激光原理与应用ppt课件.ppt
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1、激 光 原 理 与应用,佘 宇 18688608724,世界上的第一台激光器:1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。,激光定义:受激辐射光放大。激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称LASER leiz 的音译,是取自英文 Light Amplification by S
2、timulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。,激光产生原理,激光产生理论介绍:激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态:受激吸收(简称吸收):处于较低能级的粒子在受到外界的激发,吸收了能量时,跃迁到 与此能量相对应的较高能级。,自发辐射:粒子受到激发而进入的激发态,不是粒子的稳定状态,如存在着可以接纳粒子 的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自发地从高能级激发态(E2)向 低能级基态(E1
3、)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子。,受激辐射(激光):当频率为=(E2-E1)/h的光子入射时,会引发粒子以一定的概率,迅 速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。,粒子数反转 要想使受激辐射占优势,必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的 粒子数,这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称为粒子数反转分布,简称粒子数反转,实现粒子数反 转是产生激光的必要条件。,晶体腔:工作物质,谐振腔,激发源工作物质:使受激辐射成为介质中的主导过程,必要条件是在介质中造成离子数反转分布,即使介质激活。例如:掺钕钇铝石榴石(Nd:Y
4、AG)YAG激光晶体。谐振腔:加强介质中的受激辐射,通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大,把其它频率和方向的光加以抑制。激发源:要是工作物质成为激活态,需要外界激励作用。一般有光泵式,电激励式,化学式。,固体工作物质:红宝石、Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、含镱光纤芯等。气体工作物质:CO2分子气体;He-Ne原子气体;氩离子气体;液体工作物质:染料、无机溶液、稀土金属离子溶液。,工作物质被激励后能发生粒子数反转的活性物质,激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源,光激励
5、:光源来照射工作介质(闪光灯、LD);电激励:用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子;化学激励:应用化学反应方法;热激励:超音速绝热膨胀法;,激光器内部机构,激光器内部机构,晶体腔:产生最原始的激光(包含YAG晶体,LED光源,电源);全反光镜:使光完全反射回去,增大光强度;半反射镜:反射75%的光,只有满足一定直线性,能量和波长的光才能通过,大约25%;Q-Switch:分X轴和Y轴,控制激光输出能量,得到能量较强,持续时间较长的光束;功率计:量测输出的激光能量大小;Shutter:控制激光输出的一个开关。,激光器内部结构,平面反射镜,球面反射镜,前反镜、后反镜,激光系统的光学谐
6、振腔由前反镜和后反镜镜共同组成,使激光得以震荡放大。前反镜:20%透光率,80%反射率;后反镜:100%反射率我们使用的是平行平面腔,就是说前反镜和后反镜都是平面镜,并镜面平行,使光发生振荡。平行平面腔的优点是制作简单、方便。缺点是易偏移,稳定性差。,激光器内部分解图,Q-Switch,晶体腔,半反镜,光纤耦合器,激光器内部分解图,Q-Switch,晶体腔,半反镜,光纤耦合器,f-透镜,f-透镜(平面场镜):是一组结合的凸面镜,聚焦的同时,还有修正焦平面的作用,LINOS 聚焦镜头,Nd:YAG激光棒,Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)是目前最常用的一类固体激光器。YAG是一种立方结构晶体,质地
