第五章-激光加工

激光加工

LaserBeamMachining主講人：張峰第一章激光加工理論一、光波粒二象性光的波動(dòng)性可看成電磁波=c/(-波長c-波速-頻率)可見光=0.4~0.76m，紫青藍(lán)綠黃橙紅紅外線>0.76m紫外線<0.4m波譜圖粒子性以光速運(yùn)動(dòng)具有一定能量的粒子流E=h(E-能量h-普朗克常數(shù)-頻率)波譜圖1916年，愛因斯坦提出，原子中處于高能級的自由電子，受到外來躍遷頻率相同的光子的作用跳到低能級，并發(fā)射一個(gè)光子，新光子與原光子頻率、發(fā)射方向、相位等都相同時(shí)，變成兩個(gè)光子，條件合適的情況下，光子就會(huì)象雪崩一樣得到放大，這種放大的光稱為激光(受激輻射)。1、歷史背景

1).愛因斯坦提出的受激輻射的原理二.激光產(chǎn)生2)1958年，美國的湯斯和肖洛發(fā)表“紅外區(qū)和光學(xué)激射器”，湯斯(CharlesH.Townes，1915-)，因此獲1964年諾貝爾獎(jiǎng)。湯斯肖洛3).1960年，第一臺紅寶石激光器由梅曼制成。1961年，湯斯的研究生加萬制成了氦氖激光器。E2E1N2N1h1）受激吸收：原子因受滿足頻率條件的光的激勵(lì)而躍遷到較高能態(tài)的過程

受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射2）自發(fā)輻射沒有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個(gè)光子的過程。

E2E1N2N1h

各原子自發(fā)輻射的光是隨機(jī)的、獨(dú)立的、---非相干光。2、激光的量子理論3）受激輻射若原子受到一個(gè)滿足頻率條件的外來光子的激勵(lì)，由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，則輻射出另一同頻率的光子來的過程E2E1N2N1全同光子hh受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同------光被放大了。3、產(chǎn)生激光的基本條件(1)、正常分布:正常條件下,系統(tǒng)中低能級原子數(shù)總是多于高能級原子數(shù).此時(shí),受激吸收占優(yōu)勢.(2)、反轉(zhuǎn)分布:要使受激輻射占優(yōu)勢,必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,即高能級原子數(shù)要超過低能級原子數(shù)。激勵(lì)的方法:光照、放電、化學(xué)反應(yīng)、核能等等。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)必須用激勵(lì)(泵浦)的辦法!能級結(jié)構(gòu)：1231234三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)

在激活介質(zhì)的兩端安置兩塊反射鏡面，一個(gè)是全反射鏡，一個(gè)是部分反射鏡，這對反射鏡面及其間的空間稱為光學(xué)諧振腔。3）、光學(xué)諧振腔

要得到方向性和單色性很好的激光，還必須采用光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔工作物質(zhì)I0輸出全反射鏡部分反射鏡L直流高壓以氦氖激光器為例布儒斯特窗四能級系統(tǒng)波長：特點(diǎn):連續(xù)式、壽命長、造價(jià)低、單色性好、相干性好、方向性好。紅寶石激光器紅寶石棒氙燈聚光腔E3E2E1n3n2n1激勵(lì)55006943亞穩(wěn)態(tài)三能級系統(tǒng)特點(diǎn)：脈沖式，功率高。n2>n1二氧化碳激光器特點(diǎn):能量轉(zhuǎn)換率高,功率大、工作條件簡便.應(yīng)用:材料加工、遠(yuǎn)距離目標(biāo)識別,光纖傳感,非線性光學(xué),等離子體物理,醫(yī)學(xué)光化學(xué)等.其他激光器:氬離子激光器,染料激光器、釹玻璃激光器、半導(dǎo)體激光器。三、激光的四大特性

方向性強(qiáng)亮度大單色性好相干性好一、方向性好

激光束的發(fā)散角很小，一般為

激光定位、導(dǎo)向、測距等就利用了方向性好的特點(diǎn)。二、亮度高

亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。

激光的輸出功率雖然有個(gè)限度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別?。?，功率密度特別大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍。通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)一步提高亮度。

激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。

激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。激光打孔激光切割低能激光武器高能激光武器三、單色性好

在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準(zhǔn)器的氪燈（K186）；它的譜線寬度為4.7×10-3納米，而激光譜線寬為納米，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。采用穩(wěn)頻等技術(shù)還可以進(jìn)一步提高激光的單色性。

計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。光纜激光通訊四、相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里

