第3章 激光材料加工基本原理
激光材料加工的技术教程
激光材料加工的技术教程激光材料加工是一种高精度、高效率的加工方法，广泛应用于电子、光电子、医疗、航空航天等领域。
本篇文章将介绍激光材料加工的基本原理、常见的加工方法和应用案例，帮助读者全面了解激光材料加工的技术。
一、激光材料加工的基本原理激光材料加工是利用激光的高能量密度作用于材料表面，使其发生化学、物理变化的加工方法。
激光光束经过光学系统的聚焦后，能够在非常狭窄的区域产生高温或瞬间高压，从而实现对材料的切割、焊接、打孔、表面改性等精细加工。
激光材料加工的基本原理包括以下几个方面：1. 激光的选择：不同波长的激光适用于不同类型的材料加工。
常见的激光包括CO2激光、Nd:YAG激光和纤维激光，每种激光都有着自己的特点和适用范围。
2. 光学系统的设计：光学系统是激光加工的关键部分，它能够将激光光束聚焦到目标区域，并控制焦点尺寸和形状。
透镜和反射镜是常用的激光光学元件。
3. 材料与激光的相互作用：激光与材料的相互作用方式主要有吸收、穿透、反射和散射。
材料的吸收特性对激光加工的效率和质量有很大影响。
4. 辐射热传递：激光加工过程中，由于高能量密度的聚焦，会产生较高的温度，材料内部的热会通过传导和辐射的方式进行传递。
材料的热导率和热扩散系数决定了加工过程中的热影响区域和加工速度。
二、常见的激光材料加工方法1. 激光切割：激光切割是利用激光束对材料进行切割的一种方法。
它可以实现对金属、塑料、陶瓷等材料的高精度切割。
激光切割的过程是先将激光光束聚焦到材料表面形成小孔，然后通过气体喷射将熔化的材料吹散。
激光切割具有非常窄的切缝、高精度和不接触材料等优点。
2. 激光焊接：激光焊接是利用激光束对材料进行焊接的一种方法。
它可以实现对金属材料的高质量焊接，尤其适用于焊接薄板和复杂结构件。
激光焊接的过程是先将激光光束聚焦到焊缝上，使焊缝区域升温熔化，并形成焊接接头。
激光焊接具有热影响区小、变形小和焊接速度快等优点。
3. 激光打孔：激光打孔是利用激光束对材料进行打孔的一种方法。
激光加工技术简介
激光加工技术的应用
• • • • • • 激光切割 激光焊接 激光打孔 激光热处理 激光打标 激光快速成型
激光切割
• 激光切割过程中，不会使 布料变形或起皱，激光切 割尺寸精度高，激光切割 形状可随着图稿进行任意 更改，增加了设计的实用 性和创造性。
激光焊接
• 利用激光的能量把工件上加工区的材料熔化使之粘合 在一起。可实现同种材料、不同种材料甚至于金属与 非金属材料的焊接，如用于集成电路、晶体管元件等 地微型精密焊接。
激光加工技术的特征
• 光点小，能量集中，热 影响区小 • 不接触加工工件，对工 件无污染不受电磁干扰 • 激光束易于聚焦、导向 • 范围广泛 • 安全可靠 • 精确细致 • 效果一致 高速快捷 成本低廉 切割缝细小 切割面光滑：激光切割的 切割面无毛刺。 • 热变形小 • 适合大件产品的加工 • 节省材料 • • • •
激光的特点
• 高单色性 由于激光的单色性极高，从而保证 了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功 率密度。
• 高相干性 相干性主要描述光波各个部分的相 位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因 此在工业加工中得到了广泛地应用
• 高方向性 激光的高方向性使其能在有效地传 递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高 的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件
激光快速成型
• 将激光加工技术和计算机 数控技术及柔性制造技术 相结合而形成。多用于模 具和模型行业。目前使用 的激光器多以YAG激光器 、CO2激光器为主。
• 高亮度 固体激光器的亮度更可高达 1011W/cm2Sr。不仅如此，具有高亮度的激光 束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃 至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所 有的材料。
激光加工的基本原理
激光加工的基本原理
激光加工是一种利用高能激光束对材料进行切割、刻蚀、焊接等加工的技术。