7、很硬、光学质量好、热导率高。用三价钕代替了晶体中部分的三价钇,因此称为掺钕的钇铝石榴石。,泵浦灯,氙灯为惰性气体放电灯,我们使用的灯的形状多为直管形。其结构一般都是由电极、灯管和充入的氙(Xe)气体组成。电极是用高熔点、高电子发射率,又不易溅射的金属材料制成。灯管用机械强度高、耐高温、透光性好的石英玻璃制成。灯管内充入氙气。,扩束系统扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件,也称准直镜,通常由共焦的两个透镜:一个负(凹)透镜和正(凸)透镜组成;光束直径增大,远场发散角将会减小。这就是扩大光束的优点所在。另外,小的发散能够使高斯光束聚焦得更好外光路可配置4倍扩束系统,保证光束的准直性。,光
8、束准直系统,光束准直系统,扩束镜结构,LINOS 扩束镜 2*-8*,振镜扫描聚焦系统其工作原理是将激光束入射到扫描镜上,用计算机控制扫描镜的反射角度来达到激光束的偏转,从而使激光聚焦点沿与玻璃边沿平行方向扫描输出激光,将表面膜层清除;振镜是一种矢量扫描器件,将软件内的矢量图形转化才激光的运动,它是一种特殊的摆动电机,基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,不能象普通电机一样旋转,只能偏转,偏转角15;扫描器的直线扫描速度最大可达7000mm/s。通过调节振镜头的上下位置调节激光光斑直径大小。,振镜,振镜:分X、Y两组,分别负责焦平面上X、Y轴方向的运动每组包含全反射的镜片,伺服
9、电机和驱动板。振镜所用电源为28V15V电源。,振镜,全反射的镜片驱动板伺服电机,Q与调Q,连续光功率较弱,许多情况下需要我们增强打标功率,脉冲激光我们可以把Q驱比喻为拦河坝的大闸,Q驱有高频信号提供给Q头的时候,相当于闸门放下,无水流通过,存储水量,水位上升(即锁光)。当Q驱撤消高频信号的时候,即闸门打开,存储的大量能量释放。存储的能量在短时间内释放,产生的能量级是调Q前的千倍甚至万倍以上。重复锁光、释放这个过程,使我们能得到激光器连续输出的巨能量脉冲。而重复这个过程的周期足够短,使我们直观得到调Q后的激光是不间断的,作用:为了能够得到高能量的脉冲激光原理:通过某种方法使谐振腔的损耗(Q值)
10、按照规定程序变化结构:1、电光 2、声光 3、被动调Q(染料)原理:(声光调Q)在石英晶体的电极间加一高频电流信号,使晶体内部产生音频振动,使晶格发生振荡,按设定的规律使激光阻断或通过,以得到一定频率的经调制的脉冲光。,Q开关,附图(Q、RF信号及激光输出),声光介质主要采用熔融石英、玻璃、钼酸铅等。换能器常采用石英、铌酸锂等晶体制成。吸声材料常用铅橡胶或玻璃棉等。把声光Q开关器件插入谐振腔内,当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时,在声光介质中,使折射率发生变化,形成等效的“相位光栅”,当光束通过声光介质时,便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有2角的偏离(如当超声频率在2
11、050MHz范围时,石英对1.06m的光波的衍射角为0.30 0.50),这一角度完全可以使光波偏离出腔外,使谐振腔处于高损耗低Q值状态,不能产生振荡,或者说Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止,则声光介质中的超声场消失,于是谐振腔又突变为高Q值状态,相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次,就使激光器输出一个调Q脉冲。,附图(驱动Q头),首脉冲压缩,首重点现象:打标的第一个点因打标前Q头一直处于锁光状态,存储了大量的能量,在打标释放的时候第一个点出现能量过重的现象,首脉冲压缩即是对此现象进行改进的一个功能。实现首脉冲压缩的方法之一是释放前逐渐降低锁光能量,即逐渐减小高频信号幅值。,附
12、图(首脉冲压缩),Q驱的调制方式分类,Q开关,主动调制式Q,机械转镜Q驱,被动调制式Q,电光Q驱,声光Q驱,染料式,色心晶体,光斑,Beam Shaping(激光束形状)一般的激光都为高斯分布的波形,即高斯光束,为实现特殊的制程需求,需要转变成为扁平式波形的平顶光束,即Top Hat,通过透镜组改变光束质量和形状产生。加装Beam Shaping 的镜组,激光的Beam Profile由高斯光(Gaussian)改为Top Hat,制程速度可提高2-4倍以上。,高重叠率High overlap1.低速度Low speed(tact time)2.高能量High energy(maybe res
