激光光学与工艺培训资料

2017激光光学与工艺培训资料编制：黄锦雄编制时间：2017/08/011.激光安全；2.激光的基础知识；3.激光打标机介绍4.光纤激光打标机；5.紫外激光打标机；6.CO2射频管激光打标机；7.CO2玻璃管激光切割机；8.光纤激光切割机；激光安全LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写。激光产生的能量在电磁光谱的光部分内或附近。能量由一个叫做受激辐射的原子过程放大到极高的程度。这里的术语“辐射”经常被误解，因为该术语也用来描述放射性材料和电离辐射。然而，本文中辐射一词是指能量转换。能量通过传导、对流和辐射从一个位置移动到另一个位置。激光的颜色一般用激光的波长来表述。最常用的激光波长单位是纳米（nm）。一米等于10亿纳米。Ø激光束危害激光产生高强度和高方向性的光束。如果对准、反射或聚焦到一个物体上，激光将部分被吸收，会使物体表面或内部温度升高，引起材料的局部变化或变形。Ø激光对眼睛和皮肤有潜在的损害这些性质应用到激光手术和材料加工也会引起组织破坏。此外对这些受明显热影响的组织，当激光波长足够短的时候，即在光谱的紫外或蓝色区域，也会有电化学效应。今天，最高功率的激光器设计要使在正常操作时的激光辐射降到最小。较低功率的激光器可发出无害的激光水平。人体对特定的激光输出是脆弱的，在特定的环境里，暴露在激光面前会导致眼睛和皮肤的损伤。为了了解激光辐射的生物危害，针对眼睛和皮肤伤害阈值的研究已经在进行。一般来讲，人的眼睛比人的皮肤更脆弱。不像皮肤，角膜（眼球透明的外前表面）没有死细胞的外表层保护。在光谱的远紫外或远红外区域，眼睛的透镜体容易受到损伤。然而，最关注的是在视网膜光谱损害区域，大约400nm（紫光到1400nm（近红外），并包括了光谱的整个可见光部分。激光安全：在这个光谱区内，直射的激光可在视网膜上聚焦为一个很细小的斑点。要发生最糟糕的暴露事件，一个人的眼睛肯定是一定距离被聚焦并且直射光束或镜面反射肯定进入眼睛。视网膜危害区的准直光束进入眼睛照射在视网膜后会以100,000倍聚集。因此，一束可见的1毫瓦/平方厘米的激光将造成100瓦/平方厘米照射到视网膜，这是足以引起损伤的功率密度（照度）。如果眼睛不是在一定距离被聚焦，或光束是由漫散的表面（非镜面）反射，引起损伤需要更高水平的激光辐射。同样，由于这种眼部聚焦效果不适用于皮肤，皮肤受到此类波长的损害很小。Ø非光束危害除了激光束本身对眼睛和皮肤的直接危害，列出激光应用有关的其它危害也很重要。在某些情况下，这些非光束危害可能造成生命威胁，例如，触电、火灾和窒息。由于这些危害的多样性，雇用安全或工业卫生专业人员进行有效危害评估是必要的。激光安全：激光安全等级：激光的附加辐射之危险性和相关其他的危险性，大多可藉适当的装置及措施加以防范。因此，激光的主要危险性在于其光束本身。根据激光光的危险程度加以分级(1至4级)，可以分别采取恰当的安全措施。nClassI：低输出激光（功率小于0.4mW），不论何种条件下对眼睛和皮肤，都不会超过MPE值，甚至通过光学系统聚焦后也不会超过MPE值。可以保证设计上的安全，不必特别管理。典型应用如激光教鞭，CD播放机，CD-ROM设备，地质勘探设备和实验室分析仪器等。nClassII：低输出的可视激光（功率0.4mW-1mW），人闭合眼睛的反应时间为0.25秒，用这段时间算出的曝光量不可以超过ＭＰＥ值。通常1ｍＷ以下的激光，会导致晕眩无法思考，用闭合眼睛来保护，不能说完全安全，不要直接在光束内观察，也不要用ClassII激光直接照射别人的眼睛，避免用远望设备观察ClassII激光。典型应用如课堂演示，激光教鞭，瞄准设备和测距仪等。nClassIII：中输出激光，光束若直接射入眼睛，会产生伤害，基于某些安全的理由，进一步分为IIIＡ和IIIＢ级。IIIＡ级为可见光的连续激光，输出为1-5ｍＷ的激光束，光束的能量密度不要超过25Ｗ／ｍ﹣ｍ，避免用远望设备观察IIIＡ激光，这样可能增大危险。IIIＡ的典型应用和ClassII级有很多相同之处，如激光教鞭，激光扫描仪等。IIIB级为5-500mＷ的连续激光，直接在光束内观察有危险。但最小照射距离为13ｃｍ，最大照射时间十秒以下为安全。IIIB激光的典型应用如光谱测定和娱乐灯光表演等。nClassIV：高输出连续激光（大于500mW），高过第三级，有火灾的危险，扩散反射也有危险。典型应用如外科手术，研究，切割，焊接和显微机械加工等。激光的基础知识激光产生的原理：一：物质与光相互作用的规律光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。1.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（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。2.自发辐射粒子受到激发而进入的高能态，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（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率=（E2-E1）/H。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。3.受激辐射、激光自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为=（E2-E1）/H的光子入射时，也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，这个过程称为受激辐射。可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率=（E2-E1）/H的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。