培训知识：激光原理(2004)2

1、目 录v激光原理v激光打孔v激光焊接v激光打标什么是激光？受激辐射光频放大 LASERLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation 激光的产生一般情况下，处于低能级的粒子数大于高能级的粒子数。原子停留在高能级的平均时间为原子在该能级的平均寿命， 基态时平均寿命较长，激发态时的平均寿命较短。特殊的原子（或离子）在某些高能级有较长的平均寿命，该能级称为亚稳态能级。具有亚稳态能级结构的物质，在一定的条件下，可使处于高能态的原子数目大于处于低能级的原子数目，形成“粒子数”反转。若受到一束外来光子E=E2 E1照射诱发，此时会产生强烈的受

2、激辐射，输出大量的频率，相位，传播方向，偏振方向都与外来光子完全一致的光，这就是激光。激光的产生激光三要素o 激光工作物质o 泵浦源o 谐振腔灯泵浦 Nd:YAG激光器 灯泵浦灯泵浦Nd:YAG激光器：采用氪灯（激光器：采用氪灯（CW）或者氙）或者氙灯（灯（Pulse）作为泵浦源，电光转换效率在）作为泵浦源，电光转换效率在3左左右，右，灯泵浦Nd:YAG激光器腔体构造Q-SWYVO4 crystalPumping LDFiber for pumping lightPumping LDYAG rodQ-SW端泵浦端泵浦侧面泵浦侧面泵浦 100%反反射射 90%反反射射 10%输输出出 Q 开开关

3、关 光光栅栅 后后镜镜 聚聚光光腔腔 前前镜镜 hou 激光的四大特性高亮度高单色性高方向性高相干性激光加工的特点激光加工的特点无接触无切削力无“刀具”磨损局部高温加工的材料广泛实现的功能多传输方便高精度易控制易实现自动化激 光 加 工激光热加工：包括激光焊接、激光切割、表 面改性（激光热处理）、激光打标、激光钻孔和微加工等；激光光化学反应加工：激光直接曝光激光加工的分类激光热加工激光束加于物体所引起的快速热效应的各种加工过程如切割、打孔、割线、标记、焊接、表面改性、合金化、雕刻、快速成型激光冷加工激光束加于物体，借助高密度高能光子引发控制光化学反应的各种加工过程如切割、打孔、刻线、标记、光化

4、学沉积、雕刻、快速成型激光器的技术参数激 光 波 长：1064nm平 均 功 率：20W脉 冲 能 量：1mJ脉 冲 功 率：15KW输 出 方 式：连续或脉冲激光加工机的组成一、 激光器提供特定加工性能的激光束二 、导光系统将激光束引导到被加工工件三 、加工机床使激光束与被加工工件之间产生相对运动。要求合适的 运动轨道，速度，精度等。并且激光光轴垂直于被加工表面。激光加工的主要技术参数v激光平均功率：激光器额定工作功率。v激光脉冲能量：脉冲激光器的单次脉冲所产生的能量v激光脉冲宽度（脉宽）：单次激光脉冲所延续的时间。v峰值功率：单次脉冲激光在单位时间内发生的激光能量。v激光脉冲频率v聚焦镜焦

5、距v离焦量v光斑重叠度激光加工机的分类输出方式连续激光加工机脉冲激光加工机激光器固体激光加工机气体激光加工机激光传输方式硬光路激光加工机软光路激光加工机加工功能激光焊接机激光切割机激光打孔机激光打标机CO2激光氦氖激光光纤激光机半导体泵浦YAG激光机灯泵YAG激光机激光与材料的相互作用激光特性激光的四大特性:高单色性, 高相干性.高方向性和高光强度. 他们主要是时域(频率)和空域(模式)两方面特性激光加工主要关注时域方面的波长和空域方面的模式.波长: 光子能量E和光子 频率的关系: E=h h: 普朗克常数h=6.62510-34JSC= 模 式简单的说:激光的模式就是激光的能量在空间的分布

