1、下篇下篇 應(yīng)用篇應(yīng)用篇 激光器的誕生標(biāo)志著量子光學(xué)由學(xué)術(shù)走向技術(shù)，使傳統(tǒng)光學(xué)、近代光學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代光學(xué)和光子學(xué)的新世紀(jì)。在總結(jié)20世紀(jì)的偉大成就時，激光是被認(rèn)為繼原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)之后的又一重大發(fā)明。計(jì)算機(jī)延伸了人的大腦，而激光延伸了人的五宮，激光是探索自然奧秘的超級“探針”。 今天，激光無時不在，無處不在，應(yīng)用幾乎遍及所有領(lǐng)域。本篇重點(diǎn)介紹六個方面的應(yīng)用。激光應(yīng)用技術(shù)第 七 章 激光應(yīng)用的物理基礎(chǔ)第 八 章 激光制造技術(shù)第 九 章 激光傳感與測量第 十 章 激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用第十一章 激光在基礎(chǔ)科學(xué)和前沿科學(xué)中 的應(yīng)用第 十二 章 激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用第十三章 激光在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用及最新

2、進(jìn)展第七章 激光應(yīng)用的物理基礎(chǔ)深圳大族龍門式激光加工系統(tǒng)第一節(jié) 激光光束的特性 高強(qiáng)度、高方向性、高單色性和高相干性光源光源一、高強(qiáng)度StEI太陽123102srWcmI1mW He-Ne激光器1231088srWcmI大功率激光器121791010srWcmI SE光源亮度-單位面積、單位時間在垂直于光源 表面的單位立體角內(nèi)發(fā)射的能量。立體角定義立體角定義： = S /r2Sr 太陽表面的亮度比白熾燈大幾百倍。二、高方向性激光器激光器Laser測月紅寶石激光器測月紅寶石激光器 =0.031mradD=1.6km=25mrad（毫弧度）（毫弧度）rlrl(1km時光斑直徑時光斑直徑10m) 氦

3、氖激光器是目前發(fā)散角最小的激光器，可達(dá)到 rad，較探照燈高3個量級。410激光所包含的波長或頻率范圍極小一束普通的紅光頻率范圍：Hz1414107 . 4109 . 3Hz14108 . 0Laser6328埃的He-Ne激光（中心頻率)1074. 414HzHz4102（理論值，實(shí)際幾赫茲）三、高單色性 710單頻氦氖激光器的譜寬度可達(dá) nm 氪燈86Kr譜線寬度是 nm210 單色性好單色性最好的氪燈單色性最好的氪燈KrKr8686 =4.7=4.71010-3-3 nm nm 穩(wěn)頻穩(wěn)頻HeHeNeNe激光器激光器 910 nm激光的單色性比普通光高 倍.1010 相干性是指光波場中光振

4、動之間的相關(guān)程度。 相干性越好則光場中各點(diǎn)光振動在頻率、振動方向的一致性越好，相位的關(guān)聯(lián)性也越好。相干性越好則光場中任取兩點(diǎn)作光源所產(chǎn)生的干涉和衍射的條紋越清晰。 四、高相干性 原子發(fā)光時間和所發(fā)光的頻率寬度成反比，即：相干長度：光波在空間能夠產(chǎn)生干的最大距離LH = c tH相干時間：能夠產(chǎn)生干涉的最大間隔時間 tH tv1激光的非常小，激光的相干時間t 很大普通光源的相干長度約為1mm至幾十cm，激光可達(dá)幾十km.楊氏雙縫干涉單單縫縫雙雙縫縫屏屏Ir圓孔衍射 光的單色性越好，則其相干性也越好。光的單色性越好，則其相干性也越好。 二者是統(tǒng)一的二者是統(tǒng)一的.激光的空間相干性空間相干性：空間兩點(diǎn)

