材料鐳射加工

LaserMaterialProcessing第一章概述主要內(nèi)容：鐳射產(chǎn)生的歷史鐳射的特性鐳射技術(shù)的廣泛應(yīng)用鐳射加工發(fā)展現(xiàn)狀與展望1.1鐳射產(chǎn)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(shù)上的準備第一臺雷射器的產(chǎn)生LASER=LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation鐳射：通過幅射的受激發(fā)射實現(xiàn)光的放大何為“鐳射”錢學(xué)森(1911-2009),世界著名科學(xué)家。1964年建議將“光受激發(fā)射”改為“鐳射”。1.1.1、

受激輻射理論的提出19世紀末的“紫外災(zāi)難”：1900年，英國物理學(xué)家瑞利根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)和電磁理論，推出了黑體輻射的能量分佈公式。該理論在長波部分與實驗比較符合，但在短波部分卻出現(xiàn)了無窮值，而實驗結(jié)果是趨於零。這部分嚴重的背離，被稱之為“紫外災(zāi)難”（紫外指短波部分）經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的光電輻射現(xiàn)象1.1.1、

受激輻射理論的提出紫外災(zāi)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(jīng)驗公式理論依據(jù)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(shè)能量的幅射是不連續(xù)的，以一定的整數(shù)倍跳躍式地變化，量子假說與物理學(xué)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(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)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(shù)上的準備受激輻射的概念最初並未引起足夠重視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(shù)量隨電流增大而增大，發(fā)現(xiàn)了負色散現(xiàn)象，間接用實驗證明受激幅射的存在1939年前蘇聯(lián)的法布裏康特研究氣體放電的光學(xué)性質(zhì)時明確指出：受激輻射的條件是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

1.1.2、

技術(shù)上的準備光學(xué)諧振腔難題的解決鐳射產(chǎn)生的兩個條件：鐳射放大器與正回饋回路電子學(xué)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(dǎo)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(shù)量級光波頻段：微米量級？二戰(zhàn)的影響直接研究限於停頓微波、雷達等無線電的研究迅速發(fā)展1.1.2、

技術(shù)上的準備MASER的產(chǎn)生1953年，湯斯以NH3分子作為振盪器，實現(xiàn)了1.25cm微波量子振盪器向波長更短方向邁進遇到了極大困難光學(xué)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(lǐng)域深有研究，提出了關(guān)鍵性建議：利用光學(xué)F－P儀作為光學(xué)諧振腔1958年湯斯和肖洛聯(lián)名在《PhysicsReview》上發(fā)表了題為“紅外線和光學(xué)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(xué)會議上，提交了十幾個雷射器的設(shè)計方案，各國學(xué)者展開了激烈角逐湯斯的紅寶石雷射器建議伊朗傑萬的He－Ne雷射器建議1960年7月7日，《紐約時報》率先報導(dǎo)了梅曼得到鐳射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(chǔ)：原子分子光譜、紅寶石微波激射器等不迷信：1959年8月開始研究鐳射，不迷信權(quán)威，發(fā)現(xiàn)紅寶石的量子效應(yīng)高達70％，而非肖洛指出的1％波長：0.6943um1.1.3、

第一臺雷射器的產(chǎn)生1.1.3、

第一臺雷射器的產(chǎn)生國外的第一臺雷射器1.1.3、

第一臺雷射器的產(chǎn)生中國的第一臺雷射器紅寶石雷射器1961年8月王之江等He-Ne雷射器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃雷射器1963年6月幹福熹等GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體雷射器1963年12月王守武等脈衝Ar+雷射器1964年10月萬重怡等CO2分子雷射器1965年9月王潤文等CH3I化學(xué)雷射器1966年3月鄧錫銘等YAG雷射器1966年7月屈乾華等1.2鐳射的特性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:鐳射的立體角:1.2鐳射的特性1.2.1方向性強：遠距離傳輸而不顯著擴散比較：探照燈和鐳射方向性探照燈照到月球光斑直徑約幾百公里鐳射照到月球光束直徑2公里探照燈鐳射1.2鐳射的特性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)散的功率鐳射是目前世界上最亮的光源!1.2鐳射的特性光源發(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鐳射10－3~10－410-310-5~1010CO2鐳射104~10－310-610-3~1013紅寶石鐳射107~1.3*10－35*10-610-4~1015高頻率銣玻璃鐳射109~3.5*10－54.8*10-910-3~10211.2鐳射的特性1.2.3.單色性好單色性：光源所發(fā)出的光所包括的頻率範圍，頻率範圍越窄，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鐳射的譜線寬度Δλ<10－11μm，He-Ne鐳射的譜線可以窄到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鐳射的特性光脈衝寬度可以極窄閃光燈：毫秒Q開關(guān)：10－9s；鎖模：10－14s飛秒鐳射10－15s

