能源科学技术：激光加工技术（强化练习）

能源科学技术：激光加工技术（强化练习）1、问答题

激光器的频率牵引过程指的是与纵模间相关的物理过程，请简述物理机理？正确答案：当激光器的纵模频率与增益介质的中心频率不重合时，纵模频率在振荡过程中会牵向中心频率靠拢。由于腔内（江南博哥）增益介质的折射率吧对振荡频率存在色散，这种色散关系与激活介质的增益系数及增益曲线有关。在有源腔中，由于增益物质的色散，纵模频率比无源腔纵模频率更靠近谱线中心频率，则就是频率牵引。2、问答题

从激光加工工艺上考虑，如何打一个高质量的孔？激光打孔中，一般采用什么离焦量，为什么？正确答案：采用较短的脉冲；选择前后沿陡的波形打孔；基模进行打孔；一定的正离焦；多脉冲打孔、高峰值功率、材料的热扩散系数低等。一定的正离焦，破坏机理主要是材料的蒸发，此时打出的孔比较深，孔的入口处直径较小，孔的锥度较小，打孔效果好。焦点在工件内部（负离焦）时，激光以会聚方式进入材料，孔壁不能（或很少能）直接接受光通量，因此，液相多气相少，汽化时蒸气压力不太大，喷射力小，孔形锥度较大，打孔质量有好有坏。过分的入焦和离焦使被加工点的能量密度大大下降，孔深大大减小3、问答题

请描述空间烧孔效应的物理过程。正确答案：当频率一定的纵模在腔内形成稳定振荡事产生一个驻波场。波腹处光强最大，波节处光强最小，消耗反转粒子数后，波腹处光强最小而波节处光强最大，则形成了空间烧孔。可见空间烧孔的形成过程由驻波腔和粒子空间转移慢引起的。4、问答题

激光器的振荡阈值中有翻转粒子数阈值和增益阈值，它们和那些物理量相关？正确答案：不同模式（频率）具有不同的受激辐射截面，反转粒子数密度不同，则反转粒子数阈值不同；阈值增益系数由单程损耗决定，不同纵模具有相同的阈值，不同横模具有不同的单程损耗，其阈值增益不同。5、问答题

激光3D打印有什么方法？各自特点？适用材料？正确答案：激光立体印刷术：以高分子聚合反应为基本原理，适用于塑料铸型。选择性激光烧结技术，选择性激光熔化技术：以烧结和熔化为基本原理，适用于金属实体。6、问答题

从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？正确答案：（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。（2）单色性好：为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。（3）亮度极高：能量密度高。（4）相关性好：获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。7、问答题

激光器的无源腔和有源腔的线宽与那些物理量有关？正确答案：无源腔线宽由无源腔内的光子寿命决定，有源腔的线宽取决于净损耗δ。补充理解：无源腔（g=0，吸收与发射的光子数相等）线宽—谐振腔本征线宽，有源腔线宽---激光谐振腔线宽8、问答题

在激光表面淬火中需要光束的光强分布尽可能均匀，你知道几种能使光束光强分布均匀的措施和方法。正确答案：采用光强分布均匀的高阶模光束；振镜扫描方法：使光束在试件的同一部位，以短时间内来回扫描2-3次，使之具有接近于时间上平均的光强分布的矩形面热源特征。积分组合镜：在激光反射面上安装许多很细的平面镜，使之在激光焦面上达到均匀的能量分布。9、问答题

光学谐振腔是激光器的重要组成部分，它的作用是提供轴向的光波模的正反馈以及保证激光器的单模振荡。激光器的谐振腔主要是开放式谐振腔，为什么？正确答案：衍射损耗仅发生在镜面的边缘，而开放式谐振腔中心振幅大，边缘振幅小的场会尽可能少的受到衍射损耗的影响，这样经过多次渡越后，除了振幅整体下降，其横向分布将不发生变化，即在腔内往返传输一次后可以“再现”出发时的振幅分布，即自再现模，这样就很好的保证了激光器的单模振荡。10、问答题

请描述短脉冲激发过程中的弛豫震荡过程的物理机理。正确答案：四个阶段。（激光器的尖峰效应的四个阶段）11、问答题

简述啁啾脉冲放大技术的基本原理？正确答案：由于直接放大fs脉冲时，其峰值功率很高会损坏激光晶体，因此先将fs脉冲展宽成ps脉冲，再进行放大，放大后再把脉宽压缩回fs，此时激光功率增强百万倍以上。12、问答题

试叙述激光相变硬化的主要机制。正确答案：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件内部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向内部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。13、问答题

与常规脉冲激光加工相比，飞秒激光微加工有哪些优点？正确答案：①耗能低，无热熔区，“冷”加工；②可加工的材料广泛：从金属到非金属再到生物细胞组织；③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和无后续工艺。14、问答题

激光介质的增益系数和极化系数的实部还是虚部有关？为什么？正确答案：与虚部有关；虚部表示介质对入射场的吸收或者放大，虚部会导致场振幅的指数衰减，对光强造成影响，而增益系数与光强的吸收或放大有关。15、问答题

