雷射加工原理與應(yīng)用

雷射加工原理與應(yīng)用雷射的歷史雷射(laser)是LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation的簡稱。雷射的觀念最早可訴溯及本世紀(jì)初，1905年愛因斯坦依據(jù)一般相對性理論首次提出光量子假說，開啟雷射的觀念探討，緊接在1917年愛因斯坦又提出受激輻射理論，加速了雷射理論的成熟。1960年美國休斯公司實(shí)驗(yàn)室，梅曼〔Maiman〕工程師製造出全世界第一具紅寶石雷射，Maiman博士因而獲得了雷射之父的譽(yù)稱，其後數(shù)十年雷射的各項(xiàng)運(yùn)用發(fā)展得極為快速，尤其是醫(yī)療用途最為成功。

主要雷射的應(yīng)用雷射主要波長（nm）主要應(yīng)用He-Ne（氦氖）632.8各種計(jì)測（照準(zhǔn)、測距、精密測長、速度等）、干涉計(jì)、通信、情報(bào)處理Ar，Kr（氬、氪）514，496（Ar）647（Kr）全息術(shù)、醫(yī)療（治療與診斷）、加工（製版、退火、光CVD）He-Cd（氦鎘）442325光碟、製版、傳真、印字器CO210.6μm加工（切斷、熔接、表面處理、退火）、醫(yī)療（雷射手術(shù)刀）、雷射雷達(dá)、核融合能量驅(qū)動(dòng)器Nd：玻璃

紅寶石1.06μm694核融合能量驅(qū)動(dòng)器、加工雷射雷達(dá)、加工（開孔、點(diǎn)熔接）、電漿診斷、高速全息術(shù)色素雷射950~380分光分析、同位素分離、醫(yī)療、超短脈衝光半導(dǎo)體雷射1.3~1.20.9~0.78μm通信、光情報(bào)處理裝置（光碟記憶等）各種計(jì)測用光源、醫(yī)療（雷射針）雷射光的特點(diǎn)重要雷射的種類1.氣體雷射2.液態(tài)雷射3.固體雷射4.半導(dǎo)體雷射氣體雷射二氧化碳雷射的能階液態(tài)雷射溶解在水或其他溶劑中的染料，在以光照激發(fā)後，得以成為雷射介質(zhì)。每一種染料，在以適當(dāng)?shù)牟ㄩL激發(fā)後，可以在某一範(fàn)圍內(nèi)調(diào)變它輸出的雷射波長，並且更換不同的染料及激發(fā)光源，雷射輸出波長可包含全部可見光及其附近的紫外線和紅外線，在基礎(chǔ)科學(xué)研究上極具價(jià)值。前述的離子雷射原本是染料雷射的最正確激發(fā)光源，現(xiàn)在又有倍頻的固態(tài)晶體雷射可取而代之。固體雷射人造紅寶石中的鉻離子，是梅曼最先發(fā)現(xiàn)的雷射介質(zhì)。他原本是研究以紅寶石強(qiáng)化微波，卻發(fā)現(xiàn)它可以強(qiáng)化深紅色的光波。紅寶石並不是優(yōu)良的雷射介質(zhì)，它的效率甚差，但因它是世上第一具雷射，其歷史價(jià)值相當(dāng)重要。寄居在釔鋁石榴石中的釹離子，是一種優(yōu)良的雷射介質(zhì)，稱為釹—釔鋁石榴石〔Nd：YAG〕雷射。起初研發(fā)這雷射時(shí)是以放電燈為激發(fā)光源，吸收光源中以810奈米為中心的紅外線，發(fā)出1.064微米的雷射光，效率約3％?，F(xiàn)在以波長808奈米的半導(dǎo)體雷射為激發(fā)光源，總效率可達(dá)20％，是現(xiàn)有雷射中最優(yōu)秀的?，F(xiàn)在石榴石雷射的輸出可達(dá)數(shù)千瓦，成為極佳的工業(yè)用雷射。寄居在藍(lán)寶石晶體中的鈦離子，經(jīng)以綠色雷射光激發(fā)後，可發(fā)出波長可調(diào)範(fàn)圍甚廣的雷射光。且時(shí)間甚短，是非常有用的光源。紅寶石中鉻離子的能階釔鋁石榴石中釹離子的能階半導(dǎo)體雷射正〔P〕型與負(fù)〔N〕型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面附近會(huì)形成空乏區(qū)。假設(shè)對P型和N型側(cè)各施以正和負(fù)偏壓，則可驅(qū)趕電洞和電子進(jìn)入空乏區(qū)，電洞和電子的結(jié)合會(huì)釋出能量並導(dǎo)通電流。因?yàn)殡娮雍碗姸捶志痈吆偷湍芗?，偏壓就能在空乏區(qū)造成群數(shù)反轉(zhuǎn)。如果能級間差距夠大且電子和電洞移動(dòng)夠快，就足以產(chǎn)生雷射作用。砷化鎵系列或三五族半導(dǎo)體，在摻入雜質(zhì)後可成為P型或N型的半導(dǎo)體，二者接觸後的空乏區(qū)在施以偏壓後可發(fā)出波長840奈米一帶的雷射光。半導(dǎo)體雷射本身甚小，在封裝後也僅及米粒的體積，輸出功率也不高。假設(shè)把一群半導(dǎo)體製成雷射陣列，體積雖仍然很小但輸出甚高，可用以激發(fā)石榴石雷射，甚至有工業(yè)上的用途。雷射控制技術(shù)1.調(diào)Q技術(shù)