全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。全息照相相干時(shí)間：光源先后發(fā)出的兩束光能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的最大時(shí)間間隔；相干長度:相干時(shí)間間隔內(nèi)走過的路程稱為激光——

原子力顯微鏡(AFM)

用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復(fù)移動(dòng),來探測固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計(jì)算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置第四章激光加工（1）激光加工主要應(yīng)用光照對物體局部產(chǎn)生熱效應(yīng),而使物質(zhì)汽化、融化。（2）激光計(jì)量主要應(yīng)用激光良好的相干性測量距離,而進(jìn)一步測量速度、流體的流速、角速度等。（3）激光測距儀;激光雷達(dá);激光制導(dǎo);激光炮.（4）激光信息存儲(chǔ)應(yīng)用激光單色性好、相干性好的特點(diǎn)，可以使激光匯聚于一個(gè)非常小的點(diǎn)上。CD其它如激光防偽標(biāo)志;激光手術(shù)刀;激光通訊（光纖通訊）;激光光譜分析;激光全息術(shù);干涉記錄等等.第五章、激光加工的基本原理主要應(yīng)用光照對物體局部產(chǎn)生熱效應(yīng),而使物質(zhì)汽化、融化過程：光的吸收與能量傳輸材料的無損加工材料的破壞及作用終止后的冷凝第六章激光加工的特點(diǎn)①激光功率密度大﹐工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化﹐即使熔點(diǎn)高﹑硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷﹑金剛石等)也可用激光加工②激光頭與工件不接觸﹐不存在加工工具磨損問題③工件不受應(yīng)力﹐不易污染④可以對運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工

⑤激光既適于精密微細(xì)加工﹐又適于大型材料加工激光束的發(fā)散角可小于1毫弧﹐光斑直徑可小到微米量級﹐作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級⑥激光束容易控制﹐易于與精密機(jī)械﹑精密測量技術(shù)和電子計(jì)算器相結(jié)合﹐實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)到很高的加工精度⑦在惡劣環(huán)境或其它人難以接近的地方﹐可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工第二節(jié)激光加工設(shè)備一、激光加工機(jī)的組成：激光器光學(xué)系統(tǒng)電源機(jī)械系統(tǒng)二、激光器的種類激光器的分類激勵(lì)方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長輸出頻率特性