13、ult in damage)低重叠率Low overlap1.高速度High speed(tact time)2.低能量Low energy(maybe film isnt deleted clearly),0%,50%,d,重叠率计算Overlap,半导体泵浦激光器介绍端面泵浦侧面泵浦,半导体泵浦,Q-SW,YVO4 crystal,Pumping LD,Fiber for pumping light,Pumping LD,Q-SW,端泵浦,侧面泵浦,1064nm,1064nm,YAG,端面泵浦,侧面泵浦,应用范围,端面泵浦 红外激光、绿激光、紫外激光,紫外加工优势,加工原理方面-紫外加工精
14、度高于红外和绿光 由于UV 激光的短波长和高光子能量特点,其聚焦光斑可以更小,同时高能量UV 光子直接破坏材料的分子键,相对于红外激光的“热熔”过程,UV 激光加工时是“冷蚀”效应,这使得加工的尺寸可以更小,加工的精度得到提高,热影响区较小,热影响区较大,紫外光,可见光,红外光,不同波长的激光加工效果图,355nm激光加工,1064nm激光加工,10.6 m激光加工,电光转换效率:,光纤激光器的光光转换效率通常为70-80%,而泵浦YAG仅约为4%,半导体泵浦YAG和盘形激光器约为40%。,激光冷却系统,冷水机系统原理 制冷系统原理 恒温冷水机的制冷系统原理图:,恒温冷水机制冷系统工作原理,制
15、冷剂的流动方向:制冷时 压缩机冷凝器干燥过滤器 电子膨胀阀 板式换热器 压缩机,如此往复循环不制冷时 压缩机能量调节阀板式换热器 压缩机,如此往复循环注意:制冷管路上的阀门都是有方向性的,要注意阀体上的相关标注或说明,恒温冷水机制冷系统工作原理,部件的作用及工作过程压缩机:制冷剂在制冷系统里流动的动力源泉,把低温低压的制冷剂压缩成高温高压的制冷剂。制冷系统启动后,不管制冷与否,压缩机都是一直运转的(包括风机)。冷凝器及轴流风机:把制冷剂所吸收冷却水的热量散发在环境当中。散发的热量越多,说明吸收制冷剂冷却水的热量越多,冷却水的温度就会越低。一定要保证冷水机的散热情况良好。过滤器/干燥过滤器:在系
16、统初运行的时候,过滤掉焊接产生的氧化皮或者制冷剂中的水份。电子膨胀阀:在制冷系统中起到对制冷剂开关和节流的作用。电子膨胀阀里面有一阀芯,当线圈得电产生磁场力,阀芯往上吸,电子膨胀阀打开;当线圈失电磁场力消失,阀芯由弹簧及重力的作用往下掉,电子膨胀阀关闭。能量调节阀:当电子膨胀阀关闭后,能量调节阀自动打开;当电子膨胀阀打开后,能量调节阀自动关闭。以保证制冷系统的正常循环。板式换热器:制冷系统的蒸发器,冷水机制冷的地方。液态的制冷剂吸收冷却水的热量变成的气态,温度较高的冷却水热量给制冷剂吸收后,变成温度较低的冷却水后回到水箱。注意:一般情况下,制冷剂由下进上出,冷却水由上进下出,形成交叉对流,换热
17、效果更好。工艺检修阀:一般在制冷系统的低压侧。连上复合压力表后可以检测制冷系统的低压压力。或者是对制冷系统添加或排放制冷剂都是这个阀门。,水路系统原理 恒温冷水机与非恒温冷水机水路系统相同,系统原理如下所示:,冷水机水路系统工作原理,部件的作用及工作过程水泵:把冷却水从水箱里泵出来,从而形成有一定压力及流速的冷却水。水箱上的过滤器要定期清理,以免影响水泵的进水。过滤器:过滤掉冷却水中的杂质,以保证流向激光器的水质符合激光器的要求。注意,过滤器上的进、出水有方向性。请留意过滤器瓶上的标识。出、回水接头:在是冷水机与激光器的连接接头。连接接头主要有宝塔式(灯泵浦冷水机)、快速接头式(红外冷水机、C
18、O2冷水机)以及压接式(最新的CE冷水机,配DRACO激光器使用)。板式换热器:冷却水被冷却的地方。冷却水经过激光器后,温度升高,回到冷水机后首先经过板式换热器,把温度降下来后,变成温度较低的冷却水再回到水箱。注意:一般情况下,制冷剂由下进上出,冷却水由上进下出,形成交叉对流,换热效果更好。流量开关:检测冷却水的循环流量。当流量过小时(低于其动作值)发出报警信号,以保护冷水机制冷系统以及激光器的正常工作。请勿短接流量开关来使用。液位开关:检测水箱的水位。当水位过低时发出报警信号,以保护冷水机制冷系统以及激光器的正常工作。请勿短接液位开关来使用。水箱:储存冷却水的容器,冷却水温度的检测点。目前冷
19、水机上有塑料以及不锈钢的水箱,将来会全面使用塑料的水箱。水箱的作用:1.保证了水泵的进水量2.能稳定冷却水的温度,使其温度波动不大。,发展:通用化:不再按激光器类型来区分冷水机,冷水机只按制冷量来分类。目前由于激光器对水质的要求不一,导致冷水机有多种型号,将来我们会从选型设计上做成统一的。产品系列化:冷水做系列化的设计,冷水机的外观结构基本一样,只是颜色不一样而已。这样不但可以提高物料的利用率降低生产成本,而且更有利于日后使用和维修。相同的原理,不同的大小而已!人性化:更多的保护措施,更全面报警信号提示,无论是使用还是维修,都一样得心应手。能量调节阀旁通+电子膨胀阀节流+PID控制器优点:控温
