第五章激光加工

第五章激光加工

LaserBeamMachining第一節(jié)激光加工的原理和特點

第二節(jié)激光加工的基本設(shè)備

第三節(jié)激光加工工藝及應(yīng)用第一節(jié)激光加工的原理和特點一、激光的產(chǎn)生原理（一）光的物理概念及原子的發(fā)光過程1.光的物理概念波粒二象性光的波動性可看成電磁波=c/(-波長c-波速-頻率)可見光=0.4~0.76m，紫青藍綠黃橙紅紅外線>0.76m紫外線<0.4m波譜圖粒子性以光速運動具有一定能量的粒子流E=h(E-能量h-普朗克常數(shù)-頻率)波譜圖第一節(jié)激光加工的原理和特點一、激光的產(chǎn)生原理（一）光的物理概念及原子的發(fā)光過程2.原子的發(fā)光

原子由原子核和繞原子核轉(zhuǎn)動的電子組成。原子的內(nèi)能就是電子繞原子核轉(zhuǎn)動的動能和電子被原子核吸引的位能之和。（二）激光產(chǎn)生1916年，愛因斯坦提出，原子中處于高能級的自由電子，受到外來躍遷頻率相同的光子的作用跳到低能級，并發(fā)射一個光子，新光子與原光子頻率、發(fā)射方向、相位等都相同時，變成兩個光子，條件合適的情況下，光子就會象雪崩一樣得到放大，這種放大的光稱為激光(受激輻射)。1、歷史背景

1).愛因斯坦提出的受激輻射的原理2).1954年制成第一個微波量子放大器。3).1958年，美國的湯斯和肖洛發(fā)表“紅外區(qū)和光學激射器”，湯斯(CharlesH.Townes，1915-)，因此獲1964年諾貝爾獎。湯斯像肖洛像4).1960年，第一臺紅寶石激光器由梅曼制成。1961年，湯斯的研究生加萬制成了氦氖激光器。E2E1N2N1h1.受激吸收：原子因受滿足頻率條件的光的激勵而躍遷到較高能態(tài)的過程

受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射2、自發(fā)輻射沒有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個光子的過程。

E2E1N2N1h

各原子自發(fā)輻射的光是隨機的、獨立的、---非相干光。2、激光的量子理論3.受激輻射若原子受到一個滿足頻率條件的外來光子的激勵，由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，則輻射出另一同頻率的光子來的過程E2E1N2N1全同光子hh受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同------光被放大了。自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射受激輻射2、激光的量子理論受激輻射和光放大受激吸收自發(fā)輻射

在兩個能級間,受激吸收躍遷和受激輻射躍遷具有相同的概率。3、產(chǎn)生激光的基本條件(1)、正常分布:正常條件下,系統(tǒng)中低能級原子數(shù)總是多于高能級原子數(shù).此時,受激吸收占優(yōu)勢.(2)、反轉(zhuǎn)分布:要使受激輻射占優(yōu)勢,必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,即高能級原子數(shù)要超過低能級原子數(shù)。激勵的方法:光照、放電、化學反應(yīng)、核能等等。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)必須用激勵(泵浦)的辦法!能級結(jié)構(gòu)：1231234三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)

在激活介質(zhì)的兩端安置兩塊反射鏡面，一個是全反射鏡，一個是部分反射鏡，這對反射鏡面及其間的空間稱為光學諧振腔。3）、光學諧振腔

要得到方向性和單色性很好的激光，還必須采用光學諧振腔。光學諧振腔3）、光學諧振腔工作物質(zhì)I0輸出全反射鏡部分反射鏡L直流高壓以氦氖激光器為例布儒斯特窗四能級系統(tǒng)波長：特點:連續(xù)式、壽命長、造價低、單色性好、相干性好、方向性好。紅寶石激光器紅寶石棒氙燈聚光腔E3E2E1n3n2n1激勵55006943亞穩(wěn)態(tài)三能級系統(tǒng)特點：脈沖式，功率高。二氧化碳激光器特點:能量轉(zhuǎn)換率高,功率大、工作條件簡便.應(yīng)用:材料加工、遠距離目標識別,光纖傳感,非線性光學,等離子體物理,醫(yī)學光化學等.其他激光器:氬離子激光器,染料激光器、釹玻璃激光器、半導體激光器。二、激光的特性方向性強亮度大單色性好相干性好1、方向性好

激光束的發(fā)散角很小，一般為

激光定位、導向、測距等就利用了方向性好的特點。2、亮度高

亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。

激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細（發(fā)散特別小），功率密度特別大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍。通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進一步提高亮度。

