激光加工基本原理

1激光加工基本原理（分享）4.1.1激光加工的特点与分类4.1.1.1激光加工的特点激光（LASER）是英语“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的字头缩写，意思为“通过受激辐射实现光放大”。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、增材加工及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为激光加工系统和激光加工工艺。激光加工与其他加工技术相比有其独特的特点和优势，它的主要特点有：1、非接触加工。激光属于无接触加工，切割不用刀具，切边无机械应力，也无刀具磨损和替换、拆装问题，为此可缩短加工时间；焊接无需电极和填充材料，再加上深熔焊接产生的纯化效应，使得焊缝杂质含量低、纯度高。聚焦激光束具有106～1012W/cm2高功率密度，可以进行高速焊接和高速切割。利用光的无惯性，在高速焊接或切割中可急停和快速启动。2、对加工材料热影响区小。激光束照射到物体的表面是局部区域，虽然在加工部位的温度较高，产生的热量很大，但加工时的移动速度很快，其热影响的区域很小，对非照射的部位几乎没有影响。在实际热处理、切割、焊接过程中，加工工件基本没有变形。正是激光加工的这一特点，它已被成功地应用于局部热处理和显像管焊接中。3、加工灵活。激光束易于聚焦、发散和导向，可以很方便地得到不同的光斑尺寸和功率大小，以适应不同的加工要求。并且通过调节外光路系统改变光束的方向，与数控机床、机器人进行连接，构成各种加工系统，可对复杂工件进行加工。激光加工不受电磁干扰，可以在大气环境中进行加工。4、可以进行微区加工。激光束不仅可以聚焦，而且可以聚焦到波长级光斑，使用这样小的高能量光斑可以进行微区加工。5、可以透过透明介质对密封容器内的工件进行加工。6、加工高硬度、高脆性、高熔点的金属及非金属材料。4.1.1.2激光加工的分类1、激光材料去除加工在生产中常用的激光材料去除加工有激光打孔、激光切割、激光雕刻和激光刻蚀等技术。2、激光材料增长加工激光材料增长加工主要包括激光焊接、激光烧结和快速成形技术。3、激光材料改性激光材料改性主要有激光热处理、激光强化、激光涂覆、激光合金化和激光非晶化、微晶化等。4、激光微细加工激光的微细加工起源于半导体制造工艺，是指加工尺寸约在微米级范围的加工方式。纳2米级微细加工方式也叫做超精细加工。目前激光的微细加工成为研究热点和发展方向。5、其他激光加工激光加工在其他领域中的应用有激光清洗、激光复合加工、激光抛光等。4.1.2激光产生的基本原理4.1.2.1光的吸收和释放激光的光吸收和释放原理如表4-1所示。表4-1光的吸收、释放原理自发辐射处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁，并发射一个能量为hv的光子，这一过程称为自发跃迁。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。受激吸收处于低能态E1的一个原子，在频率为v的辐射场作用(激励)下，吸收一个能量为hv的光子并向E2能态跃迁，这一过程称为受激吸收跃迁，如图1-2所示。受激辐射受激吸收跃迁的反过程就是受激辐射跃迁。处于上能级E2的原子在频率为v的辐射场作用下，跃迁至低能态E1并辐射一个能量为hv的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射，4.1.2.2激光产生的过程激光产生的过程是：在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其它发光粒子，产生更多状态相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子。这种现象称受激辐射光放大。4.1.2.3典型激光器结构及功能激光器通常由三部分组成，即激光工作物质、泵浦源及光学谐振腔，它们是产生激光的三个前提条件。具体原理见表4-23表4-2激光器组成激光工作物质包括激活粒子与基质。为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成粒子数反转的发光粒子——激活粒子。它们可以是分子、原子或离子。这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附于某些材料中。为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质，它们可以是固体或液体。泵浦源泵浦源的作用是对激光工作物质进行激励，产生粒子数反转。不同的激光工作物质往往采用不同的泵浦源。光学谐振腔光学谐振腔的作用主要有以下两个方面。产生和维持激光振荡、改善输出激光的质量。谐振腔由放置在激光工作物质两边的两个反射镜组成，其中之一是全反射镜，另一个作为输出镜用，是部分反射、部分透射的半反射镜。[1]4.1.3激光器系统激光器按工作物质的不同可以分为：固体，气体，液体，光纤及半导体激光器等。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大。用于工业材料加工的主要有固体激光器、CO2激光器等几种激光器。在此，对几种主要激光器进行介绍。4.1.3.1固体激光器固体激光器以其独特的优越性在材料加工中获得广泛的应用，固体激光器的优点是：1）输出光波波长较短。红宝石激光器输出波长为694.3nm；Nd：YAG及钕玻璃激光器的输出波长为1.06m，比CO2激光器低一个数量级。并且固体激光器的输出波长多在可见光区段或近红外光区段，很容易用某些晶体倍频，获得可见光甚至紫外光波段光波。对于大多数材料，激光波长越短，吸收系数越大，在加工工件时，固体激光器所需的平均功率比用CO2激光器的要小。2）固体激光器输出较易使用普通光学元件传递。对于波长为1.06m的近红外光，还可用光纤维传输，具有方便灵活的特点。3）结构紧凑、牢固耐用、使用维护比较方便，价格也比气体激光器低。