§2.5工業(yè)激光加工設備§2.5.1固體激光器§2.5.2氣體激光器§2.5.3激光加工的光學系統(tǒng)§2.5.4工業(yè)激光加工系統(tǒng)工業(yè)激光器固體激光器紅寶石銣玻璃Nd3+:YAG能量輸出方式：脈沖，連續(xù)氣體激光器CO2CO激光器的組成激光工作物質：粒子數(shù)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(shù)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)定可靠的工作激光器組成§2.5.1固體激光器工作物質：基質材料和摻雜離子

摻雜離子：三能級系統(tǒng)或四能級系統(tǒng)

基質：晶體.摻雜離子取代晶體中的一種離子特點：晶體的各向異性，吸收特性與光的偏振態(tài)有關；離子能級受晶格場的影響

玻璃.摻雜濃度高，均勻缺點：熱性能，機械性能較差,譜線較寬特點：摻雜離子濃度大，一般為1010-1020cm-3激光上能級壽命較長（亞穩(wěn)態(tài)），一般10-3—10-4s儲能大泵源：一般用光泵激勵激光器組成：固體工作物質，諧振腔，泵浦光源系統(tǒng)一、固體激光器的工作物質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(chǎn)生于R1線(694.3nm)兩個吸收能帶410nm(藍光帶)550nm(綠光帶)紅寶石的特點在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、導熱性好閾值高單位體積內產(chǎn)生粒子數(shù)反轉所需的最小輸入能量高，三能級系統(tǒng)，半數(shù)以上的抽運才能實現(xiàn)粒子數(shù)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%2.摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)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)E1E0E*10-3cm-122201816121086420750nm810nm10600nmE0E1E2E3Nd3+:YAG晶體能級結構摻釹釔鋁石榴石(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(shù)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二、、固固體體激激光光器器的的結結構構第一一臺臺紅紅寶寶石石激激光光器器的的結結構構HaasYAGLaserCrossSectionTheNd:YAGSolidStateLaserSchematicdiagramofanNd:YAGlaserModernCWlamppumpedNd:YAGlaserCanalsousediodelasersforpumping三、、泵泵浦浦光光源源要求求：：電電光光效效率率高高、、發(fā)發(fā)光光譜譜線線與與工工作作物物質質的的吸吸收收譜譜線線一一致致、、功功率率大大、、亮亮度度高高、、壽壽命命長長光源源種種類類：：惰性性氣氣體體放放電電燈燈：：Kr燈燈、、Xe燈燈金屬屬蒸蒸汽汽燈燈：：汞汞弧弧燈燈、、堿堿金金屬屬蒸蒸汽汽燈燈半導導體體發(fā)發(fā)光光二二極極管管（（激激光光和和非非相相干干光光））燈光光形形狀狀：：直直線線型型或或螺螺旋旋形形YAG主主要要用用氙氙(Xe)燈燈或或氪氪(Kr)燈燈四、、聚聚光光器器又稱稱泵泵浦浦腔腔，，和和光光源源一一起起組組成成光光泵泵浦浦系系統(tǒng)統(tǒng)五冷冷卻卻系系統(tǒng)統(tǒng)熱量量來來源源：：電光光轉轉換換效效率率30～～60％％工作作物物質質無無輻輻射射躍躍遷遷聚光光器器內內壁壁吸吸收收泵泵浦浦光光激光光工工作作物物質質吸吸收收的的多多余余的的泵泵浦浦光光線線反射射鏡鏡片片吸吸收收的的部部分分光光危害害：：損損壞壞鏡鏡片片、、工工作作物物質質““溫溫度度猝猝滅滅””冷卻卻方方式式：：全全腔腔式式、、分分離離式式六調調Q技技術術Q激激光光器器的的品品質質因因子子定義義：：其中中W為為腔腔內內儲儲能能，，dW為為每每秒秒損損耗耗的的能能量量，，v為為頻頻率率Q：：反反映映了了諧諧振振腔腔的的損損耗耗，，Q越越大大，，起起振振越越容容易易，，損損耗耗越越小小調Q：：改改變變腔腔的的Q因因子子，，使使激激光光輸輸出出窄窄脈脈沖沖調Q過過程程和和方方法法調Q方方法法：：機械械轉轉鏡鏡電光光開開光光聲光光開開光光M1M2轉鏡鏡調調Q增益益介介質質為為氣氣體體,可可以以是是原原子子，，分分子子或或離離子子He-Ne激激光光器器CO2分子子激激光光器器:高功功率率:25kw,歐歐洲洲尤尤里里卡卡計計劃劃100kw高效效率率：：量量子子效效率率達達40％％