其基本原理是利用激光器产生的高能激光束，通过光束发射装置将其聚焦成高能密集的光点，然后将光点扫过待加工材料表面，使材料在激光束的作用下发生熔化、汽化、氧化或剥离等反应，从而实现对材料的精密加工。
激光加工的原理主要涉及以下几个方面：
1. 激光器：利用激光介质（如气体、固体或半导体等）在外界激励下产生激光。
2. 光束发射装置：将激光束聚焦成一束高能密集的光点，可通过透镜、反射镜等光学元件实现。
3. 材料与激光的相互作用：激光束照射到材料表面后，其能量将被吸收、反射或透射。
吸收能量最多的材料通常是适合激光加工的材料。
4. 加工过程：激光束在加工材料表面形成极小的热源，使材料局部加热，进而发生熔化、汽化、氧化或剥离等反应。
加工方法包括切割、刻蚀、焊接等。
激光加工的优势主要有以下几个方面：
1. 高精度：激光束聚焦成极小的光点，可实现对材料的精细加工，具有较高的加工精度和分辨率。
2. 高效率：激光加工速度快，加工效率高，适用于批量生产和大规模加工。
3. 无接触加工：激光加工过程中，材料和激光之间没有物理接触，可避免材料的污染和变形。
4. 宽材料适应性：激光加工可适用于多种材料，包括金属、塑
料、陶瓷等。
5. 灵活性：激光加工可实现对复杂形状的加工，可根据需要进行定制和个性化设计。
总之，激光加工通过高能激光束对材料进行加工，具有高精度、高效率、无接触、宽材料适应性和灵活性等优势，广泛应用于制造业、电子工业、医疗器械、航空航天等领域。
激光加工原理
激光加工原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。
由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。
由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。
激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。
热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。
光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。
冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。
这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。
例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，在半导体基片上开出狭窄的槽。
第一版激光加工简介激光加工是激光系统最常用的应用。
根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。
激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。
包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。
激光工作物质及基本原理课件
化学激励
化学反 应
等离子体激励
Байду номын сангаас
04
激光应用
激光加工技 术
激光切割 激光打标 激光焊接
激光在军事领域的应用
激光武器
激光雷达
激光在医疗领域的应用
激光治疗
利用激光束对病变组织进行照射，具有治疗精度高、副作用小等优点。
激光美容
利用激光束对皮肤进行改善和治疗，具有效果显著、安全可靠等优点。
激光在科研领域的应用
激光光谱学
利用激光束对物质进行激发和检测，研究物质的分子结构和化学性质。
激光物理
研究激光产生、传播和控制的基本物理规律，推动激光技术的发展和应用。
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激光工作物质及基本原 理课件
• 激光工作物质 • 激光产生的基本原理 • 激光工作物质的激发方式 • 激光应用
01
激光工作物 质
激光工作物质的分类
01
02
03
按照能级结构分类
按照物理形态分类
按照激发方式分类
激光工作物质的特性
稳定性
。
转换效率
热稳定性 化学稳定性
典型激光工作物 质
气体
固体
液体
02
激光产生的基本原理
激光产生的物理基础
原子结构
激发态与基态 粒子数反转
激光激发方式
光学泵浦 电子束泵浦
激光输出特性
单色性 激光输出的光子具有相同的频率和波 长，因此具有极高的单色性。
高亮度
