光纤激光器讲义课件.ppt

1、17.1 7.1 激光加工的一般原理激光加工的一般原理1.1.激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；1 1）光束特性光束特性例：一个例：一个COCO2 2激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸 ，有效截面输出功，有效截面输出功率为率为200W200W，透镜焦距，透镜焦距f f10mm10mm，求透镜后焦点处光斑有效截面内的平均功率密，求透镜后焦点处光斑有效截

2、面内的平均功率密度？度？mm102 2）材料的反射、吸收和导热性材料的反射、吸收和导热性光波照射在不透明的物体表面时，光波照射在不透明的物体表面时，一部分被反射，一部分被吸收；不一部分被反射，一部分被吸收；不同材料的反射率和波长有密切的关系；同材料的反射率和波长有密切的关系；2222)1()1(kkR设入射到材料表面的光强为设入射到材料表面的光强为I I0 0，材料吸收系数为，材料吸收系数为，则进入到材料内部，则进入到材料内部距表面距离为距表面距离为x x处的光强为处的光强为xeII027.1 7.1 激光加工的一般原理激光加工的一般原理KPT02 2）材料的反射、吸收和导热性材料的反射、吸收

3、和导热性2.2.激光加工举例激光加工举例1 1）激光焊接激光焊接2 2）激光打孔激光打孔3 3）激光切割激光切割激光正入射，在光点中央的温度上升值激光正入射，在光点中央的温度上升值 T T与被吸收的光功率、导热系与被吸收的光功率、导热系数之间的关系数之间的关系3一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。其优点：其优点：7.2 7.2 激光焊接激光焊接1 1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。的材料实施焊接。

4、2 2）在激光焊接过程中无机械接触）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形易保证焊接部位不因热压缩而发生变形 3 3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。二、图二、图7-197-19所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。图图7-197-19阴极芯的激光焊接设备原理图阴极芯的激光焊接设备原理图 1:1:光束分束器；光束分束器；2:2:聚焦透镜；聚焦透镜；3 3：阴极芯：阴极芯47.2 7.2 激光焊接激光焊接三、激光热导焊三、激光热导

5、焊 1 1）激光热导焊的原理激光热导焊的原理2 2）激光热导焊的工艺以及部分参数激光热导焊的工艺以及部分参数热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊激光热导焊的连接形式：片状工

6、件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊 激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图7 72020图图7-20 7-20 激光热导焊焊接不锈钢时功率与激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系焊接速度、熔化深度的关系57.2 7.2 激光焊接激光焊接三、激光热导焊三、激光热导焊 2 2）激光热导焊的工艺以及部分参数激光热导焊的工艺以及部分参数脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大

7、，反之则小。因此，要焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。宽度。离焦量对焊接质量的影响：离焦量对焊接质量的影响：因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方 脉冲激光热导焊

8、的脉冲波形：脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响67.2 7.2 激光焊接激光焊接四、激光深熔焊四、激光深熔焊 1 1）激光深熔焊的原理激光深熔焊的原理2 2）激光深熔焊工艺参数激光深熔焊工艺参数3 3）激光焊接过程中的几种效应激光焊接过程中的几种效应五、激光焊的优点五、激光焊的优点 当激光功率密度达到当激光功率密度达到10106 610107 7WWcmcm2 2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图7-217-21）

9、，孔内金属蒸汽压力与四），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。临界功率密度：临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度功率密度 图图7-21 7-21 深熔焊深熔焊小小孔示意图孔示意图 激光深熔焊的熔深激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。77.3

10、 7.3 激光打孔激光打孔一、激光打孔原理一、激光打孔原理 激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图（图7-137-13）。）。二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 脉冲宽度对打孔的影响脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。的表面粗糙度变大，

11、尺寸精度下降。图图7-13 7-13 激光打孔机的基本结构示意图激光打孔机的基本结构示意图87.3 7.3 激光打孔激光打孔二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 激光打孔中离焦量对打孔的影响激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（图降低，以至打成盲孔（图7-157-15）。）。图图7-1

12、5 7-15 离焦量对打孔质量的影响离焦量对打孔质量的影响97.3 7.3 激光打孔激光打孔二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 被加工材料对打孔的影响被加工材料对打孔的影响 脉冲激光的重复频率对打孔的影响脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调用调QQ方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同

