激光加工光学系统

激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统

激光基础知识

1.1 激光的产生

三要素：1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质；

2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转；

3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡；

1.2 激光光束的特性

1）高光亮度——激光束发散角很小，光能量集中，光强度很高例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ；气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr)；固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr)；

若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光亮度

2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1－10 mrad（毫弧度）

3）高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度，可视为单波长。

4）高相干性——由于激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大（时间相干性好）；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干（空间相干性好）

1.3激光器的输出特性

1）激光波长——激光器输出准单色光；

不同激光器输出激光波长不同，材料吸收特性各不同；对不同材料用不同的激光来加工。

2）激光输出的能量和功率

连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒

脉冲激光: 峰值功率P

= 脉冲能量E / 脉冲宽度T

m

脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f

3）激光束的空间分布特性——

基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布；

振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径；对应的全角宽度定义为光束发散角；

为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法

高斯光束的参数：

束腰；

等相位面；

发散角；

基模多模

基模与低阶模

实际激光束的横模

c.调

Q 脉冲激光——用调Q 技术压

缩脉宽（纳秒量级），提高激光的

峰值功率（声光调Q 可达数百千

瓦；电光调Q 可至兆瓦以上）；

d.超短脉冲激光——用锁模技术压

缩脉宽到皮秒至飞秒量级，峰值功

率达1012W, 可作很多精密微加工；

4）激光束时间分布特性

a.连续激光——以连续恒定的功率来描述；

b. 普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级）.脉冲能量与脉冲频率来描述；

激光焊接常用脉宽1－10ms, 能量1至数十焦尔；峰值功率数千瓦；打孔和切割常用脉宽0.1－2ms ，能量为0.5－20j ；峰值功率达万瓦

5）激光束的偏振特性

光波是横向电磁波，电矢量与磁矢量总是在相互垂直方向上，一般只讨论电矢量的方向。

若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向，称为线偏振光；

若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向，称为线偏振光；若电矢量在传播过程中不改变大小而只改变方向，两相互垂直分量的振幅相等，而相位差是p/2，称为园偏振光；

若电矢量在传播过程中既改变大小又改变方向，称为椭园偏振光；若电矢量作无规变化，振幅方向不确定的光，称为自然光；

自然光与偏振光的混合光称为部分偏振光；

激光的偏振态对材料加工的效率和质量有较大影响。

1.4 激光束聚焦特性

1）高斯光束的聚焦，其聚焦光斑（束腰）

与透镜焦距；光束发散角；和激光波长成正比；与聚焦镜的象差也有关。

2）激光聚焦的焦深——激光聚焦在一定深度内，焦斑大小变化不大，叫焦深；研究证明：焦深与聚焦镜焦距平方成正比

1.5激光与物质的相互作用

1.5.1 激光与物质相互作用的能量转换

当激光照射到材料上，存在光的反射.透射与吸收；

影响的因素：激光波长.功率密度与激光作用时间；材料的密度.相变温度.熔点.气化点；材料表面对激光的吸收率.热导率等；

1）激光功率密度<103－104 W/cm2 ——光子传能量给电子；材料被加热升温并由外向里传热；

2）激光功率密度104－105W/cm2——达到材料相变点，材料金相结构出现变化；可作激光相变硬化；

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——材料汽化并形成等离子体；可作激光打孔.切割等加工。

1.5.2 吸收与反射

1）吸收率a=4ph/l h 为消光系数，因材料吸收而使光强衰减

2）各种材料的吸收差别很大，影响吸收率的主要因素——波长；温度；偏振态等

3)反射率R = (n-1)2+h2 / (n+1)2+h2

材料折射率越高，反射损耗越大

例如：光学玻璃n=1.5, 则R=0.04

红外材料ZnSe n=2.4, R=0.17

可见，在光学元件表面镀增透（减反）膜非常重要

1.5.3 金属材料对激光的吸收

金属表面的反射和吸收——强吸收和强反射，不透明

金属表面反射率与波长的关系

金属性质和表面状态的影响——粗糙表面或经表面处理，其吸收加大；

随着金属的熔化，反射率下降激光功率密度超过样品汽化阈值，材料汽化后，反射率

大减。