第3章激光材料加工基本原理课件.ppt

1、2013年秋年秋机电工程学院机电工程学院二极管激光器二极管激光器典型发光典型发光面积：面积：1umx1um利用利用p-n结中电子从高能态（导带）结中电子从高能态（导带）跃迁到低能态（价带）发射光子，跃迁到低能态（价带）发射光子，晶体平行的解理面构成谐振腔，晶体平行的解理面构成谐振腔，产生激光束产生激光束多模块二极管形成的高功率激光器多模块二极管形成的高功率激光器缺点：发散角太大；缺点：发散角太大；将二极管激光器安装在机器人上将二极管激光器安装在机器人上二极管激光器与其它种类激光器的比较二极管激光器与其它种类激光器的比较基于二极管激光器的激光加工设备基于二极管激光器的激光加工设备光纤耦合输出的高

2、功率二极管激光器光纤耦合输出的高功率二极管激光器二极管激光器的主要用途二极管激光器的主要用途l光纤耦合技术；光纤耦合技术；l激光束传播方式与质量控制规律激光束传播方式与质量控制规律;高功率光纤输出高功率光纤输出l光纤传输高功率激光，必须确保端口无污光纤传输高功率激光，必须确保端口无污染：染：l高功率激光传输时的功率密度必须严格控高功率激光传输时的功率密度必须严格控制：采用较大尺寸的芯径，则聚焦能力将制：采用较大尺寸的芯径，则聚焦能力将受到影响；受到影响；5kw激光能够在激光能够在400um的芯径的芯径中传输。中传输。l也可以采用多芯径复合方式。也可以采用多芯径复合方式。1.2 1.2 工业激光

3、器的种类、特点比较工业激光器的种类、特点比较（3）中小功率激光器）中小功率激光器的特点的特点主要激光器的种类与特点主要激光器的种类与特点1）射频激励）射频激励CO2气体激光器（封离式）气体激光器（封离式）2）声光调）声光调Q固体激光器固体激光器3）全固态紫外激光器）全固态紫外激光器4）准分子激光器）准分子激光器5）超快激光器（皮秒和飞秒激光器）超快激光器（皮秒和飞秒激光器）本课程的讲授思路本课程的讲授思路激光器激光器激光束质量激光束质量评价及光学评价及光学系统系统激光束与物质的激光束与物质的交互作用交互作用过程与机理过程与机理激光加工技术激光加工技术与辅助装备与辅助装备激光加工技术激光加工技术

4、及系统集成及系统集成（成套设备）（成套设备）光学系统重点介绍的内容光学系统重点介绍的内容（1）激光束质量的评价方式和标）激光束质量的评价方式和标准；准；（2）单一透镜聚焦过程）单一透镜聚焦过程（3）光学元器件）光学元器件（4）光纤传输系统）光纤传输系统（5）激光束与材料的交互作用；）激光束与材料的交互作用；波长波长光束模式与光斑直径光束模式与光斑直径偏振光（线偏振和圆偏振）偏振光（线偏振和圆偏振）最小光斑直径、最小光斑直径、M2M2、K K因子因子球差球差热透镜效应；热透镜效应；聚焦深度；聚焦深度；组合镜组合镜圆偏振镜圆偏振镜扩束镜扩束镜金属镜片：聚焦镜和平面镜金属镜片：聚焦镜和平面镜扫描振镜

5、扫描振镜光纤耦合技术；光纤耦合技术；激光束传播方式与质量控制规激光束传播方式与质量控制规律律; ;相变、熔化、气化、形相变、熔化、气化、形成等离子体成等离子体光束模式与光斑直径光束模式与光斑直径快轴流激光器一般为低阶模，快轴流激光器一般为低阶模，板条激光器为高斯模（基模）。板条激光器为高斯模（基模）。不同模式下的激光能量分布不同模式下的激光能量分布什么样什么样的光束的光束模式质模式质量最好？量最好？激光束激光束输出模输出模式的检式的检测？测？最小光斑直径最小光斑直径l定义：激光强度的定义：激光强度的1/e2为激光束的半径为激光束的半径l激光的模式直接影响聚焦性能，基模激光的模式直接影响聚焦性能

6、，基模TEM00在衍射极限下，在透镜上直径为在衍射极限下，在透镜上直径为D的光束，最小焦斑直径：的光束，最小焦斑直径： dmin=2.44 f/D对于多模激光束：对于多模激光束：12/44. 2minlpDfd如何获得最小的光斑直径，如何获得最小的光斑直径，获得最好的加工质量！获得最好的加工质量！M2因子因子2202021)(zz/0gauss激光器的发散角与其谐振腔的尺寸密切相关激光器的发散角与其谐振腔的尺寸密切相关。/011gaussM2因子因子l定义光束发散角的比值定义光束发散角的比值M为：为：actgaussactM0QMract2M21，M2越小，光束质量越好越小，光束质量越好 M2

