1、1雷射加工技術與應用班級:自控四甲姓名:洪靖雯學號:495120062何謂雷射l“鐳射”一詞是“LASER”的意譯。LASER原是Light amplification by stimulated emission of radiation取字頭組合而成的專門名詞，在我國曾被翻譯成“萊塞”、“光激射器”、“光受激輻射放大器”等。1964年，錢學森院士提議取名為“激光”、香港稱“鐳射 ”、台灣稱“雷射”，既反映了“受激輻射”的科學內涵，又表明它是一種很強烈的新光源，貼切、傳神而又簡潔，得到我國科學界的一致認同並沿用至今。3性質: l是指窄幅頻率的光輻射線，透過受激輻射放大和必要的反饋共振，產生垂
2、直、單色、相干的光束的過程及儀器。利用雷射束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識別物體等的一門技術。4原理:l外加能量以電場、光子、化學等方式注入到一個能級系統並為之吸收的話，會導致電子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收），當自發輻射產生的光子碰到這些因外加能量而躍上高能級的電子時，這些高能級的電子會因受誘導而遷到低能級並釋放出光子（所謂受激輻射），最後光的強度越來越大（即光線被放大了），而與一般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位、前進方向。l要做到光放大，就要產生一個高能級電子比低能量級電子數目多的環境，即群數反轉，這樣
3、才有機會讓高能級電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機釋放。5 何謂l受激輻射: 電子的運動狀態可以分為不同的能級，電子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的電磁波（所謂自發輻射）。一般的發光體中，這些電子釋放光子的動作是隨機的，所釋放出的光子也沒有相同的特性，例如鎢絲燈發出的光。6何謂l群數反轉: 為了達到光放大的作用，在高能級必須有更多的電子，使得受激輻射發生的機率更高。這個狀態稱為佔據逆轉。出於這個原因，所以以光子激發的二級系統是無法實作雷射的，所以雷射一般是以透過三級系統和四級系統得到實作。l在三級系統中，電子受激躍遷到高能級後，便很快轉為亞穩態。由此雷射媒介被激發為高能態，佔據逆
4、轉得到實作。7雷射產生器的三個基本要素： l激發來源（激發來源（pumping source），把能量供給低能級的電子，激發使其成為高能級電子，能量供給的方式有電苛放電、光子、化學作用。l增益介質（增益介質（gain medium），被激發、釋放光子的電子所在的物質，其物理特性會影響所產生雷射的波長等特性。l共振腔（共振腔（resonator），是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，目的是使被激發的光經過增益介質多次以得到足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，雷射便從半反射鏡發射出去。8雷射分類:l按工作狀態分 連續雷射器 脈衝雷射器 調Q（輸出脈寬可
5、以達到奈秒級別） 1. 電光調Q 2. 聲光調Q 3. 染料調Q 鎖模（輸出脈寬可以壓縮到飛秒級別） 9l按工作物質分l可以把雷射器分為液體雷射器、氣體雷射器和固體雷射器等。而現在最常見的半導體雷射器算是固體雷射器的一種。10氣體雷射器:介質是氣體的雷射器，此種雷射器透過放電得到激發。 l氦氖雷射器：最重要的紅光放射源（632.8 nm ）。 l二氧化碳雷射器：波長約10.6 m （紅外線），重要的工業雷射。l一氧化碳雷射器：波長約 6-8 m （紅外線），只在冷卻的條件下工作。 l氮氣雷射器：337.1 nm (紫外線)。 11氣體雷射器:l氬離子雷射器：具有多個波長，457.9 nm (8
6、%), 476.5 nm (12%), 488.0 nm (20%), 496.5 nm (12%), 501.7 nm (5%), 514.5 nm (43%) （由藍光到綠光）。l氦鎘雷射器：最重要的藍光(442nm) 和近紫外雷射源(325nm)。 l氪離子雷射器:具有多個波長，350.7nm; 356.4nm; 476.2nm; 482.5nm; 520.6nm; 530.9nm; 586.2nm; 647.1nm (最強); 676.4nm; 752.5nm; 799.3nm (從藍光到深紅光)。 12氣體雷射器:l準分子雷射器：比如，KrF (248 nm), XeF (351-3