由于激光是受激发射产生的，因此其 光子具有相同相位和偏振方向，导致 激光输出具有极高的亮度。
方向性
由于激光光子具有相同的偏振方向和 相位，因此激光输出具有极强的方向 性。
激光加工概述
激光加工是一种利用高能量密度激光束进行材料加工的先进技术。
它在制造业中具有广泛应用，包括切割、焊接、打孔、雕刻和表面处理等领域。
激光加工的原理基于激光光束的特性。
激光是一种高强度、单色、相干和定向性很好的光束。
通过聚焦激光束，可以将其能量集中到非常小的区域，从而使材料发生熔化、蒸发或气化等反应，实现对材料的加工。
激光加工具有许多优点。
首先，激光加工非常精确，可以实现微米级甚至亚微米级的加工精度。
其次，激光加工无需直接接触材料，因此可以减少机械变形和污染。
此外，激光加工速度快、灵活性高，适用于各种材料，包括金属、塑料、陶瓷和玻璃等。
在激光加工中，常用的激光类型包括CO2激光、纤维激光和固态激光等。
不同类型的激光在加工过程中具有不同的特点和应用范围。
例如，CO2激光适用于金属切割和焊接，而纤维激光则适用于精细雕刻和打标。
总之，激光加工是一种高精度、高效率的材料加工技术，在制造业中扮演着重要角色。
随着激光技术的不断发展，激光加工将继续推动制造业的进步和创新。
1。
激光加工工艺原理与创新技术探索
激光加工工艺原理与创新技术探索激光加工工艺是一种基于激光技术的加工方法，利用激光束对材料进行热熔、热蒸发或者热氧化等过程，实现对材料的切割、焊接、打孔、雕刻等加工操作。
在工业生产中，激光加工工艺已经广泛应用于各个领域，成为了一种重要的加工方法。
激光加工的原理是利用激光器将能量转换为具有很高能量密度和比较单色性的激光束。
激光束经过聚焦透镜进行聚焦，形成一个热点。
当激光束照射到材料表面时，光能被吸收并转化为热能，使材料表面温度升高。
当温度升高到一定程度时，材料就会发生熔化、蒸发或氧化等反应，从而实现对材料的加工。
激光加工的优势在于可以实现高精度、非接触、无切削力的加工操作。
与传统的机械加工方法相比，激光加工不会对材料产生应力和变形，可以实现对复杂形状和特殊材料的加工。
此外，激光加工速度快、能耗低，具有较高的自动化程度。
因此，激光加工工艺被广泛应用于微电子、光电子、汽车制造、航空航天等领域。
在激光加工工艺方面，近年来出现了一些创新技术。
首先是光纤激光器技术的发展。
传统的激光器通常比较庞大，不能灵活应用于狭小的加工空间。
而光纤激光器则具有体积小、功率稳定等优势，可以满足对高细节精度的加工要求。
其次是激光成形技术的发展。
传统的激光加工通常是通过移动工件来实现加工，而激光成形则是通过移动激光束来实现加工。
激光成形技术可以实现对工件的整体加工，可以大大提高加工效率和加工精度。
再次是激光微纳加工技术的发展。
激光微纳加工是指利用激光加工方法对微米或纳米尺度的结构进行加工。
这种技术可以实现对微机电系统、集成光学器件、微纳传感器等微米尺度器件的制备。
激光微纳加工技术具有加工精度高、加工表面质量好、加工速度快等特点，可以满足精度要求较高的微纳加工需求。
最后是激光增材制造技术的发展。
激光增材制造是一种通过逐层加工的方式，将材料层层叠加形成三维实体的加工方法。
激光增材制造技术可以实现对复杂形状、多材料的器件的制备，具有很大的潜力在航空航天、生物医学等领域得到应用。
超快激光加工材料的原理
超快激光加工材料的原理今天来聊聊超快激光加工材料的原理。
你知道吗？咱们平常看那些特别精致的金属工艺品，上面有些超级精细的花纹或者微小的孔洞，你可能会疑惑这些是怎么做出来的呢？这就和超快激光加工材料的原理有关啦。
我刚开始接触这个的时候，也是一头雾水。
我就想啊，激光加工嘛，不就是用激光照一照，把材料融化或者气化不就得了。
但是后来发现没那么简单。
打个比方，超快激光就像是一个超级精准又超级敏捷的小工匠。
普通激光可能就像是一个挥舞着大锤子的工人，一锤子下去能砸掉一大块儿材料；而超快激光呢，就像是用一根非常非常细小的针，每次只对极微小的区域进行操作。
从原理上来说，超快激光脉冲极短，能在短时间内把能量聚焦到材料的微小区域。
这就好比我们用放大镜把太阳光聚焦到一张纸上的一个小点上，能量集中起来就能让那个点迅速升温，对吧？超快激光也是这个道理，只不过它的能量集中起来作用在材料表面或者内部的极小范围。
这时候材料的原子或者分子就像一群受到惊吓的小蚂蚁，一下子慌了神，它们的化学键被破坏，从而导致材料被去除、融化或者改变内部结构。
有意思的是，这个过程发生得极快，快到那些相邻的区域还没反应过来呢，这个小区域就已经加工完成了。
