激光器的種類及應(yīng)用.ppt

1、激光器的種類,按功率分：超大功率、大功率、中功率、小功率激光器； 按輸出激光連續(xù)性狀況分：連續(xù)激光器、脈沖激光器； 按泵浦方法分：光泵浦激光器、電泵浦激光器等。 一般按激光工作物質(zhì)的類型來(lái)劃分:氣體. 液體 .固體 .半導(dǎo)體激光器,激光器的種類,氣體激光器,以氣體為工作物質(zhì)的激光器。 目前應(yīng)用最廣泛的一類激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。 大多數(shù)能連續(xù)工作，激勵(lì)過(guò)程中涉及能級(jí)較固定，采用氣體放電中的電子碰撞激發(fā)。 根據(jù)能級(jí)躍遷類型，又分為原子、離子、分子、準(zhǔn)分子型氣體激光器。,1.原子氣體激光器,工作物質(zhì)：中性氣體原子。 典型代表：He-Ne激光器。其激活介質(zhì)按He:Ne

2、=1:10填充，氖提供激光躍遷能級(jí)。,氣體激光器,發(fā)光波長(zhǎng)：0.6328m紅光，3.39m、1.15m紅外光。通常腔鏡選取0.6328m 輸出功率：較小(幾mW到100mW） 能量轉(zhuǎn)換功率：較低(0.01%） 單色性好，譜線寬度很窄，頻率穩(wěn)定度高，方向性好，發(fā)散角小，相干長(zhǎng)度達(dá)幾十公里 應(yīng)用：精密計(jì)量、準(zhǔn)直、測(cè)距、通訊、跟蹤及全息照相等。,2.離子氣體激光器,工作物質(zhì)：離子氣體。 輸出波長(zhǎng)：大多在紫外和可見(jiàn)光區(qū)域，輸出功率比原子氣體激光器高。 代表： 激光器， 輸出波長(zhǎng)：最強(qiáng)的是 的藍(lán)光和 的綠光， 輸出功率：達(dá) ，最大可達(dá) ，可見(jiàn)光譜中連續(xù)輸出功率最大的氣體激光器。 能量轉(zhuǎn)換效率：千分之幾

3、所需泵浦功率高，需加冷卻水、熱交換器等。,用途：彩色電視、全息照相、信息存儲(chǔ)、快速排字、理論研究、醫(yī)學(xué)、染料激光器泵浦源。,氣體激光器,3.分子氣體激光器,工作物質(zhì)：中性氣體分子的激光器。 代表： 激光器，其能級(jí)與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。充氣： 輸出波長(zhǎng)： 紅外，正處于光通信“大氣窗口”中，常被用作地面和空間光通信光源 效率：高達(dá)30%， 輸出功率：近似與管子長(zhǎng)度成正比，很易從1米長(zhǎng)激光器中獲得100W連續(xù)功率輸出 脈沖激光器輸出功率可達(dá)千兆瓦量級(jí)。 又可分為直流放電型、橫向放電大氣壓(TEA) 型和波導(dǎo)型,(a)直流放電型,(b) TEA型,(c)波導(dǎo)型,氣體激光器,4.準(zhǔn)分子激光器,工作物質(zhì)

4、：稀有氣體或稀有氣體與鹵素氣體的混合氣體， 輸出波長(zhǎng)處于紫外波段的高效脈沖激光器，通常作為分光、激光加工、光刻的光源。 一般稀有氣體非常穩(wěn)定，很難與其他原子結(jié)合形成分子， 一旦被激發(fā)易與其他原子結(jié)合形成分子準(zhǔn)分子， 準(zhǔn)分子：激發(fā)態(tài)很穩(wěn)定，基態(tài)不穩(wěn)定立即分解，因而可獲得理想的反轉(zhuǎn)分布。 稀有氣體與鹵素氣體的不同組合所得激光波長(zhǎng)(nm)不同。,準(zhǔn)分子激光器激光波長(zhǎng)(nm),放電激發(fā)的準(zhǔn)分子激光器結(jié)構(gòu)與TEA型CO2激光器基本相同。 很難維持放電的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而要求脈沖寬度為幾十ns的高速放電。 鹵素氣體活性很強(qiáng)，氣體容易惡化，必須用耐腐蝕材料制作，并要定期更換氣體。 通常采用He、Ne將由壓力數(shù)千