鐳射是最好的相干光源1.3鐳射技術(shù)的廣泛應(yīng)用1.3.1鐳射精密測量

單色性、相干性，用於計量檢測能獲得高計量精度，且方便快捷鐳射長度基準：波長632.8nm的He-Ne鐳射定義米尺，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，鐳射亮度高，脈衝寬度窄，故測距精度高；利用運動物體產(chǎn)生的反射光多普勒頻移可測運動速度；1.3鐳射技術(shù)的廣泛應(yīng)用1.3.2鐳射資訊處理

光碟：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鐳射通訊光電腦：光波具有並行性，可交叉，並可解決電子電腦的發(fā)熱問題1.3鐳射技術(shù)的廣泛應(yīng)用1.3.3強鐳射的應(yīng)用材料鐳射加工切割、焊接、劃片、雕刻、淬火、微納加工等鐳射分離同位素現(xiàn)有方法：品質(zhì)差別分離係數(shù)低耗能大選擇性的激發(fā)、電離或解離，克服上述缺點鐳射核聚變：核燃料點火慣性約束核聚變1.3.4鐳射醫(yī)學(xué)鐳射刀光照射：低功率光照－消炎、消腫、鎮(zhèn)痛等作用1.3.5鐳射武器、科學(xué)試驗鐳射武器戰(zhàn)術(shù)武器(鐳射制導(dǎo)、鐳射致盲、鐳射掃雷)戰(zhàn)略武器(核聚變)科學(xué)試驗應(yīng)用非線性光學(xué)鐳射光譜1.3鐳射技術(shù)的廣泛應(yīng)用1.4鐳射加工發(fā)展現(xiàn)狀與展望1.4.1鐳射加工的定義

雷射光束作用於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鐳射加工的分類

熱加工：鐳射作用於材料表面會產(chǎn)生熱效應(yīng)，如焊接、切割、打孔、成型、表面處理等。

冷加工：鐳射與材料的作用時間遠小於熱傳導(dǎo)的弛緣時間，可完全避免熱效應(yīng)，如飛秒鐳射打孔、微納加工等(前沿問題)。鐳射熱加工工藝與功率、作用時間之間的對應(yīng)關(guān)係1.4鐳射加工發(fā)展現(xiàn)狀與展望1.4.3鐳射加工技術(shù)的優(yōu)勢自動化程度高高度的靈活性高精度生產(chǎn)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)鐳射加工技術(shù)現(xiàn)狀1.4.4世界工業(yè)鐳射加工技術(shù)現(xiàn)狀近年來每年市場增長15％以上三個區(qū)域中心：北京、武漢、上海著名鐳射加工系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)單位：大恒科技、華工科技(上市)、電子十一所、楚天、上海鐳射（集團）總公司、大族公司(上市)等制約因素：雷射器品質(zhì)、導(dǎo)光系統(tǒng)、高速傳動與精密定位、工藝技術(shù)1.4.4世界工業(yè)鐳射加工技術(shù)現(xiàn)狀我國鐳射加工技術(shù)現(xiàn)狀1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.5工業(yè)鐳射加工應(yīng)用實例1.4.6鐳射微納加工應(yīng)用實例1.4.6鐳射微納加工應(yīng)用實例1.4.6鐳射微納加工應(yīng)用實例1.4.6鐳射微納加工應(yīng)用實例鐳射本質(zhì)上是一種電磁波，具有波粒二象性,是電磁波，又是光子流鐳射是一種電磁波(C.Maxwell，1860)。鐳射在傳播時表現(xiàn)出波動性(橫波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。鐳射是一種光子流。黑體輻射的量子論(Max.Planck,1900),光子理論(Albert.Einstein,1905)。鐳射與物質(zhì)作用時表現(xiàn)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“鐳射”鐳射的波長範圍在紅外線與γ射線之間工業(yè)應(yīng)用鐳射一般在近紅外波段鐳射的波長常見鐳射的波長2.1鐳射產(chǎn)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鐳射產(chǎn)生的條件基本內(nèi)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)：原子處於最低能級時的狀態(tài)激發(fā)態(tài)：處於其他任何高於基態(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(chǎn)生的能級改變，滿足普朗克公式:

?E=hν無輻射躍遷：改變能級並不吸收或輻射光子，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(chǎn)生幅射躍遷2.1.1原子（粒子）發(fā)光機理處於高能級(激發(fā)態(tài))的粒子是不穩(wěn)定的,經(jīng)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，該能量必須等於相應(yīng)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(guān)自發(fā)輻射幾率A21：只與原子本身性質(zhì)相關(guān)與外界輻射無關(guān)自發(fā)輻射：處於高能級的粒子自發(fā)的躍遷到低能級上來，並且在躍遷過程中發(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：處於低能級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(guān)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：處於高能級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,併發(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(chǎn)生產(chǎn)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鐳射產(chǎn)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鐳射產(chǎn)生的條件受激輻射和受激吸收的矛盾物質(zhì)在熱平衡狀態(tài)下，各能級上的粒子數(shù)目服從玻耳茲曼分佈在熱平衡狀態(tài)下，下能級上受激吸收的粒子數(shù)多於上能級上受激輻射的粒子數(shù),熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)不能產(chǎn)生光的放大(鐳射)!n3n2n1E3E2E12.1.3鐳射產(chǎn)生的條件粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)設(shè)有兩個能級E2和E1的粒子系統(tǒng)，由於外部能源的激勵而呈非平衡狀態(tài)，使得處於低能級的粒子經(jīng)種種途徑被激發(fā)到高能級E2上，從而造成E2上的粒子數(shù)多於E1上的粒子數(shù)，即：N2>N1.N2>N1光通過系統(tǒng)（啟動介質(zhì)）後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(zhì)處於非平衡態(tài)。2.1.3鐳射產(chǎn)生的條件工作物質(zhì)

必須有能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)光粒子，即啟動粒子(分子、離子、原子皆可，可以獨立存在，有的則必須依附於基質(zhì)，基質(zhì)+粒子=工作物質(zhì))特點:處於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(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須是增益介質(zhì)激勵方法光泵浦氣體放電電子束激勵化學(xué)反應(yīng)核泵浦等最常用：光電2.1.3鐳射產(chǎn)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鐳射產(chǎn)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(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)！

2.1.3鐳射產(chǎn)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雷射器：Cr3+粒子缺點：由於基態(tài)能級上的總是聚集大量粒子，因此三能級系統(tǒng)的雷射器需要很強的pumping.2.1.3鐳射產(chǎn)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雷射器2.1.3鐳射產(chǎn)生的條件受激輻射和自發(fā)輻射的矛盾

物質(zhì)在熱平衡狀態(tài)下，受激輻射的概率遠小於自發(fā)輻射概率。

當T=300K時，

熱平衡條件下，不可能實現(xiàn)光的受激輻射放大！要解決這一矛盾，需利用光學(xué)諧振腔來實現(xiàn)自激振盪。2.1.3鐳射產(chǎn)生的條件光學(xué)諧振腔…….自發(fā)輻射產(chǎn)生光子，偏離軸向光子很快逃逸出介質(zhì)，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鐳射產(chǎn)生的條件增益增益?zhèn)S數(shù)Ｇ：通過單位距離介質(zhì)光強增加的百分比

G=dI/(Idz)G與啟動介質(zhì)特性，外界激勵能源和入射波長有關(guān)，與入射光強度無關(guān)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鐳射的閾值條件：增益>損耗。提供該條件的場所即為諧振腔。2.1.3鐳射產(chǎn)生的條件I0I1I2Lr1r2工作物質(zhì)被激勵到非平衡態(tài)(亞穩(wěn)態(tài)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn))少量自發(fā)輻射產(chǎn)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於受激吸收的光子，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後，形成穩(wěn)定的輸出