7、因子因子KK因子因子lK = 1/ M2K1，K越大，光束质量越好。越大，光束质量越好。 fDLact2min2dr由于：由于：LDfMd2min4请注意请注意P87面推导的几个公式面推导的几个公式M21，M2越小，光束质量越好越小，光束质量越好M2主要取决于激光谐振腔的结构主要取决于激光谐振腔的结构 lK = 1/ M2K1，K越大，光束质量越好。越大，光束质量越好。P89P89面给出了面给出了M2M2的计算方式：的计算方式：聚焦深度（焦深）聚焦深度（焦深）lZf = 2.56f2M2/D/D2 2 (P94, 2.21)1.3 1.3 评价工业激光器性能指标的评价工业激光器性能指标的关键技

8、术参数关键技术参数激光束激光束波长波长10.6um激励方式激励方式射频激励（射频激励（RF）标称功率标称功率6000W范围（典型）范围（典型）15006000W稳定性稳定性2%（24小时）（冷却水的温度变化小时）（冷却水的温度变化T1K）直径直径25 0.9K 0.9发散角发散角0.15mm mrad (EN ISO11145)偏振状态偏振状态线偏振，相对水平面成线偏振，相对水平面成45o角角脉冲发生器脉冲发生器（可选）（可选）频率频率 2 - 100 Hz脉宽脉宽26us-连续连续斜坡发生器斜坡发生器（可选）（可选）级别级别0.0100.0%时间时间/增量增量065535ms/增量增量激光气

9、体激光气体气体类型气体类型Rofin-Sinar特定的预混合气体特定的预混合气体消耗量消耗量 5.0 kW(at the workpiece)Maximum laser power 6.0 kW Wavelength: 1070 nmFiber core: 100 (150* ) mFiber Length up to 200mBPP 27%1.3 1.3 工业激光器性能的关键技术参数工业激光器性能的关键技术参数（1）光束质量：远场发散角；）光束质量：远场发散角；M2因子；因子；K值；值；能够聚焦的最小光斑直径：能够聚焦的最小光斑直径：（2）激光器的功率大小、稳定性与可靠性）激光器的功率大小、

10、稳定性与可靠性（5）激光器与加工机床或机器人的适配性。）激光器与加工机床或机器人的适配性。功率波动范围：功率波动范围： 连续运行时间：连续运行时间：（3）激光器的电光转换效率；）激光器的电光转换效率；激光器的运行成本和维护成本激光器的运行成本和维护成本（4）脉冲激光的波长、脉宽、峰值功率）脉冲激光的波长、脉宽、峰值功率什么激光器最好？（1 1）激光束质量的评价方式和标准；）激光束质量的评价方式和标准；l波长：波长：l光束模式与光斑直径光束模式与光斑直径l偏振光（线偏振和圆偏振）偏振光（线偏振和圆偏振）偏振光（线偏振和圆偏振）偏振光（线偏振和圆偏振）l什么是线什么是线偏振光？偏振光？什么是圆什么

11、是圆偏振光？偏振光？A A、横波的偏振性、横波的偏振性振动面振动面：光矢量：光矢量E E与传播方向组成的平面。与传播方向组成的平面。偏振偏振: E: E的振动方向对传播方向的不对称性。的振动方向对传播方向的不对称性。光矢量光矢量振动面振动面v v0 0H HE E只有横波才有偏振现象只有横波才有偏振现象复习：偏转特性复习：偏转特性偏振态偏振态: : 光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。B、线偏振光、线偏振光E E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光可沿线偏振光可沿两个相互垂直两个相互垂直的方向分解的方向分解E EE Ey yE Ex x y

12、yx x sincosEEEEyx 面对光的传播方向看面对光的传播方向看在垂直于光传播方向的平面在垂直于光传播方向的平面内，右旋圆偏振光的电矢量内，右旋圆偏振光的电矢量随时间变化顺时针旋转随时间变化顺时针旋转右旋圆偏振光在三维空间中右旋圆偏振光在三维空间中电矢量左旋电矢量左旋yx0 xyz 在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变，在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变，但随时间以角速度但随时间以角速度 旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆偏振光。某一固定时刻偏振光。某一固定时刻t t0 0，在传播方向上各点对应的光矢量的，在传播方向上各点

13、对应的光矢量的端点轨迹是螺旋线端点轨迹是螺旋线. . 随着时间推移，随着时间推移， 螺旋线以相速前移。螺旋线以相速前移。 C、圆偏振光束、圆偏振光束圆偏振光与径向偏振光切割对比圆偏振光与径向偏振光切割对比 在相同的条件下进行激光切割，径向偏振光在相同的条件下进行激光切割，径向偏振光R-R-TEM01TEM01* *比圆偏振光比圆偏振光TEM00TEM00的效率高，即切割深度与切割速的效率高，即切割深度与切割速度的乘积值提高了度的乘积值提高了1.51.52 2倍。倍。偏振光（线偏振和圆偏振）：偏振光（线偏振和圆偏振）：线偏振光与吸收率的关系线偏振光与吸收率的关系偏振光与材料的交互作用偏振光与材料

