先进激光加工技术(上) PPT
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激光加工技术PPT课件
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1—激 光 ； 2—被 焊 接 零 件 ； 3—被 熔 化 金 属 ； 4—已 冷 却 的 熔 池
图7-12 激光焊接过程示意图
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（四）激光表面处理 当激光的功率密度约为103～105 W/cm2时，便可实现对铸铁、 中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.7～1.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢 的表面淬火强化问题。图7-13为激光表面淬火处理应用实例。
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被激发到高能级的原子一般是很不稳定的，它总是力图回到能量较 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，原子可以长时间的存在，而在激发状态的各种高能级的 原子停留的时间一般都较短。但有些原子或离子的高能级或次高能级却有着 较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳定能级。
内的200 多种疾病。
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谢谢大家
第34页/共35页
谢谢您的观看！
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第14页/共35页
固体激光器的基本结构示意图
第15页/共35页
封离式CO2激光器结构示意图
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（二）导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部 位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。 （三）激光加工系统 激光加工系统主要包括床身、能够在三维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，许多激光加工系统已采用计算机来控制 工作台的移动，实现激光加工的连续工作。
激光技术是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，已逐步形成一种崭新的加工方法——激光加工（简称LBM lasser beam machining）。激光加工可以用于打孔、切割、焊接、热处理等各 个领域。
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1—激 光 ； 2—被 焊 接 零 件 ； 3—被 熔 化 金 属 ； 4—已 冷 却 的 熔 池
图7-12 激光焊接过程示意图
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（四）激光表面处理 当激光的功率密度约为103～105 W/cm2时，便可实现对铸铁、 中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.7～1.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢 的表面淬火强化问题。图7-13为激光表面淬火处理应用实例。
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被激发到高能级的原子一般是很不稳定的，它总是力图回到能量较 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，原子可以长时间的存在，而在激发状态的各种高能级的 原子停留的时间一般都较短。但有些原子或离子的高能级或次高能级却有着 较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳定能级。
内的200 多种疾病。
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固体激光器的基本结构示意图
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封离式CO2激光器结构示意图
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（二）导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部 位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。 （三）激光加工系统 激光加工系统主要包括床身、能够在三维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，许多激光加工系统已采用计算机来控制 工作台的移动，实现激光加工的连续工作。
激光技术是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，已逐步形成一种崭新的加工方法——激光加工（简称LBM lasser beam machining）。激光加工可以用于打孔、切割、焊接、热处理等各 个领域。
飞秒激光加工技术ppt
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同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
