材料激光加工課件

材料激光加工

LaserMaterialProcessing第一章概述主要內容：激光產生的歷史激光的特性激光技術的廣泛應用激光加工發(fā)展現狀與展望1.1激光產生的歷史總體上可分為三個階段受激輻射理論的提出技術上的準備第一臺激光器的產生LASER=LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：通過幅射的受激發(fā)射實現光的放大何為“激光”錢學森(1911-2009),世界著名科學家。1964年建議將“光受激發(fā)射”改為“激光”。1.1.1、

受激輻射理論的提出19世紀末的“紫外災難”：1900年，英國物理學家瑞利根據經典統(tǒng)計力學和電磁理論，推出了黑體輻射的能量分布公式。該理論在長波部分與實驗比較符合，但在短波部分卻出現了無窮值，而實驗結果是趨于零。這部分嚴重的背離，被稱之為“紫外災難”（紫外指短波部分）經典物理學無法解釋的光電輻射現象1.1.1、

受激輻射理論的提出紫外災難1.1.1、

受激輻射理論的提出1900年，普朗克提出“能量子假說”黑體幅射的經驗公式理論依據尚不清楚長波和短波部分均與實驗相吻合，“能量子”或“量子”概念：假設能量的幅射是不連續(xù)的，以一定的整數倍跳躍式地變化，量子假說與物理學界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”直接矛盾——需要新的理論解釋1.1.1、

受激輻射理論的提出普朗克定理1.1.1、

受激輻射理論的提出愛因斯坦1917年提出“受激輻射”理論首次深刻認識“假說”含義，進行了理論解釋建立了光量子論以解釋光電效應中出現的新現象提出光的波粒二象性三種原子系統(tǒng)與電磁場之間能量交互方式受激躍遷：受激輻射和受激吸收自發(fā)躍遷：自發(fā)輻射1.1.2、

技術上的準備受激輻射的概念最初并未引起足夠重視1924年首次被用來研究光的吸收和散射1928年德國的拉登伯格（R.W.Ladenberg）：激勵電流超過一定值時，高能粒子數量隨電流增大而增大，發(fā)現了負色散現象，間接用實驗證明受激幅射的存在1939年前蘇聯的法布里康特研究氣體放電的光學性質時明確指出：受激輻射的條件是實現粒子數反轉

1.1.2、

技術上的準備光學諧振腔難題的解決激光產生的兩個條件：激光放大器與正反饋回路電子學低頻段：電感和電容更高頻段：一定尺寸(與波長相比擬)的雙導線微波段：封閉的金屬盒子（微波諧振腔）毫米波段：諧振腔的尺寸為毫米數量級光波頻段：微米量級？二戰(zhàn)的影響直接研究限于停頓微波、雷達等無線電的研究迅速發(fā)展1.1.2、

技術上的準備MASER的產生1953年，湯斯以NH3分子作為振蕩器，實現了1.25cm微波量子振蕩器向波長更短方向邁進遇到了極大困難光學諧振腔模型的提出湯斯和肖洛的合作肖洛：原子光譜、F－P儀、固體微波激射器等領域深有研究，提出了關鍵性建議：利用光學F－P儀作為光學諧振腔1958年湯斯和肖洛聯名在《PhysicsReview》上發(fā)表了題為“紅外線和光學脈塞”的論文，1964年諾貝爾獎。1959年9月在紐約舉行的第一屆國際量子電子學會議上，提交了十幾個激光器的設計方案，各國學者展開了激烈角逐湯斯的紅寶石激光器建議伊朗杰萬的He－Ne激光器建議1960年7月7日，《紐約時報》率先報道了梅曼得到激光的消息美國休斯公司，年僅33歲，僅得5萬美元資助良好的基礎：原子分子光譜、紅寶石微波激射器等不迷信：1959年8月開始研究激光，不迷信權威，發(fā)現紅寶石的量子效應高達70％，而非肖洛指出的1％波長：0.6943um1.1.3、

第一臺激光器的產生1.1.3、

第一臺激光器的產生國外的第一臺激光器1.1.3、

第一臺激光器的產生中國的第一臺激光器紅寶石激光器1961年8月王之江等He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質結半導體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等1.2激光的特性1.2.1方向性強：遠距離傳輸而不顯著擴散光源立體角:

S:距光源距離R處的的輻射面積(m2)R:光源距S的距離(m)遠場發(fā)散角:

太陽的立體角:激光的立體角:1.2激光的特性1.2.1方向性強：遠距離傳輸而不顯著擴散比較：探照燈和激光方向性探照燈照到月球光斑直徑約幾百公里激光照到月球光束直徑2公里探照燈激光1.2激光的特性1.2.2.亮度高亮度B：單位發(fā)光面積向單位立體角上發(fā)散的功率激光是目前世界上最亮的光源!1.2激光的特性光源發(fā)射功率w發(fā)散角rad立體角Sr發(fā)光面積m2亮度W/m2太陽4×102624π2.5*1019~105汞弧燈10424π10-4~107He－Ne激光10－3~10－410-310-5~1010CO2激光104~10－310-610-3~1013紅寶石激光107~1.3*10－35*10-610-4~1015高頻率銣玻璃激光109~3.5*10－54.8*10-910-3~10211.2激光的特性1.2.3.單色性好單色性：光源所發(fā)出的光所包括的頻率范圍，頻率范圍越窄，單色性越好。普通光源單色光，同位素Kr86的單色性最好：波長為0.6057μm,Δλ＝0.47×10-6μm激光的譜線寬度Δλ<10－11μm，He-Ne激光的譜線可以窄到2×10－12μm方向性單色性高亮度很小的光斑聚集很高的功率理想的加工熱源1.2.4.時間特性和相干性好1.2激光的特性光脈沖寬度可以極窄閃光燈：毫秒Q開關：10－9s；鎖模：10－14s飛秒激光10－15s

激光是最好的相干光源1.3激光技術的廣泛應用1.3.1激光精密測量

單色性、相干性，用于計量檢測能獲得高計量精度，且方便快捷激光長度基準：波長632.8nm的He-Ne激光定義米尺，精確度提高到2×10-2nm；精密長度測量（利用光的干涉）：Lmax=λ2/△λ，極好的單色性使其計量的有效量程很大;測距和測速：L=ct/2，激光亮度高，脈沖寬度窄，故測距精度高；利用運動物體產生的反射光多普勒頻移可測運動速度；1.3激光技術的廣泛應用1.3.2激光信息處理

光盤：存儲密度高，讀取時間短，無機械摩擦光通訊光纖通訊自由空間激光通訊光計算機：光波具有并行性，可交叉，并可解決電子計算機的發(fā)熱問題1.3激光技術的廣泛應用1.3.3強激光的應用材料激光加工切割、焊接、劃片、雕刻、淬火、微納加工等激光分離同位素現有方法：質量差別分離系數低耗能大選擇性的激發(fā)、電離或解離，克服上述缺點激光核聚變：核燃料點火慣性約束核聚變1.3.4激光醫(yī)學激光刀光照射：低功率光照－消炎、消腫、鎮(zhèn)痛等作用1.3.5激光武器、科學試驗激光武器戰(zhàn)術武器(激光制導、激光致盲、激光掃雷)戰(zhàn)略武器(核聚變)科學試驗應用非線性光學激光光譜1.3激光技術的廣泛應用1.4激光加工發(fā)展現狀與展望1.4.1激光加工的定義