14、的交互作用用线偏振光切割导致割缝用线偏振光切割导致割缝质量不均匀质量不均匀偏振光对激光切割过程偏振光对激光切割过程有很大影响有很大影响偏振光（线偏振和圆偏振）偏振光（线偏振和圆偏振）采用线偏振光进行焊接采用线偏振光进行焊接（2 2）单一透镜聚焦过程）单一透镜聚焦过程l最小光斑直径、最小光斑直径、M2、K因子因子l球差球差l热透镜效应；热透镜效应；l聚焦深度；聚焦深度；热透镜效应热透镜效应l高功率激光加工过程中，由于热积累，导高功率激光加工过程中，由于热积累，导致镜片的折射率（主要原因）和形状发生致镜片的折射率（主要原因）和形状发生（次要原因）变化，并最终导致聚焦点位（次要原因）变化，并最终导致

15、聚焦点位置和光斑大小发生变化的现象置和光斑大小发生变化的现象热透镜热透镜效应，一般发生在窗口镜和聚焦镜上。效应，一般发生在窗口镜和聚焦镜上。l（公式（公式P92面描述了几个重要参数）面描述了几个重要参数）l表表2.6给出了红外材料的主要常数：给出了红外材料的主要常数：ZnSe效果最为理想！效果最为理想！单一透镜聚焦过程单一透镜聚焦过程红外晶体透镜红外晶体透镜ZnSe镜片 GaAs镜片 激光加工时的焦深激光加工时的焦深l激光束沿着深度方向具有大约相同强度的激光束沿着深度方向具有大约相同强度的长度，一般定义为光斑直径变化长度，一般定义为光斑直径变化5 5。l对于基模激光，对于基模激光， Z Zf

16、f2.56(f/D)2.56(f/D)2 2 对于多模激光，对于多模激光， Z Zf f2.56(f/D)2.56(f/D)2 2M M2 2 f f，D,MD,M2 2 ， ，则焦深越深！，则焦深越深！单一透镜聚焦过程单一透镜聚焦过程（3 3）光学元器件）光学元器件l组合镜组合镜l圆偏振镜圆偏振镜l扩束镜扩束镜l金属镜片：聚焦镜和平面镜金属镜片：聚焦镜和平面镜l扫描振镜扫描振镜组合镜组合镜l采用组合镜，消除球差！消除色散！采用组合镜，消除球差！消除色散！l单块镜，采用特殊非球面加工单块镜，采用特殊非球面加工激光加工的光路补偿激光加工的光路补偿消除偏振消除偏振圆偏振镜圆偏振镜l将特殊设计的镜片

17、使得光束的将特殊设计的镜片使得光束的相位移发生相位移发生90o变化，形成圆变化，形成圆偏振光。偏振光。扩束镜降低发散角的重要途径扩束镜降低发散角的重要途径D2=D1f2/f1近场光学加工近场光学加工焦深：焦深： Z Zf f2.56(f/D)2.56(f/D)2 2扩束之后：扩束之后：D2=D1f2/f1最小光斑：最小光斑：dmin=2.44 f/D微微纳制造技术的关键：纳制造技术的关键：短焦距（高倍扩束）、大镜头、短波长短焦距（高倍扩束）、大镜头、短波长金属镜片：聚焦镜和平面镜金属镜片：聚焦镜和平面镜l透镜一般透镜一般难以承受难以承受高功率激高功率激光光（3kw)！l金属镜可金属镜可以用于高

18、以用于高功率激光！功率激光！常温下金属对激光的反射率（）常温下金属对激光的反射率（）金属种类金属种类AuAgCuFeMoAlWSnSi低低碳碳钢钢康康铜铜911m97.799.098.493.895.596.996.587.02892.894.20.91.1m94.796.590.165.058.273.362.354.02863.172.4注：康铜铜镍合金，55%的铜45%的镍以及少量锰、钴、铁等元素。反射聚焦镜（非球面铜镜）反射聚焦镜（非球面铜镜）扫描振镜和多棱镜扫描振镜和多棱镜扫描振镜扫描振镜（4 4）光纤传输系统）光纤传输系统l光纤耦合技术；光纤耦合技术；l激光束传播方式与质量控制规律