-
2、加工特点
1）可加工材料广泛
当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可 以实现对任何材料的精细加工、修复和处理,而与材 料的种类和特性无关。
飞秒激光加工技术
机研133张国召
-
主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
-
一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
大约相当于8飞秒。
-
3、飞秒激光 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间
非常短，只有几个飞秒。 我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒
的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。 所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs 以内（可见光-近红外波段）。
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连续激光
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脉冲激光
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。
不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了 从紫外到近红外波段，但最有效的还是集中在红光波段。 随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料 激光器在红外和紫外波段已经失去了竞争能力，但在可 见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分辨 光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过 程的研究中。
同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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2、加工特点
1）可加工材料广泛
当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可 以实现对任何材料的精细加工、修复和处理,而与材 料的种类和特性无关。
飞秒激光加工技术
机研133张国召
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主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
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一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
大约相当于8飞秒。
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3、飞秒激光 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间
非常短，只有几个飞秒。 我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒
的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。 所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs 以内（可见光-近红外波段）。
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连续激光
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脉冲激光
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。
不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了 从紫外到近红外波段，但最有效的还是集中在红光波段。 随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料 激光器在红外和紫外波段已经失去了竞争能力，但在可 见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分辨 光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过 程的研究中。
先进制造技术特种加工系列激光加工课件PPT
二.激光加工过程
激光加工阶段—工件材料的加热
2) 工件材料的加热 光能转换成热能的过程就是工件材料的加热。激光束在很薄
(0.01-0.1um)的金属表层内被吸收，使金属中自由电子的热运动能 增加，并在与晶格碰撞中的极短时间内(10(^-11)-10(^-10)s)将电子 的能量转化为晶格的热振动能，引起工件材料温度的升高，同时 按热传导规律向周围或内部传播，改变工件构料表面或内部各加 热点的温度。
Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）
一.激光加工（LBM）的原理和特点
1. 激光产生的原理
（1）光的物理概念及原子的发光过程 光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱
