材料激光加工：第三章工业激光器及激光加工系统

材料激光加工

LaserMaterialProcessing课程主要内容第一章概述第二章激光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第七章激光表面处理第三章工业激光器

及激光加工系统主要内容：激光器的组成工业激光器激光加工光学系统激光加工设备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、小光斑与工作区域较近、容易污染（气流保护）热透镜效应反射聚焦：可用于大功率高导热材料、背面冷却镜面稳定、热畸变小、破坏阈值高同轴球面聚焦、离轴球面聚焦、校正的离轴球面聚焦3.3.2

聚焦光学系统Reflective4kWNd:YAGbeamprint~150mmfocallength0.6mmPowerdensityatfocus~1,500,000W/cm2Transmissive3.3.2

聚焦光学系统3.3.2

聚焦光学系统双焦点的获得3.3.3

匀光系统目的：功