19、激光束传播方式与质量控制规律;光纤耦合技术光纤耦合技术l光纤传输高功率激光，必须确保端口无污光纤传输高功率激光，必须确保端口无污染：染：l高功率激光传输时的功率密度必须严格控高功率激光传输时的功率密度必须严格控制：采用较大尺寸的芯径，则聚焦能力将制：采用较大尺寸的芯径，则聚焦能力将受到影响；受到影响；5kw激光能够在激光能够在400um的芯径的芯径中传输。中传输。l也可以采用多芯径复合方式。也可以采用多芯径复合方式。多光纤耦合输出高功率激光多光纤耦合输出高功率激光装有扫描加工头的激光焊接机器人装有扫描加工头的激光焊接机器人第三章第三章 激光束与材料的交互作用激光束与材料的交互作用RT1，R为反

20、射系数，为反射系数，吸收系数，吸收系数，T为透射系数。为透射系数。 吸收率与波长的关系吸收率与波长的关系吸收率与温度的关系吸收率与温度的关系 吸收率随材料温度升高而变化吸收率随材料温度升高而变化 吸收与表面膜层的关系吸收与表面膜层的关系 添加膜层可以提高金属对激光束的吸收率添加膜层可以提高金属对激光束的吸收率激光能量密度对物质作用规律的影响激光能量密度对物质作用规律的影响等离子体及特性等离子体及特性l 带电粒子带电粒子+ +中性粒子中性粒子l 准中性准中性l 集体行为，最小尺度为德拜长度集体行为，最小尺度为德拜长度l 等离子体振荡：等离子体振荡：langmuir langmuir 波波21/2

21、0()epen eml SahaSaha方程：热平衡下，气压、温度和电离势的关系方程：热平衡下，气压、温度和电离势的关系激光等离子体的产生机理l 热驱动热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、蒸汽易电：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、蒸汽易电离、自由电子吸收激光、进一步电离离、自由电子吸收激光、进一步电离高功率高功率+ +金属金属l 光电离光电离：1 1个或者数个短波长激光光子被环境气体中的原子个或者数个短波长激光光子被环境气体中的原子吸收，由于光子能量大于电离势吸收，由于光子能量大于电离势单光子：紫外；多光子：单光子：紫外；多光子：波长小于波长小于1 1 m ml 电子崩或级联电离电

22、子崩或级联电离：环境气体中的自由电子吸收激光能量，：环境气体中的自由电子吸收激光能量，运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子崩，电子密度呈运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子崩，电子密度呈指数增长指数增长-环境气体环境气体+ +长波激光。长波激光。混合机制混合机制: :竞争及耦合竞争及耦合什么时候产生等离子体？什么时候产生等离子体？1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据，提出了激光等离子体点燃的经验判据是：236. 02/13/210)5 . 195. 0(tP只与激光本身有关（光强、波长、脉冲宽度）与靶表面特性无关？mstcmWP:/:2 什么时候产生等离子体？什么时候产生等离子体？

23、)()1 (000nVLTTcdtPA2、假设激光气化开始时间作为点燃时间。可见等离子体点燃时间在ns量级8 . 0),./(3 . 1/400,2767AKgJcgJLKTtnV对于纯铝，nstmdcmWPnstmdcmWP12 . 0,/101002 . 0,/10:02900270时，时，若 什么时候产生等离子体？什么时候产生等离子体？31810cmneKT65003、从Saha方程出发，从电子密度变化来考虑，通常认为达到下述条件就是等离子体点燃时间。视频1精确地写出等离子体点燃阈值的统一公式似乎是不可能视频2熔深并不随激光功率增加正比增加，功率增加到一定程度，熔深增加缓慢等离子体屏蔽等

24、离子体屏蔽激光辐照蒸汽吸收激光蒸汽电离等离子体等离子体膨胀等离子体吸收激光到达靶面能量减少传播、吸收、散射、折射激光与等离子体相互作用激光与等离子体相互作用1、常铁强等，激光等离子体相互作用与激光聚变，湖南科学出版社，19912、陆建等，激光与材料相互作用物理学，机械工业出版社，19963、左铁钏，高强铝合金的激光焊接，20024、 Shalom Eliezer，The Interaction of High-Power Lasers with Plasmas，Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia，2002l质量如何，

25、能量都用来干什么了质量如何，能量都用来干什么了-传到哪传到哪儿去了？儿去了？激光应用l有多少激光能量会被靶等离子体吸收靶吸收了多少激光能量？-能不能传，传多少核聚变希望能量传给热电子而不是超热电子核聚变和激发X射线希望能量被等离子体吸收；而激光焊接则不希望激光能量被等离子体吸收l 也可以与等离子体的横波（电磁波）和纵波（静也可以与等离子体的横波（电磁波）和纵波（静电和离子声波）相互作用电和离子声波）相互作用激光？l 可以直接与等离子体的粒子相互作用2222kcp21/20()epen em等离子体的频率：2k激光是横波（电磁波）22p当：激光在等离子体中传播其频率和波数k必须满足色散关系 (参