一.激光加工原理 3.激光加工的基本原理
固体激光器加工简图 1-全反射镜 2-激光工作物质 3-激励能源 4-部分反射镜 5-透镜 6-工件
一.激光加工原理
全反射镜
工作物质
光泵
电容
触发电路
高压充电源
部分反射镜
激光束
激光束
镀金反射镜 透镜 工件
二.激光加工过程
激光加工阶段
可以认为，激光加工是以激光为热源对工件材料进行热加工。其加工过程大体分为如下几个阶段：
5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接 光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。
二.激光加工过程
激光加工阶段—光能吸收及转化
1)光能的吸收及其能量转化 激光束加上是—个高速熔化、气化的过程，光能传至工件表
面时，工件材料吸收光能有—个开始瞬态过程：开始时，即使工 件表面很粗糙，反射光也都是较高的(尤其是金属材料)；当工件 表面材料的温度逐渐上升，高温下表面被氧化或成熔融状态之后， 反射率便逐渐降低．吸收率迅速增加，激光的功率密度愈高，这 一过程作用时间就愈短。此间，光能转换为热能。
激光加工技术ppt课件
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。为了避免固体 介质过热，固体激光器通常多采用脉冲工作方式并用合 适的冷却装置，较少采用连续工作方式。由于其具有结 构紧凑、牢固耐用、使用维护方便、价格较低等特点， 所以在激光打孔、焊接、切割、划片、热处理及半导体 加工技术中得到广泛应用。
激光加工技术
主要内容
激光的产生及特性
激光加工的原理和特点
激光加工的基本设备 激光加工工艺及应用 发展趋势及展望
激光加工技术
自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光 方式，前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的 光便是激光。 激光如果通过透镜将其聚焦成直径为几十微米到几微 米的极小光斑，使能获得极高的能量密(108——1010W ／cm2)。当激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并 迅速转化为热能，光斑区的温度可达10000℃以上，使 材料熔化甚至气化，这就是激光加工 。
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•
激光通过光学系统聚焦后可得到柱状或 带状光束，而且光束的粗细可根据加工需要调 整，当激光照射在工件的加工部位时，工件材 料迅速被熔化甚至气化。随着激光能量的不断 被吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压 力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来， 在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此， 激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和 受冲击波抛出的综合作用过程。
1960年美国研制成功世界上第一台可用激光加 工的激光器，截止今天激光加工已形成一种重要的 新兴产业。
1.激光的产生及特性
• 1.1 激光的产生 • 光的产生与光源内部原子运动状态有关，原子内 的原子核和核外电子间存在着吸引和排斥的矛盾 ，电子按一定的半径的轨道围绕原子核运动。当 原子接受一定的外来的能量或向外释放一定的能 量时，核外电子的运动轨道半径将发生变化，即 产生能级变化，当被激发到高能级，但这时的原 子不稳定总是试图回到低能级，当原子从高能级 跃迁到低能级时，常常以光子的形式辐射出光能 量，这就是发光的原理。
飞秒激光加工技术ppt课件
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同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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2、加工特点 1）可加工材料广泛 当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可
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（3）飞秒激光器 飞秒激光器目前主要存在四大类别：
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。 不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红
外波段，但最有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤 飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞 争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分 辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。 其二是以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒 固体激光器。 由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量 和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染 料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使 得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。
