4激光加工

1、484激光加工激光加工4.1概述概述光學是一門既古老又年輕的科學。人們一直在研究光的產(chǎn)生、本性和與物質(zhì)間的相互作用，對光的認識和利用也越來越深入。隨著光的經(jīng)典理論向量子理論的過渡和完善，人們對光的認識也從光線、光波發(fā)展到波粒二象性。光的現(xiàn)代量子理論也就是光子學說認為：光是一種以光速c運動的光子流。激光(Laser)是指輻射的受激發(fā)射過程中產(chǎn)生的光放大(Lightamplificationbystimulatedemissionofrad

2、iation)。光子理論的發(fā)展奠定了激光的概念和理論基礎(chǔ)。建立在量子力學理論基礎(chǔ)之上的激光技術(shù)是20世紀60年代發(fā)展起來的一門新興學科。1960年，美國休斯公司的T.Maiman發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器；從此，人們對激光的特性和應用進行了研究。1961年貝爾實驗室發(fā)明了第一臺氦氖激光器。1962年，研制出第一臺工作在液氮溫度下脈沖半導體激光器。接著在1964年C.Patel發(fā)明了第一臺CO2激光器，1965年貝爾實驗室又發(fā)明了第一

3、臺YAG激光器。1966年《LaserFocus》雜志發(fā)行，這標志著激光時代的開始。1965年前后，CO2激光器和Nd：YAG激光器相繼出現(xiàn)，而這兩種激光器都可以產(chǎn)生相當高的平均功率和能量，因而使激光在材料加工領(lǐng)域的應用成為可能。激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度靠光熱效應來加工材料。人們曾用透鏡將太陽光聚焦，使紙張和木材引燃。但是無法用于材料加工。這是因為：地面上太陽光的能量密度不高；太陽光不是單色光，是多

4、種不同波長的多色光，聚焦后焦點不在同一個平面內(nèi)。只有激光是可控的單色光，其強度高，能量密度大，可以在空氣介質(zhì)中高速加工各種材料。隨著激光束與物質(zhì)相互作用的研究發(fā)展，以及激光器輸出功率的提高并商品化，使激光器走出了實驗室，并在20世紀70年代初期變成了工業(yè)中加工材料的設(shè)備，一種嶄新的加工方法——激光加工出現(xiàn)了。當時主要用于一些微型器件的切割、焊接，以及電子工業(yè)中電路板的焊接、打孔和集成電路的調(diào)阻。70年代中后期才開始廣泛應用于金屬材料的焊

5、接、切割和熱處理中。80年代以后，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進一步提高。由于廣泛采用多級放大的結(jié)構(gòu)，目前單棒激光器的輸出功率最大可達500W，多級放大后輸出功率可達幾千瓦。同時CO2激光器多采用快速軸流結(jié)構(gòu)，輸出功率已達幾千瓦甚至上萬瓦。這樣的激光器已在激光表面改性處理、激光切割與焊接中取得廣泛應用。到了90年代，新的泵浦源激光二極管的發(fā)展，對固體激光器的發(fā)展開辟了嶄新的領(lǐng)域。二極管泵浦源固體激光器體積大大減小，光束質(zhì)量高，

6、壽命長，泵浦效率遠遠超過燈激勵等傳統(tǒng)的激勵方式，它將在很大范圍內(nèi)代替原有的工業(yè)應用激光器。近年來，一些新型激光器也相應進入激光加工領(lǐng)域，其中最主要的是準分子激光器。準分子激50程稱為“躍遷”。原子躍遷時的能量變化以光波的形式發(fā)射或吸收。二、二、自發(fā)輻射自發(fā)輻射當原子從高能級躍遷回到低能級或基態(tài)時，常常會以光子的形式輻射出光能量，所放出光的頻率?與高能態(tài)En和低能態(tài)E1之差有如下關(guān)系hEEn1???（4.1）式中h——普朗克常數(shù)（h=6.

7、63?1034Js）。在基態(tài)時，原子可以長時間地存在，而在激發(fā)態(tài)的各種高能級的原子停留時間一般都較短（常在0.01?s左右）。但有些原子或離子的高能級或次高能級卻有較長的停留時間，這種停留時間較長的能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。原子從高能態(tài)自發(fā)躍遷到低能態(tài)而發(fā)光的過程稱為自發(fā)輻射，日光燈等光源都是由于自發(fā)輻射而發(fā)光的。由于各個受激原子自發(fā)躍遷返回基態(tài)時在時間上有早有晚；輻射出來的光子在方向上四面八方；而且它們的激發(fā)能級很多，自發(fā)輻射出來光的頻率和

8、波長大小不一，所以單色性和方向性都很差。自發(fā)輻射是普通光源的發(fā)光機理。三、三、受激吸收受激吸收處于低能級的粒子，在頻率為?的入射光（?滿足4.1式）誘發(fā)下，吸收入射光的能量而躍遷到高能級的過程稱為受激吸收。四、四、受激輻射受激輻射物質(zhì)發(fā)光除自發(fā)輻射外，還有一種是受激輻射。當一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài)原子的系統(tǒng)中，若這束光的頻率?與很接近，則處于激發(fā)態(tài)能級上的原h(huán)EE)(12?子，在這束光的刺激下會躍遷到較低能級，同時發(fā)出一束光，這束光與