26、考文献1第一章第二节） ：20,kki k 则：临界密度:等离子体频率等于激光频率时的等离子体密度exp()exp()ikxi tk xi t则激光传播因子：振幅随空间很快衰减激光只能在密度低于临界密度的等离子体中传输，否则会被全部反射。如果激光频率低于等离子体频率，激光将无法传播。22102210ecmne：激光波长m激光波长越短，临界密度越高激光CO2YAG二倍频 三倍频 飞秒10.6m1.06m532nm 355nm 880nm10191021cn等离子体临界等离子体临界密度密度/cm3焊接光致等离子体焊接光致等离子体密度密度/cm3传输特性传输特性CO2激光激光101910151017

27、可可焊接时，CO2激光可在其诱导的等离子体中传播激光与等离子体相互作用示意图等离子体中电子密度小于临界密度的区域称为晕区激光只能在晕区中传播晕区大小：c几倍：脉宽声速：等离子体速度PV对于s级的脉冲激光，晕区厚度在mm量级；l 在密度不同的等离子体中传播的激光，其波长会在密度不同的等离子体中传播的激光，其波长会随着密度的变化而相应变化，因为激光频率在传随着密度的变化而相应变化，因为激光频率在传播过程中可以认为是不变的播过程中可以认为是不变的l 在激光传播的时间间隔内，等离子体状态可以近似认为不变l 只有当等离子体的状态变化很剧烈，在其中传播的激光频率才会产生有意义的变化l 激光在等离子体中的传

28、播必须同时考虑吸收l 正入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向一致l 斜入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向不一致l 极化方向：激光电场强度E的方向l P极化：极化方向在激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面内l S极化：极化方向垂直于激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面激光产生的等离子体密度通常是不均匀的几个概念几个概念l 群速度l 相速度2/122)/1 (/pegckv22 1/2/(1/)ppevkc2.gpv vcl 则高等光学正入射的激光可以到达临界面 斜入射的激光束不能达到临界面，而将在某个低于临界电子密度的地方转向折返点，此处电子密度：cos

29、ecnn激光只能在x0的区域内传播 1、假设为绝热气体膨胀：必须从能量观点出发，运用靶边界条件去求解激光传播方程1、蒸汽等离子体膨胀过程常数P常数2rVdrddrdVV 但对于调Q激光器，气化厚度为1m的Al靶表面所需时间为ns量级，即气化只会消耗激光脉冲的部分能量，而余下的激光脉冲能量还会对蒸汽继续发挥作用，点燃等离子体，产生冲击波2、一维激光能量传播模型2：l 蒸汽等离子体向真空膨胀视为一维膨胀；l 忽略散射和热传导，考虑靶表面蒸汽的热辐射；l 考虑靶表面的反射效应；l 认为蒸汽等离子体处于局部热力学平衡；2、一维激光能量传播方程：l 忽略散射和热传导，一维传播方程为：) 1 (PdxdP

30、传播路径：吸收系数；：气体发射率；激光功率密度:xP)2()(TBl 由基尔霍夫定律：发射频率:) 3(1)exp(12)(23kThcTB绝对黑体辐射函数: )(TB2、一维激光能量传播方程：l 将(2)代入(1)：)4()(1PTBdxdP若已知，则可以对(4)进行积分，从而得到P(x)。l 定义蒸汽等离子体中x0和x之间的光学厚度为：研究高温等离子体所产生的热辐射过程)5(),(00 xxdxxxl 则(4)可以改写成：)6()(PTBddPdxd2、一维激光能量传播方程：l x0为蒸汽等离子体边界：)7()(00PxP)8()exp()exp(.)()exp()()(0000 0 xx

31、xxxxxxdxdxdxTBdxxPxPl (6)为一个非齐次的线性方程，根据边界条件，可求得的解析解为：2、一维激光能量传播方程：l 对于蒸汽等离子体，B(T)与x无关，设为常数，x0=0，则(8)可以改写成：)8()exp(1)()exp()0()(xTBxPxP假设靶表面没有反射、等离子体温度一样l 多层蒸汽等离子体l 二维、三维l 考虑靶表面发射边界条件l 考虑等离子体内部温度差异：多温电子等离子体3、其它BtE()eeiije n un zu 3、其它l 由波的传播Maxwell方程+流体力学方程+边界条件tEcjcB22011l 其中电流密度j ，决定于等离子体的电子、离子的运动。

32、用流体力学近似描述：,:,:eiein nu uz 电子、离子密度；相应的平均速度：电离度l 密度和速度由流体力学方程给出：质量守恒、动量守恒和能量守恒,()0e ie ie inn ut 1()()eeeeieieeedeupEuBuudtn mm 12()()eeiiieieiiiiiin mdeupEuBuudtnmmnm ,:eieipp电子流和离子流的分压力：电子离子碰撞频率+边界条件3、其它l 机制：正常吸收+反常吸收l 等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光能量，使自己的温度升高，电离度增大。l 正常吸收：即逆韧致吸收，电子在激光电场作用下发生高频振荡，并且以一定概率与粒子（主