飞秒激光加工技术
机研133张国召
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主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
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一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
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同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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2、加工特点 1）可加工材料广泛 当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可
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（3）飞秒激光器 飞秒激光器目前主要存在四大类别：
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。 不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了从紫外到近红
外波段，但最有效的还是集中在红光波段。随着固体、半导体、光纤 飞秒激光器的崛起，飞秒染料激光器在红外和紫外波段已经失去了竞 争能力，但在可见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分 辨光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过程的研究中。 其二是以掺钛蓝宝石，Li：SAF，掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒 固体激光器。 由于这种固体材料具有比染料更宽的调谐范围，更大的饱和增益通量 和更长的激光上能级寿命，使其在飞秒激光运转的许多特性都优于染 料激光器，加之固体材料具有更稳定的光学性质和更紧凑的结构，使 得飞秒固体激光器在很短的时间里发展成为飞秒激光技术的主体。
飞秒激光加工技术
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主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
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一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
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先进制造技术激光加工技术ppt
激光加工技术在先进制造中的发展前景
01
精密制造与超精密制造
随着制造业的不断升级，精密制造与超精密制造已成为发展的重要趋
势。激光加工技术能够实现高精度、高质量的制造，如光学元件、半
导体芯片等精密器件的制造，具有广泛的应用前景。
02
柔性制造与个性化定制
随着消费者需求的多样化，柔性制造与个性化定制已成为制造业的重
技术要求高
激光加工技术的操作需要专业的技术人员，对技术人员的技能 要求较高。
加工材料有限
激光加工技术适用于金属、塑料等材料，对于一些特殊材料， 如玻璃、陶瓷等则较难实现加工。
如何克服激光加工技术的局限性
加强技术研发
通过加强技术研发，不断优化激光加工技术的设备及工 艺，降低成本，提高效率。
加强技术培训
激光加工技术的特点
高能量密度、高精度、低热影响区、加工速度快、可加工材 料范围广、加工质量好等。
激光加工技术的发展历程
第一阶段
第二阶段
20世纪60年代，激光器的诞生，标志着激 光加工技术的开始。
20世纪70年代，激光加工技术开始进入工 业应用，出现了激光切割、焊接、表面处理 等技术。
第三阶段
第四阶段
先进制造技术激光加工技术ppt
xx年xx月xx日
目录
• 激光加工技术概述 • 激光加工技术在先进制造中的应用 • 激光加工技术的工艺及设备 • 激光加工技术的优势及局限性 • 激光加工技术在先进制造中的发展趋势和前景 • 案例分析
01
激光加工技术概述
激光加工技术的定义与特点
激光加工技术的定义
激光加工技术是一种利用高能激光束照射在材料表面，实现 材料熔化、汽化、冲击等过程，从而对材料进行切割、焊接 、表面处理、打孔等加工的技术。
先进激光加工技术(上)ppt课件
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交通领域中的应用
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（汽车制造）
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Audi A2 焊接
Laser welds
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23
汽车焊接件
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（航空领域）
1. 激光焊接
高强铝合金激光焊接已应用于空客A380，机身减重18%，成本下 降21.4%-24.3%
2. 激光分离
内容
1. 引言 2. 工业用激光器 3. 激光加工基本物理过程 4. 激光加工典型应用
在宏观制造领域中的应用 微细加工领域的应用 激光增材制造技术（3D打印技术）
