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2工业激光器v固体激光器v红宝石红宝石 v铷玻璃铷玻璃vNd3+:YAG能量输出方式：脉冲，连续能量输出方式：脉冲，连续v气体激光器vCO2vCO3激光器的组成激光器的组成v激光工作物质激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大，具备亚稳态的多能级系统v激励源激励源：提供能量，使粒子数反转，最后转化成激光能量v谐振腔谐振腔：选模，限制波形和提供反馈、增益，提供稳定振荡v电源电源：为激励源提供能量v冷却系统冷却系统：冷却工作物质、谐振腔等v控制系统控制系统：保证系统稳定可靠的工作4激光
2、器组成52.5.1 固体激光器工作物质工作物质：基质材料和掺杂离子：基质材料和掺杂离子 掺杂离子掺杂离子：三能级系统或四能级系统：三能级系统或四能级系统 基基 质质：晶体晶体.掺杂离子取代晶体中的一种离子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振态有关；离子能级受晶格场的影响 玻璃玻璃.掺杂浓度高，均匀掺杂浓度高，均匀 缺点：热性能，机械性能较差缺点：热性能，机械性能较差,谱线较宽谱线较宽特点特点：掺杂离子浓度大，一般为：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3 激光上能级寿命较长（亚稳
3、态），一般激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-310-4 s 储能大储能大泵源泵源：一般用光泵激励：一般用光泵激励激光器组成激光器组成：固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统6一、固体激光器的工作物质一、固体激光器的工作物质1、红宝石：、红宝石：Al2O3晶体中掺晶体中掺入少量入少量Cr3+vCr3+是激活粒子，是激活粒子，Al2O3晶体是基体晶体是基体v三能级系统：三能级系统：v基态基态E1：4A2v激发态激发态E3：4F1、4F2v亚稳态亚稳态E2:E、2Av由于谱线竞争，激光由于谱线竞争，激光多产生于多产生于R1线线(694.3nm)v两个吸收能带两个吸
4、收能带v410nm(蓝光带蓝光带)v550nm(绿光带绿光带)7v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310mrad、总效率低0.20.5%82.掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)vYAG:Y3Al5O12（Y2O3 和和Al2O3按按3：5克分子比）克分子比）vNd3+代替代替Y3+:Y2.97Nd0.03Al
5、5O12vNd3+：四能级系统四能级系统v两条吸收谱线：两条吸收谱线：750nm和和810nmvE0(光激励光激励)E3 E2(103s)(10.6um)E1 E0E*10-3cm-122201816121086420750nm810nm10600nmE0E1E2E3Nd3+:YAG晶体能级结构晶体能级结构9掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)的特点的特点v阈值低，需要的光泵浦功率小v优良的物理、化学性能v良好的导热性能、热膨胀系数小v吸收谱线宽度窄，对光源质量要求高v目前能够用于制作大功率固体激光器的物质10二、固体激光器的结构第一台红宝石激光器的结构11Haas YAG Las
6、er12Cross Section13Copyright 2003,TWI LtdWorld Centre for Materials Joining TechnologySchematic diagram of anNd:YAG laser Modern CW lamp pumpedNd:YAG laserCan also use diode lasers for pumping15三、泵浦光源v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v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）v灯光形状：直线
7、型或螺旋形vYAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯16四、聚光器v又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统17五 冷却系统v热量来源：v电光转换效率电光转换效率3060v工作物质无辐射跃迁工作物质无辐射跃迁v聚光器内壁吸收泵浦光聚光器内壁吸收泵浦光v激光工作物质吸收的多余的泵浦光线激光工作物质吸收的多余的泵浦光线v反射镜片吸收的部分光反射镜片吸收的部分光v危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭”v冷却方式：全腔式、分离式18六 调Q技术vQ激光器的品质因子激光器的品质因子v定义：定义：其中其中W为腔内储能，为腔内储能，dW为每秒损耗的能量，为每秒损耗的能量，v为频率为频率vQ：反映了谐振腔的损耗，：反