5、帕的稀有氣體和壓力數(shù)百帕的鹵素氣體組成的混合氣 體稀釋成數(shù)百千帕的混合氣體作為激光工作物質(zhì)，所形成的激光器輸出能量為數(shù)百微 焦耳，發(fā)光效率1%，重復(fù)頻率數(shù)千赫茲。,液體激光器,激光工作物質(zhì)：液體。 可分為無(wú)機(jī)液體激光器和有機(jī)液體激光器。染料激光器最有代表性， 優(yōu)點(diǎn)：波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)（調(diào)諧范圍從紫外直到紅外）、價(jià)格低、增益高、效率較高、制備容易、 激光均勻性好、輸出功率可與固體和氣體激光器相比、 可以循環(huán)操作、利于冷卻。 典型例子：若丹明6G染料激光器。,泵浦：，波長(zhǎng)稍短于激光器輸出波長(zhǎng)的光泵， 泵浦方式：(1)橫向泵浦，泵浦光束與染料激光束垂直； (2)縱向泵浦，泵浦光束與染料光束同軸； (3)傾

6、斜入射式泵浦，泵浦光束與染料激光束成一銳角。,(a)脈沖激光激勵(lì)型,(b) 連續(xù)激光器激勵(lì)型,層流式染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖,固體激光器,激光工作物質(zhì)：生長(zhǎng)期間人為摻入雜質(zhì)原子的晶體。 特點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)，易維護(hù)，輸出功率大且適于調(diào)Q產(chǎn)生高功率脈沖、鎖模產(chǎn)生超短脈沖 典型例子：紅寶石激光器、Nd:YAG（摻釹的釔鋁石榴石激光器）、鈦藍(lán)寶石激光器等。,Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)示意圖,半導(dǎo)體激光器,工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料（主要是化合物半導(dǎo)體） 泵浦：電流注入,特點(diǎn)：輸入能量最低，效率最高，體積最小，重量最輕，可以直接調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 與集成電路生產(chǎn)工藝兼容，價(jià)格低廉，可靠性高，壽命長(zhǎng)等 目前銷售總數(shù)量已

7、占各種激光器的99，成為世界激光器市場(chǎng)上的絕對(duì)主流。,1.同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,是更復(fù)雜、更高性能半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單、直觀而 精練地體現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的工作原理，便于建立清晰的概念。,激光工作物質(zhì)： 由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的有源區(qū)：V族化合物，如GaAs，InP直接帶隙結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂都在K空間的同一位置，注人的電子空穴帶間的光躍遷 無(wú)需聲子參與，躍遷幾率很大，有很高的發(fā)光效率。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布通過(guò) p-n結(jié)正向大注入途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)： 正向偏壓下，大量電子和空穴分別通過(guò)耗盡層注入到p側(cè)和n側(cè)， 導(dǎo)帶中存在電子而價(jià)帶空，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 諧振腔一般通過(guò)解理形成： GaAs等材料折射率很高

8、，解理面大約反射35%的入射光，可形成的一對(duì)優(yōu)質(zhì)FP腔， 若再在兩腔面分別鍍以反射膜和增透膜，則可以進(jìn)一步提高腔運(yùn)行效果,半導(dǎo)體激光器,2.異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層，如GaAs和AlGaAs，所組成的一種夾心結(jié)構(gòu)。 高帶隙勢(shì)壘可以阻止注入載流子向注入端深層擴(kuò)散，從而增加反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度， 改善激光器的溫度特性，縮短有源區(qū)厚度，降低閾值電流密度。,與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器具有有源層厚度薄、閾值 電流密度低、內(nèi)部損耗低、電光轉(zhuǎn)換量子效率高、可通過(guò)改變混晶比調(diào)節(jié)輸出 波長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。,半導(dǎo)體激光器,3.量子阱半導(dǎo)體激光器,兩個(gè)高勢(shì)能的阱壁夾住一個(gè)低勢(shì)能阱

9、底就構(gòu)成了一個(gè)勢(shì)阱，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)就是這樣 一個(gè)半導(dǎo)體勢(shì)阱。這類勢(shì)阱中，當(dāng)有源區(qū)的厚度被減少到同電子的德布羅意波的波長(zhǎng) 差不多（約10nm）時(shí)，就會(huì)發(fā)生量子尺寸效應(yīng)，此時(shí)的勢(shì)阱就稱為量子阱。,應(yīng)變量子阱陣列激光器： 略微改變重疊層材料的晶格常數(shù)可使量子阱的材料層形成應(yīng)變，由此構(gòu)成的激光器。 輸出功率更高。,優(yōu)點(diǎn)： 閾值電流小，功耗更低，輸出功率更高，發(fā)射光譜更純，溫度特性更好，噪音更低 響應(yīng)速度更快，波長(zhǎng)覆蓋范圍更寬，更容易陣列化， 為現(xiàn)代光信息系統(tǒng)提供了一個(gè)優(yōu)異且實(shí)用的光源。,量子阱半導(dǎo)體激光器: 有源區(qū)由多個(gè)夾層狀量子阱結(jié)構(gòu)重疊而構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器，,激光器的應(yīng)用,繼固體激光器后, 氣體激光器

