特种加工技术

被激发到高能级的原子一般是很不稳定的．它总是力图能
回到能量较低的能级去，原子从高能级回落到低能级的过程称
为“跃迁”。 在基态时，原子可以长时间地存在，而在激发状态的各种 高能级的原子停留的时间(称为寿命)一般都较短，常在0.01µs 左右。但有些原子或离子的高能级或次高能级却有较长的寿 命，这种寿命较长的较高能级称为亚稳态能级。 激光器中的氦原子、二氧化碳分子以及固体激光材料中的 铬或钕离子等都具有亚稳态能级，这些亚稳态能级的存在是形
（一）强度高 激光的强度和亮度之所以如此高，原因在于激光可以实现光能 在空间上和时间上的亮度集中。 就光能在空间上的集中而论，如果能将分散在180°立体角范围 内的光能全部压缩到0.18°，其亮度提高一百万倍。 就光能量在时间上的集中而论，如果把一秒钟时间内所发出的 光压缩在亚毫秒数量级的时间内发射，形成短脉冲，则在总功率不 变的情况下，瞬时脉冲功率又可以提高几个数量级，从而大大提高 了激光的亮度。
三、激光加工的特点
1)激光加工的功率密度高达108 ～1010 W／cm2 ，几乎可以 加工任何材料。 2)激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节， 因此可用以精密微细加工。 3)加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显 的机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容 易实现加工过程自动化。还能通过透明体进行加工，如对真空 管内部进行焊接加工等。 4)激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。 5)激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响 因素很多，因此，精微加工时，精度，尤其是重复精度和表面 粗糙度不易保证，必须进行反复试验。 6)加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽 走，操作者应戴防护眼镜。
放电管一般用硬质玻璃管做成，对要求高的二氧化碳激光 器可以采用石英玻璃管来制造，放电管的直径约几厘米，长度 可以从几个厘米至数十米，二氧化碳气体激光器的输出功率与 放电管长度成正比。为了缩短空间长度，长的放电管可以做成 折叠式，如图5—8b所示。 二氧化碳气体激光器的谐振腔多采用平凹腔，一般总以凹 面镜作为全反射镜，而以平面镜作输出端反射镜。全反射镜一 般镀金属膜，如金膜、银膜或铝膜。 二氧化碳激光器的激励电源可以用射频电源、直流电源、 交流电源和脉冲电源等，其中交流电源用得最为广泛。
这时当有频率为 可以产生从能级 E2
E E1 n h
的光子去照射“刺激”它时，就 的受激辐射跃迁，出现雪崩式连锁 反
到 E1
E E1 n h 应，发射出
的单色性好的光，这就是激光。
E2
E2
二、激光的特性 激光也是一种光，它具有一般光的共性(如光的反射、折 射、绕射以及光的干涉等)，也有它的特性。 普通光源的发光是以自发辐射为主，而激光则不同。它的 光发射是以受激辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织 地、相互关联地产生光发射的，发出的光波具有相同的频率、 方向、偏振态和严格的位相关系。 正是这个质的区别才导致激光具有强度高、单色性好、相 干性好和方向性好。下面分别进行讨论。
二、激光加工常用激光器 目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器 和气体激光器。按激光器的工作方式可大致分为连续激光器和 脉冲激光器。 固体激光器一般采用光激励，能量转化环节多，光的激励 能量大部分转换为热能，所以效率低。为避免固体介质过热， 固体激光器通常多采用脉冲工作方式。由于晶体缺陷和温度引 起的光学不均匀性，固体激光器不易获得单模而倾向于多模输 出。 1.固体激光器的基本组成 图5—4是固体激光器的结构示意图，它包括工作物质、光 泵、玻璃套管和滤光液、冷却水、聚光器以及谐振腔等部分。
第五章
激光加工
一.激光加工的原理和特点 二.激光加工的基本设备 三.激光加工工艺及应用
激光加工是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学，
在材料加工方面，已逐步形成了一种崭新的加工方法
光加工（Lasser Beam Machining 简称 LBM）。
激
激光加工可用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、 热处理以及激光存贮等各个领域。由于激光加工不需要加工 工具、而且加工速度快、表面变形小，可以加工各种材料。 激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到 很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料。
激光是可控的单色光，强度高，能量密度大，可以在空
气介质中高速加工各种材料，日益获得广泛的应用。
c v
第一节
激光加工的原理和特点
一、激光的产生原理 光既具有波动性，又具有微粒性，也就是说，光 具有波粒二象性。 根据光的电磁学说，可以认为光实质上是在一定 波长范围内的电磁波。同样也有波长λ，频率ν，波 速c，三者之间的关系为
聚光器的作用是把氙灯发出的光能聚集在工作物质上，一 般可将氙灯发出来的80％左右的光能集中在工作物质上。常用 的聚光器有如图5—5所示的各种形式。图a为圆球形，图b为圆 柱形，图c为椭圆柱形，图d为紧包裹形。其中圆柱形加工制造 方便，用得较多。椭圆柱形聚光效果较好，也常被采用。为了 提高反射率，聚光器内面需磨平抛光至Ra 0.025µm，并蒸镀一 层银膜、金膜或铝膜。
谢
谢！
第二节
激光加工的基本设备