33、要是离子）相碰撞，把能量交给比较重的粒子（离子和原子），从而使等离子体升温的过程。逆韧致吸收-等离子体吸收激光能量的重要机制l 逆韧致吸收：又分为线性吸收（电子速度为marxwell分布及非线性（电子速度分布与激光电场有关）。l 非线性逆韧致吸收发生在激光强度足够高时。反常吸收l 非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能量的过程。这些波所携带的能量通过各种耗散机制转化为等离子体热能，也会使等离子体升温。l 反常吸收分共振吸收和多种非线性参量不稳定性产生的吸收两类l 共振吸收：在临界面附近将P极化激光束的能量转化为电子Langmuir波能量l 参量不稳定性：可视为激光能量衰变成其它波的过程，包括

34、不同的于激光频率的电磁波（散射）各种机制相互竞争和耦合l 对于短波长激光，碰撞吸收是主要的，它抑制了其它吸收过程m35. 0l 经典的两体碰撞理论：受外场作用的自由电子将具有加速度并能发射和吸收电磁波。忽视离子的能量变化，由动量守恒、能量守恒可得等效吸收系数：l 和激光频率的平方成反比-波长的平方成正比？l 和等离子体温度的3/2次方成反比l 激光吸收和等离子体密度的平方成正比激光在等离子体中的吸收激光在等离子体中的吸收2/32/123026)()2(361kTmmnnzeeeieV线性逆韧致吸收1线性逆韧致吸收等效吸收系数为：将：220cen em代入：cBeceVnTkmnnze2/32/

35、12004)()2()/(361)(10221mncieznn l 由于对激光波长是缓变的cenn激光吸收系数近似和波长平方成反比线性逆韧致吸收短波长激光，临界密度大，即激光可以传播到更高等离子体密度的地方，导致更多吸收距离远线性逆韧致吸收考虑量子效应和多体碰撞，Dawson等计算得线性吸收系数为:ln: 库仑对数的某种平均值,是考虑电子频蔽对韧致过程影响后所采用的与激光频率无关的因子21213/2ln(/)()2.91 101/()ecceceZnnncmnn TkeV与等离子体温度有关221/1/)(pVccm线性逆韧致吸收逆韧致吸收和靶物质及其电离度、激光波长、等离子体的温度有较敏感的关

36、系。实验和数值模拟表明Te随激光强度而增加，随波长的减小而减小应该考虑集体效应l 韧致过程是在电子碰撞过程中产生的。在等离子韧致过程是在电子碰撞过程中产生的。在等离子体中每一个带电粒子都会受到周围其他带电粒子体中每一个带电粒子都会受到周围其他带电粒子的屏蔽，从而影响了这一过程。的屏蔽，从而影响了这一过程。l 韧致过程中发射或吸收的电磁波还必须满足等离子体中的横波色散关系l J.M.Dawson考虑了电子屏蔽问题l 常铁强等考虑了离子屏蔽问题l 但是，忽略了动量的二次项l 经典近似，都存在库仑长程力引起的积分发散问题。处理办法：取一个适当的最小碰撞距离。高能电子，取电子的De Broglie波长

37、hmev, 低能电子则取电子动能和其在库仑场中势能相等时相应的碰撞距离还应该考虑量子效应l 常铁强等从量子统计出发，采用常铁强等从量子统计出发，采用FermiDirac分分布函数代替布函数代替Maxwell分布，对等离子体的韧致辐射分布，对等离子体的韧致辐射作了细致研究。包含了电子屏蔽、离子屏蔽，消除作了细致研究。包含了电子屏蔽、离子屏蔽，消除了积分的发散。了积分的发散。参考文献1l 对于高功率激光产生的等离子体，温度高而密度低，电子的De Broglie波长比电子平均距离小很多，此时量子效应不重要f1l 短波长激光能够大大提高激光逆韧致吸收效率，由于集体效应的影响，即使波长再短，吸收效率也不

38、会达到1吸收系数的影响表示集体效应对逆韧致:fl 集体效应总使电子和离子间库仑力减小，从而减小了加速度l 等离子体温度越高，集体效应影响越大l 激光波长越短，集体效应影响越大l 屏蔽效应的影响基本来自电子屏蔽l 前面的讨论一直假定电子的速度分布符合Maxwell分布，即由电子的温度决定l 当激光足够强时，电子的振荡速度会超过电子热速度，此时电子速度分布就会和电场有关，变成非线性逆韧致吸收l 当激光足够强时，其电场可以和原子核产生的电场相比时，还会发生多光子过程l 非线性逆韧致吸收系数大大偏离线性吸收系数，但在激光核聚变的范围内，不会有重要偏离。l 非线性逆韧致吸收系数与5/E3有关斜入射的P极

