激光加工基本原理.doc

1、1激光加工基本原理 （分享）4.1.1 激光加工的特点与分类4.1.1.1 激光加工的特点激光（LASER）是英语“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的字头缩写，意思为“通过受激辐射实现光放大” 。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、增材加工及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为激光加工系统和激光加工工艺。激光加工与其他加工技术相比有其独特的特点和优势，它的主要特点有：1、非接触加工。激光属于无接

2、触加工，切割不用刀具，切边无机械应力，也无刀具磨损和替换、拆装问题，为此可缩短加工时间；焊接无需电极和填充材料，再加上深熔焊接产生的纯化效应，使得焊缝杂质含量低、纯度高。聚焦激光束具有 10610 12W/cm2 高功率密度，可以进行高速焊接和高速切割。利用光的无惯性，在高速焊接或切割中可急停和快速启动。2、对加工材料热影响区小。激光束照射到物体的表面是局部区域，虽然在加工部位的温度较高，产生的热量很大，但加工时的移动速度很快，其热影响的区域很小，对非照射的部位几乎没有影响。在实际热处理、切割、焊接过程中，加工工件基本没有变形。正是激光加工的这一特点，它已被成功地应用于局部热处理和显像管焊接中

3、。3、加工灵活。激光束易于聚焦、发散和导向，可以很方便地得到不同的光斑尺寸和功率大小，以适应不同的加工要求。并且通过调节外光路系统改变光束的方向，与数控机床、机器人进行连接，构成各种加工系统，可对复杂工件进行加工。激光加工不受电磁干扰，可以在大气环境中进行加工。4、可以进行微区加工。激光束不仅可以聚焦，而且可以聚焦到波长级光斑，使用这样小的高能量光斑可以进行微区加工。5、可以透过透明介质对密封容器内的工件进行加工。6、加工高硬度、高脆性、高熔点的金属及非金属材料。4.1.1.2 激光加工的分类1、激光材料去除加工在生产中常用的激光材料去除加工有激光打孔、激光切割、激光雕刻和激光刻蚀等技术。2、

4、激光材料增长加工激光材料增长加工主要包括激光焊接、激光烧结和快速成形技术。3、激光材料改性激光材料改性主要有激光热处理、激光强化、激光涂覆、激光合金化和激光非晶化、微晶化等。4、激光微细加工2激光的微细加工起源于半导体制造工艺，是指加工尺寸约在微米级范围的加工方式。纳米级微细加工方式也叫做超精细加工。目前激光的微细加工成为研究热点和发展方向。5、其他激光加工激光加工在其他领域中的应用有激光清洗、激光复合加工、激光抛光等。4.1.2 激光产生的基本原理4.1.2.1 光的吸收和释放激光的光吸收和释放原理如表 4-1 所示。表 4-1 光的吸收、释放原理自发辐射处于高能级 E2的一个原子自发地向

5、E1跃迁，并发射一个能量为 的光子，hv这一过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。受激吸收 处于低能态 E1的一个原子，在频率为 的辐射场作用(激励)下，吸收一个能v量为 的光子并向 E2能态跃迁，这一过程称为受激吸收跃迁，如图 1-2 所示。hv受激辐射 受激吸收跃迁的反过程就是受激辐射跃迁。处于上能级 E2的原子在频率为的辐射场作用下，跃迁至低能态 E1并辐射一个能量为 的光子。受激辐射跃v hv迁发出的光波称为受激辐射，4.1.2.2 激光产生的过程激光产生的过程是：在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个

6、光子又可以去诱发其它发光粒子，产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子。这种现象称受激辐射光放大。4.1.2.3 典型激光器结构及功能 激光器通常由三部分组成，即激光工作物质、泵浦源及光学谐振腔，它们是产生激光的三个前提条件。具体原理见表 4-23表 4-2 激光器组成激光工作物质包括激活粒子与基质。为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成粒子数反转的发光粒子激活粒子。它们可以是分子、原子或离子。这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附于某些材料中。为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质，它们可以是固体或液体。泵浦源泵