2.鎖模技術(shù)

調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q技術(shù)也叫Q開關(guān)技術(shù)，是一種獲得頂峰值功率、窄脈寬雷射脈衝的技術(shù)，可將雷射脈寬壓縮至奈秒量級〔峰值功率達(dá)106W以上〕。通常，將這種頂峰值功率的窄脈衝叫做巨脈衝。調(diào)Q的根本理論1.脈衝固體雷射器輸出的弛豫振盪光源越強(qiáng)，尖峰脈衝個(gè)數(shù)越多，但其包絡(luò)的峰值增加並不多。將這種現(xiàn)象叫做雷射器輸出的弛豫振盪〔或尖峰振盪〕。弛豫振盪形成的主要原因是：隨著光源的作用，雷射器達(dá)到其振盪閾值產(chǎn)生雷射振盪，腔內(nèi)光子數(shù)密度上升，輸出雷射。隨著雷射的發(fā)射，上能階粒子數(shù)被大量消耗，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度下降，到低於閾值時(shí)，雷射發(fā)射停止。在脈衝形成的過程中，雷射器的閾值始終保持不變，是產(chǎn)生弛豫振盪最根本的原因。2.共振腔的品質(zhì)因素Q在電子技術(shù)中，用Q值來描述一個(gè)共振回路品質(zhì)的上下。在雷射技術(shù)中，用Q值來描述一個(gè)共振腔的品質(zhì)，稱其為共振腔的品質(zhì)因數(shù)。3.調(diào)Q的根本原理將器件的閾值調(diào)低，那麼累積在上能階的大量粒子，便雪崩式地躍遷到雷射下能階，在極短的時(shí)間內(nèi)將儲(chǔ)存的能量釋放出來，而獲得峰值功率極高的雷射脈衝輸出。4.調(diào)Q雷射器的兩種儲(chǔ)能方式調(diào)Q雷射器可以分為工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q和共振腔儲(chǔ)能調(diào)Q兩類。1.工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q，也叫脈衝反射式調(diào)Q，簡稱PRM法(PulseReflectionModel)。

(1)工作過程脈衝激發(fā)的調(diào)Q過程。圖中，Wp為激發(fā)速率，Δni為Q值階躍變化時(shí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，Δnt為閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，Δnf為振盪終止時(shí)工作物質(zhì)殘留的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，為腔內(nèi)的光子數(shù)密度。連續(xù)激發(fā)高重複率調(diào)Q過程。

(2)工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q的特點(diǎn)

在雷射振盪終止時(shí)，工作物質(zhì)中殘留了一部份反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δnf，即工作物質(zhì)中的儲(chǔ)能。2.共振腔儲(chǔ)能調(diào)Q

共振腔儲(chǔ)能調(diào)Q，也叫脈衝透射式調(diào)Q，簡稱PTM法(PulseTransmissionModel)。能量以光子的形式儲(chǔ)存在共振腔中，當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時(shí)，瞬間將腔內(nèi)能量全部輸出，因而也叫做腔倒空法。鎖模技術(shù)根本概念鎖模的主要方法