7、53 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F2 (157 nm) (均為紫外線)。l金屬蒸汽雷射器：比如銅蒸汽雷射器，波長介於510.6-578.2 nm之間。 l金屬鹵化物雷射器：比如溴化銅雷射器，波長介於510.6-578.2 nm之間。化學激發雷射器是一種特殊的形式。激發透過媒介中的化學反應來進行。媒介是一次性的，使用後就被消耗掉了。對於高功率的條件及軍事領域是非常理想的。13固體雷射器:l介質是固體的雷射器，此種工作物質透過燈、半導體雷射器陣列、其他雷射器光照幫浦得到激發。熱透鏡效應是大多數固體雷射器的一項缺陷。14固體雷射器:l紅寶石雷射器：世界上第一
8、台雷射器,1960年7月7日，美國青年科學家梅曼宣布世界上第一台雷射器由誕生，這台雷射器就是紅寶石雷射器。lNd: YAG(摻釹釔鋁石榴石)：最常用的固體雷射器，工作波長一般為1064nm 。lNd:YVO4(摻釹釩酸釔)：低功率應用最廣泛的固體雷射器，工作波長一般為1064nm,可以透過KTP,LBO非線性晶體倍頻後產生532nm的雷射器。lYb: YAG(摻鐿釔鋁石榴石)：適用於高功率輸出，這種材料的碟片雷射器在雷射工業加工領域有很強優勢。l鈦藍寶石雷射器：具有較寬的波長調節範圍（670nm1200nm） 15技術方法:l雷射焊接l雷射切割l雷射打標l雷射打孔l雷射熱處理l雷射快速成型l雷
9、射塗敷16雷射焊接電弧焊（氬弧焊、手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、氣體保護焊）電阻焊高能束焊（電子束焊、鐳射焊）釺焊以電阻熱為能源：電渣焊、高頻焊 ；以化學能為焊接能源：氣焊、氣壓焊、爆炸焊；以機械能為焊接能源：摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊、擴散焊17雷射焊接用於:l汽車車身濃薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。l目前使用的鐳射器有YAG鐳射器、 CO2雷射器和半導體幫浦雷射器。18雷射焊接的特色:1、速度快、深度大、變形小。2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，例如，雷射通過電磁場，光束不會偏移；雷射在真空、空氣及某種氣體環境中
10、均能施焊，並能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。 3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，並能對異性材料施焊，效果良好。 4、雷射聚焦後，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：1，最高可達10：1。 5、可進行微型焊接。雷射光束經聚焦後可獲得很小的光點，且能精確定位。 6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG雷射加工技術中採用了光纖傳輸技術，使雷射焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應用。 7、雷射光束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。19雷射切割l常用於汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模業、
11、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、矽橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、太空飛行工業使用的鈦合金等等。l使用雷射器有YAG雷射器和CO2雷射器。20雷射切割的特色:l1. 雷射切割的切縫窄，工件變形小l2. 雷射切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工l3. 雷射切割具有廣泛的適應性和靈活性21雷射打標l雷射掩膜打標、雷射振鏡打標等在各種材料和幾乎所有行業均得到廣泛應用。l目前使用的雷射器有YAG雷射器、CO2雷射器和半導體幫浦雷射器。22雷射打標的特色:1、可對絕大多
12、數金屬或非金屬材料進行加工。 2、雷射是以非機械式的“刀具”進行加工，對材料不產生機械擠壓或機械應力，無“刀具”磨損，無毒，很少造成環境污染。 3、雷射束很細，使被加工材料的消耗很小。 4、加工時，不會受電場和磁場的干擾。 5、操作簡單，使用微機數控技術能實現自動化加工。 6、使用精密工作臺能進行精細微加工。 7、可使用顯微鏡或攝像系統，能對被加工表面狀況進行觀察或監控。 8、可以利用稜鏡、反射鏡系統（對於YAG雷射器還能用光纖導光系統）將光束聚集到工件的內表面或傾斜表面上進行加工。 9、能標記條碼、數位、字元、圖案、二維碼等標誌。23雷射打孔l國內目前比較成熟的雷射打孔的應用是在人造金剛石和