就好像有诸多城市，你把其中一个城市瞬间重建了，周围的城市还没察觉到任何变化一样。
这样就能够实现高精度的加工，对设计那些精细的结构非常有帮助。
比如说加工一些电子元件上的微小线路，超快激光就能派上大用场。
因为普通加工方法很难做到这么精细。
说到这里，你可能会问，这么强的激光对人有没有危害呢？答案是肯定的。
所以在实际利用超快激光加工材料的时候，防护措施做得特别严格，就如同我们对待危险的化学品一样小心谨慎。
我在学习这个原理的过程中还有一个困惑就是，超快激光的能量那么高，有没有可能会在加工过程中导致一些我们预期之外的二次反应呢？后来通过查阅资料才明白，确实存在这种可能。
所以在设置加工参数的时候要充分考虑材料的特性等因素。
激光加工的原理
激光切面加工的原理EMI对策是指除去氧化皮膜(绝缘皮膜)进行接地加工.接地的代表加工方法是切削和激光加工.激光加工的原理从发信器发送的脉冲光根据扫描反射镜扫描被加工物.这时,根据激光的强度,发信时间,发信间隔和扫描反射镜的扫描速度决定加工条件. 加工条件,控制决定右图的三个项目(密度,线间隔,深度).接地的目的是除去氧化皮膜使其露出质地进行导通.密度,线间隔的关系根据无加工残留设定.深度当然要比氧化皮膜的厚度深.利用焦点距离的点,激光的Spot径变为最小，得到最大的动力。
加工原理是根据激光的光的热使氧化皮膜溶化除去.因为很微小的溶化部份被酸化,就会造成极薄的氧化皮膜(绝缘体).激光切面加工条件设定 (用语解说)Q频率(Q周波数)表示1秒钟发生的激光的脉冲数(pls/sec).步长相同时,变化描画点的间隔.步长表示描画速度.步长大Q频率小的话,线成点列.步长和Q频率和关系起动延时起动时,为了稳定反射镜的位置有必要处长时间.中间延时增加描画时间→增加电流值可得到同样的效果,但是会延长加工时间.角部延时在描画的角部,为了改变反射镜的方向,在直线部和等速描画的话,R和欠点可做到.作为其对策,角部有必要延迟动作.激光加工的加工条件设定设定项目=密度•线间隔•深度※密度•线间隔以激光SPOT径的1/2为基准. 密度•线间隔激光SPOT径只是单纯排列的话,会残留下岛状的氧化皮膜,造成导通不良,所以有必要将SPOT径重叠加工.也可考虑SPOT径的歪曲.深度有必要进行可完全除去氧化皮膜的深度加工.提高电流值的话,深度可加深,但会发生每个深度不均衡现象.还有,因为有表面抵抗值增加的倾向,1次扫描的加工深度少,尽量做到两次扫描的25--30μm程度.※增加表面抵抗,激光加工时,考虑使其表面酸化,构成酸化皮膜(氧化皮膜).激光切面部的品质保证。
激光加工绪论总结
激光加工绪论总结一、激光加工绪论是啥呢？激光加工绪论就像是打开激光加工这个神奇世界的一把小钥匙。
它先给我们大致讲了激光是个啥玩意儿，你知道吗？激光可不像我们平常看到的那种光，它可集中了，能量超强的。
就好像一群散漫的人突然变得超级团结，力量就变得超级大一样。
激光加工就是利用激光的这种特性来对材料进行加工的。
这绪论里就会提到激光加工的历史，原来激光加工也不是一下子就出现的，它也是经过科学家们不断研究、探索才慢慢发展起来的。
二、激光加工的原理在绪论中的体现激光加工的原理在绪论里那是相当重要的部分。
简单说呢，就是通过控制激光的能量、频率之类的参数，让激光作用在材料上，使材料发生熔化、汽化之类的变化，从而达到加工的目的。
比如说在切割金属的时候，激光就像一把超级锋利的刀，所到之处，金属就乖乖听话分开了。
而且这激光加工的精度还特别高呢，就好像一个超级细心的工匠，一点点瑕疵都不会有。
这原理部分还会涉及到很多物理知识，像什么光子、能量跃迁之类的，虽然听起来有点晕乎，但是了解了之后就会觉得特别酷。
三、激光加工的应用方面在绪论中的呈现激光加工的应用可广泛啦，绪论里肯定会提到的。
在制造业里，它可以用来切割各种形状复杂的零件，就像做艺术品一样，想怎么切就怎么切。
还有在电子行业，激光可以用来焊接那些超小的电子元件，比我们用手操作可精准多了。
在医疗领域也有应用呢，比如可以用激光来做一些精细的手术，像治疗眼睛的近视之类的。
另外在珠宝加工行业，激光可以用来雕刻那些精美的图案，让珠宝更加华丽。
四、激光加工绪论中的发展趋势绪论里还会展望激光加工的未来发展趋势呢。
随着科技的不断进步，激光加工肯定会越来越先进。
可能会在加工速度上更快，就像跑车不断加速一样。
而且精度也会更高，说不定以后可以加工出纳米级别的东西呢。
还有可能会和其他技术相结合，创造出更多新的加工方法。
比如说和人工智能结合起来，让激光加工变得更加智能化，就像有个聪明的大脑在指挥着激光工作一样。
