《激光焊機(jī)器人系統(tǒng)及應(yīng)用》 課件1、激光原理

激光原理及操作安全

激光原理激光（Laser）一詞是受激輻射光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。1960年，美國物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實(shí)驗(yàn)室中做成了第一臺(tái)紅寶石激光器。從此以后，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，引起了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。激光的基本原理原子吸收

hν=E2-E1

圖1原子吸收示意圖E1E2E1E2hv激光的基本原理自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間非常短（數(shù)量級約為10-8s），之后，會(huì)自發(fā)地返回基態(tài)去，同時(shí)放出一個(gè)光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。圖2自發(fā)輻射激光的基本原理受激輻射圖2受激輻射示意圖E1E2E1E2圖3光放大示意圖hv輸入hvhvhvhvhvhv輸出hvhvhvhv激光的基本原理粒子數(shù)反轉(zhuǎn)處于高能級上的粒子數(shù)多于低能級上粒子數(shù)時(shí)的一種非熱力學(xué)現(xiàn)象。玻爾茲曼分布：對于大多數(shù)原子來說，兩能級之差En‘-En~1eV，而常溫下，

K

T=1.38

10-23

300~0.025eV

代入上式可得： 即：Nn'<<Nn激光諧振腔光學(xué)諧振腔

（a）圖5諧振腔結(jié)構(gòu)M1100%M298%L（b）激光諧振腔G1*G2=(1-d2/f-b/R1)*(1-d1/f-b/R2)其中，f：棒的熱焦距d1：棒中心到半反的距離d2：棒中心到全反的距離R1：全反曲率半徑R2：半反曲率半徑b=d1+d2-d1d2/f穩(wěn)定腔:0<G1*G2<1介穩(wěn)腔:G1*G2=1或G1*G2=0非穩(wěn)腔:G1*G2<0或G1*G2>1激光諧振腔

無介質(zhì)時(shí)，上式可簡化為G1*G2=(1-L/R1)*(1-L/R2)L：諧振腔的長度R1：全反曲率半徑R2：半反曲率半徑

要達(dá)到0<G1*G2<1，可見當(dāng)R為凹鏡且曲率半徑大于L時(shí)，此諧振腔為穩(wěn)定腔。我們實(shí)際生產(chǎn)的焊接機(jī)的諧振腔全都是穩(wěn)定腔。產(chǎn)生激光的必要條件（1）選擇具有適當(dāng)能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；（2）選擇一個(gè)適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強(qiáng)度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。激光的特性單向性極好單色性極強(qiáng)高亮度相干性好激光器簡介工作物質(zhì)的性質(zhì)分類，大體可以分為氣體激光器、固體激光器、液體激光器；按工作方式區(qū)分，又可分為連續(xù)型和脈沖型等。時(shí)間分光：指通過不同的控制部分在不同的時(shí)間內(nèi)給同一臺(tái)焊接機(jī)控制信號(hào)，以達(dá)到實(shí)時(shí)焊接的功能，同一時(shí)間只有一個(gè)激光頭出光。能量分光：指通過同一個(gè)控制部分在相同的時(shí)間內(nèi)給同一臺(tái)焊接機(jī)控制信號(hào)，以達(dá)到即時(shí)焊接的功能（多個(gè)激光頭同時(shí)焊接）。Nd：YAG激光棒

Nd：YAG（摻釹的釔鋁石榴石）是目前最常用的一類固體激光器。YAG是一種立方結(jié)構(gòu)晶體，質(zhì)地很硬、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高。用三價(jià)釹代替了晶體中部分的三價(jià)釔，因此稱為摻釹的釔鋁石榴石。泵浦燈

氙燈為惰性氣體放電燈，我們使用的燈的形狀多為直管形。其結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氙（Xe）氣體組成。電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成。燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙氣。光纖傳輸光纖損耗典型值為<5dB/km，我們中心通用的5m光纖損耗只有6‰。光纖端面由于菲涅爾反射每個(gè)端面會(huì)損耗約4％。處理光纖時(shí)，不能觸摸光纖端面，保證其端面的潔凈和避免劃痕。處理光纖時(shí)，注意光纖的最小彎曲半徑。600微米光纖的彎曲半徑為150mm,400微米光纖的彎曲半徑為100mm。光纖傳輸光路操作時(shí)注意事項(xiàng)

·光學(xué)元件的膜層容易受到灰塵的污染，盡量避免光學(xué)元件暴露在空氣中?！と绻す獯蛟诟浇哪繕?biāo)上時(shí)，避免煙霧接觸到光學(xué)底座上的光學(xué)元件。應(yīng)避免在附近產(chǎn)生煙霧?！げ灰檬纸佑|到光學(xué)元件的表面，如必要，必須帶上薄膜指套?！す鈱W(xué)元件如需擦拭，應(yīng)使用高純度的無水乙醇和光學(xué)擦鏡紙?！つ苗R片和透鏡時(shí)，應(yīng)只接觸它的邊緣。光路操作時(shí)注意事項(xiàng)·在移動(dòng)鏡片或透鏡前，請注意觀察鏡片或透鏡的安裝方向。·焊接或調(diào)光時(shí)應(yīng)帶上防護(hù)眼鏡，避免直視激光?！け苊庋劬μ幱诩す夤饴飞?，如果必須，必須斷電?！け苊庋劬Τ霈F(xiàn)在二極管激光的光路上?！る療魞?nèi)有正氣壓，接觸氙燈時(shí)應(yīng)帶上安全