激光加工物理基础
激光与光纤通信技术的物理学基础
激光与光纤通信技术的物理学基础激光与光纤通信技术的发展已经成为现代社会信息化进程中的重要部分。
光纤通信技术的原理是基于激光的传输原理，它们的物理学基础是相关领域的重要研究方向。
1. 激光的物理特性激光（Laser）是指通过电子或者其他方式激发出来的光，具有高度的单色性、方向性、相干性和强度等特点。
激光的发射是通过受激辐射过程瞬间放大而产生的。
激光的高度单色性使其能够在光纤中传输距离较长并保持稳定性。
激光的方向性使其能够通过光纤中的微弱光信号进行传递。
激光的相干性可以使得光信号在光纤中保持较小的衰减和失真。
2. 光纤的物理原理光纤是一种由高纯度的二氧化硅或者塑料等制成的细长线性材料，在纤芯的中心和纤壳的包围下形成光信号的传输通道。
光纤中的光信号是通过预先注入的激光器或者其他光源所产生的光束进行传输的。
光纤具有高度的柔韧性和耐高温性，能够在电磁干扰环境下保持信号的稳定传输。
光纤的特殊结构和材料使其能够实现信号的快速传递，并且不会受到外界环境的影响。
3. 光纤通信的主要技术光纤通信技术是一种基于光传输的信息传输方式，它的发展离不开激光技术的支持。
光纤通信的主要技术包括激光调制、光纤放大、光纤传输和光信号处理等。
激光调制是通过对激光源的控制来实现光信号的编码和解码；光纤放大是通过光纤中的光放大器来增强信号的强度和传输距离；光纤传输是通过光纤中的反射和折射来保持信号的传输方向和稳定性；光信号处理则是对传输信号进行处理和解码，以保证信息的可靠性和完整性。
4. 光纤通信技术的应用和前景光纤通信技术已经在现代社会中得到广泛应用，成为重要的信息传输工具。
它被广泛应用于电话、互联网、电视和局域网等领域。
光纤通信技术具有传输速度快、抗干扰性好和传输容量大等优势，能够满足人们对高速、高质量信息传输的需求。
随着信息技术的不断发展，光纤通信技术的应用前景将更加广阔。
总结起来，激光与光纤通信技术的物理学基础是激光的物理特性和光纤的物理原理。
3-2 激光与材料相互作用
反常吸收
指通过多重非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能的过程。 这些波所携带的能量，通过各种耗散机制转化为等离子热能。
等离子体对激光的吸收系数：
Z 2 e 6 N e N i ln 2 2 3 c 0 (2me KT ) 3 2 [1 ( pe / 2 ]1 2
T
Z Ne / Ni
激光束
等离子体 工件
2）等离子体对激光的吸收
等离子体通过多重机制吸收激光能量，使温度升高、电离度增大。
正常吸收
逆韧致吸收，是指处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并 且以一定概率与粒子（主要为离子）相互碰撞，把能量交给比较重的 粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。 逆韧致吸收分为线性（电子速度分布为麦克斯韦分布）和非线性 （电子速度分布函数与电场有关）两类，非线性情况发生在极高激光 电场场合。
Localized evaporation
Weld metal
Hump Metal flow
焊接过程中匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的。 气孔的形成：1）局部蒸发引起保护气的侵入；2）合金元素的烧损； 3）激光焊接铝及合金时，在冷却过程中由于氢在铝中的溶解度急剧下 降会形成氢气孔。
在熔池中存在旋转的涡流构造，且能量较大，有强烈 的搅拌力作用。熔池底部产生的较大气泡并非完全依靠上 浮力排除熔池，而是靠金属的流动带出熔池。
羽状等离子云吸收光束能量
匙孔内光束能量减少，等离子体的 产生作用减弱，同时匙孔熔深减小
羽状等离子云逐渐消散
匙孔内光束能量增加，等离子体的 产生作用增加，同时匙孔熔深增大。
4、等离子体在能量传输中的作用
等离子体位于熔池上方的激光传输通道上，它对激光会产 生反射、散射以及吸收，还会对激光产生负透镜效应。
第二章 激光的物理基础2.2光波模式和光子状态
狭义定义：能够存在于腔内的驻波称为光波模 式
仅波腹上、下振动， 波节不移动
单色平面波表示为： i (t kr ) E (r, t ) E0e
其中: E0 : 光波电场的振幅 ;
: 单色平面波的角频率 ;
k : 波矢量; r : 空间位置坐标 .
