第5章-高能束加工

1、2 高能束流主要有：高能束流主要有：激光加工（Laser Beam Machining，簡(jiǎn)稱LBM）電子束加工（Electron Beam Machining，簡(jiǎn)稱EBM）離子束加工（Ion Beam Machining，簡(jiǎn)稱IBM）激光加工僅僅是激光應(yīng)用的一方面：激光加工僅僅是激光應(yīng)用的一方面：3導(dǎo)入案例導(dǎo)入案例 機(jī)載激光系統(tǒng)摧毀飛行靶彈機(jī)載激光系統(tǒng)摧毀飛行靶彈45艦載激光炮 Laser-Machine Gun Mk 38 MOD 2 Tactical Laser System (BAE Systems)導(dǎo)入案例導(dǎo)入案例 6激光核聚變示意圖激光核聚變示意圖導(dǎo)入案例導(dǎo)入案例 78近視手術(shù)導(dǎo)入案

2、例導(dǎo)入案例 95.1 激光加工激光加工 激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，在材料加工方面，已逐步形成一種嶄新的加工方法激光加工。激光加工可以用于打孔、切割、電子器件的微調(diào)、焊接、熱處理等各個(gè)領(lǐng)域。由于激光加工不需要加工工具、而且加工速度快、表面變形小，可以加工各種材料，已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中越來越多的顯示了它的優(yōu)越性，受到人們的普遍重視。 n激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度，靠后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度，靠光光熱效應(yīng)熱效應(yīng)來加工的。來加工的。n激光加工不需要工具、加工速度快、表激光加工不需要工具、加工速度快、表面變形

3、小，可加工各種材料。面變形小，可加工各種材料。10為什么激光可以用于加工？n普通太陽光普通太陽光n聚焦后可以點(diǎn)燃木材、紙張，但不能用于加聚焦后可以點(diǎn)燃木材、紙張，但不能用于加工，原因是：工，原因是：1）地面上的太陽光的能量密）地面上的太陽光的能量密度不高；度不高；2）太陽光不是單色光，聚焦后不）太陽光不是單色光，聚焦后不在同一平面內(nèi)在同一平面內(nèi)n激光激光n可控的可控的單色光單色光，強(qiáng)度高，能量密度大，強(qiáng)度高，能量密度大，可以在空氣介質(zhì)中高速加工各種材料。可以在空氣介質(zhì)中高速加工各種材料。11125.1.1 激光加工簡(jiǎn)介激光加工簡(jiǎn)介激光加工：激光加工： 靠光熱效應(yīng)來加工各種材料其過程大體分為：其

4、過程大體分為： 激光束照射材料，材料吸收光能，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁共牧霞訜?，通過汽化和熔融濺出使材料去除或破壞等。c激光加工示意圖13v 適應(yīng)性強(qiáng)：可在不同環(huán)境中加工不同種類材料;v 加工效率好：在某些情況下，用激光切割可提高效率820倍; v 加工質(zhì)量好：利用激光具有的能量密度高、瞬態(tài)性 和非接觸等特點(diǎn)，屬于局部加工，對(duì)非激光照射 部位影響較小;v 綜合效益高:激光打孔的直接費(fèi)用可節(jié)省2575，間接加工費(fèi)用可節(jié)省5075。激光加工的特點(diǎn)：激光加工的特點(diǎn)：14 激光加工系統(tǒng)：激光加工系統(tǒng)：v 激光器：主要由激勵(lì)系統(tǒng)、激光物質(zhì)、光學(xué)諧振腔三部分組成;v 導(dǎo)光系統(tǒng)：進(jìn)行光束的傳輸，光束的折射、聚焦或散

5、射;v 加工裝置：承載加工工件使加工工件與激光束相對(duì)運(yùn)動(dòng); v 輔助裝置：比如光學(xué)元件的冷卻系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)裝置、外圍安全裝置等。15三維光纖激光加工系統(tǒng)16小功率CO2激光加工系統(tǒng)5軸激光加工系統(tǒng)大型懸臂激光加工系統(tǒng)桌面型激光加工系統(tǒng)激光加工的物理基礎(chǔ)激光加工的物理基礎(chǔ)能級(jí)能級(jí)：原子（分子或離子）具有一系列不同的運(yùn)動(dòng)：原子（分子或離子）具有一系列不同的運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)，每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都狀態(tài)，每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都 有其確定的能量值。有其確定的能量值。 這些不同狀態(tài)的能量值是分立的，稱為能級(jí)。這些不同狀態(tài)的能量值是分立的，稱為能級(jí)。 EE1E2excited stateground state1717