13、材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。107.4 7.4 激光切割激光切割一、激光切割的原理与特点一、激光切割的原理与特点 1 1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm0.1mm）使焦点处）使焦点处达到很高功率密度（可超过达到很高功率密度（可超过10106 6W/cmW/cm2 2）。）。如图如图7-177-17所示为激光切割头的结构，所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的

14、同轴喷嘴除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。2 2、激光切割的特点：、激光切割的特点：图图7-17 7-17 激光切割头的结构示意图激光切割头的结构示意图117.4 7.4 激光切割激光切割二、激光切割分类及其机理二、激光切割分类及其机理 激光功率激光功率:激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。三、激光切割的工艺参数及其规律三、激光切割的工艺参数及其规律 汽化切割汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底

15、部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为10108 8/cm/cm2 2左右，是无熔化材料的切割方式左右，是无熔化材料的切割方式 熔化切割熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为10107 7/cm/cm2 2左右左右 氧助熔化切割氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生

16、剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。压力将氧化物从切缝中吹掉。切割速度切割速度:在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。面粗糙度也有较大影响。127.4 7.4 激光切割激光切割 喷嘴：喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的喷嘴是影响激光切割质量和效率的个重要部件。激光切割一般采用个重要部件。激光切割一般采用同轴同轴(气流与光轴同心气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴

17、出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距离必须保持不变。距离必须保持不变。三、激光切割的工艺参数及其规律三、激光切割的工艺参数及其规律四、工业材料的激光切割：四、工业材料的激光切割：金属材料的激光切割和非金属材料的激光切割金属材料的激光切割和非金属材料的激光切割 气体的压力：气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切割速度最快。

18、随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。光束在质量、透镜焦距和离焦量：光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。保持不变，一

19、般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。139.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器1.光纤激光器的基本原理及其特点光纤激光器的基本原理及其特点(1)(1)基本原理基本原理 光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。图图9-5 光纤激光器原理示意图光纤激光器原理示意图 以以纵向泵浦的光纤激光器纵向泵浦的光纤激光器（如图如图9-59-5）为例说明光纤

20、激光器的基本原理）为例说明光纤激光器的基本原理 (2)(2)特点特点 耦合效率高基于激光介质本身就是导波介质；光纤纤芯很细，纤内易形成高功率耦合效率高基于激光介质本身就是导波介质；光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的“表面积表面积/体积体积”比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具

21、有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用，同时可借助光纤方向耦合器构成计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用，同时可借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。光纤还具有相当多的可调谐各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。光纤还具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。149.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器2.光纤激光器的分类及应用光纤激光器的分类及应用(1)(1)稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器 光纤激光器种类很多

22、，光纤激光器种类很多，如如按光纤结构可分为：单包层光纤激光器和双包层光纤激光按光纤结构可分为：单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等器；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等1515种；种；图图9-6 受激拉曼散射光纤激光器示意图受激拉曼散射光纤激光器示意图 稀土元素包括稀土元素包括1515种元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比较成熟的有源光纤种元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（中掺入的稀土离子有：铒（ErEr3+3+）、钕）、钕(Nd(Nd3+3+)、镨、镨(Pr(Pr3+3+)、铥、铥(Tm(

23、Tm3+3+)、镱、镱(Yd(Yd3+3+)。(2)(2)光纤受激拉曼散射激光器光纤受激拉曼散射激光器 这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（光纤传感、波分复用（WDMWDM）及相干光通信系统中有着重要应用。一种简单的全光）及相干光通信系统中有着重要应用。一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器见图纤受激拉曼散射激光器见图9-69-6所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光强耦所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光强耦合系数为合系数为K K。一般典型的受激拉曼分子主要有。一般典

24、型的受激拉曼分子主要有GeOGeO2 2、SiOSiO2 2、P P2 2O O5 5。159.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器2.光纤激光器的分类及应用光纤激光器的分类及应用(3)(3)光纤光栅激光器光纤光栅激光器 图图9-7 DBRDBR光纤光栅激光器基本结构示意图光纤光栅激光器基本结构示意图 DBRDBR光纤激光器基本结构如图光纤激光器基本结构如图9-79-7所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振所示，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。DFBDFB光纤光栅激光器基本结构如图光纤光栅激光器基本结构如图9-89-8所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅所示，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。图图9-8 DFB光纤光栅激光器基本结构示意光纤光栅激光器基本结构示意图图