在自由空间 , 具有任意波矢 k 的单色平面波均可存在 问题：在有边界条件限制的空间，k 的取值 是否连续 镜面有π 位相突变
四、光子简并度
定义：
处于同一光子态的光子数称为光子简并度 n
含义：
同态光子数 同一模式内的光子数 处于相干体积内的光子数 处于同一相格内的光子数
讨论
光子简 并度高 大量光子处于 同一光子态 相干性好 相干光强大
普通光源的光子简并度小 温度为6000K的黑体，在可见光波段 光子简并度为10-3
4) 光子有两个独立的偏振 方向 5) 光子有自旋，且自旋量 子数为整数，故大量光 子 服从玻色- -爱因斯坦统计规律，处 于同一状态的光子 数目没有限制。
2.光子的状态区分
光子状态：指光子的运动状态
质点：由坐标 r (x,y,z)和动量P(P x ,P y ,P z )确定其运动状态
相空间：由 x、y、z、Px、Py、Pz构成的六维空间
14
9
二、光子状态
1.光子的基本特性
1) 光子的能量与光波频率 相对应： ε hν
式中h是普朗克常数，h=6.626×10-34J•S
hν 2) 光子有运动质量： m 2 c h 3) 光子的动量与单色平面 波波矢相对应： p k 2π h h 2 h hν P mcn0 n0 n0 n0 k c 2 2
2.1材料对激光的吸收与反射(精)
4. 作业思考题
（1）利用激光技术加工材料，从本质上讲激光与材料的相 互作用是什么过程？
（2）简述影响材料对激光吸收的因素和影响规律是什么？
材料对激光的吸收与反射
课程名称：激光加工技术 主讲人：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
材料对激光的吸收与反射
1.教学目标
理解在激光加工过程中激光与材料相互作用的机制,掌 握材料对激光光波吸收的影响因素和规律。
2. 材料对激光的作用
2.1 材料对激光的吸收
激光与材料的相互作用是激光加工的物理基础，本质是光 波电磁场与物质内带电粒子的作用，即能量转换过程。
对于金属材料加工，主要考察吸收和反射（透射为零）。 吸收率a=P吸/P总；反射率R=P反/P总，则有a+R=1
2.2 影响材料吸收光波的因素
2.2.1 激光波长
室温下激光波长增 加，吸收率减小
图1 室温下常用金属的反射率与波长的关系
2.2.2 加热温度
吸收率
材料温度升高， 吸收率增大
温度
图2 材料吸收率与温度的关系
2.2.3Байду номын сангаас材料表面状态
表1 不同涂层材料的吸收率
表面粗糙、氧化膜或 涂层可增大吸收率
注：材料：40钢；激光功率：150W； 扫描速度：10mm/s
2.2.4 材料性质
波长在红外线范围内，电 阻越小，吸收率越低
图3 不同材料对不同波长激光的吸收率
约390nm-780nm
3. 小结
室温下激光波长增加，材料的吸收率减小；材料温度升 高，吸收率增大；表面粗糙、氧化膜等增大吸收率；波长 在红外区内，电阻越小，吸收率越低。
激光工作物质及基本原理课件
化学激励
化学反 应
等离子体激励
Байду номын сангаас
04
激光应用
激光加工技 术
激光切割 激光打标 激光焊接
激光在军事领域的应用
激光武器
激光雷达
激光在医疗领域的应用
激光治疗
利用激光束对病变组织进行照射，具有治疗精度高、副作用小等优点。
激光美容
利用激光束对皮肤进行改善和治疗，具有效果显著、安全可靠等优点。
激光在科研领域的应用
激光光谱学
利用激光束对物质进行激发和检测，研究物质的分子结构和化学性质。
激光物理
研究激光产生、传播和控制的基本物理规律，推动激光技术的发展和应用。
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激光工作物质及基本原 理课件
• 激光工作物质 • 激光产生的基本原理 • 激光工作物质的激发方式 • 激光应用
01
激光工作物 质
激光工作物质的分类
01
02
03
按照能级结构分类
按照物理形态分类
按照激发方式分类
激光工作物质的特性
稳定性
。
转换效率
热稳定性 化学稳定性
典型激光工作物 质
气体
固体
液体
02
激光产生的基本原理
激光产生的物理基础
原子结构
