激光加工机的工作原理
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AMADA 激光培训资料 激光加工机的工作原理
激 光 -----Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) 译成中文意思是 :受激放射方式把光放大的一种方式 . 激光 最初的中文名叫做“镭射” 、 “莱塞” ，是它的英文名称ＬＡＳＥＲ的音译 激光也是一种光,同样也是一种电磁波 ,光根据不同的波长分为紫外线, 紫外线 波长范围为 0.01—0.4 μm,可见光 ,可见光波长范围 0.4—0.76μm, 红外光, 红外线波长范围为 0.76—1000μm，为了实际应用方便，又将 其划分为：近红外（ 0.76 —3.0 μm） ，中红外（ 3.0—6.0μm） ，远红外 （6.0—15.0μm）和超远红外（15—1000μm） 。微波 , 微波的波长范围 1mm—1m, 微 波 又 分 为 毫 米 波 1—10mm, 厘 米 波 1—10cm, 分 米 波 10—1m. 电磁波的波速： 电磁波是向空间各个方向传播的， 它传播的速度跟光 速相同，在真空中是 3×108m/s.波速 =波长×频率 在 1960.11 第一具 He-Ne 激光问世 在 1964 年第一具 CO2 激光问世 激光是怎么样产生的:我们现在工业生产中所用到 的激光是 CO2 激光 为什么呢,因为 CO2 激光 器效率高， 不造成工作介质损害， 发射出 10.6 μm 波长的不可见激光，是一种比较理想 的激光器。 我们 知道所谓 的激光就是要 激发那么 CO2 激光又是怎么来受激的 :
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器是适宜的 2.快速轴流式 CO2 激光器 快速轴流 CO2 激光器的主要特点有: (1) (2) (3) (4) (5) 光 束质量好 (基模或 TEM01 模) 功 率密度高 电光效率高 ,可达 26% 结构紧凑 可 以连续和脉冲双制运行
Fra Baidu bibliotek
因此 ,这种类型 CO2 激光器使用范围很广 3.横向流动型激光器 可以有输出较高的激光功率 达每米 10KW,但激光每 光束质量较差,所 以 一 般 用 于 材料 的 表面改 性 加工 领域 ,如 激光 表面 淬火 ,激光 表面 合 金化 ,激光表面熔覆,激光表面非晶化等.
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激光的反射性良好,具有良好的折射,透射,聚焦特性.
四. 激光的危害性:
根 据 激 光 对 人 体 的 危 险 度 分 类 ， 在 光 束 内 观 察 对 眼 睛 的 MPE （maximal possible effect 最大可 能的影响）做基准，可分为一到四 级。激光产品厂商应该把 Class II, III 和 IV 的警示标签贴到相应的 激光产品上。 Class I：低输出激光（功率小于 0.4mW） ，不论何种条件下对 眼睛和 皮肤 ， 都 不 会 超 过 MPE 值 ， 甚至 通过 光 学 系统聚焦后 也不 会 超 过 MPE 值。可以保证设计上的安全 ，不必特别管 理。典型应用 如激光 教鞭，CD 播放机，CD-ROM 设备，地质勘探设备和实验室分 析仪器 等。 Class II：低输出的可视激光（ 功率 0.4mW-1mW） ，人闭合眼睛的 反 应时间为 0.25 秒 ， 用这段时间算出的曝光量不可 以超过 MPE 值。通 常 1mW 以下的激光，会导致晕眩无法思 考，用闭合眼睛 来保护，不
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能说完全安全，不要直接 在光束内观察，也不要用 Class II 激光直 接 照射别人的眼睛，避免用远望设备观察 Class II 激光。典型应用如课 堂演示，激光教鞭，瞄准设备和测距仪等。 Class III ：中输出激光，光束若直接射入 眼睛，会 产生 伤害，基于 某些安全的理由，进一步分为 IIIA 和 IIIB 级。 IIIA 级 为可见光的连续激光，输出为 1-5mW 的激光束，光束的能量 密度不要超过 25W ／ｍｍ，避免 用远望设备观察 IIIA 激光，这样可 能增大危险。 IIIA 的典型应用和 Class II 级有很多相同之处，如激光 教鞭，激光扫描仪等。 III B 级 为 5-500mW 的连续激光， 直接在光束内观察有危险。但最小 照射距离为 13cm，最大照 射时间十秒以 下为安全。IIIB 激光的典型 应用如光谱测定和娱乐灯光表演等。 ClassIV：高输出连续激光（大于 500mW） ，高过第 三级，有火灾 的 危险，扩散反射也有危险。典型应用如外科手术，研究 ，切割，焊接 和显微机械加工等。 五 .激光的分类 : 按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激 励方式分电激励，化学 激励，热激励，光激励 与核激励 等。在医疗中使 用的 CO2 激光 器几乎 百分之百是电激励。 我们重点说一下 CO2 激光特征:CO2 激光又可分为三类: 1.封离型 CO2 激光器 在加工中仅需数百瓦级激光功率时,采用此种准封 离型 CO2 激光
图二