6、原子的發(fā)光原子的發(fā)光n原子的激發(fā)、躍遷原子的激發(fā)、躍遷n基態(tài)時(shí)原子可長(zhǎng)時(shí)間存在，激發(fā)基態(tài)時(shí)原子可長(zhǎng)時(shí)間存在，激發(fā)態(tài)時(shí)原子停留時(shí)間很短。態(tài)時(shí)原子停留時(shí)間很短。n有些原子在某些能級(jí)上停留時(shí)間有些原子在某些能級(jí)上停留時(shí)間較長(zhǎng)，這些能級(jí)稱為較長(zhǎng)，這些能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)n亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在是形成激光的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在是形成激光的重要條件重要條件n原子的躍遷是以光子的形式釋放原子的躍遷是以光子的形式釋放能量能量n物質(zhì)發(fā)光物質(zhì)發(fā)光自發(fā)輻射自發(fā)輻射和和受激輻射受激輻射兩兩種種18自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射：在沒有外來光子的情況下，自發(fā)輻射：在沒有外來光子的情況下， 原子自發(fā)躍遷發(fā)出的光子。原子自發(fā)躍遷發(fā)

7、出的光子。N2N1E2E1兩能級(jí)滿足躍遷選擇定則兩能級(jí)滿足躍遷選擇定則N2N1E2E1自發(fā)地、各自獨(dú)立自發(fā)地、各自獨(dú)立地、彼此無關(guān)地、地、彼此無關(guān)地、無規(guī)律地?zé)o規(guī)律地1919特點(diǎn)特點(diǎn)：是個(gè)隨機(jī)過程，各波列間沒有固定位：是個(gè)隨機(jī)過程，各波列間沒有固定位 相關(guān)系，可以有不同的偏振方向、傳相關(guān)系，可以有不同的偏振方向、傳 播方向、相互間不相干，自發(fā)輻射的播方向、相互間不相干，自發(fā)輻射的 能量平均地分配到腔內(nèi)所有模式上。能量平均地分配到腔內(nèi)所有模式上。所以所以：自發(fā)輻射為主的光源，方向性、相：自發(fā)輻射為主的光源，方向性、相干干 性、單色性差。性、單色性差。2020N2N1E2E1兩能級(jí)滿足躍遷選擇定則

8、兩能級(jí)滿足躍遷選擇定則=h=E2-E1外來光子外來光子 E E2 2能級(jí)的原子有可能受到外來光的激能級(jí)的原子有可能受到外來光的激勵(lì)作用，而躍遷到能級(jí)勵(lì)作用，而躍遷到能級(jí)E E1 1上，同時(shí)發(fā)上，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來光子完全相同的光子。射一個(gè)與外來光子完全相同的光子。受激輻射受激輻射2121激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生n某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的物質(zhì)，某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的物質(zhì)，在外來光子的激發(fā)下會(huì)吸收在外來光子的激發(fā)下會(huì)吸收光能，使處于高能級(jí)原子的光能，使處于高能級(jí)原子的數(shù)目大于低能級(jí)原子的數(shù)數(shù)目大于低能級(jí)原子的數(shù)目目粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)n若有一束光照射，光子的能若有一束光照射，光子的能量等于這兩個(gè)能相對(duì)應(yīng)的差

9、，量等于這兩個(gè)能相對(duì)應(yīng)的差，這是就會(huì)產(chǎn)生受激輻射，輸這是就會(huì)產(chǎn)生受激輻射，輸出大量的光能。出大量的光能。222 激光的特性激光的特性n激光具有光的共性（反射、折射、繞射及干激光具有光的共性（反射、折射、繞射及干涉等等）涉等等）n普通光源的發(fā)光是自發(fā)輻射，基本上是無秩普通光源的發(fā)光是自發(fā)輻射，基本上是無秩序的、相互獨(dú)立地產(chǎn)生光發(fā)射。發(fā)出的光波序的、相互獨(dú)立地產(chǎn)生光發(fā)射。發(fā)出的光波的方向、相位和偏振狀態(tài)都不同。的方向、相位和偏振狀態(tài)都不同。n激光是受激輻射，有組織、相互關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生激光是受激輻射，有組織、相互關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生發(fā)射，發(fā)出的光波具有發(fā)射，發(fā)出的光波具有相同的頻率、方向、相同的頻率、方向、偏振狀

