材料激光加工课件

材料激光加工

LaserMaterialProcessing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。

冷加工：激光与材料的作用时间远小于热传导的弛缘时间，可完全避免热效应，如飞秒激光打孔、微纳加工等(前沿问题)。激光热加工工艺与功率、作用时间之间的对应关系1.4激光加工发展现状与展望1.4.3激光加工技术的优势自动化程度高高度的灵活性高精度生产率高革新传统加工方式革新传统加工方式1.4.4世界工业激光加工技术现状1.4.4世界工业激光加工技术现状近年来每年市场增长15％以上三个区域中心：北京、武汉、上海著名激光加工系统开发和生产单位：大恒科技、华工科技(上市)、电子十一所、楚天、上海激光（集团）总公司、大族公司(上市)等制约因素：激光器质量、导光系统、高速传动与精密定位、工艺技术1.4.4世界工业激光加工技术现状我国激光加工技术现状1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.5工业激光加工应用实例1.4.6激光微纳加工应用实例1.4.6激光微纳加工应用实例1.4.6激光微纳加工应用实例1.4.6激光微纳加工应用实例激光本质上是一种电磁波，具有波粒二象性,是电磁波，又是光子流激光是一种电磁波(C.Maxwell，1860)。激光在传播时表现出波动性(横波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。激光是一种光子流。黑体辐射的量子论(Max.Planck,1900),光子理论(Albert.Einstein,1905)。激光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射能量：E=hν动量:P=h/λ再认识“激光”激光的波长范围在红外线与γ射线之间工业应用激光一般在近红外波段激光的波长常见激光的波长2.1激光产生的过程原子(粒子)发光机理自发辐射、受激辐射和受激吸收激光产生的条件基本内容：2.1.1原子（粒子）发光机理原子能级定义：原子系统所具有的一系列不连续的能量状态原子系统能量＝电子动能＋电子与原子核之间的势能基态：原子处于最低能级时的状态激发态：处于其他任何高于基态能级时的状态0ev10.15ev12.11ev13.53ev12382.1.1原子（粒子）发光机理跃迁：原子从一种能级状态改变到另一种能级状态辐射跃迁：吸收或辐射光子而产生的能级改变，满足普朗克公式:

∆E=hν无辐射跃迁：改变能级并不吸收或辐射光子，粒子系统与能量交换以其他的方式进行，如粒子运动的动能、振动能等。其他粒子(分子、离子等)同样存在一系列不连续的能级，也能产生幅射跃迁2.1.1原子（粒子）发光机理处于高能级(激发态)的粒子是不稳定的,经过或长或短时间(10-8s)，会跃迁到能量低的状态，而以光子或其他方式放出能量，该能量必须等于相应的能级差。以光子方式辐射能量即发光。激发态的平均寿命粒子在不同激发态上停留时间的平均寿命称为该激发态的平均寿命亚稳态平均寿命相对较长的激发态称之为亚稳态例如：红宝石中的Cr3+

粒子:E310-9s,E210-3s2.1.2自发辐射、受激辐射

和受激吸收特点：纯自发过程辐射出的光子频率满足普朗克公式不同粒子跃迁时各自独立，光子互不相关自发辐射几率A21：只与原子本身性质相关与外界辐射无关自发辐射：处于高能级的粒子自发的跃迁到低能级上来，并且在跃迁过程中发出一个光子。2.1.2自发辐射、受激辐射

和受激吸收受激吸收：处于低能级E1的粒子吸收能量为hv=E2-E1的外来光子而跃迁到E2上去。特点：与原子系统本身和外部辐射场(外来光子)密切有关吸收的光子频率满足普朗克公式受激吸收几率W12：2.1.2自发辐射、受激辐射