激发态与基态 粒子数反转
激光激发方式
光学泵浦 电子束泵浦
激光输出特性
单色性 激光输出的光子具有相同的频率和波 长，因此具有极高的单色性。
高亮度
由于激光是受激发射产生的，因此其 光子具有相同相位和偏振方向，导致 激光输出具有极高的亮度。
方向性
由于激光光子具有相同的偏振方向和 相位，因此激光输出具有极强的方向 性。
激光原理_第四章
x(t) = x0e
− t 2
γ
e
iw0t
作简谐振动的电子和带正电的原子核组成一个作 简谐振动的经典简谐振子模型，其偶极矩为： 简谐振动的经典简谐振子模型，其偶极矩为：
p(t) = −ex(t) = p0e
γ
− t iw t 0 2
γ
e
简谐偶极振子发出的电磁辐射的电场强度： 简谐偶极振子发出的电磁辐射的电场强度：
线型函数和线宽: 线型函数和线宽 为频率的函数。 自发辐射功率 I (ν ) 为频率的函数。设总的辐射功率为 I0 ,有：
I0 =
+∞
−∞
∫ I (v)dν
g(ν ,ν 0 ) = I (ν ) I0
引入谱线的线型函数g(ν,ν0)： 引入谱线的线型函数 ：
(给定了光谱线的轮廓或形状 给定了光谱线的轮廓或形状) 给定了光谱线的轮廓或形状
-χ"(ω) "(ω
0.5
-χ´(ω)
ne 其中： 其中： χ = mw0ε0∆wa
// 0
2
-3
-2
-1
0 1 2 3 )/△ (ω-ω0)/△ωa
时经典振子线性电极化系数的大小。 表示当 w = w0 时经典振子线性电极化系数的大小。
物质的相对介电系数 ε / 与电极化系数
χ 之间的关系： 之间的关系：
γ
1+
1 4(w − w0 )2
γ2
令 ∆wa = γ ，引入参数
∆y =
的相对偏差，得到： 与原子固有频率 w0 的相对偏差，得到：
∆y / // χ = −χ0 1+ (∆y)2 1 χ // = −χ // 0 1+ (∆y)2
激光物理学的基础知识
激光物理学的基础知识引言激光物理学是研究激光的发生、传输和相互作用过程的学科，是现代光学中的重要分支之一。
激光在现代科技和工业中有广泛的应用，如通信、医疗、制造等领域。
本文将介绍激光物理学的基础知识，包括激光的基本概念、激光的产生原理和特性等内容。
一、激光的基本概念1.1 激光的定义激光是指具有较高的单色性、方向性和相干性的电磁波。
它具有狭窄的频率谱宽度和小的发散角，能够进行远距离传输和聚焦。
1.2 激光的特点激光具有以下特点：•高亮度：激光的光强度高，激光束能够被聚焦成极小的点。
•单色性：激光的频率非常纯净，只有一个狭窄的频带。
•相干性：激光的波前相位具有高度的一致性，可以形成干涉和衍射效应。
•高直线度：激光束的传输路径非常直线，几乎没有散射和吸收损耗。
1.3 激光的分类根据激光的工作介质和工作原理，激光可以分为以下几类：•气体激光：利用气体分子的跃迁能级产生激光，如氦氖激光器、二氧化碳激光器等。
•固体激光：利用固体晶体或玻璃中的杂质离子或激活离子进行激光辐射，如氙灯激光、钕玻璃激光等。
•半导体激光：利用半导体材料的PN结或PN结与金属结合面，通过注入电流激发电子和空穴复合辐射光子，如激光二极管。
二、激光的产生原理2.1 需要的条件产生激光需要满足以下几个条件：•能级结构：激光工作介质中存在能级结构，可以通过能级跃迁来产生激光。
•反转粒子分布：工作介质中的粒子分布需要处于反转态，即高能级粒子数目大于低能级粒子数目。
•反馈机制：在工作介质中形成正反馈，使得光子在介质中多次来回传播，增强激光的放大效应。
2.2 激光的产生过程激光的产生过程包括以下几个步骤：1.激发产生：利用外部能量激发工作介质中的粒子，使其跃迁到高能级。
2.自发辐射：跃迁到高能级的粒子会自发辐射出光子。
3.反射反馈：反射光子返回工作介质中，使得自发辐射的光子受到激发而再次发射。
4.反复放大：光子在工作介质中来回传播，通过受激辐射逐渐增强，形成激光。
激光加工的基本工艺原理
激光加工的基本工艺原理激光加工是利用高能量密度的激光束对材料进行加工的一种先进的加工技术。
它具有加工精度高、加工速度快、加工质量好、灵活性强等特点，被广泛应用于工业制造、航空航天、电子、医疗等领域。
