激光加工物理基础

第三讲激光加工物理根底简介(一)激光加工是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料的相互作用，引起材料一系列复杂的物理和化学变化，从而实现材料的制备、成形、改性、联接和去除等。按照光与物质的相互作用机理，激光加工可分为基于光热效应的“热加工〞和基于光化学效应的“冷加工〞两种。激光加工的根本概念激光的多维性特征DissociationlimitIonizationlimitGroundstatemoleculesElectronicexcitationusingaUVlaserVibrationalexcitationusinganIRlaserhvPhotoionizationhve-hvIonization激光“冷〞加工激光热加工激光加工的物理机制材料加工用典型激光器YAGlasersCO2lasersCOlasersRubylasersCOILlasersSolidstatelasersGaslasersDiodelasersDouble(triple)frequencyYAGlasersExcimerlasersCOIL

—

ChemicalOxygen-IodineLaser

(化学氧碘激光器)Nd:YAG—NeodymiumdopedYttriumAluminiumGarnet

(掺钕钇铝石榴石)Excimer—ExcitedDimer(准分子)几种典型激光的光子能量CO2激光器：

=10.6

m、

=h

=0.12eVCO激光器：

=5.4

m、

=h

=0.23eVCOIL激光器：

=1.32

m、

=0.93eVNd:YAG激光器：

=1.06

m、

=h

=1.16eV半导体激光器：

=800-980nm、

=1.25~1.54eV三倍频YAG激光器：

=355nm、

=h

=3.48eV

KrF准分子激光器:

=248nm,

=h

=4.9eV

CO2和YAG等红外激光器，光子能量低，加工过程是以热的形式表达，即材料吸收激光能量引起温度升高、熔化或汽化，从而实现材料外表热处理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割，等等，是为激光热加工。紫外波长的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子的结合能相当〔高分子聚合物主要由H、C、O、N组成，其中C-H键的键能只有3.5eV〕，因此，紫外激光作用在这类物质上将可能直接打破分子间的结合键，依靠所谓的光化学作用实现对该种材料的剥蚀加工，是为激光冷加工。但是，高聚物中的C-O,N-N,C-N的键能均高于所有紫外光子的能量，紫外激光加工聚合物实际上是同时存在光解和热解两个过程。紫外激光加工金属和大多数的非金属那么仍然是基于光热效应的热加工。红外飞秒激光加工是属于热加工，还是冷加工？激光制造工艺方法1、激光热加工固态加热退火、外表相变硬化热应力成形、矫直控制断裂切割激光辅助切削加工……熔化外表抛光外表重熔改性、外表合金化、熔覆外表织构化金属零件增材成形、再制造热传导焊接……2、激光“冷〞加工刻蚀光固化(多光子聚合)成形激光辅助化学蚀除功能材料激光辐照改性……汽化熔深焊接切割、制孔、雕刻物理/化学气相沉积、外表清洗冲击波改性、冲击波成形……激光热加工根本物理过程示意图a.固态加热b.表面重熔c.小孔效应d.等离子体屏蔽103W/cm2108W/cm2激光焊接熔深/熔宽与激光功率〔密度〕的关系材料:st37-2低碳钢RS20000CO2激光器,D=100mm,f=300mm,df=1.1mm,

f=0V=2m/min无辅助气体外表加热切割深熔焊接不同加工方法激光束入射条件示意实现不同激光加工之简单方法激光加工工艺与激光功率密度及作用时间的关系激光加工的特点激光的应用必然是充分地利用激光独有的特性,寻找KILLERAPPLICATIONS！金属对激光吸收的一般规律吸收系数与穿透深度I0I(z)R：材料表面的反射率；：材料的吸收系数（cm-1）k：材料吸收指数

：激光波长

光在介质界面上的反射和折射电场强度E和磁场强度H的切线分量在界面上连续；电位移矢量D和磁感应强度B的法向分量在界面上连续12i0

垂直入射时的反射率和吸收率金属对激光的吸收金属中存在大量的自由电子，如果光子的能量较低〔CO2和YAG等红外激光属于此类〕，通常只对金属中的自由电子发生作用，也就是说能量的吸收是通过金属中的自由电子这个中间体，然后电子通过碰撞将能量传递给晶格。Drude反射率和吸收率我们可以很直观地看出，辐射激光的波长越短〔即圆频率越大〕、导电性越差〔即电导率0越小〕，金属对入射激光的吸收率越高。Hagen-Rubens关系式