10、態(tài)和嚴(yán)格的相位偏振狀態(tài)和嚴(yán)格的相位。所以激光具有。所以激光具有強(qiáng)度強(qiáng)度高、單色性好、相干性好和方向性好高、單色性好、相干性好和方向性好。23強(qiáng)度高：強(qiáng)度高：n可以實(shí)現(xiàn)光能在空間上和時(shí)間上的亮度可以實(shí)現(xiàn)光能在空間上和時(shí)間上的亮度和能量集中。和能量集中。24單色性好：?jiǎn)紊院茫簄單色光的單色光的譜線寬譜線寬是衡量單色性好壞的尺是衡量單色性好壞的尺度。度。n比氪燈提高上萬倍。比氪燈提高上萬倍。25相干性好：相干性好：n用于測(cè)量，如激光干涉儀用于測(cè)量，如激光干涉儀2620L方向性好：方向性好：n用光束的發(fā)散角表示用光束的發(fā)散角表示n發(fā)散角最小可以達(dá)到發(fā)散角最小可以達(dá)到0.1*10-3sr27激光加工的

11、原理和特點(diǎn)（續(xù)）4 4）與電子束相比，加工裝置較簡(jiǎn)單）與電子束相比，加工裝置較簡(jiǎn)單5 5）激光加工是一種）激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、氣化瞬時(shí)、局部熔化、氣化的熱的熱加工，加工，影響因素很多影響因素很多。n精微加工時(shí)的精度，尤其是重復(fù)精度和表面精微加工時(shí)的精度，尤其是重復(fù)精度和表面粗糙度不易保證。粗糙度不易保證。n由于光的反射作用，對(duì)于表面光澤或透明的由于光的反射作用，對(duì)于表面光澤或透明的材料的加工，需要先進(jìn)行材料的加工，需要先進(jìn)行色化或打毛色化或打毛處理。處理。激光激光無法無法加工出加工出非常光澤的表面非常光澤的表面。6 6）加工中產(chǎn)生的金屬氣體及火星等飛濺物，要）加工中產(chǎn)生的金屬氣體及火

12、星等飛濺物，要注意通風(fēng)抽走，操作者應(yīng)戴防護(hù)眼鏡。注意通風(fēng)抽走，操作者應(yīng)戴防護(hù)眼鏡。28第二節(jié)第二節(jié) 激光加工的基本設(shè)備激光加工的基本設(shè)備n激光加工機(jī)的組成激光加工機(jī)的組成n激光器激光器 重要設(shè)備，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽苤匾O(shè)備，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽躰激光器電源激光器電源n光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng) 聚焦和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)聚焦和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)n機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng) 應(yīng)該是三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該是三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)n常用的激光器常用的激光器n固體激光器固體激光器 紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石n氣體激光器氣體激光器 COCO2 2 、氬離子氬離子2930激光器的結(jié)構(gòu)部件激光器的結(jié)構(gòu)部件: :v 激光工作物質(zhì):CO

13、2混合氣體、Nd:YAG及摻鋁GaAS；v 激勵(lì)源:給激光物質(zhì)提供能量，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； v 諧振腔；v 電源；v 控制和冷卻系統(tǒng)； v 聚光器（固體激光器特有的)。311.氣體激光器氣體激光器 氣體激光器一般采用電激勵(lì)，工作物質(zhì)為氣體介質(zhì)。因其效率高、壽命長(zhǎng)，連續(xù)輸出功率大，因此廣泛應(yīng)用于切割、焊接、熱處理等加工領(lǐng)域。用于材料加工的常見的氣體激光器有CO2激光器、氬離子激光器等。32CO2激光器特點(diǎn)：激光器特點(diǎn)：v 輸出功率范圍大v 能量轉(zhuǎn)換功率大大高于固體激光器v CO2激光波長(zhǎng)為10.6m，屬于紅外光，它可在空氣中傳播很遠(yuǎn)而衰減很少33CO2激光器分類激光器分類: 封離型 快速軸向流動(dòng)式

14、 快速橫向流動(dòng)式 板條式34封離型封離型COCO2 2激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖35軸向快速流動(dòng)軸向快速流動(dòng)COCO2 2激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖36橫向快速流動(dòng)橫向快速流動(dòng)COCO2 2激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖37擴(kuò)散冷卻擴(kuò)散冷卻COCO2 2板條激光器板條激光器 382.2.固體激光器固體激光器v 固體激光器（Solid-state Laser）是以絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器，少量的過渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃中后發(fā)生受激輻射v 晶體類基質(zhì)：剛玉（Al2O3）、釔鋁石榴石（Y3Al5O12）、鎢酸鈣（CaWO4）、氟化鈣（CaF2）、鋁酸釔（YAlO3