39、化激光束在临界面附近可以发生共振吸收l 假定等离子体电子密度只是在x 方向不均匀；当激光束传播到折返点时，激光电场方向正好就是电子密度梯度方向。l 折返点到临界面激光电场逐渐减弱，但临界面处电场并不为零。斜入射的P极化激光束在临界面附近可以发生共振吸收l 沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子体电荷分离，引起等离子体振荡l 临界点处的等离子体频率等于激光频率，因而发生共振，使电场强度的振幅变得很大，导致激光共振吸收l 此静电波沿电子密度梯度方向向低密的等离子体中此静电波沿电子密度梯度方向向低密的等离子体中传播，群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减少传播，群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减

40、少l 某些电子在这个静电波的电场中得到加速，达到很高的速度。l 这些很高速度的电子的加速导致“波破裂”，释放超热电子共振吸收是产生超热电子的重要机制之一l 共振吸收是波的模式的一种转换横向的电磁波变成了纵向的静电波l经典的逆韧致吸收系数很小l钕玻璃激光13210/LIW cm通常只考虑逆韧致吸收15210/LIW cm要考虑反常吸收l通过波波相互作用和波离子相互作用通过波波相互作用和波离子相互作用使电子获得能量的过程称作反常吸收使电子获得能量的过程称作反常吸收l通过静电波（Langmuir）加速和加热电子，通过Landau阻尼和波的破裂把波的能量交给电子l发生在小于和等于临界密度区晕区物理种类

41、种类l参量衰变l受激Raman散射l受激Brillouin散射l双等离子体衰变l自聚焦成丝l CO2激光焊接光致等激光焊接光致等离子体中通常只含有离子体中通常只含有一价离子，即：一价离子，即：einnz , 1l 根据实验测得的等离子体温度和密度，计算得到：14 . 01 . 0cml 功率密度为P0的光束穿过长度为x的等离子体后，功率密度将为：)exp(0 xPP随着等离子体尺度增加，激光功率密度大幅度下降计算结果实际上，最多吸收50原因如下：l 当等离子体上升到一定高度后，等离子体将脱离试件，从而使等离子体长度减小l 等离子体密度和温度不均匀，后部密度小。温度低，对激光的吸收小理论与实际存

42、在很大差异激光焊接金相照片（横截面）又宽又浅，深宽比小又窄又深，深宽比大l 等离子体的折射率，可根据等离子体中的色散关系等离子体的折射率，可根据等离子体中的色散关系求得，如果忽略等离子体中带电粒子的影响，则：求得，如果忽略等离子体中带电粒子的影响，则：2221prnl CO2激光焊接时，光致等离子体的振荡频率小于激光束的圆频率，因此折射率总是实数，且恒小于12/102)(eepepmen参考文献3l 光致等离子体不均匀，造成激光束传输方向的改变l 其偏转角与等离子体的电子密度梯度和长度有关l 几千瓦至十几千瓦CO2激光诱导的等离子体对激光束的偏转角度约为102 rad数量级测量光致等离子体对激

43、光束造成的偏转l 激光束发生偏转l 位置不同，发生偏转的角度不同发生偏转l Beck等人假设等离子体为椭球形、具有类高斯的温度分布，结合Saha方程和激光束在等离子体中传输的色散关系，采用有限差分法直接求解波动方程来计算激光束在等离子体中的传输。l 结论：等离子体可使激光束产生严重散焦l 一个高4mm的表面金属蒸汽等离子体可使光束直径扩大2.5倍激光功率密度下降5倍多左铁钏等实验测量光致等离子体对激光聚焦形态的影响原理：高功率激光焊接时，激光移开后，等离子体仍然存在，采用纸记录等离子体形态发现：光斑变大，焦点下移l Malsunnawa研究YAG激光辐照Ti靶形成的蒸汽羽l 光散射是由蒸发原子

44、的重聚形成的超细微粒造成的l 超细微粒尺寸与气压有关，平均大小可达80nm，远远小于入射光波长l 低气压时，超细微粒较小，散射大大减弱l 金属蒸汽对激光存在较强光散射发现：l 球形粒子引起的瑞利散射强度：)cos1 ()(2220042220rvIIs离粒子的距离：散射角粒子体积：介质的介电常数入射激光强度：粒子的介电常数散射光强度:0rvIIs200423)(38NVl 空间随机分布的多个粒子引起的瑞利散射的等效吸收系数为：粒子数密度:Nl 散射损失反比于波长的4次方l 波长越短，散射越大l 对于YAG激光，虽然由于波长短，不易形成等离子体，吸收小，但散射损耗大，仍然要控制等离子体l CO2