激光的原理及激光材料PPT课件
4.激光材料的应用及前景
在军事和航天方面，可用于红外 伪装和红外诱饵器。红外伪装的最 基本原标被发现和 识别的可能性。
在航天领域中，航天器用红外辐射 涂层是一种高温高发射率涂层，涂 在航天器蒙皮表面上，作为辐射防 热结构。
4.激光材料的应用及前景
（1）激光器技术开发向高功率、高光束质量、高 可靠性、高智能化和低成本方向发展。
➢ 半导体激光器
基本结构： 由掺杂浓度很高的半导体材 料形成p-n结，利用半导体能 带跃迁的复合发光引发受激 辐射而形成激光。
加电压后，n区向p区注入电子，p区向n区注入空穴
电激励 半导体薄膜
GaAs 、 GaSb 、 InAs 、 InSb 、 PbSe 、 PbTe、InGaAsP、AlGaAsSb
用 的
激 激光玻璃
光
激光玻璃因储能大，制造工艺成熟，以及 价格便宜等特点，在高功率光系统、纤维 激光器和光放大器，以及其他重复频率不 高的中小激光器中得到了广泛的应用，与
材
激光晶体一起构成了固体激光材料的两大
料
类，并得到了迅速的发展。
红外材料
红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透 射和探测等相关的一些材料。
激光的原理及激光材料
Laser materials
1.激光的发展
Einstein
Tolman
Maiman
1.激光的发展
Maiman的第一台激光器
2.激光的原理
激光（Laser）： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光是光的受激辐射。 激光的特点：单色性好,方向性好；相干性好；亮度高.
基本沿某一条直线传播, 通常发散角限制在10-6球 面度量级的立体角内.
激光加工技术原理
激光加工技术原理
激光加工技术是一种利用激光束对材料进行切割、打孔、雕刻等加工的方法。
其原理基于激光光束的高能量浓度和高单色性。
激光加工技术主要采用CO2激光器、光纤激光器等用于产生
激光束的设备。
这些激光器通过把电能转化为激光能量，将能量集中在一个非常小的点上。
激光束的高能量浓度使得它能够达到足够的功率来处理各种材料，例如金属、塑料、玻璃等。
另外，激光加工技术的另一个关键特点是激光光束的单色性。
单色性指的是激光光束的波长非常狭窄，光束颜色纯净。
这个特性使得激光能够更好地聚焦在一个点上，从而实现高精度的加工。
在激光加工过程中，激光光束通过光学系统进行聚焦，使得激光能量集中在一个小的区域内。
然后，激光光束与材料相互作用，使得材料受热并融化或蒸发。
通过控制激光束的移动路径和强度，可以实现不同形状的切割、打孔、雕刻等加工。
总结起来，激光加工技术的原理是利用激光光束的高能量浓度和高单色性，通过激光与材料的相互作用，实现对材料的切割、打孔、雕刻等加工。
这种技术具有高精度、高效率和灵活性强等优点，被广泛应用于工业生产和科学研究领域。
特种加工技术——激光加工的基本原理和特点
特种加⼯技术——激光加⼯的基本原理和特点⼀、激光加⼯的基本原理激光是⼀种通过⼊射光⼦的激发使处于亚稳态的较⾼能级的原⼦、离⼦或分⼦跃迁到低能级时完成受激辐射所发出的光。
由于这种受激辐射所发出的光与引起这种受激辐射的⼊射光在相位、波长、频率和传播⽅向等⼏⽅⾯完全⼀致，因此激光除具有⼀般光源的共性之外，还具有亮度⾼、⽅向性好、单⾊性好和相⼲性好四⼤特性。
激光的上述优异特性是普通光源望尘莫及的。
由于激光的单⾊性好和具有很⼩的发散⾓，因此在理论上可聚焦到尺⼨与光波波长相近的⼩斑点上。
其焦点处的功率密度可达107~1011 W/m 2 ，温度可⾼⾄上万摄⽒度，使任何坚硬的材料都将在瞬时(<10-3>⼆、激光加⼯的特点激光加⼯就是利⽤材料在激光照射下瞬时急剧熔化和⽓化，并产⽣强烈的冲击波，使熔化物质爆炸式地喷溅和去除来实现加⼯的。
由于激光具有的宝贵特性，因此就给激光加⼯带来如下⼀些其他⽅法所不具备的可贵特点。
(1)激光加⼯过程中，激光束能量密度⾼，加⼯速度快，并且是局部加⼯，对⾮激光照射部位没有影响或影响极⼩。
因此，其热影响区⼩，⼯件变形⼩，后续加⼯量⼩。
(2)属于⽆接触加⼯，加⼯速度快，⽆噪声，对⼯件不污染。
(3)由于激光易于导向、聚集和发散，可以使光束改变⽅向，与数控机床、机器⼈连接来构成各种加⼯系统，适⽤于⾃动化。
(4)可以对多种⾦属、⾮⾦属进⾏加⼯，特别是可以加⼯⾼硬度、⾼脆性及⾼熔点的材料。
(5)可以通过透明介质对密闭容器内的⼯件进⾏各种加⼯。