7、浦源的作用是对激光工作物质进行激励，产生粒子数反转。不同的激光工作物质往往采用不同的泵浦源。光学谐振腔光学谐振腔的作用主要有以下两个方面。产生和维持激光振荡、改善输出激光的质量。谐振腔由放置在激光工作物质两边的两个反射镜组成，其中之一是全反射镜，另一个作为输出镜用，是部分反射、部分透射的半反射镜。 14.1.3 激光器系统激光器按工作物质的不同可以分为：固体，气体，液体，光纤及半导体激光器等。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大。用于工业材料加工的主要有固体激光器、CO 2激光器等几种激光器。在此，对几种主要激光器进行介绍。4.1.3.1

8、 固体激光器固体激光器以其独特的优越性在材料加工中获得广泛的应用，固体激光器的优点是：1）输出光波波长较短。红宝石激光器输出波长为 694.3nm；Nd：YAG 及钕玻璃激光器的输出波长为 1.06m，比 CO2激光器低一个数量级。并且固体激光器的输出波长多在可见光区段或近红外光区段，很容易用某些晶体倍频，获得可见光甚至紫外光波段光波。对于大多数材料，激光波长越短，吸收系数越大，在加工工件时，固体激光器所需的平均功率比用 CO2激光器的要小。2）固体激光器输出较易使用普通光学元件传递。对于波长为 1.06m 的近红外光，还可用光纤维传输，具有方便灵活的特点。3）结构紧凑、牢固耐用、使用维护比较

9、方便，价格也比气体激光器低。固体激光器的这些优越性使得其在激光打孔、焊接、表面工程和半导体加工技术中得到广泛应用。固体激光器的基本结构如图 4-1 所示，它主要由激光工作物质、泵浦光源、聚光腔、光学谐振腔等部分组成。4激 光部 分 反 射 镜全 反 射 镜 泵 浦 灯泵 浦 电 源聚 光 腔 工 作 物 质图 4-1 固体激光器基本结构示意图1固体激光器的工作物质 用于材料热加工的固体激光器的工作物质主要有：红宝石，Nd：YAG 和钕玻璃。使用这三种激光物质的激光器的性能特点见表 4-3。表 4-3 固体激光器特点比较固体激光器 特点红宝石激光器 属于三能级系统，机械强度大，能承受高功率密度，

10、亚稳态寿命长，可获得大能量输出，尤其是大能量单模输出。但其阈值较高，输出性能受温度变化明显，不宜作连续及高重复率运行，只能做低重复率脉冲器件。YAG 激光器 属于四能级系统，荧光量子效率高，阈值低，并且具有良好的热稳定性能、热导率高、硬度大、化学性质稳定等特点，是这三种固体激光器中唯一能够连续运转的激光器，已经广泛应用于材料加工。钕玻璃激光器 属四能级系统，具有较宽的荧光谱线，荧光寿命长，易积累粒子数反转而获得大能量输出，容易加工。但其热导率较低，故只能在脉冲状态下工作。目前 Nd：YAG 是实用化固体激光器件中主要使用的激光工作物质。很多工业加工设备的激光器系统都是采用 Nd：YAG 激光器

11、。表 4-4 为使用这三种工作物质的固体激光器的主要工作参数。表 4-4 三种固体激光器的常用参数类型 波长/m 工作方式 激光功率或脉冲能量 脉冲宽度/ns 发散角/mrad 效率/%红宝石 0.6943 脉冲1001000J/脉冲(TEMmn)1J/脉冲(TEM 00)10810 9W10-2J/脉冲11013210-9510 1YAG 1.06连续脉冲Q 开关2100W(TEMmn)20W(TEM00)1500J/脉冲5J/脉冲(TEM 00)510-3J(TEM00)110-3J10810 9W(37350)10 -3J8105J(TEM00)10W(TEM00)0.120(320)1