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一、引 言
• 1960年世界上第一台激光器诞生，随后各种激光器层出不 穷，如气体、液体、固体、化学、准分子、半导体激光器 和光纤激光器等。
• 功率密度对靶材的影响：
103～104 W/cm2，加热
104～106 W/cm2，熔融
106～108 W/cm2，气化
靶
108～1010 W/cm2，等离子体
烧蚀蒸汽
激光束
激光加工：热加工，冷加工
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5
相互作用机理研究尚待深入
• 激光与材料的相互作用过程十分复杂：靶材的多 样化，作用激光参数的多样化，作用条件的多样 化。
( 1 R ) P s t od 0 [ c s ( T v T 0 ) ( L n L v )]
1. 激光功率密度越高，所需气化时间越短。
2. 气化时间比熔化时间高出一个数量级，主要原因是 沸点比熔点高很多，且气化潜热比熔融潜热大一个 数量级。
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举例：铝材料
《激光加工技术》ppt课件
求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，
钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具， 化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机
中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规 的机械加工方法很困难，有的甚至是不可 能的，而用激光打孔，那么能比较好地完 成任务。
激光打孔中，要详细理解打孔的材
料及打孔要求。从理论上讲，激光可以在任
何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至
二十几毫米以上的小孔，但详细到某一台打
孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打
孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围
进展充分的理解，以确定能否打孔。
激光打孔的质量主要与激光器输出功
率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、
光斑内能量分布、照射次数及工件材料等因
素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺
展激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，
只需将工件的加工区域“热熔〞在一起即可， 如图7-12所示。
激光焊接速度快，热影响区小，焊接
质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种
材料，还可透过玻璃进展焊接。
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3
4
1 — 激 光 ； 2 — 被 焊 接 零 件 ； 3 — 被 熔 化 金 属 ； 4 — 已 冷 却 的 熔 池
由内向外挪动，激光束便相应地熔化金
属层，使图像与声音记录下来。加工机
理是用激光热效应，是激光去除加工。
例。
淬硬表面
淬硬表面
(a) 圆 锥 表 面
(b) 铸 铁 凸 轮 轴 表 面
图5 激光外表强化处理应用实例
6〕 激光存储
是利用激光进展视频、音频、文
字资料、计算机信息等的存取。激光电
视唱片的制作可分为原版录制和复制两
飞秒激光加工技术 PPT课件
2）非热熔性
最重要的特征。激光在极短的时间和极小的空间内 与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧 上升，并以等离子体向外喷发的形式得到去除。严 格避免了热熔化的存在，大大减弱和消除了传统加 工中热效应带来的诸多负面影响。
3）加工过程的准确性
每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内避免了 热扩散的存在,在根本上消除了类似于长脉冲加工过 程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周 围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的 空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程 度，即运用飞秒加工决不会“伤及无辜”。
长脉冲激光加工过程
飞秒脉冲激光加工过程
4）加工尺寸的亚微米特性和3D空间分辨性 飞秒加工可以突破光束衍射极限的限制，实现尺寸
小于波长的亚微米或纳米操作；
只有在材料的聚焦点才能获得较高的功率密度，从 而使得飞秒加工过程具有严格的空间定位选择能力。
5）加工能量的低耗性
脉冲持续时间非常短,能量在时间上高度集中例如,用 10 fs脉冲宽度的激光,0.3 mJ能量就可以在直径为2Lm 的焦点达到1018W/cm2的峰值强度,而用脉宽宽度为 10 ns的长脉冲激光,则要300 J的能量才能达到同样的 峰值强度。因此飞秒激光加工所需的脉冲能量阈值 一般为毫焦耳或微焦耳量级,较传统激光加工消耗的 光能量大大降低。
得非常脆弱，传统的机械切割技术已不太适用，成熟的化 学或等离子刻蚀对加工形状和结构的选择有限定，长脉冲 激光也很难实现对硅的加工。飞秒激光以其独特的除热和 消机械应力的加工特性给硅材料的切割等处理技术带来了 新的希望。
2003年加拿大科学家M.Meunier 等人采用光谱物理公司生产的重 复率为1KHz的钛宝石再生放大系 统，将输出波760~820nm 能量约 1mJ持续时间小于120fs的脉冲激 光对厚度仅为50um的硅晶片实现 了高精度切割。如图右。
