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《激光加工光學系統(tǒng)20120229》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在應用文檔-天天文庫。
1、激光加工機的光學系統(tǒng)--激光束傳輸.聚焦和觀察系統(tǒng)激光基礎知識1.1激光的產生三要素：1.具有亞穩(wěn)態(tài)能級的激活介質——激光工作物質；2.能量泵浦源——提供能量以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；3.激光諧振腔——多次光放大維持激光振蕩；1.2激光光束的特性1）高光亮度——激光束發(fā)散角很小，光能量集中，光強度很高例如：太陽光亮度3x102W/(cm2.sr)；氣體激光器的光亮度106W/(cm2.sr)；固體激光器的光亮度可達1011W/(cm2.sr)；若進一步將激光束聚焦（空間上集中）或壓縮脈沖寬度（時間上集中），則激
2、光束更有極高的光亮度2）高方向性——由于諧振腔對光束方向的限制，激光束發(fā)散角很小。例如He-Ne激光器的發(fā)散角10-1mrad;固體激光器的發(fā)散角1－10mrad（毫弧度）3）高單色性——激光的譜線寬度極窄——準單色光；若進一步采用穩(wěn)頻和選取單一縱模，更可大大壓縮譜線寬度，可視為單波長。4）高相干性——由于激光的譜線寬度極窄，傳播中能產生相干的兩點的時間間隔很大（時間相干性好）；又激光發(fā)散角很小，方向性很高，激光束波前面內任意兩點均相干（空間相干性好）1.3激光器的輸出特性1）激光波長——激光器輸出準單
3、色光；不同激光器輸出激光波長不同，材料吸收特性各不同；對不同材料用不同的激光來加工。2）激光輸出的能量和功率連續(xù)激光:激光功率P=激光能量/秒脈沖激光:峰值功率P=脈沖能量E/脈沖寬度Tm脈沖激光:平均功率P=脈沖能量Ex脈沖頻率f3）激光束的空間分布特性——基模（TEM00）高斯光束——光場振幅按高斯函數(shù)分布；振幅值下降到1/e(=0.368)強度下降到中心強度1/e2的光斑寬度定義為光斑半徑；對應的全角寬度定義為光束發(fā)散角；為了改善發(fā)散角可用小孔選模，非穩(wěn)腔選模，拉長諧振腔等方法高斯光束的參數(shù)：束腰
4、；等相位面；發(fā)散角；實際激光束的橫?；Ｅc低階?；６嗄?）激光束時間分布特性a.連續(xù)激光——以連續(xù)恒定的功率來描述；b.普通脈沖激光——以脈沖寬度(毫秒量級）.脈沖能量與脈沖頻率來描述；激光焊接常用脈寬1－10ms,能量1至數(shù)十焦爾；峰值功率數(shù)千瓦；打孔和切割常用脈寬0.1－2ms，能量為0.5－20j；峰值功率達萬瓦c.調Q脈沖激光——用調Q技術壓縮脈寬（納秒量級），提高激光的峰值功率（聲光調Q可達數(shù)百千瓦；電光調Q可至兆瓦以上）；d.超短脈沖激光——用鎖模技術壓縮脈寬到皮秒至飛秒量級，峰值功率達1
5、012W,可作很多精密微加工；5）激光束的偏振特性光波是橫向電磁波，電矢量與磁矢量總是在相互垂直方向上，一般只討論電矢量的方向。若在傳播過程中電矢量只改變大小而不改變方向，稱為線偏振光；若在傳播過程中電矢量只改變大小而不改變方向，稱為線偏振光；若電矢量在傳播過程中不改變大小而只改變方向，兩相互垂直分量的振幅相等，而相位差是p/2，稱為園偏振光；若電矢量在傳播過程中既改變大小又改變方向，稱為橢園偏振光；若電矢量作無規(guī)變化，振幅方向不確定的光，稱為自然光；自然光與偏振光的混合光稱為部分偏振光；激光的偏振態(tài)對
6、材料加工的效率和質量有較大影響。1.4激光束聚焦特性1）高斯光束的聚焦，其聚焦光斑（束腰）與透鏡焦距；光束發(fā)散角；和激光波長成正比；與聚焦鏡的象差也有關。2）激光聚焦的焦深——激光聚焦在一定深度內，焦斑大小變化不大，叫焦深；研究證明：焦深與聚焦鏡焦距平方成正比1.5激光與物質的相互作用1.5.1激光與物質相互作用的能量轉換當激光照射到材料上，存在光的反射.透射與吸收；影響的因素：激光波長.功率密度與激光作用時間；材料的密度.相變溫度.熔點.氣化點；材料表面對激光的吸收率.熱導率等；1）激光功率密度<10
7、3－104W/cm2——光子傳能量給電子；材料被加熱升溫并由外向里傳熱；2）激光功率密度104－105W/cm2——達到材料相變點，材料金相結構出現(xiàn)變化；可作激光相變硬化；3）激光功率密度105－106W/cm2——材料熔化，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——材料汽化并形成等離子體；可作激光打孔.切割等加工。1.5.2吸收與反射1）吸收率a=4ph/lh為消光系數(shù)，因材料吸收而使光強衰減2）各種材料的吸收差別很大，影響吸收率的主要因素——波長
8、；溫度；偏振態(tài)等3)反射率R=(n-1)2+h2/(n+1)2+h2材料折射率越高，反射損耗越大例如：光學玻璃n=1.5,則R=0.04紅外材料ZnSen=2.4,R=0.17可見，在光學元件表面鍍增透（減反）膜非常重要1.5.3金屬材料對激光的吸收金屬表面的反射和吸收——強吸收和強反射，不透明金屬表面反射率與波長的關系金屬性質和表面狀態(tài)的影響——粗糙表面或經表面處理，其吸收加大；激光功率密度超過樣品汽化閾值，材料汽化后，反射率隨著金屬的熔