12、0 -5(0.11)10-510-510200.2252030.15201100.113钕玻璃 1.06脉冲Q 开关锁模500J51010W(100J/脉冲)1.71013W0.51010101100.20.3252.固体激光器的泵浦系统 泵浦系统包括泵浦光源和聚光腔。在固体激光器中，激光物质内的粒子数反转是通过光泵的抽运实现的。电源的电能首先转变为泵浦光源的光能，然后再转变成固体激光器工作物质的储能。目前泵浦光源最常用的是惰性气体放电灯和激光二极管 2。惰性气体放电灯泵浦系统是常规固体激光器最为广泛使用的泵浦光源，主要分为用于脉冲工作方式的氙（Xe）灯和用于连续工作方式的氪（ Kr）灯，随着

13、二极管激光器（LD）技术和制造工艺的成熟，采用激光二极管做为泵浦源，正成为固体激光器泵浦系统的重要发展方向。（1）脉冲氙闪光灯泵浦系统。脉冲氙灯是一种亮度较高的非相干辐射源，用于脉冲工作的Nd：YAG和钕玻璃激光器的泵浦。脉冲氙灯的放电过程是随时间急剧变化的过程，它的灯电阻、端电压和电流都随时间变化。表4-5列出了脉冲氙灯的主要尺寸规格。表4-5 STX系列激光氙灯型号 内径 1(mm）弧长L2(mm)总长OVL(mm)外径 2(mm)电极xL4(mm)STX5x75x140 4 75 140 5 3x5STX7x70x150 5 70 150 7 4x5STX7x100x210 5 100

14、210 7 4x8STX7x100x186 5 100 186 7 4x8STX8x90x220 6 90 220 8 5x8STX8x100x230 6 100 230 8 5x8STX8x100x250 6 100 250 8 5x8STX8x100x288 6 100 288 8 5x10STX8x120x240 6 120 240 8 5x8STX8x120x260 6 120 260 8 5x8STX8x140x280 6 140 280 8 5x8STX8x150x297 6 150 297 8 5x10STX9x130x264 7 130 264 9 6x8STX9x280x39

15、0 7 280 390 9 6x8STX10x45x125 8 45 125 10 6.5x5脉冲固体激光器电源系统的主回路原理图见图4-2，电源电路包括充电电路、储能网络、放电电路、触发及预燃电路、控制电路等。电路的工作原理是；当触发电路给氙灯提供一个高压触发脉冲时，灯内的气体被击穿，进入低阻状态，储能元件中的电能通过灯放电，采用预燃技术，灯触发后，预燃电路提供小电流维持灯的导通状态，脉冲放电靠放电回路中串入放电开关控制，充电电路在储能网络不放电时工作为储能网络充电，控制回路协调以上各电路正常工作。6交流电源充电电路储能放电电路 灯预燃电路控制电路 触发电路图 4-2 脉冲固体激光器电源框图

16、目前国内生产脉冲氙灯的电源的厂家很多，表4-6为武汉新特光电技术有限公司的脉冲激光电源的参数表。表4-6 STLDP系列脉冲激光电源型号 STLDP-1 STLDP-2 STLDP-3 STLDP-4最大输出电功率(kW) 5 5 4 4输出电流范围 (A) 100-600 100-600 100-600 100-600脉冲宽度 (ms) 0.1-10 0.1-20 0.1-10 0.1-20脉冲重复率(Hz) 0.1-100 0.1-200 0.1-100 0.1-200电源输入 380VAC 380VAC 380VAC 380VAC外形尺寸 (mm) 480x202x600（2）连续氪弧光

17、灯泵浦系统。氪比氙的线状光谱能更好地与 Nd：YAG 的吸收谱相匹配，因此，氪弧灯是连续工作高功率激光器常用的泵浦光源。氪弧灯属于管壁稳定型大电流弧光放电灯，放电起始采用高压脉冲点火，点燃后属于稳定气体放电。表 4-7 为部分氪灯的尺寸参数。表4-7 STK 系列激光氪灯型号 内径1 (mm) 弧长L2(mm) 总长OVL(mm) 外径2(mm) 电极xL4(mm)STK6.5x100x250 4.5 100 250 6.5 4x8STK6.5x125x270 4.5 125 270 6.5 4x10STK7x100x210 5 100 210 7 4x8STK7x100x250 5 100