在低频辐射时，即上述反射率和吸收率是Drude反射率和吸收率的一种特例，其适应范围是十分有限的。对于高导电性金属，仅在长波辐射时有效〔如金属Ag，波长须大于500m〕，对于弱导电性金属，公式的适应范围可以扩大到中红外〔如金属Hg，波长大于7m即可〕。因此，就现有的可用于金属材料加工的激光器件而言，只有在CO2激光辐射弱导电性金属时，才可以采用以上公式计算金属的反射率和吸收率。带间吸收

当激光的波长较短(<0.5m)时，由于激光光子的能量较大，激光除与自由电子发生相互作用之外，还可对金属中的束缚电子发生作用，引起价带电子向导带电子的跃迁，从而使金属的反射能量降低，透射能量增强，金属对激光的吸收率增大。因此，对可见和紫外激光，必须考虑带间跃迁(interbandtransitions)引起的吸收增加，即带间吸收AIB(Interbandabsorption)。因此，金属的吸收率由以下二局部组成，称为金属的内在吸收或固有吸收，用Ai表示：激光垂直入射时室温下金属的吸收率反射率和吸收率与激光偏振状态和入射角的关系什么是光的偏振电磁波中起光作用的主要是电场矢量，所以电场矢量又叫光矢量。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。光波为横向电磁波，电场、磁场、传播速度三者相互垂直：五种常见的光的偏振态：一、线偏振光光矢量只沿一个固定的方向振动，也就是说光矢量只在同一个平面内振动，因此线偏振光也称为平面偏振光。偏振面偏振面：光矢量的方向和光的传播方向构成的平面光振动在图示平面内光振动在垂直于图示平面内二、自然光自然光不仅初相位彼此不相关，而且光振动的方向也是随机分布的。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均来说，光矢量具有轴对称而且均匀分布，各方向光振动的振幅相同。三、局部偏振光介于线偏振光和自然光之间，在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之间没有固定的相位关系。在图示平面内的光振动较强在垂直于图示平面内的光振动较强在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定的频率旋转〔左旋或右旋〕。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光。四、圆偏振光五、椭圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光中的光矢量的转动相当于两个相互垂直的振动的合成，这两个分振动之间有确定的相位关系。具体来说，两束偏振面垂直的线偏振光叠加，当相位固定时，获得椭圆偏振光，当两束偏振光的强度相等且相位为/2或3/2时，得到圆偏振光。反射和折射时光的偏振自然光在两种各向同性介质分界面上反射和折射时，不仅光的传播方向要改变，而且偏振状态也要发生变化。一般情况下，反射光和折射光不再是自然光，而是局部偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振动，而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动。自然光反射和折射后产生部分偏振光布儒斯特定律：反射光的偏振化程度和入射角有关。当入射角等于某一特定值i0时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光。这个特定的入射角称为起偏角，即布儒斯特角。当光以布儒斯特角入射时，反射光和折射光垂直，有：i0i0

n1n2反射率和吸收率与激光偏振态和入射角的关系吸收率与激光偏振状态和入射角的关系吸收率%入射角

铁切割前沿激光的偏振状态

切割方向切割方向切割前沿不同位置的吸收率与激光偏振状态的关系切割前沿位置方位角()吸收率线偏振光切割时切口质量不均匀切割前沿能量耦合效率与偏振状态的关系吸收率倾斜角

偏振态对焊接的影响采用平行偏振光进行外表处理采用垂直偏振光进行焊接实验理论入射角吸收率不锈钢FdfF－压力，df－聚焦光斑直径焊接区聚焦镜激光束激光束激光束激光束导带槽压力轮传送轮导带轮激光束带材聚焦镜导带槽线偏振激光的获得a)b)圆偏振激光的获得入射激光线偏振光圆偏振光圆偏振镜外表状态对吸收率的影响室温下不同金属对CO2激光的吸收率实际金属表面的吸收率由两部分组成