6、方式.用TEMmnq表示TEM表示“横向电磁波”. 前两个下标表示特定的横模,q表示纵模. m,n表明了垂直于光轴的平面内场的变化.激光器的光谱特性: 如谱线宽度和相干长度等, 主要取决于纵模.光束发散角、光束直径和能量分布等取决于横模.激光模式的意义激光模式直接影响聚焦性能基模TEM00在衍射极限下: dmin = 2.44f / V多模TEMmn 激光 dmin = 2.44(f / V)(2p + L+1)激光与材料相互作用的物理过程E0 = E反射 + E吸收 + E通过1 = R + a + T R: 反射率 a: 吸收率 T: 通过率布格定律: 入射到材料内部 深度为x的激光强度

7、I = I0e-X布格定律的意义1 随激光入射到材料内部深度的增加，激光强度将以几何级数减弱。2 激光通过厚度为1/的物质后，其光强将减少为1/e。说明材料吸收激光的能力应归结为其吸收系数的数值。 单位1/cm吸收率a1 吸收率a取决于材料本身2 同种材料对不同波长的激光吸收率不同3 同种材料在不同温度时吸收率不同材料的加热E = E反射 + E吸收 + E通过材料的加热是光能转换成热能的过程材料的吸收激光能量 Ein同时会有能量散失 Eout当E =Ein Eout= 0时，激光作用区的温度才能保持不变。材料的加热的规律q在相同的激光作用时间的条件下，能量差E 越大，材料的升温速度越快。q在

8、相同的温度差E 的条件下，材料的比热越小，激光作用区材料的温度越高q在相同的激光照射条件下，材料的等热子数越小，激光作用区与其相邻地区之间的温度梯度越大。激 光 打 孔激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术。1 激光打孔速度快，效率高，经济效益好2 激光打孔可获得大的深径比3 激光打孔可在硬，脆，软等各类材料上进行4 激光打孔无工具损耗5 激光打孔适合于数量多，高密度的群孔加工6 用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔，加工与工件表面 成6o 90o角的小孔。激光打孔的过程1 激光照射金属表面2 金属吸收至发生强烈的相变 由固态液态气态3 热能增加，使金属蒸气以较高的压力从液相的底部猛烈喷出，并

9、携带着液相材料一起喷，形成火花溅射。4 加热停止，液态金属重新凝固，在孔壁形成再熔层。激光打孔的过程“1”：材料开始被加热，由于反射等原因，温升较慢，热能向内部传导，材料大区域升温，局部相应的以熔化为主，熔化面积大但深度浅；“2”：液相金属吸收率增大，加热剧烈，熔融区面积缩小，而深度增加，孔径开始收敛，蒸气开始出现；“3”“4”：打孔过程相对稳定，材料的汽化比例剧增至最大，蒸气带着液相材料飞溅，形成了孔的圆柱段；“5”：材料的加热已临近结束，汽化及熔化趋于结束，从而形成了孔的尖锐的锥形孔底。说明：孔的形成是材料在激光热源照射下产生一系列热物理现象综合的结果，与材料的热物理性质有极大关系。激光打

10、孔的过程激光打孔的主要参数 1、 激光脉冲的能量对打孔的影响2、 脉冲宽度对打孔的影响3、 激光光强波形的影响4、 激光打孔中离焦量对打孔的影响5、 脉冲激光的重复频率对打孔的影响6、 被加工材料的影响激光脉冲能量对打孔的影响 （1）激光打孔的基本要素：被加工材料的蒸发和熔化；孔深的增加主要靠蒸发孔径的增加主要靠孔壁材料的熔化和利用剩余蒸气压力对熔融状物资的排除激光脉冲能量对打孔的影响 （2） 当激光功率很高时，热传导引起的能量损失可忽略不计，激光能量E几乎全部用于对材料的破坏和蒸发去除。根据能量平衡原理：E1 / 4dhLp其中Lp为材料的单位体积破坏比能（J / ）激光脉冲能量对打孔的影响