最重要的特征。激光在极短的时间和极小的空间内 与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧 上升，并以等离子体向外喷发的形式得到去除。严 格避免了热熔化的存在，大大减弱和消除了传统加 工中热效应带来的诸多负面影响。
3）加工过程的准确性
每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内避免了 热扩散的存在,在根本上消除了类似于长脉冲加工过 程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周 围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的 空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程 度，即运用飞秒加工决不会“伤及无辜”。
长脉冲激光加工过程
飞秒脉冲激光加工过程
4）加工尺寸的亚微米特性和3D空间分辨性 飞秒加工可以突破光束衍射极限的限制，实现尺寸
小于波长的亚微米或纳米操作；
只有在材料的聚焦点才能获得较高的功率密度，从 而使得飞秒加工过程具有严格的空间定位选择能力。
5）加工能量的低耗性
脉冲持续时间非常短,能量在时间上高度集中例如,用 10 fs脉冲宽度的激光,0.3 mJ能量就可以在直径为2Lm 的焦点达到1018W/cm2的峰值强度,而用脉宽宽度为 10 ns的长脉冲激光,则要300 J的能量才能达到同样的 峰值强度。因此飞秒激光加工所需的脉冲能量阈值 一般为毫焦耳或微焦耳量级,较传统激光加工消耗的 光能量大大降低。
得非常脆弱，传统的机械切割技术已不太适用，成熟的化 学或等离子刻蚀对加工形状和结构的选择有限定，长脉冲 激光也很难实现对硅的加工。飞秒激光以其独特的除热和 消机械应力的加工特性给硅材料的切割等处理技术带来了 新的希望。
2003年加拿大科学家M.Meunier 等人采用光谱物理公司生产的重 复率为1KHz的钛宝石再生放大系 统，将输出波760~820nm 能量约 1mJ持续时间小于120fs的脉冲激 光对厚度仅为50um的硅晶片实现 了高精度切割。如图右。
激光技术及其应用全汇总.ppt
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★激光核聚变的研究 • 将高功率的激光束聚焦后照射靶丸上产生高温高压，引起核聚变。
美国国家点火装置（简称NIF），世界 最大的激光核聚变装置。被称为“人造 太阳”。
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★激光化学技术
激光化学技术是用激光来指挥化学反应。
因为激光携带高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的 键上，比如用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改 变两激光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程，也可利用 改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效的把能量打在分子 上，触发某种预期的反应。
三 激光技术发展现状与趋势
前沿技术
★超快激光技术
• 超快超强激光主要是以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的 工具和手段，飞秒激光的应用可以概括为三个方面：飞秒激光在超快领域、超强领 域和超微细加工中的应用。
•
感
感
谢 阅 读
谢 阅性能的合金。 自熔性合金粉末主要分为镍基、钴基、铁基自熔性合金粉末。
铁基合金 镍基合金 粉末 钴基合金
粉末 复合粉末 粉末
二 激光加工技术应用
工业应用
• 激光熔覆加工方式 1、预置粉末：将粉末预置到基体上，预置的过程中要使粉末分布均匀然后用激光
进行熔覆。 2、同步送粉：是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆
在整个中国的激光产业中，激光材料加工近几年的发展势头强劲，且有 很大的空间，激光加工在中国激光产业中占的比例也是日益重大。
三 激光技术发展现状与趋势
发展现状
• 目前，全国激光市场销售主要为光通信器件、激光加工设备、激光器、 激光医疗设备等。主要分布在长三角、珠三角、华中、环渤海等区域。
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• 激光产业发展计划 美国：激光核聚变计划； 德国：光学促进计划；国家级激光中心9个 英国：阿维尔计划； 日本：激光研究5年计划。
中国“十二五”规划中增加：高能束与特种能场制造科学
二、工业用激光器
固体激光器（Nd:YAG激光器） 气体激光器（CO2激光器） 液体激光器 化学激光器 准分子激光器（KrF激光器） 半导体激光器 光纤激光器 超快激光器（皮秒、飞秒、阿秒激光）
激光对材料的加热
• 激光照射区域沿法线 方向的温度剃度为：
APs
t
T n
式中，αA为靶材表面对激光的吸收比；Ps为作用于靶材表 面的激光功率密度；λt为材料热导率。
具体计算分析时做如下简化假设： 1. 被加热的材料是均匀且各向同性的物质。 2. 材料的光学特性和热力学参数与温度无关。 3. 忽略传热过程中的辐射和对流，只考虑材料内热传导。
1=ρR+αA+τT（反射比，吸收比，透射比） 对于不透明材料： 1=ρR+αA
光强传播：I=I0e-Ax，（A为材料的吸收系数）
穿透深度：DT=1/A，（光强降至I0/e时）
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
• 吸收系数：与材料和激光波长有关