金属的光学性质所决定的固有吸收率Ai和表面光学性质所决定的附加吸收率Aext

Ai—金属的固有吸收率Aext—表面状态引起的附加吸收率Ar—表面粗糙度引起的附加吸收率Aid—杂质与缺陷引起的附加吸收率Aox—表面氧化物引起的附加吸收率外表粗糙度的影响室温下35NCD16钢不同外表状态时对不同波长激光的吸收率缺陷和杂质的影响不同外表加工方法制造的铜镜的特性氧化物的影响当暴露于空气中时，常规金属外表多数情况下覆盖着一层氧化物。氧化层的厚度X和结构取决于金属试件的准备和经历的时间，相当厚的氧化层可以使试件的吸收率增加一个数量级甚至更高。氧化层对吸收的影响还取决于激光波长。例如，通常情况下，铝外表的自然氧化铝层是很薄的(X<10nm)。在准分子激光产生的紫外区220nm，薄的氧化膜层的附加吸收超过金属的固有吸收，即AoxAi；但是，在同样的氧化铝膜对CO2激光却是完全透明的。铝外表40A厚的自然氧化铝膜层对CO2激光的附加吸收缺乏铝的固有吸收的1.6%，即Aox0.016Ai，然而采用阳极氧化处理铝外表所得到的氧化铝厚膜对CO2激光的吸收率接近100%。金属吸收率随温度的变化当温度升高时，金属中电子的热运动加剧，直流电阻率增大，因此随着温度升高，如果不存在带间吸收，也就是说针对红外激光，金属的固有吸收率增大。理论和实验研究均说明，针对红外激光，金属吸收率与温度依赖关系可以用下面简单的表示式来描述：当金属从固相转变成液相时，每个金属原子的导电电子数、金属密度以及金属的直流电阻率同时改变，因此，我们可以预期在金属的熔点处从固态转变成液态时金属的吸收率有一个台阶增长。几种纯金属对10.6

波长光波的吸收率与温度的关系的理论计算结果单晶铝对10.6

波长光波的吸收率的温度依赖关系的实验结果铝试样对10.6

波长光波的吸收率的温度依赖关系的实验曲线反常吸收效应(Theeffectofanomalousabsorption)(a)空气中，1atm，(b)真空，残余压力：0.5torrA0：低功率CO2激光辐射时，铜的吸收率；曲线1,2,3：高能脉冲TEACO2激光辐射形成等离子体后,铜(曲线1)、表面有NaF(曲线2)和NaCl(曲线3)薄涂层的铜的吸收率金属的激光加热金属吸收激光是通过自由电子这一中间体，然后通过电子与晶体点阵的碰撞将多余能量转变为晶体点阵的振动。电子和晶体点阵碰撞总的能量的弛豫时间的典型值为10-13s，因此可以认为材料吸收的光能向热能的转变是在一瞬间发生的。由于金属中的自由电子数密度很高，金属对光的吸收系数很大，约为105~106cm-1。对于从波长0.25m的紫外光到波长为10.6的红外光这个波段内的测量结果说明，光在各类金属中的穿透深度仅为10nm数量级，也就是说，透射光波在金属外表一个很薄的表层内被吸收。因此金属吸收的激光能量使外表金属加热，然后通过热传导，热量由高温区向低温区传递。Thelaserheatingsource多模激光束，可以假设在半径为rF的圆形光斑内能量分布是均匀的，即：对于高斯光束，当光斑特征尺寸是由光强为中心光强的1/e2时的半径决定时〔光斑内的功率密度占总功率的86%〕：当光斑特征尺寸是由光强为中心光强的1/e时的半径决定时：Theheatconductionequation式中为材料密度，C为(定压)比热，T为温度，t为时间，K为材料导热系数，Q为单位时间单位体积内的发热量。激光外表加热时，光能在材料外表被吸收，不存在体积热源，Q=0，激光的作用按边界条件处理。配合其它的边界条件，