18、250 7 4x8STK7x125x270 5 125 270 7 4x10STK8x95x214 6 95 214 8 5x7STK8x100x235 6 100 235 8 5x8STK8x100x250 6 100 250 8 5x10STK8x100x256 6 100 256 8 5x8STK8x100x270 6 100 270 8 5x107STK8x100x288 6 100 288 8 5x10STK8x120x260 6 120 260 8 5x8STK8x120x264 6 120 264 8 5x10STK8x125x270 6 125 270 8 5x10STK8x1

19、25x280 6 125 280 8 5x10STK8x150x288 6 150 288 8 5x8STK8x150x290 6 150 290 8 5x8STK8x100x210 6 100 210 8 5x8氪灯泵浦系统工作在低电压、大电流状态，对供电系统的要求是：电源与灯的伏安特性要匹配，氪灯的输出功率由电流强度决定，灯在稳定工作中的动态电阻很小，灯电压的微小变化都会引起等电流的大幅变化，因此要求电源有稳流措施，应为电流源，泵浦系统要求一定的电流调节范围，当电流调至最小值(休眠电流)时能保持弧光放电的稳定性，对电流脉动要求在小于 0.52%的范围内。电源系统框图见图 4-3。目前的连续

20、氪灯电源的主电路多为低电压大电流连续供电，采用开关电源形式，如 BUCK 变换器，并有触发电路及辅助高压。表 4-8 列出国内厂家的连续泵浦氪灯电源。主电路辅助高压触发电路控制电路图 4-3 连续固体激光器电源系统表 4-8 国产连续泵浦电源型号 STCW22A STCW32A STCW24A STCW22B STCW32B最大输出电流 25A 30A 20A 25A 30A最高输出电压 200V 200V 400V 200V 200V输出电流波纹 0.4% 0.4% 0.4% 0.4% 0.4%控制精度 0.4% 0.4% 0.4% 0.4% 0.4%休眠电流 7A 7A 7A 7A 7A开

21、关工作频率 20KHZ 20KHZ 20KHZ 20KHZ 20KHZ允许交流电压波动 15% 15% 15% 15% 15%允许工作环境温度 050 050 050 050 0508工作环境湿度范围 90% 90% 90% 90% 90%对交流电源要求 380V，6KVA 380V，9KVA380V，11KVA220V，6KVA 220V，9KVA（3）激光二极管泵浦系统。随着激光二极管（LD）技术及制造工艺的逐步成熟，激光二极管泵浦固体激光器（DPSSL）的研制成为新的发展方向。激光二极管的输出可以与固体激光器介质的吸收带相一致，激励效率大为提高，热效应显著降低。激光二极管还具有结构紧凑、

22、寿命长的优点。连续工作的激光二极管寿命超过 104h、脉冲工作在 109 次以上，而惰性气体泵浦灯只有 200h 和 107 次。采用激光二极管泵浦的激光器体积小、重量轻、效率高、易于维护。当前，随着激光二极管的市场的需求量的持续增加和大规模自动化生产线的建立，二极管的价格逐步下降，激光二极管泵浦固体激光器将得到广泛应用。在设计二极管泵浦系统时，应按应用目的选择二极管参数，如波长、工作方式、输出功率，以及二极管的构型。目前，用作泵浦源的二极管的发射波长已从 770990nm 向红外 9001000nm 和可见光 630680nm 扩展，多种固体激光工作物质都可以用二极管泵浦。通常有长为 100

23、m 或 200m 小的二极管线阵、1cm 长的阵列条和二维面阵，或称叠层组件可供选择。短的二极管阵列特别适于端面泵浦，阵列条常用于侧面泵浦板条或棒状固体激光器。对高功率固体激光器，必须将 1cm 的阵列条叠成模块，以减小电子学驱动器、冷却系统和机械结构的复杂性。目前很多激光器公司生产出 LD 泵浦固体激光器系统，如 Rofin 公司的 DP 系列固体激光器，采用半导体泵浦系统，主要应用于材料的切割与焊接，泵浦半导体激光器的寿命超过 10000 小时。主要型号如表 4-9：表:4-9 DP 系列固体激光器DP 010 HX DP 015 HX DP 020 HX DP 030 HX DP 040