激光束作用于物體表面而引起物體形狀或性能的改變的的加工過程。1.4.2激光加工的分類

熱加工：激光作用于材料表面會產生熱效應，如焊接、切割、打孔、成型、表面處理等。

冷加工：激光與材料的作用時間遠小于熱傳導的弛緣時間，可完全避免熱效應，如飛秒激光打孔、微納加工等(前沿問題)。激光熱加工工藝與功率、作用時間之間的對應關系1.4激光加工發(fā)展現狀與展望1.4.3激光加工技術的優(yōu)勢自動化程度高高度的靈活性高精度生產率高革新傳統(tǒng)加工方式革新傳統(tǒng)加工方式1.4.4世界工業(yè)激光加工技術現狀1.4.4世界工業(yè)激光加工技術現狀近年來每年市場增長15％以上三個區(qū)域中心：北京、武漢、上海著名激光加工系統(tǒng)開發(fā)和生產單位：大恒科技、華工科技(上市)、電子十一所、楚天、上海激光（集團）總公司、大族公司(上市)等制約因素：激光器質量、導光系統(tǒng)、高速傳動與精密定位、工藝技術1.4.4世界工業(yè)激光加工技術現狀我國激光加工技術現狀1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.5工業(yè)激光加工應用實例1.4.6激光微納加工應用實例1.4.6激光微納加工應用實例1.4.6激光微納加工應用實例1.4.6激光微納加工應用實例激光本質上是一種電磁波，具有波粒二象性,是電磁波，又是光子流激光是一種電磁波(C.Maxwell，1860)。激光在傳播時表現出波動性(橫波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。激光是一種光子流。黑體輻射的量子論(Max.Planck,1900),光子理論(Albert.Einstein,1905)。激光與物質作用時表現出粒子性，如光的發(fā)射、吸收、色散、散射能量：E=hν動量:P=h/λ再認識“激光”激光的波長范圍在紅外線與γ射線之間工業(yè)應用激光一般在近紅外波段激光的波長常見激光的波長2.1激光產生的過程原子(粒子)發(fā)光機理自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收激光產生的條件基本內容：2.1.1原子（粒子）發(fā)光機理原子能級定義：原子系統(tǒng)所具有的一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)原子系統(tǒng)能量＝電子動能＋電子與原子核之間的勢能基態(tài)：原子處于最低能級時的狀態(tài)激發(fā)態(tài)：處于其他任何高于基態(tài)能級時的狀態(tài)0ev10.15ev12.11ev13.53ev12382.1.1原子（粒子）發(fā)光機理躍遷：原子從一種能級狀態(tài)改變到另一種能級狀態(tài)輻射躍遷：吸收或輻射光子而產生的能級改變，滿足普朗克公式:

?E=hν無輻射躍遷：改變能級并不吸收或輻射光子，粒子系統(tǒng)與能量交換以其他的方式進行，如粒子運動的動能、振動能等。其他粒子(分子、離子等)同樣存在一系列不連續(xù)的能級，也能產生幅射躍遷2.1.1原子（粒子）發(fā)光機理處于高能級(激發(fā)態(tài))的粒子是不穩(wěn)定的,經過或長或短時間(10-8s)，會躍遷到能量低的狀態(tài)，而以光子或其他方式放出能量，該能量必須等于相應的能級差。以光子方式輻射能量即發(fā)光。激發(fā)態(tài)的平均壽命粒子在不同激發(fā)態(tài)上停留時間的平均壽命稱為該激發(fā)態(tài)的平均壽命亞穩(wěn)態(tài)平均壽命相對較長的激發(fā)態(tài)稱之為亞穩(wěn)態(tài)例如：紅寶石中的Cr3+

粒子:E310-9s,E210-3s2.1.2自發(fā)輻射、受激輻射

和受激吸收特點：純自發(fā)過程輻射出的光子頻率滿足普朗克公式不同粒子躍遷時各自獨立，光子互不相關自發(fā)輻射幾率A21：只與原子本身性質相關與外界輻射無關自發(fā)輻射：處于高能級的粒子自發(fā)的躍遷到低能級上來，并且在躍遷過程中發(fā)出一個光子。2.1.2自發(fā)輻射、受激輻射

和受激吸收受激吸收：處于低能級E1的粒子吸收能量為hv=E2-E1的外來光子而躍遷到E2上去。特點：與原子系統(tǒng)本身和外部輻射場(外來光子)密切有關吸收的光子頻率滿足普朗克公式受激吸收幾率W12：2.1.2自發(fā)輻射、受激輻射