8、映了谐振腔的损耗，Q越大，起越大，起振越容易，损耗越小振越容易，损耗越小v调调Q：改变腔的：改变腔的Q因子，使激光输出窄因子，使激光输出窄脉冲脉冲dWWQ219调Q过程和方法v调Q方法：v机械转镜机械转镜v电光开光电光开光v声光开光声光开光M1M2转镜调Q20v增益介质为气体增益介质为气体,可以是原子，分子或离子可以是原子，分子或离子vHe-Ne激光器激光器 v CO2 分子激光器分子激光器: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15，YAG：23 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21一、CO2激光器的工
9、作物质v分子的内能：电子运动、原子间的振动、整体转动vCO2激光器中CO2分子跃迁发生在基态电子的不同振转振转能级能级之间v振动能级：V1V2lV3v对称对称 V1v弯曲弯曲 V2v反对称反对称 V3vl为弯曲振动的角量子数为弯曲振动的角量子数22v转动能级v不存在纯振动，不存在纯振动，振动时一定处振动时一定处于某种转动之于某种转动之中中v整体旋转，转整体旋转，转动的能量是量动的能量是量子化的子化的v振转能级形成CO2光谱的精细结构，200多条谱线23激发过程（基态000跃迁到上能级001）v慢速电子碰撞激发CO2(000)+eCO2(001)+ev串级跃迁CO2(00V3)+CO2(000)
10、CO2(00V31)+CO2(001)（V31）v共振转移N2(振动能级E(v)与00V3相近)N2(V=14)+CO2(000)N2(V=0)+CO2(00V3=14)V3=1 001V31 再通过串级跃迁到00124弛豫过程（100、020000）v分两步100、020010(很快)010000(很慢，加快气体)v下能级尽快排空，维持粒子数反转25二、CO2激光器的结构和种类v封离式封离式：工作气体不流动，管壁导热；结构简单，成本低；光束质量好，可得基模；运行无噪音、易于维护；输出功率小，1kw，50w/m26横流CO2激光器v与封离式相比：克服功率不高缺点，改善气体冷却条件，提高气压v特
11、点：1、三轴垂直；2、气体流速快60100m/s；3、功率高；4、光束质量差(高阶模或环形模)27轴流式CO2激光器28Fast-Axial Flow Lasers-Theory Of OperationPRC Laser29Schematic diagram of afast axial flow CO2 laserModern RF excited fast Axial flow CO2 laser30v特点:光束、气流、电场同向分段激励单位长度输出功率大 500w/m，体积大大减小输出光束质量好：基模或低阶模可连续或脉冲输出v快轴流(200500m/s)和慢轴流(0.11m/s)31三、
12、影响CO2激光器功率输出的因素v工作气体的成分 CO2产生激光 N2：共振激发，同时加速弛豫过程 He：抽孔下能级（碰撞），导热性好、散热不同结构具有不同最佳比例气体“老化”：分解、空气滲入、不同的解决方法v温度的影响：温度升高，下能级粒子数增多，功率绛低v放电电流的影响：一定范围内，电流增大功率增大；电流过大加速CO2分解和温度上升，功率下降322.5.3 激光加工的光学系统v作用:激光束的传输和处理(光斑大小和光强分布)v反射材料和透射材料v聚焦光学系统v匀光系统v导光系统33一、光学材料vYAG:1.06um，近红外，传统玻璃（硅酸硼冕牌玻璃），镀膜vCO2:10.6um,红外光学材料v
13、高反射率光学材料：铜、钼、硅、锗v透射材料：锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、砷化镓(GaAs),氯化钾(KCl)34CO2激光透射材料性能比较35常用反射材料的反射率36二、聚焦光学系统v透射聚焦：2kw以下时常用良好的聚焦性能、小光斑与工作区域较近、容易污染（气流保护）热透镜效应v反射聚焦：可用于大功率高导热材料、背面冷却镜面稳定、热畸变小、破坏阈值高同轴球面聚焦、离轴球面聚焦、校正的离轴球面聚焦37反射聚焦与透射聚焦Copyright 2003,TWI LtdWorld Centre for Materials Joining TechnologyBeam focusingReflecti
14、ve4kW Nd:YAG beam print150mm focal length 0.6mmPower density at focus 1,500,000 W/cm2Transmissive39双焦点的获得40三、匀光系统v目的：功率密度均匀分布的矩形光斑v形式：离焦光斑振动镜旋转多棱镜积分镜41匀光系统42四、导光系统v目的：将光束引入到加工位置v形式：光束转动和光学关节臂光纤传输系统分光系统v导光系统的保护（人身和镜面）43光束方向改变44YAG YAG 激光传输方式激光传输方式-光纤传输光纤传输45Laser46分光装置47扫描光路48激光加工设备主要部件辅助部件激光器激光器导光系统加工头工件装夹工件运动系统控制系统冷却系统光路保护装置辅助材料上下料质量监控2.5.4 工业激光加工系统493D laser cutting and welding 50激光加工系统图片51大功率激光切割机大功率激光切割机52中小功率激光焊接机中小功率激光焊接机53中小功率激光焊接机中小功率激光焊接机54大功率激光焊接机大功率激光焊接机55金刚石锯片激光焊接机金刚石锯片激光焊接机56缸套激光热处理机缸套激光热处理机