11、 （3） d 3E 1/3 h 3E 1/3能量增加会产生更多的气相物资，因而产生强烈的冲志波，致使高压蒸气带着熔融状物质从孔底高速向外喷射。功率密度越大，产生的蒸气压力越大，高压蒸气带走的液相物资越多，孔径和孔入口处越大。 激光脉冲能量对打孔的影响（4） l 当要求激光打孔的孔深和孔径值较大时，激光脉冲能量也应较大l 材料的导热性越好，熔点越高，或硬度越高，脉冲能量也应越大l 过大的脉冲能量会使孔的锥度和直径变大，且孔的入口处破坏较大脉宽对打孔的影响 脉冲宽度增加，时间能量密度下降，孔内金属蒸气密度减少，蒸气压力下降。此时激光能量主要以热传导方式横向表现，由此产生大量的液相物资；而较小的金属

12、蒸气压力不能把液相物资从孔内排出，使其无规律地重新凝结于孔的内壁，造成孔的深度和孔的直径减小，精度下降，孔的表面粗糙度降低，使打孔过程难以控制。 最佳脉宽：0.40.8 ms脉冲宽度对打孔的影响 需要大的孔深时，对于导热性较好地材料（如Al, Cu等），应使用较窄激光脉冲进行打孔；而对于导热性较差的材料（如硬质合金，Al2O3等）可用较宽的脉冲进行打孔，这样可以提高能量的利用率。聚焦镜的选择 激光的聚焦光斑直径 d= f短焦距的透镜加工小而深的孔，但以受打孔过程中飞溅物的污染。有实用价值的聚焦应大于20mm 激光经透镜聚焦后的激光焦点光斑最小，能量密度最大。离开激光焦点的各个平面上光斑能量分布

13、相对均匀，容易获得合适的功率密度。 激光加工通常需要一定的离焦量。 离焦方式有两种：正离焦和负离焦。离焦量的选择 离焦量是激光打孔时孔轴向剖面形状的最主要的影响因素，对孔径有一定的影响。 当f0时，激光以会聚方式进入材料，孔壁不能直接接受光照，只能靠热传导产生相变，因此液相多而气相少，有较大可能使熔融物残留堆积使孔壁畸形，严重时会完全堵住已打成的孔。 采用负离焦时，孔的轴剖面呈桶形或是锥形。 离焦量的选择 当f0，在合适的范围内，激光光线可直接照射到孔壁上，时孔壁直接接受光能，有时会经过几次反射才能射孔外，材料的相变几乎是在光线直接照射下发生。 若有足够强的激光功率密度，材料的气相就会多于液相

14、，有较大的蒸气压形成蒸发。此时，孔壁平直，熔融物不易残留堆积，孔形质量最好。 离焦量的选择 当f较大，工件表面偏离焦平面较大时，材料吸收光能密度太大，只能有少量材料气化或液化，往往只能形成一个坑，不能打孔。 只有在薄片上打微米深的小孔时，才会用f0激光打孔脉冲次数的选择 单次脉冲打孔存在很多难以控制的因素。1.气化飞溅物对激光的屏蔽及散射2. 未被喷射的液态金属的再凝固 单次脉冲主要用于在薄板零件打盲孔，打孔更多采用多脉冲打孔。 多脉冲打孔 机理：光脉冲“校正” “剥蚀”打孔 波形的影响激光焊接(a)是典型的热传导型焊接，功率密度一般为105-106W/cm2,脉冲宽度为10-310-21S，

