激光加工的理论及应用

第二节 激光加工的基本设备
⒈激光加工机的组成部分 ⑴激光器 ⑵激光器电源 ⑶光学系统 ⑷机械系统
第二节 激ห้องสมุดไป่ตู้加工的基本设备
⒉激光加工常用激光器 ⑴固体激光器 1）固体激光器的基本组成 工作物质、光泵、玻璃套管和滤光液、 冷却水、 聚光器以及谐振腔等。
第二节 激光加工的基本设备
第二节 激光加工的基本设备
从图1可以看出,在水中穿透能力最好的光是紫外光波长的区域，一般铜 蒸气和倍频Nd:YAG激光(511和532nm)在水中的穿透能力比较好，用 Nd:YAG激光进行水辅助激光加工时,水层深度最好在10mm以内。
第一节 激光加工的物理基础
相干长度： 最大时间间隔内光所走的路程。 L=λ02/（Δλ） L：相干长度 λ0：光源的中心波长 Δλ：光源的谱线宽度。
⑷方向性好 Δθ=4λ/πD =1.27λ/D
⑸聚焦性 焦点直径： d=FΔθ =4λF/πD =1.27λF/D
第一节 激光加工的物理基础
焦深Z： Z=6.5dF/D
第二节 激光加工的基本设备
2）固体激光器的分类 ①红宝石激光器
第二节 激光加工的基本设备
②钕玻璃激光器 ③掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器
第二节 激光加工的基本设备
⑵气体激光器 1）二氧化碳激光器
第二节 激光加工的基本设备
2）氩离子激光器
第三节 激光加工工艺及应用
激光打孔
激光切割
第三节 激光加工工艺及应用
第一节 激光加工的物理基础
⑵材料加热 厚 0.01～0.1μm 动能增加：自由电子热运动。
⑶材料的破坏（气化和熔化） 激光光点中心：1010℃/s 温度梯度：106℃/m 气化﹑熔化：爆炸性气化 不同材料不一样： 解聚 碳化 热应力碎裂
第一节 激光加工的物理基础
⒋激光加工的特点 ⑴几乎可以加工任何材料 ⑵精密微细加工 KrCl,KrF,ArCl,ArF ⑶非接触加工 ⑷加工装置比较简单 ⑸影响因素多 ⑹飞溅物
⒈激光打孔 ⑴输出功率与照射时间 ⑵焦距与发散角 ⑶焦点位置 ⑷光斑内的能量分布 ⑸激光的多次照射 ⑹工件材料
⒉激光切割
第三节 激光加工工艺及应用
⒈激光打孔 ⑴输出功率与照射时间 ⑵焦距与发散角 ⑶焦点位置 ⑷光斑内的能量分布 ⑸激光的多次照射 ⑹工件材料
第三节 激光加工工艺及应用 ⑴输出功率与照射时间
第三节 激光加工工艺及应用 ⑵焦距与发散角
第三节 激光加工工艺及应用 ⑶焦点位置
第三节 激光加工工艺及应用 ⑷光斑内的能量分布
第三节 激光加工工艺及应用 ⑸激光的多次照射
激光的脉冲重复频率对打孔的影响 一般来说，激光一个脉冲打出的孔深为表面孔径的
5一10倍。为了得到又小又深的孔，就必须采取反复照 射的加工方法。锥度可以减小，而孔径几乎不变。但 是，孔深与照射次数不成比例，而是加工到一定深度 后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射或吸收 以及排屑困难等原因引起能量的损失，加工量逐渐减 小，以致不能继续打下去。图5-12是利用红宝石激光 器加工蓝宝石时获得的实验曲线。从图中可知，照射 20-30次以后，孔的深度达到饱和值。如果单脉冲能量 不变，就不能继续深加工。
第三节 激光加工工艺及应用
第三节 激光加工工艺及应用
陶瓷·Φ0.5mm孔·激光打孔
叶片·Φ0.5mm小孔·激光打孔
过滤板·82万个Φ0.7mm孔(3mm厚 不锈钢板)
激光三维精细切割——航空发动机叶形孔 (材料: 不锈钢, 厚度: 1mm, 圆角半径: 0.1mm)
激光三维精细切割——大功率电子管栅极 (材料: 钼, 厚度: 0.3mm, 线宽: 0.3mm)
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
大于0.76μm称为红外线或红外光 小于0.4μm称为紫外线或紫外光
第一节 激光加工的物理基础
动量： Mv=Mrω 2πr• Mrω=h•n 2πr2 Mω=h•n M：电子质量kg ω：角速度rad/s r=0.529×10-10n2(m) 普朗克常数 h=6.62×10-34J•s r=0.529×10-10(m)=0.529Å E=hν
第三节 激光加工工艺及应用
⑸激光的多次照射
第三节 激光加工工艺及应用 ⑹工件材料
第三节 激光加工工艺及应用 ⒉激光切割
第三节 激光加工工艺及应用
在 254 微米厚已烧结 Greentape 陶瓷材料上 的过孔，直径 50 微米
在 254 微米厚未烧结 Greentape 陶瓷材料上 的过孔，直径 75 微米
E2
N1
E1
N1
两能级满足跃迁选择定则
E1
自发地、各自独立 地、彼此无关地、 无规律地
第一节 激光加工的物理基础
特点：是个随机过程，各波列间没有固定位 相关系，可以有不同的偏振方向、传 播方向、相互间不相干，自发辐射的 能量平均地分配到腔内所有模式上。
所以：自发辐射为主的光源，方向性、相干 性、单色性差。