按照鎖模的工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)鎖模的方法分為主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步激發(fā)鎖模、自鎖模及碰撞鎖模等多種形式。一、主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模採用週期性調(diào)制諧腔參數(shù)的方法。在共振腔中插入一個(gè)受外界訊號(hào)控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率週期性地改變腔內(nèi)振盪模的振幅或相位。當(dāng)選擇調(diào)制頻率等於縱模間隔時(shí)，對各個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊頻，邊頻又與兩個(gè)相鄰縱模的頻率相一致，由此引起模之間的相互作用。主動(dòng)鎖模的實(shí)現(xiàn)多採用聲光或電光調(diào)制器。2.被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模是將可飽和吸收體放在共振腔內(nèi)加以實(shí)現(xiàn)的。其原理主要是利用可飽和吸收體的非線性吸收效應(yīng)。當(dāng)腔內(nèi)的光強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，可飽和吸收體對光的吸收達(dá)到飽和，透過率變?yōu)?00%。有機(jī)染料是一種很合適的可飽和吸收體。3.同步激發(fā)鎖模用一臺(tái)主動(dòng)鎖模雷射器的脈衝序列作為種子脈衝去激發(fā)另一臺(tái)雷射器使其實(shí)現(xiàn)鎖模，稱之為同步激發(fā)鎖模。優(yōu)點(diǎn)在於週期性激發(fā)時(shí)，可以獲得比激發(fā)脈衝寬度窄得多的脈衝。4.自鎖模當(dāng)工作物質(zhì)自身的非線性效應(yīng)，已能夠保持各個(gè)振盪縱模頻率的等間隔分佈，且彼此之間有確定的初相位關(guān)係，不需要在共振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件即可實(shí)現(xiàn)鎖模，稱之為自鎖模。典型的自鎖模雷射器——摻鈦藍(lán)寶石雷射器。雷射加工特色1.適用於微細(xì)加工、切斷、熔接、外表處理。2.可加工金屬、非金屬、複合材料等幾乎所有種類的材料，也容易加工高融點(diǎn)材料或高硬度材料。3.藉光路變換或光束分割，可同時(shí)或時(shí)間分割進(jìn)行不同場所的加工?？稍诖髿庵小⒄婵罩屑庸?。4.無加工反力施加於加工中的被加工物，容易設(shè)定被加工物的位置，可行尺寸精度高而形狀複雜的加工。5.適於利用微電腦等電腦控制〔CNC〕使加工自動(dòng)化。雷射加工的缺點(diǎn)1.需開發(fā)使加工部門週邊之熱影響成最小限度的加工施行技術(shù)。2.因是新加工技術(shù)，實(shí)用的加工資料缺乏，加工可靠性的確立需一段時(shí)間。3.裝置價(jià)格比傳統(tǒng)加工裝置價(jià)格高。雷射加工的種類1.雷射修整2.切斷3.熔接4.外表處理雷射修整雷射切斷

利用高功率密度的雷射光束掃描材料外表，在極短時(shí)間內(nèi)將材料加熱到數(shù)千至上萬攝氏度，使材料熔化或汽化，再用高壓氣體將熔化或汽化物質(zhì)從切縫中吹走，達(dá)到切割材料之目的。

雷射切割機(jī)雷射切斷的特色1.切斷的尺寸精度不因材料硬度而變，易得0.1mm的精度。2.可切斷陶瓷等高融點(diǎn)材料。3.切斷寬度小(0.1~0.2mm)，切斷面平滑。4.加工精度高，可有效活用材料，不浪費(fèi)。5.藉電腦控制可高速高精度切斷複雜的圖形，也可立即順應(yīng)切斷形狀的變更。雷射熔接

很多YAG雷射和低輸出的CO?雷射用於電子零件或薄板零件材的熔接，最近日本開發(fā)輸出數(shù)kW以上的工業(yè)用CO?雷射，雷射熔接已實(shí)用於汽車工業(yè)、重工業(yè)、製鐵業(yè)等。焊接機(jī)雷射系統(tǒng)

雷射熔接的特色1.熔珠寬度窄，熔入度深。2.熱影響層薄，熔接部的機(jī)械性強(qiáng)度與母材強(qiáng)度同等。3.入熱少，熱變形小，可行尺寸精度高的加工。4.可彈性、迅速順應(yīng)材質(zhì)或版厚的變更。5.可行異種金屬的熔接。外表處理合金化雷射合金化處理是在鐵鋼等低價(jià)格零件才外表添加合金化所必要的材料，照射雷射光，把外表加熱、熔融，在構(gòu)件材外表形成任意合金層，改善構(gòu)件材的耐蝕性、耐磨耗性、耐氧化性等。因金屬外表急速熔融和固化，可得均勻