，，電電光光總總效效率率15％％，，YAG：：2～～3％％高光光束束質質量量，，連連續(xù)續(xù)穩(wěn)穩(wěn)定定輸輸出出低低階階模模長波波長長：：非非金金屬屬吸吸收收，，金金屬屬強強烈烈反反射射§2.5.2氣氣體體激激光光器器一、、CO2激光光器器的的工工作作物物質質分子子的的內內能能：：電電子子運運動動、、原原子子間間的的振振動動、、整整體體轉轉動動CO2激光光器器中中CO2分子子躍躍遷遷發(fā)發(fā)生生在在基態(tài)態(tài)電電子子的不不同同振轉轉能能級級之間間振動動能能級級：：V1V2lV3對稱稱V1彎曲曲V2反對對稱稱V3l為為彎彎曲曲振振動動的的角角量量子子數(shù)數(shù)轉動動能能級級不存存在在純純振振動動，，振振動動時時一一定定處處于于某某種種轉轉動動之之中中整體體旋旋轉轉，，轉轉動動的的能能量量是是量量子子化化的的振轉轉能能級級形形成成CO2光譜譜的的精精細細結結構構，，200多多條條譜譜線線激發(fā)發(fā)過過程程（（基基態(tài)態(tài)000躍躍遷遷到到上上能能級級001））慢速速電電子子碰碰撞撞激激發(fā)發(fā)CO2(000)+eCO2(001)+e串級級躍躍遷遷CO2(00V3)+CO2(000)CO2(00V3－1)+CO2(001)（（V3>1））共振振轉轉移移＋N2(振振動動能能級級E(v)與與00V3相近近)N2(V=1~4)+CO2(000)N2(V=0)+CO2(00V3=1~4)V3=1001V3>1再再通通過過串串級級躍躍遷遷到到001弛豫豫過過程程（（100、、020000）分兩兩步步100、、020010(很很快快)010000(很很慢慢，，加加快快氣氣體體)下能能級級盡盡快快排排空空，，維維持持粒粒子子數(shù)數(shù)反反轉轉二、、CO2激光光器器的的結結構構和和種種類類封離離式式：工作作氣氣體體不不流流動動，，管管壁壁導導熱熱；結構構簡簡單單，，成成本本低低；光束束質質量量好好，，可可得得基基模模；運行行無無噪噪音音、、易易于于維維護護；輸出出功功率率小小，，1kw，，50w/m橫流流CO2激光光器器與封封離離式式相相比比：克服服功功率率不不高高缺缺點點，，改改善善氣氣體體冷冷卻卻條條件件，，提提高高氣氣壓壓特點：1、三軸垂直；；2、氣體流速快快60~100m/s；；3、功率高；4、光束質量差差(高階?；蚧颦h(huán)形模)軸流式CO2激光器Fast-AxialFlowLasers-TheoryOfOperationPRCLaserTheCarbonDioxideFastAxialFlowLaserSchematicdiagramofafastaxialflowCO2laserModernRFexcitedfastAxialflowCO2laser特點:光束、氣流、、電場同向分段激勵單位長度輸出出功率大500w/m，體積大大大減小輸出光束質量量好：基?；蚧虻碗A?？蛇B續(xù)或脈沖沖輸出快軸流(200~500m/s)和和慢軸流(0.1~1m/s)三、影響CO2激光器功率輸輸出的因素工作氣體的成成分CO2產(chǎn)生激光N2：共振激發(fā)，同同時加速弛豫豫過程He：抽孔下下能級（碰撞撞），導熱性性好、散熱不同結構具有有不同最佳比比例氣體“老化””：分解、空空氣滲入、不不同的解決方方法溫度的影響：：溫度升高，下下能級粒子數(shù)數(shù)增多，功率率絳低放電電流的影影響：一定范圍內，，電流增大功功率增大；電電流過大加速速CO2分解解和溫度上升升，功率下降降§2.5.3激光加加工的光學系系統(tǒng)作用:激光束束的傳輸和處處理(光斑大大小和光強分分布)反射材料和透透射材料聚焦光學系統(tǒng)統(tǒng)勻光系統(tǒng)導光系統(tǒng)一、光學材料料YAG:1.06um，近紅外，，傳統(tǒng)玻璃（（硅酸硼冕牌牌玻璃），鍍鍍膜CO2:10.6um,紅外外光學材料高反射率光學學材料：銅、、鉬、硅、鍺鍺透射材料：鍺鍺(Ge)、、硒化鋅(ZnSe)、、砷化鎵(GaAs),氯化鉀(KCl)CO2激光透射材料料性能比較常用反射材料料的反射率二、聚焦光學學系統(tǒng)透射聚焦：2kw以下時時常用良好的聚焦性性能、小光斑斑與工作區(qū)域較較近、容易污污染（氣流保保護）熱透鏡效應反射聚焦：可可用于大功率率高導熱材料、、背面冷卻鏡面穩(wěn)定、熱熱畸變小、破破壞閾值高同軸球面聚焦焦、離軸球面面聚焦、校正正的離軸球面面聚焦反射聚焦與透透射聚焦BeamfocusingReflective4kWNd:YAGbeamprint~150mmfocallength0.6mmPowerdensityatfocus~1,500,000W/cm2Transmissive雙焦點的獲得得三、勻光系統(tǒng)統(tǒng)目的：功率密密度均勻分布布的矩形光斑斑形式：離焦光斑振動鏡旋轉多棱鏡積分鏡勻光系統(tǒng)四、導光系統(tǒng)統(tǒng)目的：將光束束引入到加工