试叙述什么是激光熔覆和表面合金化。并分析两者间异同。正确答案：激光熔覆是一种新的表面改性技术。通过在基体材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料熔化，并与材料表面形成冶金连接在金属表面形成以熔覆的材料为基体的表面强化层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热的特点，使基材表层金属和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面形成一层具有一定浓度且成分均匀的合金层，从而满足对工件耐磨、耐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能的要求。区别：激光熔覆不是以基体上的熔融金属为熔剂加入合金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成为熔覆层的主体合金，同时基体金属也有一薄层熔化与熔覆层结合。简单来说：激光熔覆的合金粉末既包括熔质，也包括熔剂，形成的融合层自成系统，与基体冶金结合。激光合金化是合金粉末与基体融化在一起，基体材料作为熔剂，形成的合金层。16、问答题

对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？在目前激光表面淬火中常对工件进行黑化处理，为什么？正确答案：波长、温度、材料表面状态波长越短，金属对激光的吸收率就越高温度越高，金属对激光的吸收率就越高材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。提高材料对激光的吸收率17、问答题

在外场作用下的原子被极化，其中极化系数的实部和虚部各表示的物理意义是什么？正确答案：实部表示介质的折射率，改变电磁场在介质中的传播速度；虚部表示介质对入射场的吸收或者放大。18、问答题

线型因子中又分为洛伦茨线型和高斯线型，它们分别对应着那种加宽机理？正确答案：洛伦兹线型对应自然加宽和碰撞加宽；高斯线型对应多普勒加宽。19、问答题

产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？正确答案：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。20、问答题

简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？正确答案：基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。应用：激光切割、打孔、焊接等。高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。应用：激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。21、问答题

谐振腔的损耗分为选择性损耗和非选择性损耗，分别对应哪几种损耗？正确答案：选择性损耗则是与横模阶次密切相关的衍射损耗，阶次越高相应的衍射损耗越大；非选择性损耗与横模阶次无关，如投射，吸收，散射损耗。22、问答题

简述市场的含义和功能。正确答案：1）资源配置功能；2）经济结合功能；3）平衡供求功能；4）价值实现功能；5）提供服务功能；6）调节利益功能。23、问答题

饱和效应对均匀加宽和非均匀加宽的影响有何不同烧孔效应物理机理是什么？正确答案：均匀加宽情况下的增益饱和效应的强弱与频率有关，在中心频率处饱和效应最强，偏离中心频率越远饱和效应越弱。对于非均匀加宽，饱和效应的强弱与频率无关。烧孔效应：在非均匀加宽情况下，当频率为V，强度为I的强光入射时将引起V一定范围内反转粒子数的增益饱和，使各自与频率的关系曲线上烧出一个孔来，即烧孔效应，表示入射光I对反转粒子数的选择性消耗。24、问答题

光子的平均寿命与损耗的关系如何？正确答案：光子的平均寿命定义为腔内光强衰减为初始值的1/e时所需要的时间。t=L/δC，腔内损耗δ越大，则t越小，腔内光强衰减越快。25、问答题

光学谐振腔分为哪三种情况？正确答案：稳定腔：指腔内任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不溢出腔外，是低损耗腔；非稳定腔：指任一束傍轴光线都不可能永远存在于腔内，是高损耗腔；介稳腔：是指某些特定的傍轴光线在腔内往返传播而不溢出。26、问答题

激光产生的一个重要条件要有光学谐振腔。光学谐振腔的作用主要有哪几个？正确答案：光学谐振腔具有以下作用：提供光学正反馈；就是说增强光放大作用，对产生的激光模式进行控制，使激光具有极好的方向性（沿轴线），使激光具有极好的单色性。27、问答题

谱线的线型因子中分为均匀加宽线型因子和非均匀加宽线型因子。请问为什么原子辐射会有线型，或辐射宽度？两种不同线型因子的区别是啥？正确答案：原子发射的光是在频率υ附近某个频率范围内的，故产生了谱线加宽，即是辐射宽度。均匀加宽中，每个原子有相同的中心频率，对辐射场有相同的响应，每个单独原子的谱线和整个体系的谱线作同样的展宽；而在非均匀加宽中，每个原子具有不同的中心频率，它们对其中心频率附近小范围内的辐射做出贡献，在没有展宽单个原子谱线的情况下使整个体系的谱线予以展宽。28、问答题

什么是焦深，焦深的计算及影响因素？正确答案：光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比，与w12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。29、问答题

脉冲burst功能的作用？正确答案：脉冲切割。使振荡输出间断地发生从而进行切割的方法。脉冲切割法，通过将投入材料的热量降到最低限，能够进行切割质量以及尺寸精度良好的加工。进行脉冲切割法时，要设定脉冲频率和脉冲占空比。所谓脉冲频率，是指在1秒钟内使激光光束ON、OFF几次，用Hz（赫兹）表示。所谓脉冲占空比，是指每1脉冲（1回输出的ON和OFF.的激光光束震荡时间的比率，用%（百分比）表示。30、问答题

光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光范围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？正确答案：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。31、问答题

光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中扮演什么角色？正确答案：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。32、问答题

4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的