精密与特种加工技术 第7章 激光加工技术

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1、第7章激光加工技术17.1激光原理与特点7.1.1激光的产生激光最初被译作“莱塞”，即英语“Laser”，是“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”(意为“辐射的受激发射光放大”)的缩写。后来在20世纪60年代初期，由钱学森建议，把光受激发射器改称为“激光”或“激光器”。世界上第一台红宝石激光器由美国科学家梅曼于1960年发明成功，随后各种激光器不断涌现，我国科学家王之江也于1961年在长春光机所研究成功我国第一台激光器。激光器作为20

2、世纪四大发明之一，它为人们科学研究、生产提供一个新的方法，也给人类的生活提供了很大方便，特别在是进入20世纪80年代以来，激光加工技术在工业上获得广泛的应用，成为工业上不可缺少的一种方法。21.光的自发辐射由于电子在原子外层的不同分布，具有不同的内部能量，从而形成所谓的能级。若原子处于内部能量最低的状态，则称原子处于基态。其他比基态能量高的状态，都称激发态。在热平衡情况下，绝大多数原子都处于基态。处于基态的原子，从外界吸收能量以后，将跃迁到能量较高的激发态。32.光的受激吸收当原子受到外来的能量为

3、hν21的光子作用(激励)下，处于低能级E1上的原子由于吸收一个能量为hν21的光子而受到激发，跃迁到高能级E2上去，这种过程称为光的受激吸收。43.光的受激辐射当原子受到外来的能量为hν的光子作用(激励)时，处在高能级E2上的原子也会在能量为hν的光子诱发下，从高能级E2跃迁到低能级E1，这时原子发射一个与外来光子一模一样的光子，这种过程称为光的受激辐射。57.1.2激光工作原理1.粒子数反转在物质处于热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级的粒子数。由于外界能源的激励(光泵或放电激励)，破坏

4、了热平衡，有可能使得处于高能级E2上的粒子数n2大大增加，达到n2>n1。这种情况称为粒子数反转分布。一般可把原子从低能级n1激励到高能级n2以使在某两个能级之间实现粒子数反转的过程称为泵浦(或抽运)。泵浦装置实质上是激光器的外来能源，提供光能、电能、热能、化学反应能或原子核能等。激光泵浦装置的作用，是通过适当的方式，将一定的能量传送到工作物质，使其中的发光原子(或分子、离子)跃迁到激发态上，形成粒子数反转分布状态。62.谐振腔光学谐振腔装有两面反射镜，分置在工作物质的两端并与光的行进方向严格垂直

5、。反射镜对光有一定的透过率，便于激光输出；但又有一定的反射率，便于进行正反馈。由于两反射镜严格平行，使在两镜间(即谐振腔内)往返振荡的光有高度的平行性，因而激光有好的方向性。3.激光振荡处于粒子数反转状态的激光工作物质，一旦发生受激发射，由于在激光工作物质的两端装上反射镜，光就在反射镜间多次来回反射。于是在反射镜之间光强度增大，有效地产生受激发射，形成急剧的放大。若事先使一端的反射镜稍微透光，则放大后的一部分激光就能输出到腔外74.激光放大处于激活状态的激光工作物质，当有一束能量为E=hν21=E

6、2-E1的入射光子通过该激活物质，这时光的受激辐射过程将超过受激吸收过程，而使受激辐射占主导地位。在这种情况下，光在激活物质内部将越走越强，使该激光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程。其实，这样一段激活物质就是一个放大器。87.1.3激光特性激光器具有与普通光源很不相同的特性，一般称为激光的四性：方向性好、单色性好、相干性好以及高亮度。激光的这些特性不是彼此独立的，它们相互之间有联系。实际上，正是由于激光的受激辐射本质决定了它是一个相干光源，因此其单色性和方向性好，能量集中。

7、97.2材料加工用激光器简介7.2.1激光加工常用激光器激光器种类比较多，但在工业上最常用材料加工的激光器是CO2激光器和Nd：YAG激光器。CO2激光器产生的激光波长为10.6，电光转换效率为10%~15%。107.2.2激光加工基本设备的组成激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分。(1)激光器：是激光加工的核心设备，它是把电能转换成光能，产生激光束。(2)激光器电源：为激光器提供电能以及实现激光器和机械系统自动控制。(3)光学系统：主要包括聚焦系统和观察瞄准系统。(4

8、)机械系统：包括床身、数控工作台和数控系统等。117.3激光切割和打孔技术7.3.1激光切割与传统的机械切割方式和其他切割方式(如等离子切割、水切割、氧溶剂电弧切割、冲裁等)相比，激光切割具有如下优点。(1)切缝细小，可以实现几乎任意轮廓线的切割。(2)切割速度高。(3)切口的垂直度和平行度好，表面粗糙度好。(4)热影响区非常小，工件变形小。(5)几乎没有氧化层。(6)几乎不受切割材料的限制，能切割易碎的脆性材料和极软、极硬的材料，既可以切割金属，也可以切割非金属如玻璃、陶瓷以及木