先进制造技术第七讲：特种加工系列，激光加工

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1、第七讲：特种加工系列——激光加工E-mail:jhzhang@hebut.edu.cn先进制造技术目录一.激光加工的原理和特点二.激光加工的基本设备三.激光加工工艺及应用一.激光加工（LaserBeamMachiningLBM）的原理和特点激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。Laser（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofR

2、adiation）一.激光加工（LBM）的原理和特点1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。一.激光加工（LBM）的原理和特点1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程根据光的电磁学说：一.激光加工（LBM）的原理和特点1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程根据光的量子学说，光是一种具有一定能量的，以光速运动的粒子流，光子能量与光子的频率成正比：其中：E为光子能量h为普克朗常数V为光子的频率一

3、.激光加工（LBM）的原理和特点1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程原子发光过程：原子内能=电子动能+电子的位能基态，激发态（高能态）；跃迁；亚稳态能级原子核－原子结构一.激光加工（LBM）的原理和特点物质与光相互作用的规律受激吸收（简称吸收）自发辐射受激辐射、激光1.激光产生的原理原子核－原子核－激励激励状態当原子获得高能量时其结构处于不稳定状態－还原－光不稳定的原子放出激光后，还原到原来的稳定状态。放電一.激光加工原理一.激光加工（LBM）的原理和特点粒子数反转（2）激光的产生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

4、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。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。1.激光产生的原理一.激光加工（LBM）的原理和特点（2）激光的产生粒子数反转必须具备的条件：能量的供应过程激励（光泵）1.激光产生的原理低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电

5、激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；为了使激光持续输出，必须不断地“泵”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。一.激光加工（LBM）的原理和特点（2）激光的产生粒子数反转必须具备的条件：工作物质内必须存在亚稳态能级亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态，可实现粒子数反转。1.激光产生的原理光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜M1部分反射镜M2激光工作物质作用选择激光的方向选择激光的频率激励能源1.激光的产生一.激光加工原理激光的产生如图所示原子核－原子结构放電稳定

6、状態当外加能量为零时，分子处于稳定状态。一.激光加工原理原子核－原子核－激励激励状態当原子获得高能量时其结构处于不稳定状態－还原－光不稳定的原子放出激光后，还原到原来的稳定状态。放電一.激光加工原理C.H.TownesA.M.ProkhorovN.G.Basov汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。TheNobelPrizeinPhysics1964朱棣文等发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得1997年

7、诺贝尔物理学奖TheNobelPrizeinPhysics1997核聚变实验的六路真空靶室实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器2.激光的主要特性1）方向性好---激光的发散角小。激光器LaserHe--Ne激光经纬仪测月红宝石激光器=0.031mrad=410-5mradD=1.6km=2~5mrad（毫弧度）(1km时光斑直径10m)一.激光加工原理光源太阳1mWHe--Ne激光器大功率激光器SE光源亮度--单位面积、单位