和受激吸收受激輻射：處于高能級E2的粒子受到頻率v=(E2-E1)/h的外來光子的激勵，從E2躍遷到E1上去,并發(fā)出一個和外來光子完全想同的光子。特點(與自發(fā)輻射比較)：外來光子激勵，自發(fā)產生產生的光子和外來光子完全一樣，方向、頻率、相位和偏振等光的放大效果受激輻射幾率W21：2.1.3激光產生的條件受激輻射光放大光子粒子光子光子粒子粒子光子光子光子光子2.1.3激光產生的條件受激輻射和受激吸收的矛盾物質在熱平衡狀態(tài)下，各能級上的粒子數目服從玻耳茲曼分布在熱平衡狀態(tài)下，下能級上受激吸收的粒子數多于上能級上受激輻射的粒子數,熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)不能產生光的放大(激光)!n3n2n1E3E2E12.1.3激光產生的條件粒子集居數反轉設有兩個能級E2和E1的粒子系統(tǒng)，由于外部能源的激勵而呈非平衡狀態(tài)，使得處于低能級的粒子經種種途徑被激發(fā)到高能級E2上，從而造成E2上的粒子數多于E1上的粒子數，即：N2>N1.N2>N1光通過系統(tǒng)（激活介質）后被放大必須由外界提供能量，將粒子從低能級抽運到高能級（泵浦），使物質處于非平衡態(tài)。2.1.3激光產生的條件工作物質

必須有能夠形成粒子數反轉的發(fā)光粒子，即激活粒子(分子、離子、原子皆可，可以獨立存在，有的則必須依附于基質，基質+粒子=工作物質)特點:處于外界能源激勵的非平衡狀態(tài)下能級系統(tǒng)的上能級中必須有亞穩(wěn)態(tài)存在,以便實現粒子數反轉必須是增益介質激勵方法光泵浦氣體放電電子束激勵化學反應核泵浦等最常用：光電2.1.3激光產生的條件工作粒子的能級系統(tǒng)

二能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)2.1.3激光產生的條件二能級系統(tǒng)

E2E1B12B21A21

因為達到穩(wěn)定時，有：

無論如何激勵，二能級系統(tǒng)不能實現粒子數反轉！

2.1.3激光產生的條件三能級系統(tǒng)

E3E2E1Pumping非輻射躍遷受激輻射光子上能級下能級紅寶石激光器：Cr3+粒子缺點：由于基態(tài)能級上的總是聚集大量粒子，因此三能級系統(tǒng)的激光器需要很強的pumping.2.1.3激光產生的條件四能級系統(tǒng)

E4E3E2Pumping非輻射躍遷受激輻射光子下能級上能級(亞穩(wěn)態(tài))非輻射躍遷

例子：

Nd:YAG激光器2.1.3激光產生的條件受激輻射和自發(fā)輻射的矛盾

物質在熱平衡狀態(tài)下，受激輻射的概率遠小于自發(fā)輻射概率。

當T=300K時，

熱平衡條件下，不可能實現光的受激輻射放大！要解決這一矛盾，需利用光學諧振腔來實現自激振蕩。2.1.3激光產生的條件光學諧振腔…….自發(fā)輻射產生光子，偏離軸向光子很快逃逸出介質，沿著軸向的光子因受激勵輻射不斷放大，使得單色能量密度不斷增大，從而可能使W21>A21，獲得以受激輻射為主的輸出。2.1.3激光產生的條件增益增益系數Ｇ：通過單位距離介質光強增加的百分比

G=dI/(Idz)G與激活介質特性，外界激勵能源和入射波長有關，與入射光強度無關入射光強為I0

I=I0exp(Gz)損耗衍射損失散射損失鏡片反射損失輸出激光的閾值條件：增益>損耗。提供該條件的場所即為諧振腔。2.1.3激光產生的條件I0I1I2Lr1r2工作物質被激勵到非平衡態(tài)(亞穩(wěn)態(tài)、粒子數反轉)少量自發(fā)輻射產生（亞穩(wěn)態(tài)E2->E1）自發(fā)輻射光子引發(fā)受激吸收和受激輻射，但受激輻射出的光子多于受激吸收的光子，光得到放大受激輻射的光子引發(fā)新的受激輻射，雪崩放大諧振腔的選擇和抑制達到一定程度后，形成穩(wěn)定的輸出

激光產生的過程2.2光學諧振腔和激光模式光學諧振腔作用光學諧振腔的結構和分類激光模式基本內容：2.2光學諧振腔和激光模式提供光學正反饋作用限制激光束的方向限制激光束的頻率－縱模根據波動理論，發(fā)生相長干涉的條件：入射光和反射光同相