• 材料的复数折射率：n=n1+in2
( 1 R ) P sto d 0 [ c s ( T v T 0 ) ( L n L v )]
1. 激光功率密度越高，所需气化时间越短。 2. 气化时间比熔化时间高出一个数量级，主要原因是
激光熔融现象
• 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，前一 章讨论的激光加热与热传导方程的解将不再成立。 原因：材料熔化要吸收熔化潜热；材料的热导率 在熔化前后将成倍的变化。
• 对半无限大物体，当表面温度达到熔点Tm时，等 温面（熔化波前）T=Tm将以一定的速度向材料内
部传播，传播速度取决于激光功率密度和材料的 固相、液相的热力学参数。等温面传播的最大距 离称为最大熔化深度。
• 对于大多数金属，熔化波前的穿透深度可简单表示为：
z (t)
0 . 16 A P so Lt
(t
tn )
z max
0 . 16 A P so Lt
(tb
tn )
tb
tn
4 . 76
T
n
(
T T
b n
1)
z max
1 .2 t A P so
T
n
(
T T
b n
1)
z max
A P so
v dz (t )
Ps
dt [ L v L n c (Tc T0 )]
z max v ( t t n )
z max
t
Ps (t ) dt
tn [ L v L n c (T c T0 )]
vm
dm dt
N (T s )V z v
p (Ts ) 2 kT s
M
v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔
• 激光垂直入射时吸收比：
• 吸收系数：
A
n1
4n1
12 n22
A 4n2
• 金属对激光的吸收与波长、材料特性、温 度、表面情况（有无涂层）及激光的偏振 特性有关。一般情况下吸收比随波长增加 减小，随温度升高增大。
• 非金属对激光的吸收：绝缘体和半导体的 结构特征决定了它对激光波长有强烈的选 择性。Biblioteka 三、激光与材料相互作用过程
• 功率密度对靶材的影响：
103～104 W/cm2，加热
104～106 W/cm2，熔融
106～108 W/cm2，气化
靶
108～1010 W/cm2，等离子体
烧蚀蒸汽
激光束
激光加工：热加工，冷加工
相互作用机理研究尚待深入
• 激光与材料的相互作用过程十分复杂：靶材的多 样化，作用激光参数的多样化，作用条件的多样 化。
农业：育种等。 医学：激光眼科、微外科手术、激光美容、口腔。 军事：激光测距、激光制导、激光通信、强激光武器（人眼致盲、
光电探测器失效，摧毁飞机、导弹、卫星）、激光模拟训练。
科学研究等许多方面。
《光机电月刊》，《工业激光解决方案》
• 德国、美国、日本、英国等国家激光产业的 发展代表了世界激光产业最高发展水平。
化潜热和蒸发潜热；c(Tc-To)为 温度从熔点升至沸点靶面吸收 热量；Tc表示稳定表面温度；
Ps＝αAPso；vm为质量变化率；
p(Ts)为蒸气压力。
气化时间的估计
• 假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同， 且不随温度变化，则气化厚度为d0的金属所需时间可 由能量守恒定律推得的下式近似估算：
求解方法
• 求解激光加热问题的数值解最有效也是最 重要的方法是：有限差分法。它能有效地 处理各种复杂边界条件和非线性问题，能 得到较准确地数值解。
• 其实质是：将微分方程中未知函数的导数 用温度场各个节点上的有限差分值的近似 关系来代替，进而得到有限差分方程的解。 这样就将有限差分方程的求解归结于简单 的代数运算。
• 高功率激光与材料相互作用问题远没有解决，原 因是：
一是研究对象本身的复杂性和多样性 二是激光器本身的快速发展带来的新的问题 三是一些基本问题的观点、模型以及适应范围等仍
没有得到清楚地解释和验证。
激光的吸收
• 激光入射到材料表面时：反射、透射、吸收
E0=E反射＋E吸收＋E透射 1=E反射/E0＋E吸收/E0＋E透射/E0
1
.2
t
T
n
(
T T
b n
1)
Pso为光斑中心的功率密度； Lt为材料的熔化潜热； tn激光照射表面至开始熔化时间； tb材料表面加热到Tb所需时间； αA为材料表面对激光的吸收比； Tn为熔化温度；λt为热导率； Tb近似为气化温度
合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度
靶材的气化模型
• 高强度激光脉冲照射金属靶材表面分为以下几个阶段：首 先，靶表面达到熔点温度时，形成熔融层，然后温度继续 上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能量变为蒸发的潜 热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶 材。最后，在强度不是很高的情况下，喷溅蒸气不能形成 强吸收，系统达到一个稳定状态。
先进激光加工技术(上)
一、引 言
• 1960年世界上第一台激光器诞生，随后各种激光器层出不 穷，如气体、液体、固体、化学、准分子、半导体激光器 和光纤激光器等。
• 激光器应用领域 工业：焊接、切割、打孔、表面处理、合金化、熔覆修复、快速
原型制造、金属零件直接成形（3D打印）、打标等—应用于汽车、电子、 航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业领域。
中国“十二五”规划中增加：高能束与特种能场制造科学
二、工业用激光器
固体激光器（Nd:YAG激光器） 气体激光器（CO2激光器） 液体激光器 化学激光器 准分子激光器（KrF激光器） 半导体激光器 光纤激光器 超快激光器（皮秒、飞秒、阿秒激光）
激光对材料的加热
• 激光照射区域沿法线 方向的温度剃度为：
APs
t
T n
式中，αA为靶材表面对激光的吸收比；Ps为作用于靶材表 面的激光功率密度；λt为材料热导率。