24、 HX泵浦源 激光二极管 激光二极管 激光二极管 激光二极管 激光二极管输出功率 100-1000W 150-1500W 200-2000W 300-3000W 400-4000W光束参数乘积 12mm*mrad 12mm*mrad 25mm*mrad 25mm*mrad 25mm*mrad（4）固体激光器的聚光腔对于使用惰性气体放电灯泵浦的固体激光器，泵浦光在空间 4 立体角内发射，需要使用聚光腔来提高泵浦光的转换效率和提高泵浦光辐射的均匀性。在激光二极管泵浦的情况下，为进一步提高光光转换效率，有时也需要聚光腔。常用的聚光腔有以下几种类型。1）椭圆柱聚光腔。椭圆柱聚光腔是最常用的一种类型，图

25、 4-4 为几种典型结构。92C(a)大偏心率 (b)小偏心率 (c)紧耦合 (d)焦外(e)单椭圆 (f)双椭圆 (g)多椭圆图 4-4 椭圆柱聚光腔2）紧耦合非聚焦聚光腔。这种结构非常简单可得到与椭圆柱聚光腔一样的效率，但泵浦光均匀性较差。几种结构见图 4-5。图 4-5 紧耦合非聚焦聚光腔3）漫反射聚光腔，如图 4-6 所示。用螺旋灯泵浦时，通常在螺旋灯外包一个陶瓷漫反射器，见图 4-4（a ） ，在螺旋形和同轴闪光灯泵浦系统中，泵浦光传输效率由灯内径和棒直径之比决定。最简单的漫反射聚光腔是一个陶瓷圆柱体，棒和灯紧包在圆柱体之内。棒灯反 射 器(a)圆柱腔 (b)单灯紧包腔 (c)双灯紧

26、包腔(d)四灯紧包腔 (e)多灯共轴腔螺旋闪光灯 同轴闪光灯管 漫反射圆柱体 10图 4-6 漫反射聚光腔4）旋转对称聚光腔。能够得到高的光传输效率和很好的均匀辐射效果，在球面反射体聚光腔中，灯和棒沿聚光腔直径方向相邻排列；在椭球体聚光腔中，灯和棒沿长轴放置于焦点和椭圆面间。这类聚光腔的主要缺点是结构复杂、制造成本高，在实际中很少采用。聚光腔的设计和选择应考虑以下几点：1）激光棒的几何形状、尺寸和泵浦源的形式，根据所用激光棒的大小，单灯或多灯泵浦而选用不同的聚光腔型。对二极管泵浦，还应按泵浦功率的泵浦耦合方式等决定是否用聚光腔或使用单面全反射器等。2）性能参数：对光传输效率和泵浦光分布均匀性等

27、性能参数应综合考虑。3）系统考虑：冷却要求、聚光腔的尺寸、重量及制造成本，都是影响总体设计的重要因素。3、固体激光器的谐振腔光学谐振腔是固体激光器的总共要组成部分，它由全反射镜和部分反射镜组成，受激辐射光通过反馈在谐振腔中不断振荡放大，并由部分反射镜输出。最常用的固体激光器的谐振腔是由相向放置的两球面镜或平面镜组成，不同类型的腔型结构，对激光输出的功率、模式、光束发散角等都有直接的影响。图 4-7 表达了常用的几种谐振腔结构。 （a ）为平行平面光学腔，该腔的两面反射镜如果不是严格平行，光在镜面间经几次反射后，就会从镜子边缘漏出，该结构不适于实用化的激光器。 （b）是共焦式光学谐振腔，两面凹面镜放置在稍偏离镜子曲率半径位置上，使焦点共用，该谐振腔的光轴调整比较容易，但激光介质的利用范围受到限制。 （c）是用两面大曲率半径的凹面镜构成的光学谐振腔，曲率半径比光腔腔长长的多。 （d）半球式光腔，常用作固体激光器的谐振腔。