?Ф＝2π·（2L／λ0）＝q·2πL=q·λ0/2決定激光的空間分布規(guī)律－橫模L2.2.1諧振腔的作用2.2光學諧振腔和激光模式無諧振腔時有諧振腔時2.2.2諧振腔的結構和分類2.2光學諧振腔和激光模式構成：兩個腔鏡一個全反射，提供最大反饋一個部分反射，提供部分反饋和輸出結構特點：側邊沒有邊界，軸向尺寸(腔長)遠大于波長和橫向尺寸三個參數：R1、R2、L平平－>共軸球面－>固體介質波導腔和氣體介質波導腔（半封閉）2.2.2諧振腔的結構和分類平行平面鏡腔雙凹球面鏡腔平面－凹面鏡腔特殊腔：雙凸腔平凸腔凹凸腔等2.2.2諧振腔的結構和分類傍軸光線能否在腔內往返無限多次而不從橫向逸出，表示腔的損耗大小，“低損耗腔”，“高損耗腔”穩(wěn)定性判據：穩(wěn)區(qū)圖諧振腔的穩(wěn)定性2.2.2諧振腔的結構和分類特點：不逸出、損耗小應用：固體和中小功率CO2穩(wěn)定腔:

0<g1g2<1

2.2.2諧振腔的結構和分類非穩(wěn)定腔:

g1g2<0或者g1g2>1特點：與光軸重合的光線不逸出，其他方向全部逸出、損耗大應用：大功率CO22.2.2諧振腔的結構和分類臨界腔:

g1g2=0或者g1g2=1特點：介于穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔之間應用：研究和使用方面均有價值2.2.3激光模式2.2光學諧振腔和激光模式經典電磁場理論:在一特定空間的限制下,電磁場只能以一系列分立的本征態(tài)存在,通常將腔內可能存在的電磁場本征態(tài)稱為腔的模式從光子的觀點來看:腔的模式也就是腔內可區(qū)分的光子狀態(tài),同一模式的光子具有完全相同的狀態(tài)激光是一種電磁波,在諧振腔中也只能以一系列的本征態(tài)出現,腔中每一個激光分立的本征態(tài)就是一個模式模式包括橫模和縱模2.2.3激光模式縱模:頻率特性及光束場強在縱向(光軸方向)的分布平行平面腔Gα/l腔內真正能形成振蕩的閾值條件:G>=α/l描述激光場強在橫向(光軸橫截面)上的分布特征

TEMmn(TransverseElectromagneticWave)m、n：兩個垂直方向出現暗線的次數.2.2.3激光模式橫模對激光熱加工有重要意義,反映了能量在光束橫截面上的集中程度橫模通常簡稱模式橫模TEM00:基模,能量密度最集中的模式2.2.3激光模式橫模ω(z)光斑半徑，

ω0

高斯光束的束腰2.2.3激光模式低階模2.2.3激光模式高階模2.3高斯光束基模高斯光束及其的傳播高斯光束的反射和聚焦基本內容：2.3.1基模高斯光束及其傳播共焦腔的高斯光束(基模)非均勻的，曲率半徑不斷改變的球面波在光軸橫截面光強呈高斯分布實心圓光斑光斑半徑：光強降為中心強度的1／e2時的半徑2.3.1基模高斯光束及其傳播2.3.1基模高斯光束及其傳播其他穩(wěn)定腔,等效為一共焦腔高階模的光束半徑:光強下降到最外面一個極大值的1/e2時的半徑2.3.1基模高斯光束及其傳播已知束腰半徑w0，可求出任一點z處的光斑直徑及其橫截面上的光強分布2.3.2高斯光束的反射及聚焦反射：只改變傳播方向，不改變光束半徑的大小和光強分布聚焦：高斯光束經薄透鏡聚焦后，仍為高斯光束獲得更小的光斑和更高的功率密度2.3.2高斯光束的反射及聚焦2.3.2高斯光束的反射及聚焦Z=F,有最大值Z<F,隨Z增加而增加Z>F，隨Z增加而減小2.3.2高斯光束的反射及聚焦3.1

