第二章-激光原理与设备2-3h.ppt

1、2.5 工业激光加工设备,2.5.1 固体激光器 2.5.2 气体激光器 2.5.3 激光加工的光学系统 2.5.4 工业激光加工系统,工业激光器,固体激光器 红宝石 铷玻璃 Nd3+:YAG,能量输出方式：脉冲，连续,气体激光器 CO2 CO,激光器的组成,激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大，具备亚稳态的多能级系统 激励源：提供能量，使粒子数反转，最后转化成激光能量 谐振腔： 选模， 限制波形和提供反馈、增益，提供稳定振荡 电源：为激励源提供能量 冷却系统：冷却工作物质、谐振腔等 控制系统：保证系统稳定可靠的工作,激光器组成,2.5.1 固体激光器,工作物质：基质材料和掺杂离子 掺杂离子

2、：三能级系统或四能级系统 基 质：晶体. 掺杂离子取代晶体中的一种离子 特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏 振态有关；离子能级受晶格场的影响 玻璃. 掺杂浓度高，均匀 缺点：热性能，机械性能较差, 谱线较宽 特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3 激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-310-4 s 储能大 泵源：一般用光泵激励 激光器组成： 固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统,一、固体激光器的工作物质,1、红宝石：Al2O3晶体中掺入少量Cr3+ Cr3+是激活粒子， Al2O3晶体是基体 三能级系统： 基态E1：4A2 激发态E3：4F1 、 4F2 亚稳态E2: E

3、、2A 由于谱线竞争，激光多产生于R1线(694.3nm) 两个吸收能带 410nm(蓝光带) 550nm(绿光带),红宝石的特点 在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充分利用光能 化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导热性好 阈值高 单位体积内产生粒子数反转所需的最小输入能量高，三能级系统，半数以上的抽运才能实现粒子数反转，需要较大的泵浦光能 温度影响大 50度以上功率减小，300度温度猝灭 红宝石棒成本高 发散角大310mrad、总效率低0.20.5%,2.掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG),YAG: Y3Al5O12（Y2O3 和Al2O3按3：5克分子比） Nd3+ 代

4、替Y3+: Y2.97Nd0.03Al5O12 Nd3+：四能级系统 两条吸收谱线：750nm和810nm E0(光激励)E3 E2(103s) (10.6um)E1 E0,Nd3+:YAG晶体能级结构,掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)的特点,阈值低，需要的光泵浦功率小 优良的物理、化学性能 良好的导热性能、热膨胀系数小 吸收谱线宽度窄，对光源质量要求高 目前能够用于制作大功率固体激光器的物质,二、固体激光器的结构,第一台红宝石激光器的结构,Haas YAG Laser,Cross Section,The Nd:YAG Solid State Laser,Schematic diagram

5、of an Nd:YAG laser,Modern CW lamp pumped Nd:YAG laser,Can also use diode lasers for pumping,三、泵浦光源,要求：电光效率高、发光谱线与工作物质的吸收谱线一致、功率大、亮度高、寿命长 光源种类： 惰性气体放电灯：Kr灯、Xe灯 金属蒸汽灯：汞弧灯、碱金属蒸汽灯 半导体发光二极管（激光和非相干光） 灯光形状：直线型或螺旋形 YAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯,四、聚光器,又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统,五 冷却系统,热量来源： 电光转换效率3060 工作物质无辐射跃迁 聚光器内壁吸收泵浦光 激光工

6、作物质吸收的多余的泵浦光线 反射镜片吸收的部分光 危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭” 冷却方式：全腔式、分离式,六 调Q技术,Q激光器的品质因子 定义： 其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量，v为频率 Q：反映了谐振腔的损耗，Q越大，起振越容易，损耗越小 调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄脉冲,调Q过程和方法,调Q方法： 机械转镜 电光开光 声光开光,转镜调Q,增益介质为气体, 可以是原子，分子或离子 He-Ne激光器 CO2 分子激光器: 高功率:25kw,欧洲尤里卡计划100kw 高效率：量子效率达40，电光总效率15，YAG：23 高光束质量，连续稳定输出低阶模 长波长：10.6微米

