激光原理与设备.ppt

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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CO2CO,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：三能级系统或四能级系统 基

2、 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、2A由于谱线竞争，激光多产生于R1线(694.3nm)两个

3、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+代替Y3+:Y2.97Nd0.03Al5O12Nd3+：四能级系统两条吸收谱线：750n

4、m和810nmE0(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 of anNd:YAG laser,Modern CW lamp pumpedNd:YAG laser,

5、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

6、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：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

7、振转能级之间振动能级：V1V2lV3对称 V1弯曲 V2反对称 V3l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)（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 001V31 再通过串级跃迁到001,弛豫过程（100、02

8、0000）,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60100m/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 Dioxid

9、e Fast Axial Flow Laser,Schematic diagram of afast 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(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、

10、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（硅酸硼冕牌玻璃），镀膜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

11、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 1,500,000 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-

12、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,LWY50C4多光束激光焊接机,多光束激光焊接聚焦系统,中小功率激光焊接机,大功率激光焊接机,武钢Si钢在线激光焊接机,板材激光焊接机,武钢Si钢在线激光焊接机,激光焊接聚焦头,金刚石锯片激光焊接机,金刚石锯片激光焊接车间,全自动焊接机,半自动焊接机,金刚石刀片制造系统,缸套激光热处理机,汽车缸套激光热处理机,河南孟州缸套激光热处理车间,激光热处理汽车缸套,北京切诺基缸套在线激光热处理机,