第3章 激光材料加工基本原理

二极管激光器与其它种类激光器的比较
基于二极管激光器的激光加工设备
光纤耦合输出的高功率二极管激光器
二极管激光器的主要用途
光纤传输系统


光纤耦合技术； 激光束传播方式与质量控制规律;
高功率光纤输出
光纤耦合技术



光纤传输高功率激光，必须确保端口无污 染： 高功率激光传输时的功率密度必须严格控 制：采用较大尺寸的芯径，则聚焦能力将 受到影响；5kw激光能够在400um的芯径 中传输。 也可以采用多芯径复合方式。
波长
激励方式 标称功率 范围（典型） 激光束
10.6um
射频激励（RF） 6000W 1500～6000W
稳定性
直径 发散角 偏振状态 频率 脉宽 级别 时间/增量 气体类型 消耗量 更换间隔 方式
±2%（24小时）（冷却水的温度变化ΔT≤±1K）
≥25 < 30 mm（10米远的距离） 超过10米远距离的数据可以根据要求从Rofin-Sinar获得 光束质量因子：K > 0.9 ≤0.15mm mrad (EN ISO11145) 线偏振，相对水平面成45o角 2 - 100 Hz 26us-连续 0.0~100.0% 0～65535ms/增量 Rofin-Sinar特定的预混合气体 < 0.2 Nl / h (Nl = liter) 72 h 半自动

由于：
act
DL 2f

2 r d min
2
2 K4 = 1/ M M f d min K≤1，K越大，光束质量越好。 DL
请注意P87面推导的几个公式
P89面给出了M2的计算方式：
聚焦深度（焦深）

Zf =± 2.56f2M2λ /D2 (P94, 2.21)
1.3 评价工业激光器性能指标的 关键技术参数



高功率激光加工过程中，由于热积累，导 致镜片的折射率（主要原因）和形状发生 （次要原因）变化，并最终导致聚焦点位 置和光斑大小发生变化的现象——热透镜 效应，一般发生在窗口镜和聚焦镜上。 （公式P92面描述了几个重要参数） 表2.6给出了红外材料的主要常数：ZnSe 效果最为理想！
红外晶体透镜
y
x
0
y
z
x
在垂直于光传播方向的平面 内，右旋圆偏振光的电矢量 随时间变化顺时针旋转
右旋圆偏振光在三维空间中 电矢量左旋
圆偏振光与径向偏振光切割对比
在 相 同 的 条 件 下 进 行 激 光 切 割 ， 径 向 偏 振 光 RTEM01* 比圆偏振光 TEM00 的效率高，即切割深度与切割速 度的乘积值提高了1.5—2倍。
Байду номын сангаас
ZnSe镜片
GaAs镜片
单一透镜聚焦过程
激光加工时的焦深


激光束沿着深度方向具有大约相同强度的 长度，一般定义为光斑直径变化±5％。 对于基模激光， Zf≌±2.56(f/D)2λ 对于多模激光， Zf≌±2.56(f/D)2M2λ f↑，D↓,M2 ↑， λ↑，则焦深越深！
（3）光学元器件
组合镜
2

M2因子

定义光束发散角的比值M为： act 0 M gauss act
act 2 M Q r
M2≥1，M2越小，光束质量越好
M2因子——K因子
2 K = 1/ M M2≥1，M2越小，光束质量越好 K≤1 ，K越大，光束质量越好。 2 M 主要取决于激光谐振腔的结构

dmin 2.44 f / D2 p l 1
M2因子
激光器的发散角与其谐振腔的尺寸密切相关。
gauss 0 /
11 gauss 0 /
2 2 0
z ( z ) 1 2 0
近场光学加工
扩束之后：D2=D1f2/f1
最小光斑：dmin=2.44 fλ/D
焦深： Zf≌±2.56(f/D)2λ
微——纳制造技术的关键： 短焦距（高倍扩束）、大镜头、短波长
金属镜片：聚焦镜和平面镜