CO2 激光 器的激发条件 :放电管中,通常如图中的 阳极和阴极这 间输入 的直流电流,放电时 ,放电管中的混合气体内 的氮气分 子由于受 到电子 的撞击而被激发起来.这时受到激发 的氮气分子便和 CO2 分子发生碰
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撞,N2 分子把 自己的能量传 递给 C02 分子,CO2 分子从低能跃迁到高 能级上形成粒子数反转发出激光. 光学谐振腔:CO2 激光器的 谐振腔常用平凹腔,反射用 K8 光学玻璃或 光学石英,经加工成 曲率 半径的凹面镜 ,镜面 上镀有高 反射 性的 金属膜 ----镀金膜,在波长 10.6 µ m 处的反射率 达 98.8%,且化学性质稳定.二 氧化碳 发出 的光为红外光 .所以 反射光 需 要 应用 透 红外光和 材料 ,因 为普 通光学玻璃对 红外光不 透.就要求在全反射镜的中心开一小孔再 密封上一块能透过 10.6 µ m 激光的红外材料,以封闭气体 .在诣振腔 内 的光 子 经 过两块平行 的 反 射镜 来 回的 反射放大一 部分 再从这 一 小孔 输出 腔 外 形成一束 激光 .再经 过 安装 在机 床上 的 几 组镜片 传递到我们 要加工的材料表面.这就是我们机床 的发振到出光的一个过程. 二. 激光的特性 激 光 与 普 通 的 光 有 什 么 区 别 请 看 图 三
1.� 激光是单色 的(亮度高 )，在整个产生的机制中，只会产生一种波 长的光。这与普通的光不同，例如阳光和灯光都 是由多种波长的光合 成的，接近白光。 CO2 激光的亮度 比倍 ,太 阳要高 8 而铂玻璃激光亮
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度比太阳表面亮 16 倍。 2.� 激光是相干 的，所有光子都有 相同的相，相同的偏振，它们迭加 起来便产生很大的强度。而在日常生 活中 所见的光，它们的相和偏振 是随机的，相对 于激光，这些 光就弱得多了。 3. � 激光的方向性好,激光光斑只要有杯口那么大，就 是发射到 38 万千 米外的月球上 ，光圈的 直径 也不 过 2 千米，在地球 上看 去，只 是一个明亮的红点。利用激光的这一特性，科学家在 1962 年测出 了 地球与月球的精确距离. 4.
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图一
CO2 激光的激 发过程：如图一所示 ,CO2 激光器中，主要的工作 物质由 CO2，N2，He 三种气体组成。它们的比率是 CO2 5: N2 55: He 40\CO ２ 5:N２ 34:He 61 其它们的纯 度为 99.99%,99.995%,99.995%.其
中 CO2 是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加 入其中 的氦，可以加速 010 能级热弛预过程，因此有利于激光 能级 100 及 020 的抽空。氮气 加入主要在 CO2 激光器中起能量传递作用，为 CO2 激光 上能级粒子数的 积累与大 功 率高效率的激光 输出起到强有力 的 作用。 CO2 激光器的 结构图:如图二所示.
激 光 -----Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) 译成中文意思是 :受激放射方式把光放大的一种方式 . 激光 最初的中文名叫做“镭射” 、 “莱塞” ，是它的英文名称ＬＡＳＥＲ的音译 激光也是一种光,同样也是一种电磁波 ,光根据不同的波长分为紫外线, 紫外线 波长范围为 0.01—0.4 μm,可见光 ,可见光波长范围 0.4—0.76μm, 红外光, 红外线波长范围为 0.76—1000μm，为了实际应用方便，又将 其划分为：近红外（ 0.76 —3.0 μm） ，中红外（ 3.0—6.0μm） ，远红外 （6.0—15.0μm）和超远红外（15—1000μm） 。微波 , 微波的波长范围 1mm—1m, 微 波 又 分 为 毫 米 波 1—10mm, 厘 米 波 1—10cm, 分 米 波 10—1m. 电磁波的波速： 电磁波是向空间各个方向传播的， 它传播的速度跟光 速相同，在真空中是 3×108m/s.波速 =波长×频率 在 1960.11 第一具 He-Ne 激光问世 在 1964 年第一具 CO2 激光问世 激光是怎么样产生的:我们现在工业生产中所用到 的激光是 CO2 激光 为什么呢,因为 CO2 激光 器效率高， 不造成工作介质损害， 发射出 10.6 μm 波长的不可见激光，是一种比较理想 的激光器。 我们 知道所谓 的激光就是要 激发那么 CO2 激光又是怎么来受激的 :
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器是适宜的 2.快速轴流式 CO2 激光器 快速轴流 CO2 激光器的主要特点有: (1) (2) (3) (4) (5) 光 束质量好 (基模或 TEM01 模) 功 率密度高 电光效率高 ,可达 26% 结构紧凑 可 以连续和脉冲双制运行
Fra Baidu bibliotek
因此 ,这种类型 CO2 激光器使用范围很广 3.横向流动型激光器 可以有输出较高的激光功率 达每米 10KW,但激光每 光束质量较差,所 以 一 般 用 于 材料 的 表面改 性 加工 领域 ,如 激光 表面 淬火 ,激光 表面 合 金化 ,激光表面熔覆,激光表面非晶化等.