2、按工作方式分類

連續(xù)式（功率可達(dá)104W）脈沖式（瞬時(shí)功率可達(dá)1017W/cm2

）激光器的種類：

固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）氣體（如He-Ne、CO2）半導(dǎo)體（如砷化鎵GaAs）自由電子1、按工作物質(zhì)分類固體激光器組成：工作物質(zhì)、光泵（脈沖氙燈）、玻璃套管、濾光液、冷卻水、聚光器、諧振腔等（一）固體激光器工作物質(zhì)-各種激光晶體和玻璃輸出波長-由工作物質(zhì)中激活元素決定。輸出方式-連續(xù)燈泵浦——連續(xù)光脈沖燈泵浦——脈沖光例如：可調(diào)諧的固體激光器摻Cr3+的紫翠玉寶石激光器。輸出波長0.7-0.8μm摻Cr3+的氟化鋅鉀激光器。輸出波長780-850nm摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG1064nm1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm:醫(yī)學(xué)和通信近年來，研制出摻鈦(Ti)藍(lán)寶石激光器670nm~1100nm固體激光器常用于產(chǎn)生強(qiáng)激光，連續(xù)輸出~幾千瓦,脈沖輸出~幾萬焦耳摻鉺光纖激光器在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其他固體激光器作泵輔源也可產(chǎn)生可調(diào)諧激光。用摻鉺光纖作成的光纖激光器，是光纖通信中不可缺少的部分。光纖放大器（光纖激光器）由微型激光器芯片驅(qū)動(dòng)的摻鉺的光纖。原理：當(dāng)激光在光纖中傳輸時(shí)，光纖中的鉺離子受微型激光器發(fā)出的激光激發(fā)，經(jīng)過能級躍遷，不斷把能量傳遞給光子，使得激光在傳輸中所損耗的能量不斷地得到補(bǔ)充，經(jīng)過數(shù)百千米甚至數(shù)千千米的行程后，被減弱的光信號又恢復(fù)了活力用途：通信，局域網(wǎng)，數(shù)字電視，寬帶網(wǎng)絡(luò)等二極管激光器（半導(dǎo)體激光器）半導(dǎo)體激光器發(fā)展很快，在微型化方面進(jìn)展迅速。整個(gè)器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒還小用于：光通信，光盤，激光打印，光計(jì)算機(jī)，微量氣體探測等方面半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)：砷化鎵等半導(dǎo)體材料。工作原理：砷化鎵等半導(dǎo)體材料只允許電流沿著一個(gè)方向流動(dòng)。當(dāng)穿過介質(zhì)的光遇到一個(gè)被激發(fā)的原子時(shí)，它將使這個(gè)原子以相同的波長和頻率釋放能量，光在來回傳播的過程中，不斷地被加強(qiáng)，直到從反射鏡面上逃逸出去，形成激光。二極管激光器（半導(dǎo)體激光器）（二）氣體激光器氣體激光器——原子激光器，分子激光器，離子激光器，準(zhǔn)分子激光器。原子激光器：以氦—氖激光器為代表，這種激光器大都是連續(xù)工作方式，輸出功率在100毫瓦以下，多用于檢測和干涉計(jì)量。離子激光器：以氬離子激光器為代表，這種激光器可以發(fā)射較強(qiáng)的連續(xù)功率激光，功率可達(dá)幾十瓦，是可見光中的重要激光器件，多用于掃描，醫(yī)學(xué)及全息學(xué)等方面。氣體激光器（二）氣體激光器分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機(jī)械加工方面，還用于測距，通信。準(zhǔn)分子激光器：特點(diǎn)—發(fā)光都在紫外波段。用途—多用于微細(xì)加工，光刻及醫(yī)學(xué)。原理—不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當(dāng)兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵(lì)時(shí)，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。（三）液體激光器主要是染料激光器。多為粉末狀染料溶于有機(jī)溶劑中，方可產(chǎn)生激光，它可以用閃光燈泵浦，或激光泵浦。特點(diǎn)：從紅外到紫外范圍調(diào)諧任意波長(幾十到幾百納米）的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的應(yīng)用。液體激光器原理：自由電子激光器是利用自由電子在真空磁場中的周期性擺動(dòng)產(chǎn)生激光。特點(diǎn)：自由電子通過很多對極性彼此相反的磁鐵組成的交變磁場，磁場的周期取決于這些磁鐵的大小與間距。發(fā)射激光的波長由交變磁場的周期及入射電子的能量決定。用途：自由電子激光器可連續(xù)工作，輸出功率幾百瓦。也可脈沖式工作，平均最高功率幾兆瓦。用于材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，表面科學(xué)，化學(xué)，生物及生命科學(xué)等。（四）自由電子激光器X射線激光器X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，其光子能量非常高目前，最短的X射線波長已達(dá)到4.483nm水窗范圍（因?yàn)樗俏誜射線的，只有在4.483nm附近，水分子有個(gè)不吸收區(qū)，X射線可順利通過，損耗很小，故稱水窗），由于生物細(xì)胞活性組織內(nèi)均含有很多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，生命科學(xué)的研究。已經(jīng)用波長4.483nmX射線激光制成了X射線顯微鏡，并成功地得到了老鼠精子內(nèi)核的圖象,用于DNA在精子細(xì)胞內(nèi)排列的研究。生物微腔激光器砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細(xì)胞介質(zhì)膜反射鏡玻璃基底

一種研究活體生物細(xì)胞的手段和方法，將一含有被測細(xì)胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光表面，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃片。細(xì)胞置于激光共振腔中，當(dāng)激光在腔內(nèi)往返數(shù)百次后，細(xì)胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過這些信息的識別，由發(fā)射激光的脈沖形狀，模式，空間分布以及收集到的熒光圖象，就可知道細(xì)胞屬于那一類。是正常細(xì)胞還是癌細(xì)胞等。這種生物微腔激光器一般用波長850納米的半導(dǎo)體激光器來制作。納米激光器問世據(jù)2001年美國《科學(xué)》雜志報(bào)道，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在僅有頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器——納米激光器。研究人員希望用電流來激活納米激光器，這樣就可用于電路。最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息儲(chǔ)存量。第三節(jié)激光加工工藝及應(yīng)用打孔切割劃片焊接熱處理微調(diào)調(diào)頻調(diào)動(dòng)平衡

激光打孔：采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔﹐脈沖寬度為0.11毫秒﹐特別適于打微孔和異形孔﹐孔徑約為0.005～1毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承﹑金剛石拉絲模﹑化纖噴絲頭等工件的加工(圖1)。激光加工的紅寶石鐘表軸承孔

激光切割﹑劃片與刻字在造船﹑汽車制造等工業(yè)中﹐常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù)CO2

激光器對大工件進(jìn)行切割﹐既能保證精確的空間曲線形狀﹐又有較高的加工效率。對小工件的切割常用中﹑小功率固體激光器或CO2

激光器在微電子學(xué)中﹐常用激光切劃