鐳射產(chǎn)生的過程2.2光學(xué)諧振腔和鐳射模式光學(xué)諧振腔作用光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)和分類鐳射模式基本內(nèi)容：2.2光學(xué)諧振腔和鐳射模式提供光學(xué)正回饋作用限制雷射光束的方向限制雷射光束的頻率－縱模根據(jù)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決定鐳射的空間分佈規(guī)律－橫模L2.2.1諧振腔的作用2.2光學(xué)諧振腔和鐳射模式無諧振腔時有諧振腔時2.2.2諧振腔的結(jié)構(gòu)和分類2.2光學(xué)諧振腔和鐳射模式構(gòu)成：兩個腔鏡一個全反射，提供最大回饋一個部分反射，提供部分回饋和輸出結(jié)構(gòu)特點：側(cè)邊沒有邊界，軸向尺寸(腔長)遠大於波長和橫向尺寸三個參數(shù)：R1、R2、L平平－>共軸球面－>固體介質(zhì)波導(dǎo)腔和氣體介質(zhì)波導(dǎo)腔（半封閉）2.2.2諧振腔的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和分類傍軸光線能否在腔內(nèi)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(jù)：穩(wěn)區(qū)圖諧振腔的穩(wěn)定性2.2.2諧振腔的結(jié)構(gòu)和分類特點：不逸出、損耗小應(yīng)用：固體和中小功率CO2穩(wěn)定腔:

0<g1g2<1

2.2.2諧振腔的結(jié)構(gòu)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(yīng)用：大功率CO22.2.2諧振腔的結(jié)構(gòu)和分類臨界腔:

g1g2=0或者g1g2=1特點：介於穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔之間應(yīng)用：研究和使用方面均有價值2.2.3鐳射模式2.2光學(xué)諧振腔和鐳射模式經(jīng)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(nèi)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(nèi)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)鐳射是一種電磁波,在諧振腔中也只能以一系列的本征態(tài)出現(xiàn),腔中每一個鐳射分立的本征態(tài)就是一個模式模式包括橫模和縱模2.2.3鐳射模式縱模:頻率特性及光束場強在縱向(光軸方向)的分佈平行平面腔Gα/l腔內(nèi)真正能形成振盪的閾值條件:G>=α/l描述鐳射場強在橫向(光軸橫截面)上的分佈特徵

TEMmn(TransverseElectromagneticWave)m、n：兩個垂直方向出現(xiàn)暗線的次數(shù).2.2.3鐳射模式橫模對鐳射熱加工有重要意義,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鐳射模式橫模ω(z)光斑半徑，

ω0

高斯光束的束腰2.2.3鐳射模式低階模2.2.3鐳射模式高階模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(nèi)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佈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佈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佈聚焦：高斯光束經(jīng)薄透鏡聚焦後，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

雷射器的組成鐳射工作介質(zhì)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，最後轉(zhuǎn)化成鐳射能量諧振腔：選模，限制波形和提供回饋、增益，提供穩(wěn)定振盪電源：為激勵源提供能量冷卻系統(tǒng)：冷卻工作物質(zhì)、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(zhì)激勵、受激輻射自激振盪增益

外界能量注入（泵浦）光學(xué)諧振腔

3.1

雷射器的組成3.2

工業(yè)雷射器主要內(nèi)容：氣體雷射器固體雷射器半導(dǎo)體雷射器3.2.1

氣體雷射器增益介質(zhì)為氣體,可以是原子，分子或離子He-Ne雷射器

CO2

分子雷射器:高功率:45kw,歐洲尤裏卡計畫100kw高效率：量子效率達40％，電光總效率15％，Nd:YAG：2～3％高光束品質(zhì)，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