15、由于能量密度不太大，还不至于引起强烈蒸发，焊缝形状象半球形。(b) 多数激光焊接时出现较强的蒸发，在蒸汽压力下熔化表面下凹，如果金属溅射时切断光束后，未凝固的金属流回填充下凹，焊缝形状为表面略呈凹形的圆锥形，熔化深度较前图大 材料中的温度与功率密度成正比，与脉宽（）1/2成正比例。缩短脉宽比延长脉宽更有效。 短脉宽热功率密度和热效率较高，激光参数可焊范围窄，增加脉宽则反之，同时设备体积增大。 在要求有较大熔深时，在不影响效果性能的情况，尽可能使金属表面有较大汽化，即q0 取值尽量加大。激光焊接(a)对接；（B）搭接；（c）点固；（d）凸缘（e）角接 只有在A、B两种金属熔、沸点有重叠时才能焊好

16、激光标记的原理激光标记：用激光束在各种不同的物质表面作出永久的标记。标记的效应激光标记：用激光束在各种不同的物质表面作出永久的标记。标记的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而层物质的化学物理变化而“刻刻”出痕迹，或者是通过光能烧掉出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图形、文字。部分物质，显出所需刻蚀的图形、文字。原理一：光学原理一：光学“热加工热加工”，具备较高能量密度的激光束，照射到被加工材，具备较高能量密度的激光束，照射到被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内发生热

17、激发料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内发生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。烧蚀、蒸发等现象。原理二：或周围介质内的化学键，致使材料发生非热过程破坏。光学原理二：或周围介质内的化学键，致使材料发生非热过程破坏。光学“冷冷加工加工”，具有高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特，具有高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）别是有机材料）激光标记的五大特征标记永久耐磨：激光标记的原理是激光照射工件表面材质，产生局部高标记永久耐磨：激光标记的原理是激光照射工件表面材质，产

18、生局部高温，而使材料本身被汽化或在高温下被氧化而产生印记，温，而使材料本身被汽化或在高温下被氧化而产生印记，除非材质本身被破坏，激光标记不会被磨损；除非材质本身被破坏，激光标记不会被磨损；无接触式加工：激光标记是激光束照射工件表面而留下的印记，无外力无接触式加工：激光标记是激光束照射工件表面而留下的印记，无外力作用于材质表面，因而无需担心材质在标记时被破坏或作用于材质表面，因而无需担心材质在标记时被破坏或变形；变形；任意图形编辑：激光标记设备均采用计算机控制，可对任意图形文字进任意图形编辑：激光标记设备均采用计算机控制，可对任意图形文字进行编辑输出，无需制版制模；行编辑输出，无需制版制模；高效

19、率低成本：激光束在计算机控制下可以高速移动，通过分光技术，高效率低成本：激光束在计算机控制下可以高速移动，通过分光技术，还可以实现多工位同时加工；还可以实现多工位同时加工；环保无污染：相对于传统的丝网印刷和化学腐蚀等标记方法，激光打标环保无污染：相对于传统的丝网印刷和化学腐蚀等标记方法，激光打标无三废物质排放，因而工作环境清洁。无三废物质排放，因而工作环境清洁。激光标记设备的三大组成部分激光器激光器光学系统光学系统控制单元控制单元激光器CO2激光器：波长激光器：波长10640nm,多采用射频激励多采用射频激励CO2激光器，主要用于非激光器，主要用于非金属材料雕刻、标记、切割；金属材料雕刻、标记

20、、切割；Nd:YAG激光器：波长激光器：波长1064nm，主要有灯泵浦和半导体泵浦两种激光，主要有灯泵浦和半导体泵浦两种激光器，主要用于金属材料标记；器，主要用于金属材料标记；二倍频绿光激光器：波长二倍频绿光激光器：波长532nm，基于，基于Nd:YAG激光器，采用倍频技术激光器，采用倍频技术产生的，为可见的绿色光，可用于激光标记和精密加工产生的，为可见的绿色光，可用于激光标记和精密加工紫外激光器：波长紫外激光器：波长355nm，属紫外光，属于光学冷加工范畴，可用于，属紫外光，属于光学冷加工范畴，可用于激光标记和光学微加工激光标记和光学微加工一般而言：波长愈短，金属材料对激光的吸收率就高；同时

