材料激光加工PPT-概论

材料激光加工

LaserMaterialProcessing

授课教师：庞盛永讲师材料科学与工程学院参考书目：《激光制造技术》，刘顺洪等著，华中科技大学出版社课时和学分：选修课，24学时/1.5学分时间：1-2、4-7周周二、四上午第3、4节地点：东9楼D403课时、学分、时间和地点课后讨论联系方式和考核办法联系方式：模具国家重点实验室（新机械大楼）B401E-mail:spang@电话核办法：作业、点名30%+考试70%(开卷)课程主要内容第一章概述第二章激光产生的基本原理第三章工业激光器及激光加工系统第四章激光与材料相互作用原理第五章激光焊接第六章激光切割和打孔第七章激光表面处理观看工业激光器材料加工录像第一章概述主要内容：激光产生的历史激光的特性激光技术的广泛应用激光加工发展现状与展望1.1激光产生的历史总体上可分为三个阶段受激辐射理论的提出技术上的准备第一台激光器的产生LASER=LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：通过幅射的受激发射实现光的放大何为“激光”钱学森(1911-2009),世界著名科学家。1964年建议将“光受激发射”改为“激光”。1.1.1、

受激辐射理论的提出19世纪末的“紫外灾难”：1900年，英国物理学家瑞利根据经典统计力学和电磁理论，推出了黑体辐射的能量分布公式。该理论在长波部分与实验比较符合，但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果是趋于零。这部分严重的背离，被称之为“紫外灾难”（紫外指短波部分）经典物理学无法解释的光电辐射现象1.1.1、

受激辐射理论的提出紫外灾难1.1.1、

受激辐射理论的提出1900年，普朗克提出“能量子假说”黑体幅射的经验公式理论依据尚不清楚长波和短波部分均与实验相吻合，“能量子”或“量子”概念：假设能量的幅射是不连续的，以一定的整数倍跳跃式地变化，量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”直接矛盾——需要新的理论解释1.1.1、

受激辐射理论的提出普朗克定理1.1.1、

受激辐射理论的提出爱因斯坦1917年提出“受激辐射”理论首次深刻认识“假说”含义，进行了理论解释建立了光量子论以解释光电效应中出现的新现象提出光的波粒二象性三种原子系统与电磁场之间能量交互方式受激跃迁：受激辐射和受激吸收自发跃迁：自发辐射1.1.2、

技术上的准备受激辐射的概念最初并未引起足够重视1924年首次被用来研究光的吸收和散射1928年德国的拉登伯格（R.W.Ladenberg）：激励电流超过一定值时，高能粒子数量随电流增大而增大，发现了负色散现象，间接用实验证明受激幅射的存在1939年前苏联的法布里康特研究气体放电的光学性质时明确指出：受激辐射的条件是实现粒子数反转

1.1.2、

技术上的准备光学谐振腔难题的解决激光产生的两个条件：激光放大器与正反馈回路电子学低频段：电感和电容更高频段：一定尺寸(与波长相比拟)的双导线微波段：封闭的金属盒子（微波谐振腔）毫米波段：谐振腔的尺寸为毫米数量级光波频段：微米量级？二战的影响直接研究限于停顿微波、雷达等无线电的研究迅速发展1.1.2、

技术上的准备MASER的产生1953年，汤斯以NH3分子作为振荡器，实现了1.25cm微波量子振荡器向波长更短方向迈进遇到了极大困难光学谐振腔模型的提出汤斯和肖洛的合作肖洛：原子光谱、F－P仪、固体微波激射器等领域深有研究，提出了关键性建议：利用光学F－P仪作为光学谐振腔1958年汤斯和肖洛联名在《PhysicsReview》上发表了题为“红外线和光学脉塞”的论文，1964年诺贝尔奖。1959年9月在纽约举行的第一届国际量子电子学会议上，提交了十几个激光器的设计方案，各国学者展开了激烈角逐汤斯的红宝石激光器建议伊朗杰万的He－Ne激光器建议1960年7月7日，《纽约时报》率先报道了梅曼得到激光的消息美国休斯公司，年仅33岁，仅得5万美元资助良好的基础：原子分子光谱、红宝石微波激射器等不迷信：1959年8月开始研究激光，不迷信权威，发现红宝石的量子效应高达70％，而非肖洛指出的1％波长：0.6943um1.1.3、

