激光加工光学系统20120229

(62页)

'激光加工光学系统20120229'
激光加工机的光学系统 --激光束传输.聚焦和观察系统 激光基础知识激光基础知识 1.1 激光的产生激光的产生 三要素:1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质; 2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转; 3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡; 1.2 激光光束的特性激光光束的特性 1) 高光亮度) 高光亮度——激光束发散角很小,光能量集中,光强度很高 例如:太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ;气体激光器的光亮度 106W / (cm2. sr);固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr); 若进一步将激光束聚焦聚焦(空间上集中)或压缩脉冲宽度压缩脉冲宽度(时间上 集中),则激光束更有极高的光亮度 2)高方向性)高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制,激光束发散角 很小。例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散 角1--10 mrad (毫弧度) 3)高单色性)高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光;若进一步 采用稳频和选取单一纵模,更可大大压缩谱线宽度,可视为单波 长 单波 长。 4)高相干性)高相干性——由于激光的谱线宽度极窄,传播中能产生相干 的两点的时间间隔很大(时间相干性好时间相干性好);又激光发散角很小, 方向性很高,激光束波前面内任意两点均相干(空间相干性好空间相干性好) 1.3 激光器的输出特性 1)激光波长)激光波长——激光器输出准单色光; 不同激光器输出激光波长不同,材料吸收特性各不同;对不同材 料用不同的激光来加工。 2)激光输出的能量和功率)激光输出的能量和功率 连续激光连续激光: 激光功率激光功率P = 激光能量激光能量 / 秒秒 脉冲激光脉冲激光: 峰值功率峰值功率Pm= 脉冲能量脉冲能量E / 脉冲宽度脉冲宽度T 脉冲激光脉冲激光: 平均功率平均功率P =脉冲能量脉冲能量E x 脉冲频率脉冲频率f 3)激光束的空间分布特性)激光束的空间分布特性—— 基模基模(TEM00)高斯光束高斯光束——光场振幅按 高斯函数分布; 振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心 强度1/e2 的光斑宽度光斑宽度定义为光斑半径光斑半径;对 应的全角宽度定义为光束发散角光束发散角; 为了改善发散角可用小孔选模,非稳腔选 模,拉长谐振腔等方法 高斯光束的参数:高斯光束的参数: 束腰; 等相位面; 发散角; 基模多模 基模与低阶模 实际激光束的横模 c. 调调Q脉冲激光脉冲激光——用调Q技术压 缩脉宽(纳秒量级),提高激光的 峰值功率(声光调Q可达数百千 瓦;电光调Q可至兆瓦以上); d. 超短脉冲激光超短脉冲激光——用锁模技术压 缩脉宽到皮秒至飞秒量级,峰值功 率达1012W, 可作很多精密微加工; 4)激光束时间分布特性)激光束时间分布特性 a. 连续激光连续激光——以连续恒定的功率来描述; b. 普通脉冲激光普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级).脉冲能量与脉冲频率 来描述; 激光焊接常用脉宽1-10ms, 能量1至数十焦尔;峰值功率数千瓦; 打孔和切割常用脉宽0.1-2ms,能量为0.5-20j ;峰值功率达万瓦 5)激光束的偏振特性)激光束的偏振特性 光波是横向电磁波,电矢量与磁矢量总是在相互垂直方向上,一般 只讨论电矢量的方向。 若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向,称为线偏振光; 若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向,称为线偏振光线偏振光; 若电矢量在传播过程中不改变大小而只改变方向,两相互垂直分量 的振幅相等,而相位差是p/2,称为园偏振光园偏振光; 若电矢量在传播过程中既改变大小又改变方向,称为椭园偏振光椭园偏振光; 若电矢量作无规变化,振幅方向不确定的光,称为自然光自然光; 自然光与偏振光的混合光称为部分偏振光部分偏振光; 激光的偏振态对材料加工的效率和质量有较大影响。 