹑划片与刻字在造船﹑汽车制造等工业中﹐常使用百瓦至万瓦级的连续CO2

激光器对大工件进行切割﹐既能保证精确的空间曲线形状﹐又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中﹑小功率固体激光器或CO2

激光器在微电子学中﹐常用激光切划