工位置形式：光束轉動和光光學關節(jié)臂光纖傳輸系統(tǒng)統(tǒng)分光系統(tǒng)導光系統(tǒng)的保保護（人身和和鏡面）光束方向改變變YAG激光光傳輸方式--光纖傳傳輸Nd:YAGLaserBeamDeliveryLaser分光裝置掃描光路激光加工設備主要部件輔助部件激光器導光系統(tǒng)加工頭工件裝夾工件運動系統(tǒng)控制系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)光路保護裝置輔助材料上下料質量監(jiān)控§2.5.4工業(yè)激光加工工系統(tǒng)3Dlasercuttingandwelding激光加工系統(tǒng)統(tǒng)圖片大功率激光切切割機VECTOR數(shù)控激光切切割機激光切割聚焦焦頭Profile數(shù)控激激光切割機數(shù)控5軸激光光切管機中小功率激光光焊接機小型通用激光光焊接機首飾激光焊接接機LWY50C4多光束激激光焊接機多光束激光焊焊接聚焦系統(tǒng)統(tǒng)中小功率激光光焊接機大功率激光焊焊接機武鋼Si鋼在在線激光焊接接機板材激光焊接接機武鋼Si鋼在在線激光焊接接機激光焊接聚焦焦頭金剛石鋸片激激光焊接機金剛石鋸片激激光焊接車間間全自動焊接機機半自動焊接機機金剛石刀片制制造系統(tǒng)缸套激光熱處處理機汽車缸套激光光熱處理機河南孟州缸套套激光熱處理理車間激光熱處理汽汽車缸套北京切諾基缸缸套在線激光光熱處理機9、靜夜夜四無無鄰，，荒居居舊業(yè)業(yè)貧。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。13:01:2013:01:2013:0112/29/20221:01:20PM11、以我獨沈久久，愧君相見見頻。。12月-2213:01:2013:01Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。13:01:2013:01:2013:01Thursday,December29,202213、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2213:01:2013:01:20December29,202214、他鄉(xiāng)生白白發(fā)，舊國國見青山。。。29十二二月20221:01:20下下午13:01:2012月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月221:01下下午午12月月-2213:01December29,202216、行動動出成成果，，工作作出財財富。。。2022/12/2913:01:2013:01:2029December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。1:01:20下午午1:01下午午13:01:2012月-229、沒有失敗敗，只有暫暫時停止成成功！。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有結結果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。13:01:2013:01:2013:0112/29/20221:01:20PM11、成功就是日日復一日那一一點點小小努努力的積累。。。12月-2213:01:2013:01Dec-2229-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。13:01:2013:01:2013:01Thursday,December29,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2213:01:2013:01:20December29,202214、意志堅強的的人能把世界界放在手中像像泥塊一樣任任意揉捏。29十二月月20221:01:20下午13:01:2012月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。十二二月月221:01下下午午12月月-2213:01December29,202216、少少年年十十五五二二十十時時，，步步行行奪奪得得胡胡馬馬騎騎。。。。2022/12/2913:01:2013:01:2029December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來來秋。。。1:01:20下下午1:01下下午午13:01:2012月月-229、楊柳散和風風，青山澹吾吾慮。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、閱讀一切切好書如同同和過去最最杰出的人人談話。13:01:2013:01:2013:0112/29/202