1.4 激光束聚焦特性激光束聚焦特性 1))高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦,其聚焦光斑(束腰) 与透镜焦距;光束发散角;和激光波长成正比; 与聚焦镜的象差也有关。 其聚焦光斑(束腰) 与透镜焦距;光束发散角;和激光波长成正比; 与聚焦镜的象差也有关。 2))激光聚焦的焦深激光聚焦的焦深——激光聚焦在一定深度内,焦斑大 小变化不大,叫焦深;研究证明:焦深与聚焦镜焦距 平方成正比 焦深与聚焦镜焦距 平方成正比 1.5 激光与物质的相互作用激光与物质的相互作用 1.5.1 激光与物质相互作用的能量转换激光与物质相互作用的能量转换 当激光照射到材料上,存在光的反射.透射与吸收; 影响的因素影响的因素::激光波长.功率密度与激光作用时间;材料的密度.相 变温度.熔点.气化点;材料表面对激光的吸收率.热导率等; 1)激光功率密度 103-104 W/cm2 ——光子传能量给电子;材料 被加热升温并由外向里传热传热; 2)激光功率密度104-105W/cm2——达到材料相变相变点,材料金相 结构出现变化;可作激光相变硬化; 3)激光功率密度 105-106W/cm2——材料熔化熔化,形成熔池;可作 激光熔焊.激光熔覆和表面合金化等; 4)激光功率密度 106-107W/cm2以上以上——材料汽化汽化并形成等离子 体 等离子 体;可作激光打孔.切割等加工。 1.5.2 吸收与反射吸收与反射 1)吸收率a=4ph/lh 为消光系数,因材料吸收而使光强衰减 2)各种材料的吸收差别很大,影响吸收率的主要因素——波 长;温度;偏振态等 3) 反射率R = (n-1)2+h2 / (n+1)2+h2 材料折射率越高,反射损耗越大 例如:光学玻璃 n=1.5, 则R=0.04 红外材料ZnSen=2.4, R=0.17 可见,在光学元件表面镀增透(减反)膜非常重要 1.5.3 金属材料对激光的吸收金属材料对激光的吸收 金属表面的反射和吸收——强吸收和强反射,不透明 金属表面反射率与波长的关系 金属性质和表面状态的影响——粗糙表面或经表面处理,其 吸收加大; 随着金属的熔化,反射率下降 激光功率密度超过样品汽化 阈值,材料汽化后,反射率 大减。 1.5.3 非金属材料对激光的吸收非金属材料对激光的吸收 一般,非金属材料对激光低反射,高吸收;而非金属材料熔点较 低,导热性差,有利于激光加工 绝缘体材料对激光的吸收——与波长有很大的关系;如石英 SiO2,,硅Si是常用激光材料;又如玻璃.有机玻璃对YAG激光透明 而对CO2激光是吸收的。 1.5.4 半导体材料对激光的吸收半导体材料对激光的吸收 一. 半导体材料介于导体与绝缘体之间,载流子(电子与空穴) 的能级扩展为能带。 二. 影响激光与半导体相互作用的因素有:1).激光波长功率等 参数;2).半导体的晶体结构.导电性能等。3).且吸收率随温度 升高而增加很快。4)半导体的激光破坏阈值较低。 有些半导体对可 见光不透明,而 对红外光相对透 明,可作CO2激光 的光学材料:如 硅Si, 锗Ge 1.6 激光加工的特点激光加工的特点 1) 功率密度极高功率密度极高,可加工所有材料:金属.非金属.透明体等; 2)非接触加工非接触加工,速度快,效率高; 3)加工时间短,热影响区小热
关 键 词:
激光 加工 光学系统 20120229
 天天文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
关于本文
本文标题:激光加工光学系统20120229
链接地址: https://www.wenku365.com/p-42269788.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服点击这里,给天天文库发消息,QQ:1290478887 - 联系我们

本站为“文档C2C交易模式”,即用户上传的文档直接卖给(下载)用户,本站只是中间服务平台,本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有【成交的100%(原创)】。本站是网络服务平台方,若您的权利被侵害,侵权客服QQ:1290478887 欢迎举报。

1290478887@qq.com 2017-2027 https://www.wenku365.com 网站版权所有

粤ICP备19057495号 

收起
展开