具体计算分析时做如下简化假设： 1. 被加热的材料是均匀且各向同性的物质。 2. 材料的光学特性和热力学参数与温度无关。 3. 忽略传热过程中的辐射和对流，只考虑材料内热传导。
1=ρR+αA+τT（反射比，吸收比，透射比） 对于不透明材料： 1=ρR+αA
光强传播：I=I0e-Ax，（A为材料的吸收系数）
穿透深度：DT=1/A，（光强降至I0/e时）
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
• 吸收系数：与材料和激光波长有关
• 材料的复数折射率：n=n1+in2
( 1 R ) P sto d 0 [ c s ( T v T 0 ) ( L n L v )]
1. 激光功率密度越高，所需气化时间越短。 2. 气化时间比熔化时间高出一个数量级，主要原因是
激光熔融现象
• 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，前一 章讨论的激光加热与热传导方程的解将不再成立。 原因：材料熔化要吸收熔化潜热；材料的热导率 在熔化前后将成倍的变化。
• 对半无限大物体，当表面温度达到熔点Tm时，等 温面（熔化波前）T=Tm将以一定的速度向材料内
部传播，传播速度取决于激光功率密度和材料的 固相、液相的热力学参数。等温面传播的最大距 离称为最大熔化深度。
• 对于大多数金属，熔化波前的穿透深度可简单表示为：
z (t)
0 . 16 A P so Lt
(t
tn )
z max
0 . 16 A P so Lt
(tb
tn )
tb
tn
4 . 76
T
n
(
T T
b n
1)
z max
1 .2 t A P so
T
n
(
T T
b n
1)
z max
A P so
v dz (t )
Ps
dt [ L v L n c (Tc T0 )]
z max v ( t t n )
z max
t
Ps (t ) dt
tn [ L v L n c (T c T0 )]
vm
dm dt
N (T s )V z v
p (Ts ) 2 kT s
M
v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔
• 激光垂直入射时吸收比：
• 吸收系数：
A
n1
4n1
12 n22
A 4n2
• 金属对激光的吸收与波长、材料特性、温 度、表面情况（有无涂层）及激光的偏振 特性有关。一般情况下吸收比随波长增加 减小，随温度升高增大。
• 非金属对激光的吸收：绝缘体和半导体的 结构特征决定了它对激光波长有强烈的选 择性。Biblioteka 三、激光与材料相互作用过程
• 功率密度对靶材的影响：
103～104 W/cm2，加热
104～106 W/cm2，熔融
106～108 W/cm2，气化
靶
108～1010 W/cm2，等离子体
烧蚀蒸汽
激光束
激光加工：热加工，冷加工
相互作用机理研究尚待深入
• 激光与材料的相互作用过程十分复杂：靶材的多 样化，作用激光参数的多样化，作用条件的多样 化。
农业：育种等。 医学：激光眼科、微外科手术、激光美容、口腔。 军事：激光测距、激光制导、激光通信、强激光武器（人眼致盲、
光电探测器失效，摧毁飞机、导弹、卫星）、激光模拟训练。
科学研究等许多方面。
《光机电月刊》，《工业激光解决方案》
• 德国、美国、日本、英国等国家激光产业的 发展代表了世界激光产业最高发展水平。
化潜热和蒸发潜热；c(Tc-To)为 温度从熔点升至沸点靶面吸收 热量；Tc表示稳定表面温度；
Ps＝αAPso；vm为质量变化率；
p(Ts)为蒸气压力。
气化时间的估计
• 假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同， 且不随温度变化，则气化厚度为d0的金属所需时间可 由能量守恒定律推得的下式近似估算：
求解方法
• 求解激光加热问题的数值解最有效也是最 重要的方法是：有限差分法。它能有效地 处理各种复杂边界条件和非线性问题，能 得到较准确地数值解。
• 其实质是：将微分方程中未知函数的导数 用温度场各个节点上的有限差分值的近似 关系来代替，进而得到有限差分方程的解。 这样就将有限差分方程的求解归结于简单 的代数运算。
• 高功率激光与材料相互作用问题远没有解决，原 因是：
一是研究对象本身的复杂性和多样性 二是激光器本身的快速发展带来的新的问题 三是一些基本问题的观点、模型以及适应范围等仍
没有得到清楚地解释和验证。
激光的吸收
• 激光入射到材料表面时：反射、透射、吸收
E0=E反射＋E吸收＋E透射 1=E反射/E0＋E吸收/E0＋E透射/E0
1
.2
t
T
n
(
T T
b n
1)
Pso为光斑中心的功率密度； Lt为材料的熔化潜热； tn激光照射表面至开始熔化时间； tb材料表面加热到Tb所需时间； αA为材料表面对激光的吸收比； Tn为熔化温度；λt为热导率； Tb近似为气化温度
合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度
靶材的气化模型
• 高强度激光脉冲照射金属靶材表面分为以下几个阶段：首 先，靶表面达到熔点温度时，形成熔融层，然后温度继续 上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能量变为蒸发的潜 热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶 材。最后，在强度不是很高的情况下，喷溅蒸气不能形成 强吸收，系统达到一个稳定状态。
先进激光加工技术(上)
一、引 言
• 1960年世界上第一台激光器诞生，随后各种激光器层出不 穷，如气体、液体、固体、化学、准分子、半导体激光器 和光纤激光器等。
• 激光器应用领域 工业：焊接、切割、打孔、表面处理、合金化、熔覆修复、快速
原型制造、金属零件直接成形（3D打印）、打标等—应用于汽车、电子、 航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业领域。