7、，非金属吸收，金属强烈反射,2.5.2 气体激光器,一、CO2激光器的工作物质,分子的内能：电子运动、原子间的振动、整体转动 CO2激光器中CO2分子跃迁发生在基态电子的不同振转能级之间 振动能级：V1V2lV3 对称 V1 弯曲 V2 反对称 V3 l为弯曲振动的角量子数,转动能级 不存在纯振动，振动时一定处于某种转动之中 整体旋转，转动的能量是量子化的 振转能级形成CO2光谱的精细结构，200多条谱线,激发过程（基态000跃迁到上能级001）,慢速电子碰撞激发 CO2(000)+eCO2(001)+e 串级跃迁 CO2(00V3)+ CO2(000)CO2(00V31)+ CO2(001)

8、（V31） 共振转移N2(振动能级E(v)与00V3相近) N2(V=14)+ CO2(000)N2(V=0)+ CO2(00V3=14) V3=1 001 V31 再通过串级跃迁到001,弛豫过程（100、020000）,分两步 100、020010(很快) 010000(很慢，加快气体) 下能级尽快排空，维持粒子数反转,二、CO2激光器的结构和种类,封离式：工作气体不流动，管壁导热；结构简单，成本低；光束质量好，可得基模；运行无噪音、易于维护；输出功率小，1kw，50w/m,横流CO2激光器,与封离式相比：克服功率不高缺点，改善气体冷却条件，提高气压 特点：1、三轴垂直；2、气体流速快60

9、100m/s；3、功率高；4、光束质量差(高阶模或环形模),轴流式CO2激光器,Fast-Axial Flow Lasers -Theory Of Operation,PRC Laser,The Carbon Dioxide Fast Axial Flow Laser,Schematic diagram of a fast axial flow CO2 laser,Modern RF excited fast Axial flow CO2 laser,特点: 光束、气流、电场同向 分段激励 单位长度输出功率大 500w/m，体积大大减小 输出光束质量好：基模或低阶模 可连续或脉冲输出,快轴流(

10、200500m/s)和慢轴流(0.11m/s),三、影响CO2激光器功率输出的因素,工作气体的成分 CO2产生激光 N2：共振激发，同时加速弛豫过程 He：抽孔下能级（碰撞），导热性好、散热 不同结构具有不同最佳比例 气体“老化”：分解、空气滲入、不同的解决方法 温度的影响：温度升高，下能级粒子数增多，功率绛低 放电电流的影响：一定范围内，电流增大功率增大；电流过大加速CO2分解和温度上升，功率下降,2.5.3 激光加工的光学系统,作用:激光束的传输和处理(光斑大小和光强分布) 反射材料和透射材料 聚焦光学系统 匀光系统 导光系统,一、光学材料,YAG: 1.06um，近红外，传统玻璃（硅酸硼

11、冕牌玻璃），石英晶体、镀膜技术 CO2: 10.6um,红外光学材料 高反射率光学材料：铜、钼、硅、锗 透射材料：锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、砷化镓(GaAs),氯化钾(KCl),CO2激光透射材料性能比较,常用反射材料的反射率,二、聚焦光学系统,透射聚焦：2kw以下时常用 良好的聚焦性能、小光斑 与工作区域较近、容易污染（气流保护） 热透镜效应 反射聚焦：可用于大功率 高导热材料、背面冷却 镜面稳定、热畸变小、破坏阈值高 同轴球面聚焦、离轴球面聚焦、校正的离轴球面聚焦,反射聚焦与透射聚焦,Beam focusing,Reflective,Power density at focus 1,

12、500,000 W/cm2,双焦点的获得,三、匀光系统,目的：功率密度均匀分布的矩形光斑 形式： 离焦光斑 振动镜 旋转多棱镜 积分镜,匀光系统,四、导光系统,目的：将光束引入到加工位置 形式： 光束转动和光学关节臂 光纤传输系统 分光系统 导光系统的保护（人身和镜面）,光束方向改变,YAG 激光传输方式-光纤传输,Nd:YAG Laser Beam Delivery,分光装置,扫描光路,2.5.4 工业激光加工系统,3D laser cutting and welding,激光加工系统图片,大功率激光切割机,VECTOR数控激光切割机,激光切割聚焦头,Profile 数控激光切割机,数控5轴激光切管机,中小功率激光焊接机,小型通用激光焊接机,首饰激光焊接机,LWY50