和受激吸收受激辐射：处于高能级E2的粒子受到频率v=(E2-E1)/h的外来光子的激励，从E2跃迁到E1上去,并发出一个和外来光子完全想同的光子。特点(与自发辐射比较)：外来光子激励，自发产生产生的光子和外来光子完全一样，方向、频率、相位和偏振等光的放大效果受激辐射几率W21：2.1.3激光产生的条件受激辐射光放大光子粒子光子光子粒子粒子光子光子光子光子2.1.3激光产生的条件受激辐射和受激吸收的矛盾物质在热平衡状态下，各能级上的粒子数目服从玻耳兹曼分布在热平衡状态下，下能级上受激吸收的粒子数多于上能级上受激辐射的粒子数,热平衡状态的系统不能产生光的放大(激光)!n3n2n1E3E2E12.1.3激光产生的条件粒子集居数反转设有两个能级E2和E1的粒子系统，由于外部能源的激励而呈非平衡状态，使得处于低能级的粒子经种种途径被激发到高能级E2上，从而造成E2上的粒子数多于E1上的粒子数，即：N2>N1.N2>N1光通过系统（激活介质）后被放大必须由外界提供能量，将粒子从低能级抽运到高能级（泵浦），使物质处于非平衡态。2.1.3激光产生的条件工作物质

必须有能够形成粒子数反转的发光粒子，即激活粒子(分子、离子、原子皆可，可以独立存在，有的则必须依附于基质，基质+粒子=工作物质)特点:处于外界能源激励的非平衡状态下能级系统的上能级中必须有亚稳态存在,以便实现粒子数反转必须是增益介质激励方法光泵浦气体放电电子束激励化学反应核泵浦等最常用：光电2.1.3激光产生的条件工作粒子的能级系统

二能级系统三能级系统四能级系统2.1.3激光产生的条件二能级系统

E2E1B12B21A21

因为达到稳定时，有：

无论如何激励，二能级系统不能实现粒子数反转！

2.1.3激光产生的条件三能级系统

E3E2E1Pumping非辐射跃迁受激辐射光子上能级下能级红宝石激光器：Cr3+粒子缺点：由于基态能级上的总是聚集大量粒子，因此三能级系统的激光器需要很强的pumping.2.1.3激光产生的条件四能级系统

E4E3E2Pumping非辐射跃迁受激辐射光子下能级上能级(亚稳态)非辐射跃迁

例子：

Nd:YAG激光器2.1.3激光产生的条件受激辐射和自发辐射的矛盾

物质在热平衡状态下，受激辐射的概率远小于自发辐射概率。

当T=300K时，

热平衡条件下，不可能实现光的受激辐射放大！要解决这一矛盾，需利用光学谐振腔来实现自激振荡。2.1.3激光产生的条件光学谐振腔…….自发辐射产生光子，偏离轴向光子很快逃逸出介质，沿着轴向的光子因受激励辐射不断放大，使得单色能量密度不断增大，从而可能使W21>A21，获得以受激辐射为主的输出。2.1.3激光产生的条件增益增益系数Ｇ：通过单位距离介质光强增加的百分比

G=dI/(Idz)G与激活介质特性，外界激励能源和入射波长有关，与入射光强度无关入射光强为I0

I=I0exp(Gz)损耗衍射损失散射损失镜片反射损失输出激光的阈值条件：增益>损耗。提供该条件的场所即为谐振腔。2.1.3激光产生的条件I0I1I2Lr1r2工作物质被激励到非平衡态(亚稳态、粒子数反转)少量自发辐射产生（亚稳态E2->E1）自发辐射光子引发受激吸收和受激辐射，但受激辐射出的光子多于受激吸收的光子，光得到放大受激辐射的光子引发新的受激辐射，雪崩放大谐振腔的选择和抑制达到一定程度后，形成稳定的输出

激光产生的过程2.2光学谐振腔和激光模式光学谐振腔作用光学谐振腔的结构和分类激光模式基本内容：2.2光学谐振腔和激光模式提供光学正反馈作用限制激光束的方向限制激光束的频率－纵模根据波动理论，发生相长干涉的条件：入射光和反射光同相

∆Ф＝2π·（2L／λ0）＝q·2πL=q·λ0/2决定激光的空间分布规律－横模L2.2.1谐振腔的作用2.2光学谐振腔和激光模式无谐振腔时有谐振腔时2.2.2谐振腔的结构和分类2.2光学谐振腔和激光模式构成：两个腔镜一个全反射，提供最大反馈一个部分反射，提供部分反馈和输出结构特点：侧边没有边界，轴向尺寸(腔长)远大于波长和横向尺寸三个参数：R1、R2、L平平－>共轴球面－>固体介质波导腔和气体介质波导腔（半封闭）2.2.2谐振腔的结构和分类平行平面镜腔双凹球面镜腔平面－凹面镜腔特殊腔：双凸腔平凸腔凹凸腔等2.2.2谐振腔的结构和分类傍轴光线能否在腔内往返无限多次而不从横向逸出，表示腔的损耗大小，“低损耗腔”，“高损耗腔”稳定性判据：稳区图谐振腔的稳定性2.2.2谐振腔的结构和分类特点：不逸出、损耗小应用：固体和中小功率CO2稳定腔:

0<g1g2<1

2.2.2谐振腔的结构和分类非稳定腔:

g1g2<0或者g1g2>1特点：与光轴重合的光线不逸出，其他方向全部逸出、损耗大应用：大功率CO22.2.2谐振腔的结构和分类临界腔:

g1g2=0或者g1g2=1特点：介于稳定腔和非稳腔之间应用：研究和使用方面均有价值2.2.3激光模式2.2光学谐振腔和激光模式经典电磁场理论:在一特定空间的限制下,电磁场只能以一系列分立的本征态存在,通常将腔内可能存在的电磁场本征态称为腔的模式从光子的观点来看:腔的模式也就是腔内可区分的光子状态,同一模式的光子具有完全相同的状态激光是一种电磁波,在谐振腔中也只能以一系列的本征态出现,腔中每一个激光分立的本征态就是一个模式模式包括横模和纵模2.2.3激光模式纵模:频率特性及光束场强在纵向(光轴方向)的分布平行平面腔Gα/l腔内真正能形成振荡的阈值条件:G>=α/l描述激光场强在横向(光轴横截面)上的分布特征

TEMmn(TransverseElectromagneticWave)m、n：两个垂直方向出现暗线的次数.2.2.3激光模式横模对激光热加工有重要意义,反映了能量在光束横截面上的集中程度横模通常简称模式横模TEM00:基模,能量密度最集中的模式2.2.3激光模式横模ω(z)光斑半径，

ω0

高斯光束的束腰2.2.3激光模式低阶模2.2.3激光模式高阶模2.3高斯光束基模高斯光束及其的传播高斯光束的反射和聚焦基本内容：2.3.1基模高斯光束及其传播共焦腔的高斯光束(基模)非均匀的，曲率半径不断改变的球面波在光轴横截面光强呈高斯分布实心圆光斑光斑半径：光强降为中心强度的1／e2时的半径2.3.1基模高斯光束及其传播2.3.1基模高斯光束及其传播其他稳定腔,等效为一共焦腔高阶模的光束半径:光强下降到最外面一个极大值的1/e2时的半径2.3.1基模高斯光束及其传播已知束腰半径w0，可求出任一点z处的光斑直径及其横截面上的光强分布2.3.2高斯光束的反射及聚焦反射：只改变传播方向，不改变光束半径的大小和光强分布聚焦：高斯光束经薄透镜聚焦后，仍为高斯光束获得更小的光斑和更高的功率密度2.3.2高斯光束的反射及聚焦2.3.2高斯光束的反射及聚焦Z=F,有最大值Z<F,随Z增加而增加Z>F，随Z增加而减小2.3.2高斯光束的反射及聚焦3.1

激光器的组成激光工作介质：粒子数反转，提供受激放大，具备亚稳态的多能级系统激励源：提供能量，使粒子数反转，最后转化成激光能量谐振腔：选模，限制波形和提供反馈、增益，提供稳定振荡电源：为激励源提供能量冷却系统：冷却工作物质、谐振腔等控制系统：保证系统稳定可靠的工作

工作物质激励、受激辐射自激振荡增益

外界能量注入（泵浦）光学谐振腔

3.1

激光器的组成3.2

工业激光器主要内容：气体激光器固体激光器半导体激光器3.2.1

气体激光器增益介质为气体,可以是原子，分子或离子He-Ne激光器

CO2

分子激光器:高功率:45kw,欧洲尤里卡计划100kw高效率：量子效率达40％，电光总效率15％，Nd:YAG：2～3％高光束质量，连续稳定输出低阶模长波长：非金属吸收，金属强烈反射3.2.1.1CO2

激光器工作原理工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%；分子的内能：电子运动、原子间的振动、整体转动CO2激光器中CO2分子跃迁发生在基态电子的不同振转能级之间振动能级：V1V2lV3对称V1弯曲V2反对称V3l为弯曲振动的角量子数转动能级不存在纯振动，振动时一定处于某种转动之中整体旋转，转动的能量是量子化的振转能级形成CO2光谱的精细结构，200多条谱线3.2.1.1CO2