第一台激光器的产生1.1.3、

第一台激光器的产生国外的第一台激光器1.1.3、

第一台激光器的产生中国的第一台激光器红宝石激光器1961年8月王之江等He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等脉冲Ar+激光器1964年10月万重怡等CO2分子激光器1965年9月王润文等CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等YAG激光器1966年7月屈乾华等1.2激光的特性1.2.1方向性强：远距离传输而不显著扩散光源立体角:

S:距光源距离R处的的辐射面积(m2)R:光源距S的距离(m)远场发散角:

太阳的立体角:激光的立体角:1.2激光的特性1.2.1方向性强：远距离传输而不显著扩散比较：探照灯和激光方向性探照灯照到月球光斑直径约几百公里激光照到月球光束直径2公里探照灯激光1.2激光的特性1.2.2.亮度高亮度B：单位发光面积向单位立体角上发散的功率激光是目前世界上最亮的光源!1.2激光的特性光源发射功率w发散角rad立体角Sr发光面积m2亮度W/m2太阳4×102624π2.5*1019~105汞弧灯10424π10-4~107He－Ne激光10－3~10－410-310-5~1010CO2激光104~10－310-610-3~1013红宝石激光107~1.3*10－35*10-610-4~1015高频率铷玻璃激光109~3.5*10－54.8*10-910-3~10211.2激光的特性1.2.3.单色性好单色性：光源所发出的光所包括的频率范围，频率范围越窄，单色性越好。普通光源单色光，同位素Kr86的单色性最好：波长为0.6057μm,Δλ＝0.47×10-6μm激光的谱线宽度Δλ<10－11μm，He-Ne激光的谱线可以窄到2×10－12μm方向性单色性高亮度很小的光斑聚集很高的功率理想的加工热源1.2.4.时间特性和相干性好1.2激光的特性光脉冲宽度可以极窄闪光灯：毫秒Q开关：10－9s；锁模：10－14s飞秒激光10－15s

激光是最好的相干光源1.3激光技术的广泛应用1.3.1激光精密测量

单色性、相干性，用于计量检测能获得高计量精度，且方便快捷激光长度基准：波长632.8nm的He-Ne激光定义米尺，精确度提高到2×10-2nm；精密长度测量（利用光的干涉）：Lmax=λ2/△λ，极好的单色性使其计量的有效量程很大;测距和测速：L=ct/2，激光亮度高，脉冲宽度窄，故测距精度高；利用运动物体产生的反射光多普勒频移可测运动速度；1.3激光技术的广泛应用1.3.2激光信息处理

光盘：存储密度高，读取时间短，无机械摩擦光通讯光纤通讯自由空间激光通讯光计算机：光波具有并行性，可交叉，并可解决电子计算机的发热问题1.3激光技术的广泛应用1.3.3强激光的应用材料激光加工切割、焊接、划片、雕刻、淬火、微纳加工等激光分离同位素现有方法：质量差别分离系数低耗能大选择性的激发、电离或解离，克服上述缺点激光核聚变：核燃料点火惯性约束核聚变1.3.4激光医学激光刀光照射：低功率光照－消炎、消肿、镇痛等作用1.3.5激光武器、科学试验激光武器战术武器(激光制导、激光致盲、激光扫雷)战略武器(核聚变)科学试验应用非线性光学激光光谱1.3激光技术的广泛应用1.4激光加工发展现状与展望1.4.1激光加工的定义

激光束作用于物体表面而引起物体形状或性能的改变的的加工过程。1.4.2激光加工的分类

热加工：激光作用于材料表面会产生热效应，如焊接、切割、打孔、成型、表面处理等。