激光器的組成激光工作介質：粒子數反轉，提供受激放大，具備亞穩(wěn)態(tài)的多能級系統(tǒng)激勵源：提供能量，使粒子數反轉，最后轉化成激光能量諧振腔：選模，限制波形和提供反饋、增益，提供穩(wěn)定振蕩電源：為激勵源提供能量冷卻系統(tǒng)：冷卻工作物質、諧振腔等控制系統(tǒng)：保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作

工作物質激勵、受激輻射自激振蕩增益

外界能量注入（泵浦）光學諧振腔

3.1

激光器的組成3.2

工業(yè)激光器主要內容：氣體激光器固體激光器半導體激光器3.2.1

氣體激光器增益介質為氣體,可以是原子，分子或離子He-Ne激光器

CO2

分子激光器:高功率:45kw,歐洲尤里卡計劃100kw高效率：量子效率達40％，電光總效率15％，Nd:YAG：2～3％高光束質量，連續(xù)穩(wěn)定輸出低階模長波長：非金屬吸收，金屬強烈反射3.2.1.1CO2

激光器工作原理工作物質為：CO2、N2、He混合氣體，比例：6%、28%、66%；分子的內能：電子運動、原子間的振動、整體轉動CO2激光器中CO2分子躍遷發(fā)生在基態(tài)電子的不同振轉能級之間振動能級：V1V2lV3對稱V1彎曲V2反對稱V3l為彎曲振動的角量子數轉動能級不存在純振動，振動時一定處于某種轉動之中整體旋轉，轉動的能量是量子化的振轉能級形成CO2光譜的精細結構，200多條譜線3.2.1.1CO2

激光器工作原理氣體放電，高速電子碰撞CO2分子，躍遷：CO2(000)+eCO2(001)+e電子撞擊N2氣分子，躍遷：N2(V=0)+e

N2(V=1)+e共振轉移＋N2(振動能級E(v)與CO2(001)相近):N2(V=1)+CO2(000)N2(V=0)+CO2(001)激發(fā)過程（基態(tài)000躍遷到上能級001）3.2.1.1CO2

激光器工作原理受激輻射過程（能級001躍遷到100、020能級）模式1：能級001躍遷到能級100CO2(001)+光子CO2(100)+光子(10.6微米)模式2：能級001躍遷到能級020CO2(001)+光子CO2(020)+光子(9.6微米)受激輻射概率：

模式1>>模式23.2.1.1CO2

激光器工作原理弛豫過程（100、020000）兩步躍遷：第一步：100、020010(很快)第二步：010000(很慢，加快氣體)He氣：下能級盡快排空，維持粒子數反轉3.2.1.1CO2