激光器工作原理气体放电，高速电子碰撞CO2分子，跃迁：CO2(000)+eCO2(001)+e电子撞击N2气分子，跃迁：N2(V=0)+e

N2(V=1)+e共振转移＋N2(振动能级E(v)与CO2(001)相近):N2(V=1)+CO2(000)N2(V=0)+CO2(001)激发过程（基态000跃迁到上能级001）3.2.1.1CO2

激光器工作原理受激辐射过程（能级001跃迁到100、020能级）模式1：能级001跃迁到能级100CO2(001)+光子CO2(100)+光子(10.6微米)模式2：能级001跃迁到能级020CO2(001)+光子CO2(020)+光子(9.6微米)受激辐射概率：

模式1>>模式23.2.1.1CO2

激光器工作原理弛豫过程（100、020000）两步跃迁：第一步：100、020010(很快)第二步：010000(很慢，加快气体)He气：下能级尽快排空，维持粒子数反转3.2.1.1CO2

激光器工作原理3.2.1.2CO2

激光器结构和分类工作气体不流动，管壁导热；结构简单，成本低；光束质量好，可得基模；运行无噪音、易于维护；输出功率小，1kw，50w/m封离式CO2

激光器3.2.1.2CO2

激光器结构和分类高频激励横流CO2激光器1.激光束2.切向排风机

3.气流方向4.热交换器

5.后镜6.折叠镜

7.高频电极

8.输出镜

9.输出窗口

一般气流的流动速度较慢,将热量从放电腔中带走。3.2.1.2CO2

激光器结构和分类轴流式CO2激光器

几个功能部件在谐振腔中采用了光学串联方式连接，这样既提高了功率，同时又保持了各部分独立设计的特点。

3.2.1.2CO2

激光器结构和分类轴流式CO2激光器工作原理3.2.1.2CO2

激光器结构和分类扩散冷却式CO2激光器（封离式再次归来）

射频气体在两个大面积铜电极之间放电，电极间隙很小，放电腔中通过水冷电极可达到很好的散热效果，或的相对较高的能量密度。结构紧凑、坚固，气体消耗小。

中心电路光束输出

谐振腔外壳气瓶3.2.1.2CO2

激光器结构和分类3.2.1.2CO2

激光器结构和分类

光束输出射频电源

真空泵3.2.1.2CO2

激光器结构和分类激光器类型：横流轴流扩散冷却输出功率等级：3~45kW1.5~20kW0.2~8kW

脉冲能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束传播系数(K)0.150.40.9

气体消耗：小大极小电-光转换效率：

15%15%30%

焊接效果：较好好优良

切割效果：差好优良

相变硬化：好一般一般

表面涂层：好一般一般表面熔覆：好一般一般

3.2.1.2CO2

激光器结构和分类3.2.2

固体激光器根据工作物质分类：红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，

Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，钕玻璃：激活离子：Nd，波长:1.06m，根据泵浦方式分类：氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒上，输出方式：脉冲；氪弧光灯泵浦:连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续；二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲；调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦），脉冲宽度：100~500ns，频率：几百~62kHz。

1、红宝石：Al2O3晶体中掺入少量Cr3+Cr3+是激活粒子，Al2O3晶体是基体三能级系统：基态E1：4A2激发态E3：4F1、

4F2亚稳态E2:E、2A由于谱线竞争，激光多产生于R1线(694.3nm)两个吸收能带410nm(蓝光带)550nm(绿光带)3.2.2.1

固体激光工作原理3.2.2.1

固体激光工作原理红宝石激光的特点在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充分利用光能化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导热性好阈值高，三能级系统，半数以上的抽运才能实现粒子数反转，需要较大的泵浦光能温度影响大50度以上功率减小，300度温度猝灭红宝石棒成本高发散角大3～10mrad、总效率低0.2~0.5%3.2.2.1