固体激光器的这些优越性使得其在激光打孔、焊接、表面工程和半导体加工技术中得到广泛应用。固体激光器的基本结构如图4-1所示，它主要由激光工作物质、泵浦光源、聚光腔、光学谐振腔等部分组成。4激光部分反射镜全反射镜泵浦灯泵浦电源聚光腔工作物质图4-1固体激光器基本结构示意图1．固体激光器的工作物质用于材料热加工的固体激光器的工作物质主要有：红宝石，Nd：YAG和钕玻璃。使用这三种激光物质的激光器的性能特点见表4-3。表4-3固体激光器特点比较固体激光器特点红宝石激光器属于三能级系统，机械强度大，能承受高功率密度，亚稳态寿命长，可获得大能量输出，尤其是大能量单模输出。但其阈值较高，输出性能受温度变化明显，不宜作连续及高重复率运行，只能做低重复率脉冲器件。YAG激光器属于四能级系统，荧光量子效率高，阈值低，并且具有良好的热稳定性能、热导率高、硬度大、化学性质稳定等特点，是这三种固体激光器中唯一能够连续运转的激光器，已经广泛应用于材料加工。钕玻璃激光器属四能级系统，具有较宽的荧光谱线，荧光寿命长，易积累粒子数反转而获得大能量输出，容易加工。但其热导率较低，故只能在脉冲状态下工作。目前Nd：YAG是实用化固体激光器件中主要使用的激光工作物质。很多工业加工设备的激光器系统都是采用Nd：YAG激光器。表4-4为使用这三种工作物质的固体激光器的主要工作参数。表4-4三种固体激光器的常用参数类型波长/m工作方式激光功率或脉冲能量脉冲宽度/ns发散角/mrad效率/%红宝石0.6943脉冲100～1000J/脉冲(TEMmn)1J/脉冲(TEM00)108～109W10-2J/脉冲1～101～32×10-95～101YAG1.06连续脉冲Q开关2100W(TEMmn)20W(TEM00)1～500J/脉冲5J/脉冲(TEM00)5×10-3J(TEM00)1×10-3J108～109W(37～350)×10-3J8×105J(TEM00)10W(TEM00)0.1～20(3～20)×10-5(0.1～1)×10-510-510～200.2～25～2030.15～201～100.11～3钕玻璃1.06脉冲Q开关锁模500J5×1010W(100J/脉冲)1.7×1013W0.5～1010101～100.2～0.3252.固体激光器的泵浦系统泵浦系统包括泵浦光源和聚光腔。在固体激光器中，激光物质内的粒子数反转是通过光泵的抽运实现的。电源的电能首先转变为泵浦光源的光能，然后再转变成固体激光器工作物质的储能。目前泵浦光源最常用的是惰性气体放电灯和激光二极管[2]。惰性气体放电灯泵浦系统是常规固体激光器最为广泛使用的泵浦光源，主要分为用于脉冲工作方式的氙（Xe）灯和用于连续工作方式的氪（Kr）灯，随着二极管激光器（LD）技术和制造工艺的成熟，采用激光二极管做为泵浦源，正成为固体激光器泵浦系统的重要发展方向。（1）脉冲氙闪光灯泵浦系统。脉冲氙灯是一种亮度较高的非相干辐射源，用于脉冲工作的Nd：YAG和钕玻璃激光器的泵浦。脉冲氙灯的放电过程是随时间急剧变化的过程，它的灯电阻、端电压和电流都随时间变化。表4-5列出了脉冲氙灯的主要尺寸规格。表4-5STX系列激光氙灯型号内径φ1(mm）弧长L2(mm)总长OVL(mm)外径φ2(mm)电极φxL4(mm)STX5x75x14047514053x5STX7x70x15057015074x5STX7x100x210510021074x8STX7x100x186510018674x8STX8x90x22069022085x8STX8x100x230610023085x8STX8x100x250610025085x8STX8x100x288610028885x10STX8x120x240612024085x8STX8x120x260612026085x8STX8x140x280614028085x8STX8x150x297615029785x10STX9x130x264713026496x8STX9x280x390728039096x8STX10x45x125845125106.5x5脉冲固体激光器电源系统的主回路原理图见图4-2，电源电路包括充电电路、储能网络、放电电路、触发及预燃电路、控制电路等。电路的工作原理是；当触发电路给氙灯提供一个高压触发脉冲时，灯内的气体被击穿，进入低阻状态，储能元件中的电能通过灯放电，采用预燃技术，灯触发后，预燃电路提供小电流维持灯的导通状态，脉冲放电靠放电回路中串入放电开关控制，充电电路在储能网络不放电时工作为储能网络充电，控制回路协调以上各电路正常工作。6目前国内生产脉冲氙灯的电源的厂家很多，表4-6为武汉新特光电技术有限公司的脉冲激光电源的参数表。表4-6STLDP系列脉冲激光电源型号STLDP-1STLDP-2STLDP-3STLDP-4最大输出电功率(kW)5544输出电流范围(A)100-600100-600100-600100-600脉冲宽度(ms)0.1-100.1-200.1-100.1-20脉冲重复率(Hz)0.1-1000.1-2000.1-1000.1-200电源输入380VAC380VAC380VAC380VAC外形尺寸(mm)480x202x600（2）连续氪弧光灯泵浦系统。氪比氙的线状光谱能更好地与Nd：YAG的吸收谱相匹配，因此，氪弧灯是连续工作高功率激光器常用的泵浦光源。氪弧灯属于管壁稳定型大电流弧光放电灯，放电起始采用高压脉冲点火，点燃后属于稳定气体放电。表4-7为部分氪灯的尺寸参数。表4-7STK系列激光氪灯型号内径φ1(mm)弧长L2(mm)总长OVL(mm)外径φ2(mm)电极φxL4(mm)STK6.5x100x2504.51002506.54x8STK6.5x125x2704.51252706.54x10STK7x100x210510021074x8STK7x100x250510025074x8STK7x125x270512527074x10STK8x95x21469521485x7STK8x100x235610023585x8STK8x100x250610025085x10STK8x100x256610025685x8STK8x100x270610027085x10交流电源充电电路