15、）、鈹酸鑭（La2Be2O5）v 玻璃類基質(zhì)：優(yōu)質(zhì)硅酸鹽光學(xué)玻璃39固體激光器的基本組成固體激光器的基本組成 固體激光器結(jié)構(gòu)比較緊湊，有工作物質(zhì)、光泵、冷卻水、聚光器以及諧振腔等。40紅寶石激光器紅寶石激光器紅 寶 石 是 摻 有 濃 度 為0.05%氧化鉻的氧化鋁晶體，發(fā)射的紅光，它易于獲得相干性好的單模輸出，穩(wěn)定性好。紅寶石激光器是三能級(jí)系統(tǒng)的激光器，主要是鉻離子起受激發(fā)射作用。波長(zhǎng)為0.6943m 41YAGYAG激光器激光器 釹玻璃激光器是摻有少量氧化釹（Nd2O3）的非晶體硅酸鹽玻璃，含釹離子（Nd+）量在15%左右，吸收光譜較寬，發(fā)射波長(zhǎng)為1.06m的紅外激光。摻釹釔鋁石榴石（YA

16、G）激光器發(fā)射波長(zhǎng)也為1.06m的紅外激光。42YAG激光器系統(tǒng)示意圖433.3.半導(dǎo)體固體激光器半導(dǎo)體固體激光器原理：原理： 用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射，區(qū)別在于激勵(lì)源不一定是光激勵(lì)，激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、能耗低、效率高半導(dǎo)體激光器44激光二極管陣列示意圖454.4.二極管泵浦固體激光器（二極管泵浦固體激光器（DPSSL）技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)：大功率半導(dǎo)體激光器陣列技術(shù)的逐步成熟性能提升性能提升：1) 壽命加長(zhǎng) 2) 能耗降低 3) 體積更小常見結(jié)構(gòu)常見結(jié)構(gòu)：DPSSL激光器根據(jù)激光工作物質(zhì)的形狀一般可以分為四類，棒狀、片

17、狀、板條狀及光纖（Rod、Disk、Slab and Fiber）。其中棒狀與傳統(tǒng)的燈泵浦固體激光器最為接近。按照半導(dǎo)體激光器的泵浦光的輸入方向，其有可分為端面泵浦（End Pump）與側(cè)面泵浦(Side Pump)。 46端面泵浦端面泵浦47側(cè)面?zhèn)让姹闷直闷?8板條式固體激光器板條式固體激光器工作原理：光在厚度方向的兩側(cè)面（即泵浦面）上發(fā)生內(nèi)全反射，呈鋸齒形光路在兩泵浦面之間傳播，光傳播方向近似與溫度梯度方向平行，避免熱透鏡效應(yīng)和熱光畸變效應(yīng)，大幅度提高了激光輸出功率。49高功率光纖激光器高功率光纖激光器v 技術(shù)基礎(chǔ)：雙包層泵浦技術(shù)的出現(xiàn)v 工作物質(zhì)：晶體光纖、塑料光纖等材料，玻璃光纖v 良

18、好的光學(xué)質(zhì)量，較高的輸出功率，超長(zhǎng)的壽命及無需維護(hù)的特點(diǎn)50v 光纖截面:四個(gè)層次構(gòu)成：纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)層，形成了兩個(gè)同心的軸向纖芯。v 工作原理圖:激光二極管陣列產(chǎn)生的多模激光在內(nèi)包層和外包層間來回反射、周期性地穿越摻雜質(zhì)的單模光纖核心，促使核心光纖中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)光的單模放大與輸出。雙包層泵浦技術(shù)雙包層泵浦技術(shù) 51多模泵浦光耦合多模泵浦光耦合:大功率輸出結(jié)構(gòu)52 5.1.3 常見激光加工技術(shù)常見激光加工技術(shù)圓形鏡共焦腔模的強(qiáng)度花樣振蕩模式振蕩模式TEMmnq：在圓形鏡諧振腔中，m與n分別代表電磁場(chǎng)在諧振腔橫截面上沿幅角方向和徑向的節(jié)線數(shù)。在方形鏡諧振腔中，m與n分別代表電磁場(chǎng)在諧振腔橫截面上沿x方向和y方向的節(jié)線數(shù)。53 光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布: :TEM20 TEM30TEM00 TEM10方形鏡共焦腔模的振幅分布和強(qiáng)度花樣 54 1.激光打孔激光打孔打孔常見分類：v 熱熔鉆進(jìn)（Melt Drilling）v 氣化鉆進(jìn)（Sublimation Drilling） (1) 熱熔鉆進(jìn) (2) 氣化鉆進(jìn)55v 熔化和氣化現(xiàn)象:如圖所示，把瞬時(shí)的激光脈沖分成五個(gè)連續(xù)的小段， “1”段為前緣，“2”、“3”、“4”段為穩(wěn)定輸出，“5”段為尾緣。脈沖激光能量作用材料示意圖 56焦點(diǎn)位置與孔的剖面形狀57光斑內(nèi)