10、、化學(xué)激光器、染料激光器、原子激光器、離子激光器、半導(dǎo)體激光器、X 射線激光器和光纖激光器相繼問(wèn)世, 運(yùn)用范疇也擴(kuò)展到比如電子、輕工、包裝、禮物、小五金工業(yè)、醫(yī)療器械、汽車(chē)、機(jī)械制作、鋼鐵、冶金、石油等, 為傳統(tǒng)工業(yè)的技能改造和制造業(yè)的現(xiàn)代化供給領(lǐng)先的技能裝備。,激光器的應(yīng)用,激光與通常光對(duì)比有4個(gè)特性即: 單色性( 單一波長(zhǎng)) 、相干性、方向性和高光強(qiáng)。激光束易于傳輸, 具有極高功率密度的激光光束能夠熔化、氣化任何材料, 也可對(duì)材料的有些區(qū)域進(jìn)行精細(xì)疾速加工。加工過(guò)程中輸入工件的熱量小,熱影響區(qū)和熱變形小; 加工功率高; 易于完成自動(dòng)化。激光技能是一門(mén)歸納性高新技能, 觸及光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子

11、學(xué)等學(xué)科。一樣, 激光加工設(shè)備也觸及到很多學(xué)科, 因此決議了它的高科技性和高收益率?？v觀世界和國(guó)內(nèi)激光運(yùn)用狀況經(jīng)過(guò)多年的研討開(kāi)發(fā)和完善, 今世的激光器和激光加工技能與設(shè)備已適當(dāng)老練, 形成了系列激光加工技能。 我們來(lái)介紹激光加工技能在金屬切開(kāi)、焊接方面的運(yùn)用狀況。,激光器的應(yīng)用,1 激光切開(kāi)的特色及運(yùn)用 激光切開(kāi)是當(dāng)時(shí)各國(guó)運(yùn)用最多的激光加工技能, 在國(guó)外許多范疇, 例如, 汽車(chē)制作業(yè)和機(jī)床制作業(yè)都選用激光切開(kāi)進(jìn)行鈑金零部件的加工。跟著大功率激光器光束質(zhì)量的不斷提高, 激光切開(kāi)的加工目標(biāo)規(guī)劃將愈加廣泛, 簡(jiǎn)直包含了一切的金屬和非金屬資料。例如能夠運(yùn)用激光對(duì)高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的資料進(jìn)行形狀雜亂

12、的三維立體零件切開(kāi), 這也正是激光切開(kāi)的優(yōu)勢(shì)地點(diǎn)。 激光切開(kāi)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技能是光、機(jī)、電一體化的歸納技能。激光光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控體系的功用和精度都直接影響激光切開(kāi)的功率和質(zhì)量。激光切開(kāi)的精準(zhǔn)度、功率和質(zhì)量因不一樣的參數(shù)而改動(dòng), 如切開(kāi)功率、速度、頻率、資料厚度及原料等, 故操作人員的豐厚經(jīng)歷特別重要。,激光器的應(yīng)用,如今, 選用激光切開(kāi)體系的公司首要分兩類: 一類是大中型制作公司, 這些公司出產(chǎn)的商品中有很多板材需求下料、切料, 而且具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和技能實(shí)力; 另一類統(tǒng)稱為加工站, 專門(mén)對(duì)外接受激光加工事務(wù), 本身沒(méi)有主導(dǎo)商品。它的存在一方面可滿意一些中小公司加工的需求, 另一方面在前期對(duì)推

13、行運(yùn)用激光切開(kāi)技能帶來(lái)宣揚(yáng)演示的效果。 激光切開(kāi)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技能是光、機(jī)、電一體化的歸納技能。激光光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控體系的功用和精度都直接影響激光切開(kāi)的功率和質(zhì)量。激光切開(kāi)的精準(zhǔn)度、功率和質(zhì)量因不一樣的參數(shù)而改動(dòng), 如切開(kāi)功率、速度、頻率、資料厚度及原料等, 故操作人員的豐厚經(jīng)歷特別重要。,激光器的應(yīng)用,激光切開(kāi)的首要長(zhǎng)處 (1) 切開(kāi)質(zhì)量好: 切斷寬度窄，精度高、切斷外表粗糙度好, 切縫通常不需求二次加工即可焊接。 (2) 切開(kāi)速度快, 例如選用2kW激光功率, 厚度8mm的碳鋼切開(kāi)速度為1.6m/min; 厚度2mm的不銹鋼切開(kāi)速度為3.5m/min, 熱影響區(qū)小, 變形極小。 (3)