20、精度高,达到0.1oC 电子膨胀阀开关寿命长,达到80百万次,理论可工作15年 不制冷时,可对冷却水进行加热,加快升温速度,激光的应用,一 激光的特性,方向性好 亮度高 单色性好 相干性好,方向性好,单色性好,高亮度,激光的应用,由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用,激光的主要应用,测距,生活中,农业,加工,医疗,通信,舞台与唱片,科学研究,军事,激光测距,1969年7月,美国“阿波罗”飞船登月时,宇航员在月球上安放了一组反射器,然后从地球上向反射器发射激光脉冲,激光脉冲就会被反射器反射回来。科学家通过激光脉冲往返月地所用的时间,就计算出了地球到月球之
21、间的平均距离:38 4401千米。,激光在军事上最先得到实际应用的是激光测距技术。20世纪60年代末,激光测距仪开始装备部队。由于它能迅速准确地测出目标距离,广泛用于侦察测量和武器火控系统,激光在生活中的应用,激光打印机,激光教鞭,激光打印机,无论是黑白激光打印机还是彩色激光打印机,其基本工作原理是相同的,它们都采用了类似复印机的静电照相技术,将打印内容转变为感光鼓上的以像素点为单位的点阵位图图像,再转印到打印纸上形成打印内容。与复印机惟一不同的是光源,复印机采用的是普通白色光源,而激光打印机则采用的是激光束。,激光在农业上的应用,用激光照射玉米种子能增产 俄罗斯科学院科学家利用红色激光照射玉
22、米种子,结果每株玉米的果穗比未照射激光的重100多克,因而提高了玉米的产量。专家们认为,由于激光的颜色、照射时间、强度和方向都很容易调整控制,因此,这是一种很有发展前途的提高农作物产量的育种方法。,用激光照射种子可防作物病虫害 哈萨克斯坦的农业专家研究出一种预防农作物病虫害的新技术:在播种前12个星期,不用化学药剂,而是利用激光对作物种子进行照射,使种子消毒和灭菌,从而达到预防病虫害的目的。这项技术在实践中取得了良好的效果。,激光在加工业上的应用,钻孔、切割、焊接以及淬火等,是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后,在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外,激光还
23、能加工许多非金属材料。,激光钻孔的原理 利用激光束聚集使金属表面焦点温度迅速上升。当热量尚未发散之前,光束就烧熔金属,直至汽化,留下一个个小孔。激光钻孔不受加工材料的硬度和脆性的限制,而且钻孔速度异常快。,如果需要在金属薄板上钻出几百个连人眼都难以察觉出来的微孔,用电动钻孔机显然是不能胜任的,但用激光钻孔机却能在12秒钟内全部完成。如果用放大镜对这些微孔作一番细查的话,可发现微孔面十分整齐光洁。,激光钻孔还可用来加工手表钻石 它每秒钟可钻 2030个孔,比机械加工效率高几百倍,而且质量高。同时,激光钻孔与下面我们就要讲到的激光切割一样,加工过程是非接触式的,即不像机械加工那样靠钢钻头逐渐钻透金
24、属材料。因此,激光操作可以在自动化连续加工,或者在超净、真空的特殊环境中发挥作用。,激光切割机 切割金属材料:只要移动工件或者移动激光束,使钻出的孔洞连边成线,就自然能将材料切割下来了。而且,不论是什么样的材料,如钢板、陶瓷、塑料、化纤、木材等,激光都如一柄削铁如泥,削木如灰的光剑,而且,切割的边缘非常光洁。,激光核聚变,时至今日,这个项目已经演变成21世纪人类最宏大的一场科学活动。如果一切顺利的话,它将一劳永逸地解决人类的能源危机。这就是ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor),全称“国际热核实验反应堆”,它要在地球上制造出
25、人造太阳,消耗50兆瓦的能量,却会输出达到500兆瓦的动力,所需要的仅仅是宇宙中蕴藏丰富的物质:氢。今年早些时候,实验室主任接受CBS“60分钟”节目采访时表示,NIF的目标是创造“清洁、取之不尽的能源”。他说这将使美国从温室气体排放的困境和对中东石油的依赖中解脱出来,而这种技术的商业化可能在10年之内开始。不管怎样,ITER能够检验核聚变是否可行,但它不能证明核聚变是否能商业化运行。而我们有很多理由说明后者的不可行,最简单的理由就是聚变过程中的辐射强度非常高,能损坏像钢这样的普通物质,因此核聚变电站需要采用一些目前还没有的新材料,才能抵挡等离子体长达数年的轰击,不然反应堆就需要经常停机检修。
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