激光产生的原理：二：粒子数反转当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。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。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。三：激光产生的三个条件a)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；b)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；c)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。激光的特点：普通光源激光光源亮度电灯：约470sb太阳：约1.65X105sb红宝石激光器，约1.65X1015sb功率1000MW/cm2方向无确定方向、发散角大、难会聚发散角小到0.1mrad（近似平行光），光束会聚其焦点处光斑10um单色性氪灯的光源谱线宽为0.0047Å激光的谱线宽度为10-7Å相干性氪灯光源的相干长度78cm激光的相干长度可达几十公里激光是一种新型光源，它产生于光的受激辐射，因为它与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振态，所以激光与普通光源相比有不同的特性。Ø定向发光（高方向性）：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。Ø亮度极高：固体激光器的亮度更可高达1011W／CM2SR。具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。Ø颜色极纯（高单色性）：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。Ø能量密度极大（高相干性）：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。激光光束横截面上光强的分布情况。激光谐振腔两端有反射镜，腔内激光物质也有一定大小的横截面。光在腔内传播相当于不断经过光阑，因此会引起衍射，使振幅和相位的空间分布发生畸变。最后当振幅和相位的空间分布达到稳定状态时，才从输出镜输出激光。取激光器轴向为直角坐标系的z轴，以谐振腔中心点为原点，在与z轴垂直的平面上取互相垂直的x轴和y轴。用符号TEMmn表示各种横向模式。m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些点的序数，称为模式序数。输出激光束横截面上横模的光斑图表示在下图中。基模又称TEM00模，其光斑中任何一点光强都不为零。若光斑在X方向上有一点光强为零，称为TEM10模；在Y方向上有一点光强为零，称为TEM01模。以此类推，模式序数m和n越大，光斑中光强为零的点的数目越多。除基模为低次模式外，其它的模式都称为高次模式。仅有基横模的激光束称为单横模激光，其平行性好，发散角小。有不同横向模式的激光束称为多横模激光，其发散角较大，平行性较差。从空间相干性来说，各次横模的空间相干性都很好，但高次横模多数伴随多横模运转，因而空间相干性比基横模差些。激光光斑模式：上图中，TEM00模，称为基模。TEM*01模，是单环模，也叫准基模。为了与TEM01区分，特地加上星号*。TEM01模与TEM10模其实可视为相同的模式，因为X、Y轴原本就是人为划分的。下面示出的是几种模式的立体图。激光光斑模式：激光光束的光束质量具有多个定义，通常被用来衡量激光光束在特定情况下（例如，有限的光束发散角的情况下）聚焦的程度。常用的量化光束质量的方法有：—光束参数乘积（BeamParameterProduct）,也就是束腰处的光束半径与远场光束发散角的乘积×—M2因子，定义为光束参数乘积与其相同波长的衍射极限高斯光束的BPP的比值；高斯光束的远场发散角半角002×0×0BPP是与波长不相关的，M2与波长相关，相同的BPP，CO2激光器的M2是YAG激光器的十分之一，CO2激光器的波长是10um，YAG激光器波长是1um。下图是高斯光束的纵向分布曲线，图中焦点光斑半径W，远场发散角半角。激光光束质量：光束质量对激光加工的影响：高功率激光在切割、焊接、表面熔覆与合金化、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用，其光束特性是影响激光加工质量最重要的因素之一。高功率CO2激光加工过程中，影响激光热加工的因素很多，对于激光束，其中主要是焦点功率密度、焦斑形状、光强分布和焦斑漂移等,这些参数不仅与激光输出功率有关，而且更依赖于光束模式的分布和稳定性。高功率CO2激光光束参数：a)能量特性（激光束功率及功率密度偏振特性、连续/脉冲）b)光束模式（光束质量、异形光束、模式特性）c)焦点特性（焦点位置、焦点大小、焦深）这些光束特性参数并不是独立的，而是相互影响的。同样功率的激光束，光束质量越好，聚焦焦点就越小，焦点的功率密度就越大。同一束激光，采用短焦距聚焦镜，可得到较小的聚焦焦点和较大的焦点功率密度。光束质量作为光束特性中最重要的参数之一，对光束能量分布、聚焦焦点大小、功率密度大小等重要参数有很大影响，是评价激光制造系统的关键参数，它不仅标志了激光制造系统的可加工能力，还对激光材料加工过程产生重要的影响。光束质量对激光加工的影响：当激光输出功率不变时，光束模式的畸变或跳动对激光热加工的影响主要表现在以下三个方面：1）焦点功率密度变化在激光器长期连续运转中，激光工作介质CO2离解和负电性气体NOX增加，使激活介质成份