13、天然金剛石拉絲模的生產及鐘錶和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。l主要應用在航空太空飛行、汽車製造、電子儀表、化工等行業。l目前使用的雷射器多以YAG雷射器、CO2雷射器為主，也有一些準分子雷射器、同位素雷射器和半導體幫浦雷射器。l雷射光束打孔機一般由固體雷射器、電氣系統、光學系統和三座標移動工作臺等四大部分組成。24雷射熱處理l汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空太空飛行、機床行業和其它機械行業也應用廣泛。我國的雷射熱處理應用遠比國外廣泛得多。l目前使用的雷射器多以YAG雷射器，CO2雷射器為主。25雷射快速成型l雷射加工技
14、術和計算機數控技術及柔性製造技術相結合而形成。多用于模具和模型行業。l目前使用的雷射器多以YAG雷射器、CO2雷射器為主。26雷射塗敷l在航空太空飛行、模具及機電行業應用廣泛。l目前使用的雷射器多以大功率YAG雷射器、CO2雷射器為主。27雷射對於加工市場的優勢:由於它是無接觸加工，並且高能量雷射光束的能量及其移動速度均可調，因此可以實現多種加工的目的。 它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點的材料。雷射加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用於工件。 雷射加工過程中，雷射光束能量密度高，加工速度快，並且是局部加工，對非雷射照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱
15、影響區小，工件熱變形小，後續加工量小。 它可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。 由於雷射光束易於導向、聚集實現作各方向變換，極易與數控系統配合，對複雜工件進行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。 使用雷射加工，生產效率高，品質可靠，經濟效益好。28補充29二氧化碳雷射加工l目的: 高功率雷射是國內目前 CO2 雷射加工設備的主流，其加工對象非常廣，例如，電腦、電氣機殼的板金切割、機器零組件切割、木刀模業、汽車板金切割、特殊材料切割 (電子機件銅板、金屬板、合金板、電木板、壓克力、矽橡膠等) 之切割加工。l由於光電產業蓬勃，CO2 雷射加工技術已逐漸用在光電產品上，例如石英切割、電路
16、板鑽孔、耐熱玻璃與晶體切割等。近來，光電產業中的 LCD 液晶面板需求大增，而 CO2 雷射切割技術已被預言為下一世代面板切割製作主流。 30二氧化碳雷射加工特色: l加工速度快 l加工品質一致 l加工尺寸範圍廣 l改善傳統繁雜加工製程 應用:l玻璃、陶瓷等硬脆材料加工 l塑膠射出元件下料製程 l特殊外形加工 31準分子雷射微加工技術l特性: 準分子雷射微加工是運用紫外波段的短波長脈衝雷射，將高分子材料內部電子激發，造成瞬間的離子化及材料的分解，準分子雷射幾乎對所有的有機高分子材料，都會造成中度或高度比率的吸收。32準分子雷射微加工技術應用領域:l微結構及特殊曲面微結構 l微透鏡陣列、柱狀透鏡
17、與導電玻璃絕緣處理等 33分享l1960年5月16日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的雷射，這是人類有史以來獲得的第一束雷射，梅曼因而也成為世界上第一個將雷射引入實用領域的科學家。34分享l1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台雷射器由誕生，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈管，來刺激紅寶石。由於紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受到刺激時，就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔，使紅光可以從這個孔溢位，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面還高的溫度。35分享l2000年代，雷射的非線性得到利用，來製造X射線脈衝（來跟蹤原子內部的過程）；另一方面，藍光和紫外線雷射二極體已經開始進入市場。l在2009年，中國研製出一種名為氟代硼鈹酸鉀(KBBF)的晶體，可用於激發深紫外線雷射，一旦成功應用，可令每片光碟的容量超過1TB，亦使半導體上可儲存的電路密度大幅提高。