激光器工作原理3.2.1.2CO2

激光器結構和分類工作氣體不流動，管壁導熱；結構簡單，成本低；光束質量好，可得基模；運行無噪音、易于維護；輸出功率小，1kw，50w/m封離式CO2

激光器3.2.1.2CO2

激光器結構和分類高頻激勵橫流CO2激光器1.激光束2.切向排風機

3.氣流方向4.熱交換器

5.后鏡6.折疊鏡

7.高頻電極

8.輸出鏡

9.輸出窗口

一般氣流的流動速度較慢,將熱量從放電腔中帶走。3.2.1.2CO2

激光器結構和分類軸流式CO2激光器

幾個功能部件在諧振腔中采用了光學串聯方式連接，這樣既提高了功率，同時又保持了各部分獨立設計的特點。

3.2.1.2CO2

激光器結構和分類軸流式CO2激光器工作原理3.2.1.2CO2

激光器結構和分類擴散冷卻式CO2激光器（封離式再次歸來）

射頻氣體在兩個大面積銅電極之間放電，電極間隙很小，放電腔中通過水冷電極可達到很好的散熱效果，或的相對較高的能量密度。結構緊湊、堅固，氣體消耗小。

中心電路光束輸出

諧振腔外殼氣瓶3.2.1.2CO2

激光器結構和分類3.2.1.2CO2

激光器結構和分類

光束輸出射頻電源

真空泵3.2.1.2CO2

激光器結構和分類激光器類型：橫流軸流擴散冷卻輸出功率等級：3~45kW1.5~20kW0.2~8kW

脈沖能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束傳播系數(K)0.150.40.9

氣體消耗：小大極小電-光轉換效率：

15%15%30%

焊接效果：較好好優(yōu)良

切割效果：差好優(yōu)良

相變硬化：好一般一般

表面涂層：好一般一般表面熔覆：好一般一般

3.2.1.2CO2

激光器結構和分類3.2.2

固體激光器根據工作物質分類：紅寶石：激活離子Cr3+，波長：694.3nm，

Nd:YAG：激活離子：Nd，波長：1.06m，釹玻璃：激活離子：Nd，波長:1.06m，根據泵浦方式分類：氪閃光燈泵浦：脈沖氪燈照射在工作物質棒上，輸出方式：脈沖；氪弧光燈泵浦:連續(xù)氪弧燈照射在工作物質棒上，輸出方式：連續(xù)；二極管泵浦：采用陣列二極管照射工作物質棒，輸出方式：連續(xù)和脈沖；調Q激光器：采用調Q技術使得激光的脈沖能量大大地提高（幾百千瓦），脈沖寬度：100~500ns，頻率：幾百~62kHz。

1、紅寶石：Al2O3晶體中摻入少量Cr3+Cr3+是激活粒子，Al2O3晶體是基體三能級系統(tǒng)：基態(tài)E1：4A2激發(fā)態(tài)E3：4F1、

4F2亞穩(wěn)態(tài)E2:E、2A由于譜線競爭，激光多產生于R1線(694.3nm)兩個吸收能帶410nm(藍光帶)550nm(綠光帶)3.2.2.1

固體激光工作原理3.2.2.1

固體激光工作原理紅寶石激光的特點在410nm和550nm有很強很寬的吸收譜線，可充分利用光能化學組成和晶體結構穩(wěn)定，硬度高、強度大、導熱性好閾值高，三能級系統(tǒng)，半數以上的抽運才能實現粒子數反轉，需要較大的泵浦光能溫度影響大50度以上功率減小，300度溫度猝滅紅寶石棒成本高發(fā)散角大3～10mrad、總效率低0.2~0.5%3.2.2.1

固體激光工作原理第一臺紅寶石激光器3.2.2.1

固體激光工作原理YAG:Y3Al5O12（Y2O3

和Al2O3按3：5克分子比）Nd3+

代替Y3+:Y2.97Nd0.03Al5O12Nd3+：四能級系統(tǒng)兩條吸收譜線：750nm和810nmE0(光激勵)E3E2(10－3s)(10.6um)E1E0Nd3+:YAG晶體能級結構E*10-3cm-122201816121086420750nm810nm10600nmE0E1E2E3Nd:YAG激光器(摻銣鐿鋁石榴石)摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)的特點閾值低，需要的光泵浦功率小優(yōu)良的物理、化學性能良好的導熱性能、熱膨脹系數小吸收譜線寬度窄，對光源質量要求高目前能夠用于制作大功率固體激光器的物質3.2.2.1

固體激光工作原理燈泵浦Nd:YAG激光器

大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是長150mm，直徑7~10mm。泵浦過程中激光棒發(fā)熱，限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG激光器的功率范圍約為50~800W。

3.2.2.2

固體激光器結構3.2.2.2

固體激光器結構

將幾個Nd:YAG棒串聯起來可獲得高功率的激光束，每個獨立的棒可通過透鏡引導并規(guī)則的排列起來。目前的Nd:YAG激光器系統(tǒng)多達8個腔。輸出4kW功率。1kW的脈沖Nd:YAG激光器半導體泵浦YAG激光器

半導體在連續(xù)輸出模式下的使用壽命可超過10000小時(用于打標時壽命可超過15000小時)，而且無需任何維護。而弧光燈泵浦激光器的壽命只在1000小時以下(打標激光器為2000小時以下)。