14、清洗、安全、無(wú)污染, 大大改進(jìn)了操作人員的作業(yè)環(huán)境。 激光切開(kāi)歸于非觸摸光學(xué)熱加工, 被譽(yù)為“永不磨損的全能東西”。工件能夠進(jìn)行恣意方法的嚴(yán)密排料或套裁, 使原資料得到充分運(yùn)用。因?yàn)閷?duì)錯(cuò)觸摸加工, 加工后的零件的歪曲表象降至最低并減少了磨損量。 其實(shí)激光切開(kāi)亦有其不足之處, 就精度和切斷外表粗度而言, 激光切開(kāi)未能超越電加工, 就切開(kāi)厚度而言難以達(dá)到火焰和等離子切開(kāi)的水準(zhǔn)。別的它亦不能像轉(zhuǎn)塔沖床一樣進(jìn)行成型、攻牙及折邊等。,激光器的應(yīng)用,激光切開(kāi)的典型運(yùn)用 1 汽車(chē)范疇的運(yùn)用 領(lǐng)先的三維激光設(shè)備, 不光能夠完成車(chē)體零件的切開(kāi), 還可完成整個(gè)轎車(chē)車(chē)身全體的切開(kāi)、焊接、熱處理、熔覆、乃至三維丈量,

15、 然后完成慣例加工無(wú)法完成的技能需求。德國(guó)通快公司的三維激光設(shè)備在奔馳、通用公司、福特公司、雷諾公司、SKODA公司、歐寶公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克萊斯勒公司成功地運(yùn)用多年。 2 航空范疇的廣泛運(yùn)用 世界上很多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司選用三維激光設(shè)備進(jìn)行燃燒器段的高溫合金資料的切開(kāi)和打孔使命, 在軍用和民用航空器的鋁合金資料或特別資料的激光切開(kāi)都獲得了成功。,激光器的應(yīng)用,2.激光焊接的特色及運(yùn)用 激光焊接是一種高速度、非觸摸、變形極小的焊接方法, 十分合適很多而接連的在線加工。跟著激光設(shè)備和加工技能的開(kāi)展, 激光焊接才能也在不斷增強(qiáng)。當(dāng)前, 運(yùn)用4kW的C02激光器焊接1mm的板

16、材, 焊接速度高達(dá)20m/min, 例如, 汽車(chē)職業(yè)的轎車(chē)箱底的大板拼接焊接作業(yè)等。激光焊接的方法首要有傳導(dǎo)焊和穿透焊2 種。當(dāng)前全球的激光運(yùn)用首要以穿透焊為主。近些年來(lái), 高功率萬(wàn)瓦級(jí)激光器在機(jī)械、汽車(chē)、鋼鐵等工業(yè)部門(mén)獲得了日益廣泛的運(yùn)用。,激光器的應(yīng)用,激光焊接機(jī)與其他焊接技能對(duì)比, 首要長(zhǎng)處是: (1) 激光焊接速度快, 焊縫深寬比很大( 可達(dá)510) , 變形小。 (2) 合適于精細(xì)件、箱體件和有密封需求焊接件的加工。激光束經(jīng)集合后可獲得很小的光斑, 能精細(xì)定位, 可運(yùn)用于大批量自動(dòng)化出產(chǎn), 不只出產(chǎn)功率大大提高, 且熱影響區(qū)小, 焊點(diǎn)無(wú)污染, 大大提高了焊接的質(zhì)量。 (3) 激光焊縫

17、機(jī)械功用好, 通常焊縫的機(jī)械功用均強(qiáng)于母材。 (4) 焊接時(shí), 無(wú)需屏蔽或真空環(huán)境, 對(duì)工業(yè)化規(guī)劃出產(chǎn)含義很大。 (5) 經(jīng)過(guò)激光送絲焊接和激光送粉焊接等新技能技能, 完成激光產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用, 開(kāi)辟了激光焊接新的運(yùn)用范疇。 (6) 可焊接難以接近的部位, 施行非觸摸遠(yuǎn)距離焊接。特別是近幾年來(lái), 在YAG 激光加工技能中選用了光纖傳輸技能, 使激光焊接技能獲得了更廣泛的推行與運(yùn)用。 總歸, 激光焊接有如下優(yōu)勢(shì): 高強(qiáng)度, 超長(zhǎng)壽數(shù);高焊接速度, 功率高; 搭接接口技能簡(jiǎn)略, 廢品率低;低定位精度適于產(chǎn)業(yè)化出產(chǎn)。首要運(yùn)用于軍工公司、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石化工業(yè)。,激光器的應(yīng)用,激光焊接的典型運(yùn)用 1 激光焊接汽車(chē)用大板拼接的運(yùn)用 為了滿意汽車(chē)職業(yè)對(duì)寬幅鋼板和特別功用鋼板的需求, 經(jīng)過(guò)激光焊接進(jìn)行大板拼接, 滿意汽車(chē)廠大型三維功用沖壓件的需求。全球汽車(chē)制作商都已完成