21、，波长愈一般而言：波长愈短，金属材料对激光的吸收率就高；同时，波长愈短，经过聚焦后的光斑直径就越小，在精密微加工中，短短，经过聚焦后的光斑直径就越小，在精密微加工中，短波长激光器正在发挥着越来越重要的作用。波长激光器正在发挥着越来越重要的作用。不同波长的固体激光打标机激光器（Laser）半导体泵浦：是采用半导体发光模块作为泵浦源，对激光晶体半导体泵浦：是采用半导体发光模块作为泵浦源，对激光晶体进行泵浦产生激光，半导体泵浦激光器目前主要分为进行泵浦产生激光，半导体泵浦激光器目前主要分为三种：侧泵浦、端泵浦、三种：侧泵浦、端泵浦、Thin-Disc泵浦（薄片泵浦）泵浦（薄片泵浦）侧泵浦侧泵浦sid

22、e pump ：半导体泵浦源位于激光晶体的侧面，激光标：半导体泵浦源位于激光晶体的侧面，激光标记用的侧泵浦激光器多为记用的侧泵浦激光器多为35W或或50W；端泵浦端泵浦end pump ：半导体泵浦源位于激光晶体的端面，半导体：半导体泵浦源位于激光晶体的端面，半导体模块光传导方向与激光方向相同，光学模式优于侧泵浦方式；模块光传导方向与激光方向相同，光学模式优于侧泵浦方式；Thin-Disc泵浦（薄片泵浦）：基于端泵浦的最新半导体泵浦技术，泵浦（薄片泵浦）：基于端泵浦的最新半导体泵浦技术，可获得更好的光束质量，更低的使用成本。可获得更好的光束质量，更低的使用成本。1、激光晶体 2、激光束 3、输

23、出镜 4、半导体阵列 5、校准镜6、全反镜片 7、冷却器 8、供电侧泵浦半导体泵浦Nd:YAG激光器原理图端面泵浦半导体激光器Thin-Disc 泵浦半导体激光器光学系统光路系统是指激光束传输的路径，一般光路系统是指激光束传输的路径，一般包括导光单元、扫描单元和激光聚焦单包括导光单元、扫描单元和激光聚焦单元。元。扫描单元：是激光打标机标记速度和扫描单元：是激光打标机标记速度和精度的决定性因素之一，主要有以下精度的决定性因素之一，主要有以下几种方式：几种方式：1）XY二维平动扫描方式：扫描范围二维平动扫描方式：扫描范围比较大，但速度慢、精度低；比较大，但速度慢、精度低；2）振镜扫描方式：速度快、

24、精度高，）振镜扫描方式：速度快、精度高，l激光聚焦单元：对经过聚焦后的光斑直径大小直激光聚焦单元：对经过聚焦后的光斑直径大小直接相关，是影响标记质量的一个重要单元，在振镜接相关，是影响标记质量的一个重要单元，在振镜扫描方式下，聚焦单元决定了标记的范围，扫描方式下，聚焦单元决定了标记的范围，激光聚焦单元激光聚焦单元f-透镜透镜(平面场镜平面场镜)：是一组结合的凸：是一组结合的凸凹凹面镜面镜控制单元控制单元由控制软件、计算机和各种板卡组成。控制单元由控制软件、计算机和各种板卡组成。计算机一般采用普通计算机一般采用普通PC机或工业机或工业PC。控制软件决定了激光打标机各种功能的实现，也是各个厂控制软件决定了激光打标机各种功能的实现，也是各个厂家产品差异性的体现。激光打标机的控制软件正向着智能家产品差异性的体现。激光打标机的控制软件正向着智能化、简易化和多功能方向发展。化、简易化和多功能方向发展。计算机通过各种板卡和多个受控单元相连。计算机通过各种板卡和多个受控单元相连。目前，激光标记设备的控制单元新的功能不断增加，控制目前，激光标记设备的控制单元新的功能不断增加，控制软件更加直观、易学，国外一些