激光加工的基本原理是利用激光器发射出的单色、单向、高能量密度的激光束，通过对激光束的聚焦、导引和控制，将其集中在工件表面上的一个小区域上。
激光束与工件表面的相互作用产生多种物理和化学效应，从而实现对工件进行切割、焊接、钻孔等加工操作。
激光加工的基本工艺原理包括激光与材料的相互作用、激光的传输与聚焦、激光加热和激光驱动。
激光与材料相互作用是激光加工的基础。
激光束通过与材料相互作用，能够迅速提升材料的温度，引起材料的热膨胀和熔化。
激光能量在材料中的传播方式可以分为吸收、散射和透射三种形式。
材料的光学特性、热导率和熔点等参数会对激光加工的质量和效果产生重要影响。
激光的传输与聚焦是激光加工中的关键环节。
激光束从激光器发射出来后，需要通过光学系统进行传输和聚焦。
激光束的传输包括光纤传输和光路传输两种方式。
光纤传输具有高效率、低损耗和方便灵活等优点，适用于长距离传输。
而光路传输适用于短距离传输和精密加工，通常需要利用透镜进行光线的收敛和聚焦。
激光加热是激光加工的核心过程。
激光束集中在材料表面上后，会使材料被加热到高温状态。
激光加工的效果主要依赖于材料的吸收系数、光照时间和激光能量密度等参数。
如果激光能量密度过高，可能引起材料的焦化和蒸发；而如果激光能量密度过低，则无法达到所需的加工效果。
激光加热时的温度分布也会影响加工的精度和质量，因此必须进行合理的温度控制。
激光加工的驱动方式包括脉冲激光和连续激光两种形式。
脉冲激光的工作时间很短，能量较高，适用于对材料进行切割和打孔等加工；而连续激光的工作时间较长，能量较低，适用于对材料进行焊接和表面处理等加工。
不同的驱动方式可以根据不同的加工要求进行选择和调整，以达到最优的加工效果。
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不同加工方法激光束入射条件示意
表面加热 切割 深熔焊接
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实现不同激光加工之简单方法
Institute of Laser Engineering (ILE)
--高的柔性 加工工艺多 材料范围广 自由几何形状 --易于实现自动化 --与其它加工方法良好的结合性
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激光加工的应用特别适合于以下情况
--改变加工流程 降低成本 提高质量 --其它方法无法实现
--要求没有力的作用和/或热输入 量小的情况 --小批量、多品种 --自动化程度要求高
第三讲
激光加工物理基础简介(一)
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激光加工的基本概念
激光加工是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料 的相互作用，引起材料一系列复杂的物理和化学变化，从 而实现材料的制备、成形、改性、联接和去除等。按照光 与物质的相互作用机理，激光加工可分为基于光热效应的 “热加工”和基于光化学效应的“冷加工”两种。
激光焊接熔深/熔宽与激光功率（密度）的关系
6 5
深度 宽度
焊缝深度 /宽度 ( mm)
4 3 2 1 0
材料: st37-2低碳钢 RS20000 CO2激光器, D=100mm, f=300mm, df=1.1mm, f=0 V=2m/min 无辅助气体
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18 20
激光功率(kW)
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激光的多维性特征
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激光加工的物理机制
eIonization
Ionization limit
Photo ionization hv
激光“冷”加 工
Dissociation limit
Electronic excitation using a UV laser