固体激光工作原理第一台红宝石激光器3.2.2.1

固体激光工作原理YAG:Y3Al5O12（Y2O3

和Al2O3按3：5克分子比）Nd3+

代替Y3+:Y2.97Nd0.03Al5O12Nd3+：四能级系统两条吸收谱线：750nm和810nmE0(光激励)E3E2(10－3s)(10.6um)E1E0Nd3+:YAG晶体能级结构E*10-3cm-122201816121086420750nm810nm10600nmE0E1E2E3Nd:YAG激光器(掺铷镱铝石榴石)掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)的特点阈值低，需要的光泵浦功率小优良的物理、化学性能良好的导热性能、热膨胀系数小吸收谱线宽度窄，对光源质量要求高目前能够用于制作大功率固体激光器的物质3.2.2.1

固体激光工作原理灯泵浦Nd:YAG激光器

大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径7~10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50~800W。

3.2.2.2

固体激光器结构3.2.2.2

固体激光器结构

将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高功率的激光束，每个独立的棒可通过透镜引导并规则的排列起来。目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。输出4kW功率。1kW的脉冲Nd:YAG激光器半导体泵浦YAG激光器

半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。

低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：侧向、横向泵浦3.2.2.2

固体激光器结构1.Nd:YAG晶体棒2.激光束3.输出镜4.半导体阵列5.后镜6.冷却水7.电源3.2.2.2

固体激光器结构

YAG激光器的氪弧灯与半导体泵浦源的谱线分布

半导体激光的发射光和Nd:YAG吸收波段之间的良好光谱匹配降低了Nd:YAG晶体上的热负荷，从而可获得较好的光束质量，提高激光输出功率和脉冲重复频率。

较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度光束质量高：工作距离大瑞利长度大：焦点位置对公差不敏感半导体泵浦YAG激光器在材料加工中的优势3.2.2.2

固体激光器结构半导体泵浦盘式Yb:YAG激光器3.2.2.2

固体激光器结构3.2.2.2

固体激光器结构免调整型腔体3.2.2.2

固体激光器结构Yb：YAG激光器中的半导体泵浦源3.2.2.2

固体激光器结构输出功率3000W，双圆片设计3.2.2.2

固体激光器结构输出功率3000W，双圆片设计3.2.2.2

固体激光器结构热透镜效应比较YAG棒的设计圆盘的设计盘式激光器的优点3.2.2.2

固体激光器结构焊接中碳钢3.2.2.2

固体激光器结构振镜扫描焊接结果半导体泵浦YAG激光半导体泵浦盘式激光3.2.2.2

固体激光器结构激光器类型：YAG

CO2

光束波长:1.06m10.6m输出功率等级：0.1~5kW0.5~45kW脉冲能力：DC-60kHzDC-5kHz光束模式：多模TEM00-多模光束传播系数（K）

0.150.1-0.9

电-光转换效率：3-10%15-30%光束传输:光学镜片或光纤光学镜片焊接效果：优良好切割效果：一般优良表面处理:好好运行成本:高低

CO2、YAG激光器性能比较3.3

半导体激光器

半导体激光器半导体结构内的电子空穴复合时，可以在非常窄、非常薄的区域内产生几毫瓦功率的光。

典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度约为600µm。许多这样的元件组合起来可形成一个“激光条”。半导体激光波长808，940，980nm。3.3

半导体激光器

激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。3.3

半导体激光器

激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。3.3

半导体激光器

激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。Fast–axiscollimationSlow–axiscollimation3.3

半导体激光器

进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常将这样的单元结构称为“堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW。半导体激光能量几乎是无限的光从一个区域发出光从不相干的光远发出聚焦性差“亮度低”3.3

半导体激光器与常规激光器增加能量方法的不同之处半导体、CO2、NdYAG激光器的比较光束传播方式附带电源的大功率半导体激光器半导体激光加工头3.3

半导体激光器不同激光器的外观CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比工业激光器总结3.3

激光加工光学系统作用:激光束的传输和处理(光斑大小和光强分布)—光学材料(反射材料和透射材料)—聚焦光学系统—匀光系统—导光系统3.3.1

光学材料YAG:1.06um，近红外，传统玻璃（硅酸硼冕牌玻璃），镀膜CO2:10.6um,红外光学材料高反射率光学材料：铜、钼、硅、锗透射材料：锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、砷化镓(GaAs),氯化钾(KCl)3.3.1

光学材料3.3.1

光学材料3.3.2

聚焦光学系统透射聚焦：2kw以下时常用良好的聚焦性能