5、在同一時刻的 相干性 時間相干性：是指空間一點(diǎn)在兩個不 同時刻的相干性 第二節(jié) 激光光束特性對激光加工的影響激光器的輸出特性： 激光波長、輸出能量和功率、空間分布特性、時間特性、偏振特性、光譜特性、頻率穩(wěn)定性、增益特性、相干性等 一、激光波長光束傳輸、變換的影響，材料吸收的影響。二、輸出能量和功率脈沖激光器：用輸出能量來描述 峰值功率：Pm=E/TPm=E/T平均功率：P=EfP=Ef三、空間分布特性1、高斯光束及其聚焦 高斯光束 ：振幅和等相位面都在變化的高斯球面光波 基模（TEM0000）的高斯光束幾個重要概念：光斑半徑：2( )1 ()zzf20f束腰半徑 ：光斑半徑達(dá)到極小值其值稱為束

6、腰半徑 高斯光束及其參數(shù)上式：/0既束腰半徑發(fā)散角：當(dāng)基模高斯光束橫截面上的強(qiáng)度下降到中心強(qiáng)度的1/e2時點(diǎn)對應(yīng)的全角寬度。002 ( )2limzzz2、發(fā)散角及光斑模式壓縮發(fā)散角提高功率密度 橫模選擇：小孔光闌非穩(wěn) 腔等 多模的合理利用四、時間特性 連續(xù)激光器 用功率瓦表示脈沖激光器（普通、調(diào)Q、超短脈沖）五、偏振特性激光偏振狀態(tài)對切割的影響第三節(jié) 激光加工的特點(diǎn) 作用點(diǎn)?。ㄎ⒚准墸┳饔脮r間短（納秒甚至飛秒）功率密度高（ W/cm2）（電子束 W/cm2 ） 1010810激光加工的主要特點(diǎn)：1、激光功率密度高，可以加工幾乎所有材料。（高硬度材料、耐高溫材料等）2、激光加工屬于非接觸加工，

7、速度快、效率 高、無噪聲。3、激光加工屬于局部加工，熱影響區(qū)小， 熱變形和加工變形很小。4、由于光斑小和作用時間短，可以進(jìn)行 精細(xì)的微加工。5、由于激光的空間和時間控制性很好，便 于機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、自動檢 測技術(shù)和設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動化加工。6、與電子束加工相比，設(shè)備相對簡單，使 用方便。7、可以一機(jī)多用，完成不同的工作。8、可以對透明的物體內(nèi)部進(jìn)行加工。各種參數(shù)條件下激光加工的可能應(yīng)用和影響第四節(jié) 激光與物質(zhì)的相互作用一、激光與物質(zhì)相互作用的物理基礎(chǔ) 激光加工的物理基礎(chǔ)，涉及多學(xué)科和能量轉(zhuǎn)換及物質(zhì)形態(tài)變化。1、激光與物質(zhì)相互作用的能量轉(zhuǎn)換能量守恒定律 ：R+T+=1 布格爾定律：

8、材料吸收率0 xII e2、吸收率影響吸收率的主要因素：、波長的影響：吸收率 是波長的函數(shù)。、溫度的影響：隨著溫度變化，材料對激光的吸收 率 也隨之變化。溫度越高，吸收率增大。、其他因素；激光入射角、材料表面狀況等。二、金屬材料對激光的吸收 1、金屬表面的反射和吸收自由電子密度越大，即電導(dǎo)率越大，反射率越高 2.、金屬表面反射率與波長的關(guān)系3、金屬性質(zhì)和表面狀態(tài)的影響增加吸收，表面處理：粗糙、污染、氧化、磷化等三、非金屬材料對激光的吸收1、絕緣材料對激光的吸收非金屬材料：吸收率高 激光光學(xué)材料：選擇透射率高、 吸收率小的材料 2、半導(dǎo)體材料對激光的吸收半導(dǎo)體材料對可見光不透明，對紅外光透明，如