激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。

激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點。激光打孔激光切割低能激光武器高能激光武器3、單色性好

在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準器的氪燈（K186）；它的譜線寬度為4.7×10-3納米，而激光譜線寬為納米，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。采用穩(wěn)頻等技術(shù)還可以進一步提高激光的單色性。

計量工作的標準光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。光纜激光通訊4、相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達幾十公里

全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點。全息照相相干時間：光源先后發(fā)出的兩束光能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的最大時間間隔；相干長度:相干時間間隔內(nèi)走過的路程稱為例3．激光——

原子力顯微鏡(AFM)

用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復移動,來探測固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機構(gòu)接計算機微芯片壓電換能器壓電控制裝置三、激光加工的原理和特點1）聚焦后，激光加工的功率密度高達108-1010W/cm2，光能轉(zhuǎn)化為熱能，幾乎可以熔化、氣化任何材料。2）可以精密微細加工。3）無機械力，無損耗問題。4）裝置簡單。5）反復試驗，尋找合理參數(shù)。6）加工產(chǎn)生的飛濺物，要注意通風抽走，操作者應(yīng)戴防護眼鏡。第二節(jié)激光加工的基本設(shè)備一、激光加工機的組成部分：激光器：電能→光能，產(chǎn)生激光束激光器電源：提供所需的能量及控制功能光學系統(tǒng)：激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準系統(tǒng)（觀察和調(diào)整激光束的焦點位置）機械系統(tǒng)：床身、能在三坐標范圍內(nèi)移動的工作臺、電控系統(tǒng)二、激光加工常用的激光器激光器的分類激勵方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長輸出頻率特性

2、按工作方式分類

連續(xù)式（功率可達104W）脈沖式（瞬時功率可達1017W/cm2

）激光器的種類：

固體（如紅寶石Al2O3）液體（如某些染料）

氣體（如He-Ne、CO2）半導體（如砷化鎵GaAs）自由電子1、按激活介質(zhì)的種類分類（一）固體激光器1.固體激光器的基本組成：工作物質(zhì)、光泵（脈沖氙燈）、玻璃套管、濾光液、冷卻水、聚光器、諧振腔等2.固體激光器的分類：固體激光器常用的工作物質(zhì)：紅寶石、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石三種。（1）紅寶石激光器：三能級系統(tǒng)激光器，主要是鉻離子起受激發(fā)射作用。（2）釹玻璃激光器：四能級系統(tǒng)激光器（3）摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器：四能級系統(tǒng)激光器（一）固體激光器（二）氣體激光器氣體激光器一般采用電激勵。常用于材料加工的氣體激光器有二氧化碳激光器和氬離子激光器。1.二氧化碳激光器二氧化碳激光器是以二氧化碳氣體為工作物質(zhì)的分子激光器，連續(xù)輸出功率可達萬瓦，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。其諧振腔多采用平凹腔，一般總以凹面鏡作為全反射鏡，而以平面鏡作為輸出端反射鏡。2.氬離子激光器氬離子激光器是惰性氣體氬通過氣體放電，使氬原子電離并激發(fā)，實現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。第三節(jié)激光加工工藝及應(yīng)用一、激光打孔二、激光切割三、激光刻蝕打標記劃片一、激光打孔激光打孔

采用脈沖激光器可進行打孔﹐脈沖寬度為0.11毫秒﹐特別適于打微孔和異形孔﹐孔徑約為0.005～1毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承﹑金剛石拉絲模﹑化纖噴絲頭等工件的加工(圖1)。激光加工的紅寶石鐘表軸承孔一、激光打孔1.輸出功率與照射時間：功率大，照射時間長，工件獲得的能量大2.焦距與發(fā)散角：減小激光束的發(fā)散角，盡可能的采用短焦距物鏡（20mm左右）3.焦點位置：一般激光的實際焦點在工件的表面或略微低于工件表面為宜4.光斑內(nèi)的能量分布：激光在焦點附近的光強度分布與工作物質(zhì)的光學均勻性以及諧振腔調(diào)整精度直接有關(guān)一、激光打孔5.激光的多次照射：能加工出深而錐度小的孔，其焦點位置宜固定在工件表面而不宜逐漸移動6.工件材料二、激光切割激光切割激光切割的原理和激光打孔原理基本相同。激光切割采用重復頻率較高的脈沖激光器或連續(xù)輸出的激光器。在精密機械加工中，