Vibrational excitation using an IR laser hv
hv Ground state molecules
激光热加工
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材料加工用典型激光器
激光的应用必然是充分地利用激光独有的 特性,寻找KILLER APPLICATIONS！
2、激光“冷”加工
刻蚀 光固化(多光子聚合)成形 激光辅助化学蚀除 功能材料激光辐照改性 ……
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激光热加工基本物理过程示意图
103W/cm2
a. 固态加热 b. 表面重熔 c. 小孔效应
108W/cm2 d. 等离子体屏蔽
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几种典型激光的光子能量
CO2激光器：=10.6m、=h=0.12eV CO激光器：=5.4m、=h=0. 23eV COIL激光器：=1.32m、=0.93eV Nd:YAG激光器：=1.06m、=h=1.16eV 半导体激光器： = 800-980nm 、=1.25~1.54eV 三倍频YAG激光器： =355nm、=h=3.48eV KrF准分子激光器: =248nm, =h=4.9eV
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激光制造工艺方法
1、激光热加工
固态加热 退火、表面相变硬化 热应力成形、矫直 控制断裂切割 激光辅助切削加工 …… 熔化 表面抛光 表面重熔改性、表面合金化、熔覆 表面织构化 金属零件增材成形、再制造 热传导焊接 …… 汽化 熔深焊接 切割、制孔、雕刻 物理/化学气相沉积、 表面清洗 冲击波改性、冲击波成形 ……
激光加工工艺与激光功率密度及作用时间的关系
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激光加工的特点
作为加工工具的激光特性 作用时间短 没有力的作用 无磨损 良好的可达性 精确的加工轨迹 功率密度高，并且精确可控 整个工件的热输入量小
激光加工的优点
--高的加工速度 --高的加工质量 精确 变形小 无需后续加工或后续加工量小
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CO2和YAG等红外激光器，光子能量低，加工过程是以热的形 式体现，即材料吸收激光能量Байду номын сангаас起温度升高、熔化或汽化，从 而实现材料表面热处理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割， 等等，是为激光热加工。
紫外波长的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子 的结合能相当（高分子聚合物主要由H、C、O、N组成，其中 C-H键的键能只有3.5 eV），因此，紫外激光作用在这类物质上 将可能直接打破分子间的结合键，依靠所谓的光化学作用实现 对该种材料的剥蚀加工，是为激光冷加工。但是，高聚物中的 C-O, N-N, C-N 的键能均高于所有紫外光子的能量，紫外激光加 工聚合物实际上是同时存在光解和热解两个过程。紫外激光加 工金属和大多数的非金属则仍然是基于光热效应的热加工。 红外飞秒激光加工是属于热加工，还是冷加工？
Solid state lasers YAG lasers Diode lasers Ruby lasers Gas lasers CO2 lasers CO lasers COIL lasers
Double (triple ) frequency YAG lasers
Excimer lasers
COIL — Chemical Oxygen-Iodine Laser (化学氧碘激光器) Nd:YAG — Neodymium doped Yttrium Aluminium Garnet (掺钕钇铝石榴石) Excimer—Excited Dimer (准分子)