雷射器工作原理工作物質(zhì)為：CO2、N2、He混合氣體，比例：6%、28%、66%；分子的內(nèi)能：電子運動、原子間的振動、整體轉(zhuǎn)動CO2雷射器中CO2分子躍遷發(fā)生在基態(tài)電子的不同振轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)動能級不存在純振動，振動時一定處於某種轉(zhuǎn)動之中整體旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動的能量是量子化的振轉(zhuǎn)能級形成CO2光譜的精細結(jié)構(gòu)，200多條譜線3.2.1.1CO2

雷射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(zhuǎn)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

雷射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

雷射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：下能級儘快排空，維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3.2.1.1CO2

雷射器工作原理3.2.1.2CO2

雷射器結(jié)構(gòu)和分類工作氣體不流動，管壁導(dǎo)熱；結(jié)構(gòu)簡單，成本低；光束品質(zhì)好，可得基模；運行無噪音、易於維護；輸出功率小，1kw，50w/m封離式CO2

雷射器3.2.1.2CO2

雷射器結(jié)構(gòu)和分類高頻激勵橫流CO2雷射器1.雷射光束2.切向排風機

3.氣流方向4.熱交換器

5.後鏡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

雷射器結(jié)構(gòu)和分類軸流式CO2雷射器

幾個功能部件在諧振腔中採用了光學(xué)串聯(lián)方式連接，這樣既提高了功率，同時又保持了各部分獨立設(shè)計的特點。

3.2.1.2CO2

雷射器結(jié)構(gòu)和分類軸流式CO2雷射器工作原理3.2.1.2CO2

雷射器結(jié)構(gòu)和分類擴散冷卻式CO2雷射器（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(jié)構(gòu)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

雷射器結(jié)構(gòu)和分類3.2.1.2CO2

雷射器結(jié)構(gòu)和分類

光束輸出射頻電源

真空泵3.2.1.2CO2

雷射器結(jié)構(gòu)和分類雷射器類型：橫流軸流擴散冷卻輸出功率等級：3~45kW1.5~20kW0.2~8kW

脈衝能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束傳播係數(shù)(K)0.150.40.9

氣體消耗：小大極小電-光轉(zhuǎn)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

表面塗層：好一般一般表面熔覆：好一般一般

3.2.1.2CO2

雷射器結(jié)構(gòu)和分類3.2.2

固體雷射器根據(jù)工作物質(zhì)分類：紅寶石：啟動離子Cr3+，波長：694.3nm，

Nd:YAG：啟動離子：Nd，波長：1.06m，釹玻璃：啟動離子：Nd，波長:1.06m，根據(jù)泵浦方式分類：氪閃光燈泵浦：脈衝氪燈照射在工作物質(zhì)棒上，輸出方式：脈衝；氪弧光燈泵浦:連續(xù)氪弧燈照射在工作物質(zhì)棒上，輸出方式：連續(xù)；二極體泵浦：採用陣列二極體照射工作物質(zhì)棒，輸出方式：連續(xù)和脈衝；調(diào)Q雷射器：採用調(diào)Q技術(shù)使得鐳射的脈衝能量大大地提高（幾百千瓦），脈衝寬度：100~500ns，頻率：幾百~62kHz。

1、紅寶石：Al2O3晶體中摻入少量Cr3+Cr3+是啟動粒子，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由於譜線競爭，鐳射多產(chǎn)生於R1線(694.3nm)兩個吸收能帶410nm(藍光帶)550nm(綠光帶)3.2.2.1

固體鐳射工作原理3.2.2.1

固體鐳射工作原理紅寶石鐳射的特點在410nm和550nm有很強很寬的吸收譜線，可充分利用光能化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，硬度高、強度大、導(dǎo)熱性好閾值高，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(zhuǎn)，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

固體鐳射工作原理第一臺紅寶石雷射器3.2.2.1

固體鐳射工作原理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(jié)構(gòu)E*10-3cm-122201816121086420750nm810nm10600nmE0E1E2E3Nd:YAG雷射器(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(xué)性能良好的導(dǎo)熱性能、熱膨脹係數(shù)小吸收譜線寬度窄，對光源品質(zhì)要求高目前能夠用於製作大功率固體雷射器的物質(zhì)3.2.2.1

固體鐳射工作原理燈泵浦Nd:YAG雷射器

大功率雷射器中，典型的Nd:YAG棒一般是長150mm，直徑7~10mm。泵浦過程中鐳射棒發(fā)熱，限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG雷射器的功率範圍約為50~800W。