透镜一般 难以承受 高功率激 光 （>3kw)！ 金属镜可 以用于高 功率激光！
常温下金属对激光的反射率（％）
（2）激光器的功率大小、稳定性与可靠性
能够聚焦的最小光斑直径：
什么激光器最好？？？
连续运行时间：
（3）激光器的电－光转换效率； 激光器的运行成本和维护成本 功率波动范围：
（4）脉冲激光的波长、脉宽、峰值功率 （5）激光器与加工机床或机器人的适配性。
（1）激光束质量的评价方式和标准；
波长：
光束模式与光斑直径 偏振光（线偏振和圆偏振）
相变、熔化、气化、形 成等离子体
最小光斑直径、M2、K因子 球差 热透镜效应； 组合镜 聚焦深度；
光束模式与光斑直径
快轴流激光器一般为低阶模， 板条激光器为高斯模（基模）。
不同模式下的激光能量分布
什么样 的光束 模式质 量最好？
激光束 输出模 式的检 测？
最小光斑直径
如何获得最小的光斑直径， 定义：激光强度的 1/e2为激光束的半径 获得最好的加工质量！ 激光的模式直接影响聚焦性能，基模 TEM00在衍射极限下，在透镜上直径为D的 光束，最小焦斑直径： dmin=2.44 fλ/D 对于多模激光束：
反射聚焦镜（非球面铜镜）
扫描振镜和多棱镜
扫描振镜
（4）光纤传输系统


光纤耦合技术； 激光束传播方式与质量控制规律;
光纤耦合技术



光纤传输高功率激光，必须确保端口无污 染： 高功率激光传输时的功率密度必须严格控 制：采用较大尺寸的芯径，则聚焦能力将 受到影响；5kw激光能够在400um的芯径 中传输。 也可以采用多芯径复合方式。
100 (150* ) µ m
up to 200m < 4.1 (5.8*) mm x mrad
Foot Print
Height Cooling capacity WPE (wt cooler )
800 x 860 mm
1.500 mm 16 kW > 27%
1.3 工业激光器性能的关键技术参数
（1）光束质量：远场发散角；M2因子；K值；
脉冲发生器 （可选）
斜坡发生器 （可选）
激光气体
光纤激光器的主要技术参数指标
Nominal laser power (at the workpiece) Maximum laser power Wavelength: 6.0 kW 1070 nm > 5.0 kW
Fiber core:
Fiber Length BPP
本课程的讲授思路
激光加工技术 及系统集成 （成套设备） 激光加工技术 与辅助装备 激光束与物质的 交互作用 过程与机理 激光束质量
评价及光学 系统 激光器
光学系统重点介绍的内容
波长 光束模式与光斑直径 偏振光（线偏振和圆偏振）
（1）激光束质量的评价方式和标 准； 圆偏振镜 扩束镜 光纤耦合技术； （2）单一透镜聚焦过程 金属镜片：聚焦镜和平面镜 激光束传播方式与质量控制规 扫描振镜 ; （3）光学元器件 律 （4）光纤传输系统 （5）激光束与材料的交互作用；
激光与等离子体相互作用
回忆
等离子体及特性
带电粒子+中性粒子 准中性 集体行为，最小尺度为德拜长度 等离子体振荡：langmuir 波
nee 1/ 2 p ( ) 0 me
2
Saha方程：热平衡下，气压、温度和电离势的关系
回忆
激光等离子体的产生机理
热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、蒸汽易电 离、自由电子吸收激光、进一步电离—高功率+金属 光电离：1个或者数个短波长激光光子被环境气体中的原子 吸收，由于光子能量大于电离势—单光子：紫外；多光子： 波长小于1m 电子崩或级联电离：环境气体中的自由电子吸收激光能量， 运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子崩，电子密度呈 指数增长---环境气体+长波激光。 混合机制:竞争及耦合
E
·
面对光的传播方向看
面 振 动
y
线偏振光可沿 两个相互垂直 的方向分解
E x E cos E y E sin
Ey
E Ex
x
C、圆偏振光束
在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的大小不变， 但随时间以角速度旋转，其末端的轨迹是圆。这种光叫做圆 偏振光。某一固定时刻 t0 ，在传播方向上各点对应的光矢量 的端点轨迹是螺旋线. 随着时间推移， 螺旋线以相速前移。
圆偏振镜 扩束镜 金属镜片：聚焦镜和平面镜 扫描振镜
组合镜


采用组合镜，消除球差！消除色散！！ 单块镜，采用特殊非球面加工
激光加工的光路补偿
消除偏振——圆偏振镜

将特殊设计的镜片使得光束的 相位移发生90o变化，形成圆 偏振光。
扩束镜－降低发散角的重要途径
D2=D1f2/f1
等离子体点燃时间
什么时候产生等离子体？
1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据，提出了激光等离子体点燃的经 验判据是：
P t
2 / 3 1/ 2 0.36
(0.95 1.5) 10
2
P : W / cm t:s : m
2
只与激光本身有关（光强、 波长、脉冲宽度）
与靶表面特性无关？？
温州大学研究生课程 激光先进制造技术
第3章 激光材料加工基本原理
2013年秋·机电工程学院
二极管激光器
利用p-n结中电子从高能态（导带） 跃迁到低能态（价带）发射光子， 晶体平行的解理面构成谐振腔， 产生激光束