(6)激光加⼯不受电磁⼲扰，与电⼦束加⼯相⽐，不需要真空环境，也不会产⽣X射线，是⼀种⽆公害加⼯。
激光加工基础
6%
7%
电子设备及产 品 12%
汽车的内外板金零件切割， 叠片冲压模的切割。
仪表盘的面板
Байду номын сангаас
剪板机
各种板金加工设备
折弯机
转塔冲床
平板校直机
等离子切割机
工业机器人— 用于修磨、焊接 和涂装
自动去毛刺机 坡口加工机
特殊冲床 切角机
各种板金加工设备
转塔式数控冲床
• 仅适合于单一品种大批量生产
• 仅适用于3mm以下薄板，材料利用率低
• He（氦）用于改善介质的导热特性
光路系统简图
可调高压直流电源
激光振荡器 为保证加工质量，通过透 镜聚焦后的激光光束在被 加工工件表面必须具有恒 定的光斑大小和能量密度。
反射镜 （45度角）
聚焦透镜
光路系统的关键在于……从 激光振荡器到被加工工件表 面的……
光路长度
辅助气体 喷射系统
聚焦点
工件
工件的激光切割由工作台和/或切割头的移动来实现
各种板金加工设备
等离子切割设备
• 使用水再压缩等离子切割技术切割厚度 可达130mm。通常设备可切割30mm。
• 薄板和中厚度板切割效率远低于激光切 割机。
• 等离子电弧无法精确控制宽度，精度甚 至不如数控冲床。
• 等离子切割机在30mm以上的厚板切割中尚有用武之地， 薄板和中厚板的切割应用从切割效率、切割质量和能源 消耗方面均无法与激光切割技术相比。
• 激光在激光谐振腔中的产生过程：
阴极
反 射 镜
可调高压直流电源
阳极
激光
输出
反 射 镜
(100% 反射率)
CO2 分子
(95% 反射率）
激光加工技术的原理及应用【范本模板】
激光加工技术的原理及应用班级：09数控2 姓名：张兆翔学号:095305240摘要激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术，涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。
由于激光加工热影响区域小,光束方向性好，几乎可以加工任何材料.常用来进行选择性加工，精密加工。
由于激光加工的特殊特点，其发展前景广阔，目前已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工,快速成形,激光钻孔和基板划片，半导体处理等。
关键词:原理、应用﹑新技术、精密加工、Abstractlaser processing technology is using laser beams of interaction with the material properties on materials （including metal and non-metallic) of the principle of cutting，welding, surface treatment, punch and micro processing of a kind of processing new technology, involving light，machine，electricity, materials and multi-discipline detection，etc. Due to the laser processing heat affected zone is small, beam direction，its can almost processing of any material。
Commonly used to selectively processing, and precision machining。
Because of the special characteristics of laser processing，its developing prospects, has been widely applied in the laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, machining，rapid prototyping, laser drilling and substrate HuaPian，semiconductor processing, etc 。
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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