9、鍺 四、光致等離子體 等離子體的熱傳導(dǎo)有三種形式：1、等離子體與材料表面的電子熱傳導(dǎo)。2、等離子體輻射的短波長光波。3、受等離子體壓迫而返回表面的蒸氣的凝結(jié)。五、激光防護(hù)1、危險性 激光輻射的危害電器危害污染噪聲2、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)工程控制個人防護(hù)3、標(biāo)識激光危害分類：1類激光產(chǎn)品：無危險2類激光產(chǎn)品：小于1mW的連續(xù) 激光，低危險3A類激光產(chǎn)品：15mW的連續(xù) 激光，低危險3B類激光產(chǎn)品:脈沖小于10J/m2連續(xù) 小于0.5W，中等危險4類激光產(chǎn)品：大于3B類，高危險激光輻射警告標(biāo)志圖說明標(biāo)志第五節(jié) 激光加工用光學(xué)系統(tǒng)光束傳輸和變換系統(tǒng)一、激光光學(xué)元件1、透射型光學(xué)元件 激光器輸出鏡、聚焦系統(tǒng)的透鏡

10、、光路中的棱鏡等 、CO2激光器常用的三種材料：鍺（GeGe）、砷化鎵（GaAs）、硒化鋅（ZnSeZnSe） 、Nd:YAG 激光器：普通冕牌光學(xué)玻璃2、反射型光學(xué)元件、激光器的全反射鏡、導(dǎo)光系統(tǒng)中的折反鏡、光路中的反射鏡紅外波常用銅和鉬，其中銅要鍍金膜3、光學(xué)鍍膜、介質(zhì)膜（增透、增反、特定透射率）、金屬膜二、光學(xué)聚焦系統(tǒng)1、高斯光束聚焦、發(fā)散角 ：002 ( )2limzzz2244()PPGDF、透鏡后光斑直徑 ：DF、焦平面的功率密度：2、倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)也稱擴(kuò)束鏡作用：壓縮發(fā)散角RR 開普勒望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角薄透鏡對高斯高斯的變換3、透鏡聚焦系

11、統(tǒng) 透射式聚焦：透鏡4、反射聚焦系統(tǒng)反射式聚焦：凹面鏡，適合功率密度非常大時 卡格林系統(tǒng)球面反射鏡的聚焦光路三、光學(xué)勻光系統(tǒng)掃描器1、掃描器振鏡 振鏡掃描裝置轉(zhuǎn)鏡掃描角：7204( )radNN轉(zhuǎn)鏡分辨率：12.6WAN2、積分鏡積分鏡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)鏡掃描裝置3、二元光學(xué)勻光系統(tǒng) 二元光學(xué)元件以光的衍射為其工作原理，采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與微電子加工技術(shù)在片基表面制作 深度為亞微米級、臺階形分布的純相位元件。 意義：二元光學(xué)是光學(xué)設(shè)計(jì)和元件制作工藝上的一場革命，它的誕生促進(jìn)了光學(xué)設(shè)計(jì)原理從 折射向衍射發(fā)展，光學(xué)元件從宏觀與散件向微型與集成發(fā)展。 應(yīng)用：光束波前整形和重建、光束勻滑、光束分束與合束像差矯正、光束準(zhǔn)直、長焦深器件、激光聚焦矯正、坐標(biāo)變換等。 采用二元光學(xué)器件的二元光學(xué)勻光系統(tǒng)可以將橢圓高斯光束變換為均勻圓光束，將圓光束變換成矩形、三角形、線形等形狀的均勻光束，同時實(shí)現(xiàn)了改變光束形狀和能量分布均勻化的功能。4、平場透鏡（f-透鏡）系統(tǒng) 平場透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) f -透鏡的像高和其入射角成正比。假設(shè)焦點(diǎn)距離為f，其像高Yf。使用f -透鏡可以方便地實(shí)現(xiàn)等速掃描。Yf四、光學(xué)導(dǎo)光系統(tǒng)1、光纖導(dǎo)光系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) ：體積小，