3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)

將幾個Nd:YAG棒串聯(lián)起來可獲得高功率的雷射光束，每個獨立的棒可通過透鏡引導(dǎo)並規(guī)則的排列起來。目前的Nd:YAG雷射器系統(tǒng)多達8個腔。輸出4kW功率。1kW的脈衝Nd:YAG雷射器半導(dǎo)體泵浦YAG雷射器

半導(dǎo)體在連續(xù)輸出模式下的使用壽命可超過10000小時(用於打標時壽命可超過15000小時)，而且無需任何維護。而弧光燈泵浦雷射器的壽命只在1000小時以下(打標雷射器為2000小時以下)。

低功率雷射器：末端泵浦高功率雷射器：側(cè)向、橫向泵浦3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)1.Nd:YAG晶體棒2.雷射光束3.輸出鏡4.半導(dǎo)體陣列5.後鏡6.冷卻水7.電源3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)

YAG雷射器的氪弧燈與半導(dǎo)體泵浦源的譜線分佈

半導(dǎo)體鐳射的發(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品質(zhì)，提高鐳射輸出功率和脈衝重複頻率。

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

固體雷射器結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體泵浦盤式Y(jié)b:YAG雷射器3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)免調(diào)整型腔體3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)Yb：YAG雷射器中的半導(dǎo)體泵浦源3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)輸出功率3000W，雙圓片設(shè)計3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)輸出功率3000W，雙圓片設(shè)計3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)熱透鏡效應(yīng)比較YAG棒的設(shè)計圓盤的設(shè)計盤式雷射器的優(yōu)點3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)焊接中碳鋼3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)振鏡掃描焊接結(jié)果半導(dǎo)體泵浦YAG鐳射半導(dǎo)體泵浦盤式鐳射3.2.2.2

固體雷射器結(jié)構(gòu)雷射器類型：YAG

CO2

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

0.150.1-0.9

電-光轉(zhuǎn)換效率：3-10%15-30%光束傳輸:光學(xué)鏡片或光纖光學(xué)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雷射器性能比較3.3

半導(dǎo)體雷射器

半導(dǎo)體雷射器半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子空穴複合時，可以在非常窄、非常薄的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生幾毫瓦功率的光。

典型鐳射條結(jié)構(gòu)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，諧振腔由鐳射條的兩個表面構(gòu)成，長度約為600μm。許多這樣的元件組合起來可形成一個“鐳射條”。半導(dǎo)體鐳射波長808，940，980nm。3.3

半導(dǎo)體雷射器

鐳射條中，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(cè)面看類似高斯分佈輪廓。3.3

半導(dǎo)體雷射器

鐳射條中，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(cè)面看類似高斯分佈輪廓。3.3

半導(dǎo)體雷射器

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

半導(dǎo)體雷射器

進一步提高功率，可在每個鐳射條的上面再安裝散熱器，通常將這樣的單元結(jié)構(gòu)稱為“堆疊”，採用專門的反射鏡，將幾個這樣的堆疊合在一起，能夠傳輸?shù)淖畲蠊β蔬_6kW。半導(dǎo)體鐳射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(dǎo)體雷射器與常規(guī)雷射器增加能量方法的不同之處半導(dǎo)體、CO2、NdYAG雷射器的比較光束傳播方式附帶電源的大功率半導(dǎo)體雷射器半導(dǎo)體鐳射加工頭3.3

半導(dǎo)體雷射器不同雷射器的外觀CO2、YAG、半導(dǎo)體雷射器光束品質(zhì)對比工業(yè)雷射器總結(jié)3.3

鐳射加工光學(xué)系統(tǒng)作用:雷射光束的傳輸和處理(光斑大小和光強分佈)—光學(xué)材料(反射材料和透射材料)—聚焦光學(xué)系統(tǒng)—勻光系統(tǒng)—導(dǎo)光系統(tǒng)3.3.1

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

光學(xué)材料3.3.1

光學(xué)材料3.3.2

聚焦光學(xué)系統(tǒng)透射聚焦：2kw以下時常用良好的聚焦性能、