一、激光加工机的组成部分 激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械 系统等四大部分。 (1)激光器 是激光加工的重要设备，它把电能转变成光 能，产生激光束。 (2)激光Байду номын сангаас电源 为激光器提供所需要的能量及控制功能。 (3)光学系统 包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，后者能 观察和调整激光束焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上。 (4)机械系统 主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工 作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，目前已采用计 算机来控制工作台的移动，实现激光加工的数控操作。
c λ= v
如果把所有电磁波按波长（频率）依次进行排列， 就可以得到电磁波波谱（图5-1）。
根据光的量子学说，又可以认为光是一种具有一定能量的 以光速运动的粒子流，这种具有一定能量的粒子就称为光子。 不同频率的光对应于不同能量的光子，光子的能量与光的频率 成正比，即
E＝hν
E—光子能量； ν—光的频率； h—普朗克常数。 对应于波长为0.4µm的紫光光子能量等于4.96×10-17J； 对应于波长为0.7µm的红光的光子能量等于2.84×10-17J 。 一束光的强弱与这束光所含的光子多少有关，对同一频率 的光来说。所含的光子数多，即表现为强；反之表现为弱。 式中
(2)钕玻璃激光器 钕玻璃是掺有少量氧化钕（Nd2O3 ）非 晶体硅酸盐玻璃，钕离子( Nd 3)的质量分数在1％—5％左右， 吸收光谱较宽，发射 ＝1.06µm的红外激光。 钕玻璃激光器是四能级系统激光器，因为有中间过渡能 级，所以比红宝石之类的三能级系统更容易实现粒子数反转， 如图5—7所示．在通常情况钕玻璃激光器的效率可达 2％-3％左右，钕玻璃棒 具有较高的光学均匀性， 光线的发射角小，特别适 用于精密微细加工。钕玻 璃价格低，易做成较大尺 寸· 输出功率可以做得比 较大。其缺点是导热性 差．必须有合适的冷却装 置。
2．原子的发光 原子由原子核和绕原子核转动的电子组成。原子的内能就 是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。 如果由于外界的作用，使电子与原子核的距离增大或缩小，则 原子的内能也随之增大或缩小。 只有电子在最靠近原子核的轨 道上运动才是最稳定的，称为 基态。当外界传给原子一定的 能量时（例如用光照射原子） 原子的内能增加。外层电子的 轨道半径扩大，被激发到高能 级。称为激发态或高能态。 图5-2是氢原子的能级，图中最 低的能级是最下面一级称为基 态，其余都称为高能态。
2．固体激光器的分类 固体激光器常用的工作物质有红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝 石榴石三种。 (1)红宝石激光器 红宝石是掺有浓度为0.05％氧化铬的 氧化铝晶体，发射 =0.6943µm红光．它易于获得相干性好的 单模输出，稳定性好。 红宝石激光器是三能级系统激光器，主要是铬离子起受激 发射作用。图5—6表示红宝石 激光跃迁情况。 红宝石激光器在激光加工 发展初期用得较多．现在大多 已被钕玻璃激光器和掺钕钇铝 石榴石激光器所代替。
(三)相干性好 光源的相干性可以用相干时间或相干长度来量度。相干时 间是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间 隔。在这个最大的时间间隔内光所走的路程(光程)就是相干长 度，它与光源的单色性密切有关，即
02 L
式中
(5-4)
L——相干长度； 0 —— 光源的中心波长； ——光源的谱线宽度。 单色性越好， 越小，相干长度就越大，光源的相干性也 越好。某些单色性很好的激光器所发出的光，采取适当措施以 后，其相干长度可达到几十公里。
n 1
(二)激光的产生 某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激 发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级(亚稳态)的原子 (或粒子)数目大于处于低能级(基态)的原子数目，这种现象称 为“粒子数反转”。在粒子数反转的状态下，如果有一束光子 照射该物体而光子的能量恰好等于这两个能级相对应的能量 差，这时就能产生受激辐射，输出大量的光能。 例如人工晶体红宝石，基本成分是氧化铝，其中掺0.05% 氧化铬，正铬离子镶嵌在氧化铝的晶体中，发射激光的是正铬 离子。当脉冲氙灯照射红宝石时，是处于基态 E1 铬离子大量 的激发到 En 状态，由于 En 寿命很短，En 状态的铬离子有很 快地跳到寿命较长的亚稳态 E2 。如果照射光足够强，就能在 千分之三秒时间内，把半数以上的原子激发到高能级 n ， E 并转移到 E2 。从而在 E2 和 E1 之间实现了粒子数反转。 如图5-3所示。
(二)气体激光器 气体激光器一般采用电激励．因其效率高、寿命长、连续 输出功率大，所以广泛用于切割、焊接．热处理等加工。常用 于材料加工气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。 1．二氧化碳激光器 二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作物质的分子激光 器．连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的气体 激光器．它发出的谱线是在10.6µm附近的红外区，输出最强的 激光波长为10.6µm。 二氧化碳激光器的效率可以高达20％以上，这是因为二氧 化碳激光器的工作能级寿命比较长，大约在10-1 ～10-3 s范围 内。 二氧化碳激光器的一般结构如图5-8所示，它主要包括放 电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等部分。