第一节 激光加工的物理基础
第一节 激光加工的物理基础
⒉激光的特性 ⑴强度高 时间和空间都可集中 ⑵单色性好 单色性： 指光的波长为一个确定的数值（光谱范围） λ0=605.7nm,Δλ=0.00047nm, 10-8nm ⑶相干性： 相干时间： 是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象 的最大时间间隔。
第一节 激光加工的物理基础
能级：原子（分子或离子）具有一系列不 同的运动状态，每一种运动状态都 有其确定的能量值。
这些不同状态的能量值是分立的，称为能级。
E
E2
激发态
E1
基态
第一节 激光加工的物理基础
原子能级及粒子数正常分布
玻尔兹曼分布
原子体系在热平衡时，各能级上 的粒子数服从玻尔兹曼分布。
设：原子体系的热平衡温度为T， En
个能级改变到另一个能级。
发射或吸收光子的 频率满足选择定则
h E2 E1
无辐射跃迁：原子只是通过与外界碰撞或其 它交换能量的过程，而从一个 能级改变到另一个能级。
（即不吸收也不发射光子）
第一节 激光加工的物理基础 ⑴自发辐射
自发辐射：在没有外来光子的情况下， 原子自发
跃迁发出的光子。
N2
E2
N2
⑹振动模式 λ=2l/n
纵模： ν =c/λ=nc/2l l:谐振腔的长度
横模：光源输出半径为D/2 N：菲涅耳数 N=D2/4λl N：选为1～2
获得单模时的功率应在1500W以下,再大就会出现多模。
第一节 激光加工的物理基础
⒊激光加工材料的物理过程 激光加工：把激光作热源，对材料进行热加工。 过程： 光照﹑吸收→光变热﹑加热→气化﹑熔融﹑溅出 ⑴材料对激光能量的吸收 反射 折射 透射 导电率高的材料反射率高 铜不能加工，铝难于加工
激光三维切割——奥运参选火炬模型 (材料: 铝合金, 厚度: 1mm)
氧化铝陶瓷激光精密切割 (厚度: 1mm/0.3mm)
石英精密切割 (厚度: 5mm)
单晶硅片激光精密制孔 (厚度: 0.46mm)
第四节 激光加工新技术
⒈激光热处理技术 ⒉水波导激光切割技术 ⒊激光毛化技术 ⒋激光雕刻技术 ⒌激光内雕刻技术 ⒍激光清洗技术 ⒎飞秒激光技术
第六章 激光加工的理论及应用
激光：受激辐射产生的放大光。 红外激光：
CO2激光：10.6μm YAG激光：1.06μm 紫外线激光： 惰性气体激光（准分子激光） ArF：193nm， KrF：234nm XeCl：308nm，XeF：351nm
第一节 激光加工的物理基础
激光加工的原理： 利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的 能量密度靠光热效应来加工各种材料。
激光内雕刻技术
激光雕刻原理： 通过适当聚焦，可以使激光的使激光的能量密 度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破 坏阈值，而在加工的区域则超过这一临界值， 激光在极短的时间内产生脉冲，其能量能够在 瞬间使水晶受热破裂，从而产生极小的白点， 在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃或水晶的 其余部分则保持原样完好无损。
c（光速）＝λ（波长）·ν（频率）
可见光频率4.3×1015HZ（红光)--7.5×1015HZ
光能E =h ν 波的能量与频率成正比
第一节 激光加工的物理基础
第一节 激光加工的物理基础
光：0.4～0.76μm
0.76μm 0.63μm 0.6μm 0.57μm 0.50μm 0.45μm 0.43μm 0.4μm
则在能级 En上的原子数Nn为：
En
E2
N n e kT
E1
Nn
第一节 激光加工的物理基础
En
N n e kT
可见：能级越高，粒子数越少。 室温下，绝大部分粒子处于基态。
N2
g2
( E2 E1 )
e
kT
1
N1 g1
第一节 激光加工的物理基础
②原子的发光 辐射跃迁：原子由于发射或吸收光子而从一
应用： 打孔 切割 微调 焊接 热处理 激光存储
第一节 激光加工的物理基础
⒈激光的产生原理 普通光不能加工的原因： ⑴能量密度不高 ⑵不是单一光
1)光的物理概念及原子的发光过程 ①光的物理概念 波动性 微粒性
c
第一节 激光加工的物理基础
可见光波长 ~400nm--760nm 光谱图中最短的γ射线波长 ~0.1nm 最长的无线电波波长 ~cm--m
第一节 激光加工的物理基础
受激辐射
N2
外来光子
E2
ε=hν=E2-E1
N1 E1
两能级满足跃迁选择定则
E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用，而 跃迁到能级E1上，同时发射一个与外来光子完全 相同的光子。
第一节 激光加工的物理基础
原子跃迁到高能级的状态叫做受激态。 ν =（E2-E1）/h
2）激光产生 红宝石： Al2O3+0.05%Cr3+ , Al2O3+Cr2O3