45、激光，未见散射报道l 波长长，散射小 激光深熔焊接过程中形成的光致等离子体对焊接质量有很大影响。具有两重性, 这取决于等离子体的存在状态。l 当等离子体处于蒸发沟槽之内或为表面薄层状时, 等离子体可以强化吸收；l 而当等离子体变成云团时, 将对激光散射和折射，阻碍激光与材料的耦合。l 从温度看，激光焊接光致等离子体属低温等离子体从温度看，激光焊接光致等离子体属低温等离子体l 从空间位置和等离子体的强弱来看，在不同的激光功率密度条件下，可以将激光等离子体分为三类：等离子体呈周期性变化26/10cmWI 276/1010cmWI 27/10cmWI 等离子体非常稀少并附在工件表面等离子体在工件上方

46、形成稳定的近似球形的云团l 20kW射频激励快速轴流CO2激光器焊接铸造铝合金l 激光深熔焊接过程中产生的等离子体云团对入射激光具有屏蔽作用，影响正常焊接过程。等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；而等离子体的负透镜效应（折射）扩大了激光能量在工件上的作用区，从而降低了焊接质量。l 等离子体对激光的折射行为是引起等离子体屏蔽的主要原因。在激光深熔焊接过程中，等离子体对激光的折射作用大大降低了耦合到工件表面的能量密度，并且导致激光实际聚焦位置比正常聚焦位置偏低。l 等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；而等离子体的负透镜效应

47、（折射）扩大了激光能量在工件上的作用区，从而降低了焊接质量。影响等离子体的因素l 工艺参数：焊接速度、聚焦光斑大小等l 材料性质：热导率、电离能、汽化热等影响等离子体的因素l 激光参数：激光功率密度、波长、光斑大小都对等离子体有影响。功率密度越大，等离子体的温度越高，但功率密度过大会导致等离子体不稳定；激光波长越长，等离子体的临界密度越小；激光光斑直径越小，等离子体就越难以形成。l 焊接环境：环境压力、环境气体及气体流量都会对等离子体产生影响。环境压力越低，蒸气密度及电子密度就会越低，从而等离子体越不易产生；环境气体电离能越低、导热性越差越容易形成等离子体；环境气体流量越大，等离子体体积就越小

48、，但是其流量过大会使匙孔扩大、熔化金属飞溅。 光致等离子体的控制方法：以期达到减小或消除它对激光干扰的目的。l 激光摆动法。在焊接过程中，激光束沿焊接方向来回摆动，在匙孔出现后而等离子体形成以前，将光斑瞬时移至熔池的后缘，等离子体来不及扩展，光束又向前移动形成新的小孔，如此周而复始。这种方法能获得比脉冲激光焊接更深和更大深宽比的焊缝，但是这种方法在实际操作中不易控制。l 脉冲激光焊接法通过调整激光的脉冲频率，使激光的辐照时间小于等离子体的形成时间，从而抑制等离子体的产生。但这种方法容易引起焊缝的波动。光致等离子体的控制方法：l 外加电磁场控制法。由于等离子体是被电离的气体。在外加电磁场的作用下

49、，等离子体中的带电粒子会受到电磁力作用，控制电场和磁场的方向和大小，可以改变等离子体中的带电粒子的分布和运动，达到控制等离子体的目的。利用外加电磁场控制等离子体，方法简单，成本较低，但在实际中难以操作。n Tse 等人研究发现，用氩气作保护气体时，磁场抑制等离子体的效果比用氦气作保护气体时的明显，且熔深有显著增加。n 包刚等人观察出，其他条件不变时，磁场强度越大，焊缝熔深越大；并且在其他条件一定时，存在最佳电压值，能获得最大熔深。光致等离子体的控制方法：l 吹辅助气体法。在激光焊接过程中，吹保护气体是利用保护气体流动的能量将金属蒸汽和等离子体从激光光路吹除，或通过增加电子、离子和中性原子三体碰

50、撞来增加电子的复合速度，以降低等离子体的电子密度。导热性好、电离能高的辅助气体能更有效的控制等离子体。通常使用的辅助气体中氦气控制等离子体的效果最好。吹辅助气体控制等离子体的方法相对灵活且简单，可以同时起到控制等离子体和保护熔池的双重作用。因此在实际中得到广泛应用，但该方法对侧吹气体的位置、角度、压力都有严格的要求，而且还可能恶化焊缝成形。光致等离子体的控制方法：n Beck 等人发现，当Ar:He =1:3 混合时抑制等离子体的效果最好。n 张林杰等人分析指出对流冷却作用是侧吹气体能够抑制等离子体的重要原因，优化的侧吹喷嘴高度和侧吹流速可以有效地抑制光致等离子体。n 唐霞辉等人利用同轴双层喷