低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：側向、橫向泵浦3.2.2.2

固體激光器結構1.Nd:YAG晶體棒2.激光束3.輸出鏡4.半導體陣列5.后鏡6.冷卻水7.電源3.2.2.2

固體激光器結構

YAG激光器的氪弧燈與半導體泵浦源的譜線分布

半導體激光的發(fā)射光和Nd:YAG吸收波段之間的良好光譜匹配降低了Nd:YAG晶體上的熱負荷，從而可獲得較好的光束質量，提高激光輸出功率和脈沖重復頻率。

較小的焦點直徑：切割、焊接時能達到很高的加工速度光束質量高：工作距離大瑞利長度大：焦點位置對公差不敏感半導體泵浦YAG激光器在材料加工中的優(yōu)勢3.2.2.2

固體激光器結構半導體泵浦盤式Yb:YAG激光器3.2.2.2

固體激光器結構3.2.2.2

固體激光器結構免調整型腔體3.2.2.2

固體激光器結構Yb：YAG激光器中的半導體泵浦源3.2.2.2

固體激光器結構輸出功率3000W，雙圓片設計3.2.2.2

固體激光器結構輸出功率3000W，雙圓片設計3.2.2.2

固體激光器結構熱透鏡效應比較YAG棒的設計圓盤的設計盤式激光器的優(yōu)點3.2.2.2

固體激光器結構焊接中碳鋼3.2.2.2

固體激光器結構振鏡掃描焊接結果半導體泵浦YAG激光半導體泵浦盤式激光3.2.2.2

固體激光器結構激光器類型：YAG

CO2

光束波長:1.06m10.6m輸出功率等級：0.1~5kW0.5~45kW脈沖能力：DC-60kHzDC-5kHz光束模式：多模TEM00-多模光束傳播系數（K）

0.150.1-0.9

電-光轉換效率：3-10%15-30%光束傳輸:光學鏡片或光纖光學鏡片焊接效果：優(yōu)良好切割效果：一般優(yōu)良表面處理:好好運行成本:高低

CO2、YAG激光器性能比較3.3

半導體激光器

半導體激光器半導體結構內的電子空穴復合時，可以在非常窄、非常薄的區(qū)域內產生幾毫瓦功率的光。

典型激光條結構的發(fā)射表面是一個窄條，被分成25個子陣列，每個子陣列約有25個發(fā)射點，諧振腔由激光條的兩個表面構成，長度約為600μm。許多這樣的元件組合起來可形成一個“激光條”。半導體激光波長808，940，980nm。3.3

半導體激光器

激光條中，光以條紋形式發(fā)射，一個方向看類似波紋頂部輪廓，另一側面看類似高斯分布輪廓。3.3

半導體激光器

激光條中，光以條紋形式發(fā)射，一個方向看類似波紋頂部輪廓，另一側面看類似高斯分布輪廓。3.3

半導體激光器

激光條前部安裝一個短焦距的微透鏡，將發(fā)散光轉換為平行光。Fast–axiscollimationSlow–axiscollimation3.3

半導體激光器

進一步提高功率，可在每個激光條的上面再安裝散熱器，通常將這樣的單元結構稱為“堆?！?，采用專門的反射鏡，將幾個這樣的堆棧合在一起，能夠傳輸的最大功率達6kW。半導體激光能量幾乎是無限的光從一個區(qū)域發(fā)出光從不相干的光遠發(fā)出聚焦性差“亮度低”3.3

半導體激光器與常規(guī)激光器增加能量方法的不同之處半導體、CO2、NdYAG激光器的比較光束傳播方式附帶電源的大功率半導體激光器半導體激光加工頭3.3

半導體激光器不同激光器的外觀CO2、YAG、半導體激光器光束質量對比工業(yè)激光器總結3.3

激光加工光學系統(tǒng)作用:激光束的傳輸和處理(光斑大小和光強分布)—光學材料(反射材料和透射材料)—聚焦光學系統(tǒng)—勻光系統(tǒng)—導光系統(tǒng)3.3.1

光學材料YAG:1.06um，近紅外，傳統(tǒng)玻璃（硅酸硼冕牌玻璃），鍍膜CO2:10.6um,紅外光學材料高反射率光學材料：銅、鉬、硅、鍺透射材料：鍺(Ge)、硒化鋅(ZnSe)、砷化鎵(GaAs),氯化鉀(KCl)3.3.1

光學材料3.3.1

光學材料3.3.2

聚焦光學系統(tǒng)透射聚焦：2kw以下時常用良好的聚焦性能