雷射加工原理与应用

雷射加工原理與應用雷射的歷史雷射(laser)是LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation的簡稱。雷射的觀念最早可訴溯及本世紀初，1905年愛因斯坦依據一般相對性理論首次提出光量子假說，開啟雷射的觀念探討，緊接在1917年愛因斯坦又提出受激輻射理論，加速了雷射理論的成熟。1960年美國休斯公司實驗室，梅曼〔Maiman〕工程師製造出全世界第一具紅寶石雷射，Maiman博士因而獲得了雷射之父的譽稱，其後數十年雷射的各項運用發展得極為快速，尤其是醫療用途最為成功。

主要雷射的應用雷射主要波長（nm）主要應用He-Ne（氦氖）632.8各種計測（照準、測距、精密測長、速度等）、干涉計、通信、情報處理Ar，Kr（氬、氪）514，496（Ar）647（Kr）全息術、醫療（治療與診斷）、加工（製版、退火、光CVD）He-Cd（氦鎘）442325光碟、製版、傳真、印字器CO210.6μm加工（切斷、熔接、表面處理、退火）、醫療（雷射手術刀）、雷射雷達、核融合能量驅動器Nd：玻璃

紅寶石1.06μm694核融合能量驅動器、加工雷射雷達、加工（開孔、點熔接）、電漿診斷、高速全息術色素雷射950~380分光分析、同位素分離、醫療、超短脈衝光半導體雷射1.3~1.20.9~0.78μm通信、光情報處理裝置（光碟記憶等）各種計測用光源、醫療（雷射針）雷射光的特點重要雷射的種類1.氣體雷射2.液態雷射3.固體雷射4.半導體雷射氣體雷射二氧化碳雷射的能階液態雷射溶解在水或其他溶劑中的染料，在以光照激發後，得以成為雷射介質。每一種染料，在以適當的波長激發後，可以在某一範圍內調變它輸出的雷射波長，並且更換不同的染料及激發光源，雷射輸出波長可包含全部可見光及其附近的紫外線和紅外線，在基礎科學研究上極具價值。前述的離子雷射原本是染料雷射的最正确激發光源，現在又有倍頻的固態晶體雷射可取而代之。固體雷射人造紅寶石中的鉻離子，是梅曼最先發現的雷射介質。他原本是研究以紅寶石強化微波，卻發現它可以強化深紅色的光波。紅寶石並不是優良的雷射介質，它的效率甚差，但因它是世上第一具雷射，其歷史價值相當重要。寄居在釔鋁石榴石中的釹離子，是一種優良的雷射介質，稱為釹—釔鋁石榴石〔Nd：YAG〕雷射。起初研發這雷射時是以放電燈為激發光源，吸收光源中以810奈米為中心的紅外線，發出1.064微米的雷射光，效率約3％。現在以波長808奈米的半導體雷射為激發光源，總效率可達20％，是現有雷射中最優秀的。現在石榴石雷射的輸出可達數千瓦，成為極佳的工業用雷射。寄居在藍寶石晶體中的鈦離子，經以綠色雷射光激發後，可發出波長可調範圍甚廣的雷射光。且時間甚短，是非常有用的光源。紅寶石中鉻離子的能階釔鋁石榴石中釹離子的能階半導體雷射正〔P〕型與負〔N〕型半導體接觸時，在接觸面附近會形成空乏區。假设對P型和N型側各施以正和負偏壓，則可驅趕電洞和電子進入空乏區，電洞和電子的結合會釋出能量並導通電流。因為電子和電洞分居高和低能級，偏壓就能在空乏區造成群數反轉。如果能級間差距夠大且電子和電洞移動夠快，就足以產生雷射作用。砷化鎵系列或三五族半導體，在摻入雜質後可成為P型或N型的半導體，二者接觸後的空乏區在施以偏壓後可發出波長840奈米一帶的雷射光。半導體雷射本身甚小，在封裝後也僅及米粒的體積，輸出功率也不高。假设把一群半導體製成雷射陣列，體積雖仍然很小但輸出甚高，可用以激發石榴石雷射，甚至有工業上的用途。雷射控制技術1.調Q技術

2.鎖模技術

調Q技術調Q技術也叫Q開關技術，是一種獲得顶峰值功率、窄脈寬雷射脈衝的技術，可將雷射脈寬壓縮至奈秒量級〔峰值功率達106W以上〕。通常，將這種顶峰值功率的窄脈衝叫做巨脈衝。調Q的根本理論1.脈衝固體雷射器輸出的弛豫振盪光源越強，尖峰脈衝個數越多，但其包絡的峰值增加並不多。將這種現象叫做雷射器輸出的弛豫振盪〔或尖峰振盪〕。弛豫振盪形成的主要原因是：隨著光源的作用，雷射器達到其振盪閾值產生雷射振盪，腔內光子數密度上升，輸出雷射。隨著雷射的發射，上能階粒子數被大量消耗，使反轉粒子數密度下降，到低於閾值時，雷射發射停止。在脈衝形成的過程中，雷射器的閾值始終保持不變，是產生弛豫振盪最根本的原因。2.共振腔的品質因素Q在電子技術中，用Q值來描述一個共振回路品質的上下。在雷射技術中，用Q值來描述一個共振腔的品質，稱其為共振腔的品質因數。3.調Q的根本原理將器件的閾值調低，那麼累積在上能階的大量粒子，便雪崩式地躍遷到雷射下能階，在極短的時間內將儲存的能量釋放出來，而獲得峰值功率極高的雷射脈衝輸出。4.調Q雷射器的兩種儲能方式調Q雷射器可以分為工作物質儲能調Q和共振腔儲能調Q兩類。1.工作物質儲能調Q工作物質儲能調Q，也叫脈衝反射式調Q，簡稱PRM法(PulseReflectionModel)。

