工业激光加工设备概述.ppt

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1、§2.5工业激光加工设备§2.5.1固体激光器§2.5.2气体激光器§2.5.3激光加工的光学系统§2.5.4工业激光加工系统工业激光器固体激光器红宝石铷玻璃Nd3+:YAG能量输出方式：脉冲，连续气体激光器CO2CO激光器的组成激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大，具备亚稳态的多能级系统激励源：提供能量，使粒子数反转，最后转化成激光能量谐振腔：选模，限制波形和提供反馈、增益，提供稳定振荡电源：为激励源提供能量冷却系统：冷却工作物质、谐振腔等控制系统：保证系统稳定可靠的工作激光器组成§2.5.1固体激光器工作物质：基质材料和掺杂离子掺杂离子：三能级系

2、统或四能级系统基质：晶体.掺杂离子取代晶体中的一种离子特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏振态有关；离子能级受晶格场的影响玻璃.掺杂浓度高，均匀缺点：热性能，机械性能较差,谱线较宽特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-3—10-4s储能大泵源：一般用光泵激励激光器组成：固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统一、固体激光器的工作物质1、红宝石：Al2O3晶体中掺入少量Cr3+Cr3+是激活粒子，Al2O3晶体是基体三能级系统：基态E1：4A2激发态E3：4F1、4F2亚稳态E2:E、2A由于谱线竞争，

3、激光多产生于R1线(694.3nm)两个吸收能带410nm(蓝光带)550nm(绿光带)红宝石的特点在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充分利用光能化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导热性好阈值高单位体积内产生粒子数反转所需的最小输入能量高，三能级系统，半数以上的抽运才能实现粒子数反转，需要较大的泵浦光能温度影响大50度以上功率减小，300度温度猝灭红宝石棒成本高发散角大3～10mrad、总效率低0.2~0.5%2.掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)YAG:Y3Al5O12（Y2O3和Al2O3按3：5克分子比）Nd3+代替Y3+:Y

4、2.97Nd0.03Al5O12Nd3+：四能级系统两条吸收谱线：750nm和810nmE0(光激励)E3E2(10－3s)(10.6um)E1E0E*10-3cm-122201816121086420750nm810nm10600nmE0E1E2E3Nd3+:YAG晶体能级结构掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)的特点阈值低，需要的光泵浦功率小优良的物理、化学性能良好的导热性能、热膨胀系数小吸收谱线宽度窄，对光源质量要求高目前能够用于制作大功率固体激光器的物质二、固体激光器的结构第一台红宝石激光器的结构HaasYAGLaserCrossSect

5、ionTheNd:YAGSolidStateLaserSchematicdiagramofanNd:YAGlaserModernCWlamppumpedNd:YAGlaserCanalsousediodelasersforpumping三、泵浦光源要求：电光效率高、发光谱线与工作物质的吸收谱线一致、功率大、亮度高、寿命长光源种类：惰性气体放电灯：Kr灯、Xe灯金属蒸汽灯：汞弧灯、碱金属蒸汽灯半导体发光二极管（激光和非相干光）灯光形状：直线型或螺旋形YAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯四、聚光器又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统五冷却系统热量来源：电

6、光转换效率30～60％工作物质无辐射跃迁聚光器内壁吸收泵浦光激光工作物质吸收的多余的泵浦光线反射镜片吸收的部分光危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭”冷却方式：全腔式、分离式六调Q技术Q激光器的品质因子定义：其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量，v为频率Q：反映了谐振腔的损耗，Q越大，起振越容易，损耗越小调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄脉冲调Q过程和方法调Q方法：机械转镜电光开光声光开光M1M2转镜调Q增益介质为气体,可以是原子，分子或离子He-Ne激光器CO2分子激光器:高功率:25kw,欧洲尤里卡计划100kw高效率：量子效率达40％，电光总效率

7、15％，YAG：2～3％高光束质量，连续稳定输出低阶模长波长：非金属吸收，金属强烈反射§2.5.2气体激光器一、CO2激光器的工作物质分子的内能：电子运动、原子间的振动、整体转动CO2激光器中CO2分子跃迁发生在基态电子的不同振转能级之间振动能级：V1V2lV3对称V1弯曲V2反对称V3l为弯曲振动的角量子数转动能级不存在纯振动，振动时一定处于某种转动之中整体旋转，转动的能量是量子化的振转能级形成CO2光谱的精细结构，200多条谱线激发过程（基态000跃迁到上能级001）慢速电子碰撞激发CO2(000)+eCO2(001)+e串级跃迁CO2(00V3

8、)+CO2(000)CO2(00V3－1)+CO2(001)（V3>1）共振转移＋N2(振动