先进制造技术chap5

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1、第五章激光加工1．激光为什么比普通光有更大的加工瞬时能量和功率密度？为什么称它为“激”光？答：因为激光器可在较长时间上吸收、积聚某一波长光的能量，然后在很短的时间内放出，并且通过光学透镜将大面积光通道上的激光束聚焦在很小的焦点上，经过时间上和空间上的两次能量集中，所以能达到很大的瞬时能量和功率密度。其所以称之为“激光”，是因为激光器中的工作物质吸收某一波长的光能，达到粒子数反转之后，再受到这一波长的光照后，就会瞬时受激，产生跃迁，并发出与此波长相同的激光。2．试述激光加工的能量转换过程，即如何从电能具体转换为光能又转化为热能来蚀除材料

2、的？答：固体激光器一般都用亮度很高的氙灯将电能转变为光能，使激光器内的工作物质如红宝石中的铬离子、钕玻璃或钕钇铝石榴石（YAG）中的钕离子吸收光能，达到粒子数反转状态，经触发而产生功率密度很大的强激光，照射到工件上的光能转换为热能，使材料气化而蚀除材料。3．固体、气体等不同激光器的能量转换过程是否相同？如不相同，则具体有何不同？答：并不完全相同。固体激光器是由电能点燃氙灯等强光源（光泵），将电能转换为能使激光器吸收的一般光，到一定程度后发出激光。而气体激光器则直接由电激励激光物质，例如二氧化碳激光器中的二氧化碳分子，使之连续产生激光。

3、4．不同波长的红外线、红光、绿光、紫光、紫外线光能转换为热能的效率有何不同？答：不同波长、频率的光所含的能量E=hυ，其中υ为光的频率，h为普朗克常数。可见光所含的能量和其频率成正比。但照射到物体上后光能转换成热能的大小，即光能转换的效率，却随波长（频率）和物体对该光波的吸收率不同而不同。例如红光或红外线照射到人体皮肤上，人们感觉到远比绿光、紫光更温暖，因为皮肤吸收红光的效率远比其他光波为高。同样激光打孔、切割时，影响光能转换为热能效率的因素，除材料对该光波的吸收率外，还有反射率也起很大作用，因此很难加工反射率很高的光洁镜面。5．从激

4、光产生的原理来思考、分析，它以后如何被逐步应用于精密测量、加工、表面热处理、甚至激光信息存储、激光通信、激光计算机等技术领域的？这些应用的共同技术基础是什么？可以从中获得哪些启迪？答：激光之所以能广泛应用于上述高、新技术中，主要是基于它的一系列固有的特点，例如单色性、相干性、方向性极好，瞬时功率、能量密度极大等技术基础。以激光通信为例，由于光的频率高、波长短，发射角小，故具有下列优点：（1）信息容量大、传送路数多。因为信息容量和信息道的带宽成正比。带宽愈宽容量愈大。光波的频率极高，约可容纳100亿个通话线路；若每个电视台占用10MHz

5、带宽，则可同时播送1000万套电视节目而互不干扰。这是过去任何一种通信系统所不能达到的巨大通信容量。（2）通信距离远、保密性能好。由天线发射的波束，其发散角和λ/D成正比（λ为波长，D为天线直径）。所以波长愈短，天线愈大，发射就愈小。例如，对于波长为1µm的光波，若用直径20cm的透镜（就是激光的发射天线），那么发射角就只有1.1＂，而对于微波来说，即使使用庞大的天线，发射角仍有几度。由于激光束发射角很小，能量集中在狭小的范围内，以此可以把信息传送到很远的距离。这对空间通信、宇宙通信有重要的意义。激光束不仅发射角小，而且可以采用不可见

6、光，因此敌人不易从中截获，保密性能好。（3）结构轻便、设备经济。由于激光的发散角小，方向性好，光通信所需的发射天线和接收天线都可以做得很小。一般天线直径为几十厘米，重量不过几公斤。而功能类似的微波天线，重量则以十吨、百吨计。激光电视与普通电视相比，后者存在着屏幕小、亮度低、设备庞大等缺点。而激光电视则：（1）摄像时无需外部照明，免除了庞大的照明设备，因而轻便、激动，还可以拍摄完全处于黑暗中的景物。以极其狭窄的光束迅速扫描，即使在黑暗中也难于察觉。若采用不可见的紫外光或红外光，则肉眼根本无法发现，保密性极高。（2）激光摄像无需成像光学系

7、统。物体不管多远，都在焦点上。其有效范围仅受短距离的视差和长距离的信号功率的限制。至于显示过程，在普通电视中，传递的电视图像显示在显像管的荧光屏上。而在激光电视中，图像可以通过激光显示器显示在普通的电影屏幕上。由于激光具有很高的亮度，所以激光电视图像的亮度很高，可以在白天普通的房子里观看，不需要暗室设备。（3）激光显示不需要在真空条件下工作，显示图像的屏幕单独摆在大气空间，这样电2视图像就可以放得很大。根据现有水平，图像面积可达3×4m甚至更大。看电视和看电影一样。这是激光电视的一个重要特色。由于激光束很平行，激光显示的清晰度可以做得

8、比较高。由于激光的颜色很纯，因而所显示图像色彩鲜艳。以上给人的启迪是：任何一种物理化学现象，只要有它一定的与众不同的特点，就有可能发展成为一种有用的新技术，所谓天生其物，必有其用。