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。

一般，非金属材料对激光低反射，高吸收；而非金属材料熔点较低，导热性差，有利于激光加工
绝缘体材料对激光的吸收——与波长有很大的关系；如石英SiO2，硅Si是常用激光材料；又如玻璃.有机玻璃对YAG激光透明而对CO2激光是吸收的。

一. 半导体材料介于导体与绝缘体之间，载流子（电子与空穴）
的能级扩展为能带。

二. 影响激光与半导体相互作用的因素有：1）.激光波长功率等参数；2）.半导体的晶体结构.导电性能等。

3）.且吸收率随温度升高而增加很快。

4）半导体的激光破坏阈值较低。

有些半导体对可
见光不透明，而
对红外光相对透
明,可作CO 2激光
的光学材料：如
硅Si, 锗Ge
1.6 激光加工的特点
1）功率密度极高，可加工所有材料：金属.非金属.透明体等；2）非接触加工，速度快，效率高；
3）加工时间短，热影响区小，热变形和加工变形小；
4）激光束聚焦光斑小，可进行精细微加工；
5）激光束易于传导与聚焦，功率与能量易控，
6）可实现数控全自动化加工；
激光加工成套设备系统
1）激光器系统：工作物质；激励泵浦系统；谐振腔系统；
电源系统；激光控制系统；
2）冷却系统：冷却介质循环及净化系统；温控系统；
3）外光路系统：扩束镜系统；导光系统；聚焦系统；
观察与监视系统；
4）工作台系统：多维工作台；驱动电源系统；运动控制系统；
工装夹具系统；辅助吹气系统
5）程控系统：计算机系统；软件操作系统
6）安全防护系统：激光隔离与防护系统；烟雾抽排系统；员工防护系统等。

第一节激光系统用光学材料——谐振腔镜.聚焦系统的光学元件等；对于不同波长的激光，应选用不同的激光光学材料。

要考查材料的反射率；吸收率；破坏阈值；热传导率等
1.1 激光窗口和透镜材料：
1）YAG激光窗口和透镜材料：石英，光学玻璃
2）CO2激光窗口和透镜材料：ZnSe, Si, Ge, GaAs, CdTe等3）紫外激光窗口和透镜材料：紫外石英等
选取激光窗口和透镜的要求：
1）对该波长激光的光学吸收率小
2）热导率和热稳定性高
3）硬度和光洁度高
4）化学稳定性高
5）表面光学镀膜层性能高
1.3 光学元件表面镀膜材料：
膜层材料要吸收率小；激光破坏阈值高。

金属反射膜：金，银，铝（+介质膜）
多层介质反射膜：
硬膜：TiO
2
, ZrO2, SiO2, Al2O3等；熔点高，硬度大，
软膜: MgF
2, NaF, ZnS, ZnSe, ThF4等；
1.2激光反射材料
激光反射镜体材料—要求硬度高，表面光洁度好；热导率高；
对YAG激光可用K9玻璃；熔石英；
对中小功率CO2激光可用硅Si; 锗Ge; 砷化镓GaAs作反射镜基体；
对大功率CO2激光可用铜作高反镜基体，外加镀钼和金；内部通水冷却
1.4 材料的反射率与增透膜
1）反射率R = (n-1)2 / (n+1)2
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＝4%
红外材料ZnSe n=2.4, R=0.17＝17%
YAG晶体n=1.82, R=0.085＝8.5%可见，在光学元件表面镀增透膜非常重要
2）透射光学元件的增透膜（AR减反膜）
对增透膜要注意：
1.中心波长要同于激光波长；
2.镀膜材料—硬膜还是软膜；
1.5 光学元件的清洁
一）光学元件的拿取——带指套侧拿，防止手油与口气；二）光学元件的清洁——
一般灰尘用气球吹；
污漬用长纤棉签或镜头纸蘸无水乙醇+乙醚（1：1）拖擦；不要用丙酮；
1.6 光学零件的加工流程
光学零件加工工艺流程：
1）毛坯与成形:选料——开坯——滚园——粗磨——细磨——检验
（批量生产用金刚石磨具铣磨或大批量用压铸成形）2）精磨与抛光；上盘——精磨——抛光(经常检查光洁度与用样板看光圈）
——下盘，清洗，——检查厚度，涂保护膜——第二面上盘——精磨——抛光——检验——下盘——清洗
（批量用高速抛光）
3）定中心磨边与倒角——清洗——检验
4）真空镀膜
真空镀膜设备
第二节激光的传导
2.1激光的反射镜导光（硬光路）
要求精确，稳固，安全，防尘；
激光加工多维工作台
工作台二维运动
光束工作台各一维运动
光束二维移动：
五轴联动：
例：行架移动式切割机－激光聚焦头行架式行走加工幅面大；要注意近端与远端的激光聚集差异；
2.2 多关节导光臂——半柔性传输激光
2.3 光纤传光系统
一）光纤传光的优点：柔性传输；远距传输；分光传输；匀光传输
例四光束光纤传光激光焊接机
二）光纤传光原理与特性
光的全反射条件: 临界角Sin Q=n2/ n1
入射到光纤端面的光在２f m以内的，都能在纤芯内无损耗传输；
Sin f m= (n12-n22)1/2 / n0
光纤的数值孔径NA=n0Sin f m = (n12-n22)1/2
一般：通讯光纤NA=0.3--0.4, f=23度，芯径0.1--0.15毫米强光光纤NA=0.2--0.22, f=12.7度，芯径0.4--1毫米
高斯光束经透镜聚焦：聚焦光斑（束腰）与
透
镜焦距，光束发散角，和
激光波长成正比；
聚焦镜象差也有影响。

第三节激光的聚焦
3.1 激光束的聚焦特性
高斯光束聚焦光斑：D=2l F/pw (l)=F Q 0
3.2 激光扩束镜
一）激光扩束镜的作用——扩束激光束，压缩激光束发散角；
倍率等于物镜与目镜焦距之比。

由于高斯光束聚焦光斑与光束发散角成正比，大多数激光加工聚焦系统都用激光扩束镜压缩激光束发散角。

二）扩束镜的构造——多用倒装的伽利略望远镜
确定扩束镜的倍率，口径与筒长
4.1 激光双点焊
第四节
特殊要求的光路系统
镜前双光楔
镜后双光楔
组合镜
半反膜片分光
4.3匀光技术
一）光束半切
反叠匀光
二）光纤匀光三）专用匀光器件
第五节激光扫描聚焦系统5.1 激光一维扫描与聚焦系统
激光扫描原理—二维振镜使光束作X-Y 方向运动，控制振镜可使光束作逐行扫描或矢量式二维书写。

5.2 激光二维扫描与聚焦——
振镜式激光打标
一）镜后扫描系统
二）镜前扫描系统：
平场透镜（F-Q镜）的作用：
1. 使激光聚焦在工件平面上；
2. 聚焦光点距中心的距离正比于焦距F和偏转角Q（弧度）的乘积；
3. 为了克复倾斜光束聚焦投影的拉长变形，可用远心物镜，其扫描光束的中心光线总是平行于系统光轴。

二维振镜。