(1)工作過程脈衝激發的調Q過程。圖中，Wp為激發速率，Δni為Q值階躍變化時的反轉粒子數密度，Δnt為閾值反轉粒子數密度，Δnf為振盪終止時工作物質殘留的反轉粒子數密度，為腔內的光子數密度。連續激發高重複率調Q過程。

(2)工作物質儲能調Q的特點

在雷射振盪終止時，工作物質中殘留了一部份反轉粒子數Δnf，即工作物質中的儲能。2.共振腔儲能調Q

共振腔儲能調Q，也叫脈衝透射式調Q，簡稱PTM法(PulseTransmissionModel)。能量以光子的形式儲存在共振腔中，當腔內光子數密度達到最大值時，瞬間將腔內能量全部輸出，因而也叫做腔倒空法。鎖模技術根本概念鎖模的主要方法

按照鎖模的工作機制，實現鎖模的方法分為主動鎖模、被動鎖模、同步激發鎖模、自鎖模及碰撞鎖模等多種形式。一、主動鎖模主動鎖模採用週期性調制諧腔參數的方法。在共振腔中插入一個受外界訊號控制的調制器，用一定的調制頻率週期性地改變腔內振盪模的振幅或相位。當選擇調制頻率等於縱模間隔時，對各個模的調制會產生邊頻，邊頻又與兩個相鄰縱模的頻率相一致，由此引起模之間的相互作用。主動鎖模的實現多採用聲光或電光調制器。2.被動鎖模被動鎖模是將可飽和吸收體放在共振腔內加以實現的。其原理主要是利用可飽和吸收體的非線性吸收效應。當腔內的光強度達到一定值時，可飽和吸收體對光的吸收達到飽和，透過率變為100%。有機染料是一種很合適的可飽和吸收體。3.同步激發鎖模用一台主動鎖模雷射器的脈衝序列作為種子脈衝去激發另一臺雷射器使其實現鎖模，稱之為同步激發鎖模。優點在於週期性激發時，可以獲得比激發脈衝寬度窄得多的脈衝。4.自鎖模當工作物質自身的非線性效應，已能夠保持各個振盪縱模頻率的等間隔分佈，且彼此之間有確定的初相位關係，不需要在共振腔內插入任何調制元件即可實現鎖模，稱之為自鎖模。典型的自鎖模雷射器——摻鈦藍寶石雷射器。雷射加工特色1.適用於微細加工、切斷、熔接、外表處理。2.可加工金屬、非金屬、複合材料等幾乎所有種類的材料，也容易加工高融點材料或高硬度材料。3.藉光路變換或光束分割，可同時或時間分割進行不同場所的加工。可在大氣中、真空中加工。4.無加工反力施加於加工中的被加工物，容易設定被加工物的位置，可行尺寸精度高而形狀複雜的加工。5.適於利用微電腦等電腦控制〔CNC〕使加工自動化。雷射加工的缺點1.需開發使加工部門週邊之熱影響成最小限度的加工施行技術。2.因是新加工技術，實用的加工資料缺乏，加工可靠性的確立需一段時間。3.裝置價格比傳統加工裝置價格高。雷射加工的種類1.雷射修整2.切斷3.熔接4.外表處理雷射修整雷射切斷

利用高功率密度的雷射光束掃描材料外表，在極短時間內將材料加熱到數千至上萬攝氏度，使材料熔化或汽化，再用高壓氣體將熔化或汽化物質從切縫中吹走，達到切割材料之目的。

雷射切割機雷射切斷的特色1.切斷的尺寸精度不因材料硬度而變，易得0.1mm的精度。2.可切斷陶瓷等高融點材料。3.切斷寬度小(0.1~0.2mm)，切斷面平滑。4.加工精度高，可有效活用材料，不浪費。5.藉電腦控制可高速高精度切斷複雜的圖形，也可立即順應切斷形狀的變更。雷射熔接

很多YAG雷射和低輸出的CO₂雷射用於電子零件或薄板零件材的熔接，最近日本開發輸出數kW以上的工業用CO₂雷射，雷射熔接已實用於汽車工業、重工業、製鐵業等。焊接機雷射系統

雷射熔接的特色1.熔珠寬度窄，熔入度深。2.熱影響層薄，熔接部的機械性強度與母材強度同等。3.入熱少，熱變形小，可行尺寸精度高的加工。4.可彈性、迅速順應材質或版厚的變更。5.可行異種金屬的熔接。外表處理合金化雷射合金化處理是在鐵鋼等低價格零件才外表添加合金化所必要的材料，照射雷射光，把外表加熱、熔融，在構件材外表形成任意合金層，改善構件材的耐蝕性、耐磨耗性、耐氧化性等。因金屬外表急速熔融和固化，可得均勻