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激光的反射性良好,具有良好的折射,透射,聚焦特性.
四. 激光的危害性:
根 据 激 光 对 人 体 的 危 险 度 分 类 ， 在 光 束 内 观 察 对 眼 睛 的 MPE （maximal possible effect 最大可 能的影响）做基准，可分为一到四 级。激光产品厂商应该把 Class II, III 和 IV 的警示标签贴到相应的 激光产品上。 Class I：低输出激光（功率小于 0.4mW） ，不论何种条件下对 眼睛和 皮肤 ， 都 不 会 超 过 MPE 值 ， 甚至 通过 光 学 系统聚焦后 也不 会 超 过 MPE 值。可以保证设计上的安全 ，不必特别管 理。典型应用 如激光 教鞭，CD 播放机，CD-ROM 设备，地质勘探设备和实验室分 析仪器 等。 Class II：低输出的可视激光（ 功率 0.4mW-1mW） ，人闭合眼睛的 反 应时间为 0.25 秒 ， 用这段时间算出的曝光量不可 以超过 MPE 值。通 常 1mW 以下的激光，会导致晕眩无法思 考，用闭合眼睛 来保护，不
4
能说完全安全，不要直接 在光束内观察，也不要用 Class II 激光直 接 照射别人的眼睛，避免用远望设备观察 Class II 激光。典型应用如课 堂演示，激光教鞭，瞄准设备和测距仪等。 Class III ：中输出激光，光束若直接射入 眼睛，会 产生 伤害，基于 某些安全的理由，进一步分为 IIIA 和 IIIB 级。 IIIA 级 为可见光的连续激光，输出为 1-5mW 的激光束，光束的能量 密度不要超过 25W ／ｍｍ，避免 用远望设备观察 IIIA 激光，这样可 能增大危险。 IIIA 的典型应用和 Class II 级有很多相同之处，如激光 教鞭，激光扫描仪等。 III B 级 为 5-500mW 的连续激光， 直接在光束内观察有危险。但最小 照射距离为 13cm，最大照 射时间十秒以 下为安全。IIIB 激光的典型 应用如光谱测定和娱乐灯光表演等。 ClassIV：高输出连续激光（大于 500mW） ，高过第 三级，有火灾 的 危险，扩散反射也有危险。典型应用如外科手术，研究 ，切割，焊接 和显微机械加工等。 五 .激光的分类 : 按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激 励方式分电激励，化学 激励，热激励，光激励 与核激励 等。在医疗中使 用的 CO2 激光 器几乎 百分之百是电激励。 我们重点说一下 CO2 激光特征:CO2 激光又可分为三类: 1.封离型 CO2 激光器 在加工中仅需数百瓦级激光功率时,采用此种准封 离型 CO2 激光
图二
CO2 激光 器的激发条件 :放电管中,通常如图中的 阳极和阴极这 间输入 的直流电流,放电时 ,放电管中的混合气体内 的氮气分 子由于受 到电子 的撞击而被激发起来.这时受到激发 的氮气分子便和 CO2 分子发生碰
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撞,N2 分子把 自己的能量传 递给 C02 分子,CO2 分子从低能跃迁到高 能级上形成粒子数反转发出激光. 光学谐振腔:CO2 激光器的 谐振腔常用平凹腔,反射用 K8 光学玻璃或 光学石英,经加工成 曲率 半径的凹面镜 ,镜面 上镀有高 反射 性的 金属膜 ----镀金膜,在波长 10.6 µ m 处的反射率 达 98.8%,且化学性质稳定.二 氧化碳 发出 的光为红外光 .所以 反射光 需 要 应用 透 红外光和 材料 ,因 为普 通光学玻璃对 红外光不 透.就要求在全反射镜的中心开一小孔再 密封上一块能透过 10.6 µ m 激光的红外材料,以封闭气体 .在诣振腔 内 的光 子 经 过两块平行 的 反 射镜 来 回的 反射放大一 部分 再从这 一 小孔 输出 腔 外 形成一束 激光 .再经 过 安装 在机 床上 的 几 组镜片 传递到我们 要加工的材料表面.这就是我们机床 的发振到出光的一个过程. 二. 激光的特性 激 光 与 普 通 的 光 有 什 么 区 别 请 看 图 三
1.� 激光是单色 的(亮度高 )，在整个产生的机制中，只会产生一种波 长的光。这与普通的光不同，例如阳光和灯光都 是由多种波长的光合 成的，接近白光。 CO2 激光的亮度 比倍 ,太 阳要高 8 而铂玻璃激光亮
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度比太阳表面亮 16 倍。 2.� 激光是相干 的，所有光子都有 相同的相，相同的偏振，它们迭加 起来便产生很大的强度。而在日常生 活中 所见的光，它们的相和偏振 是随机的，相对 于激光，这些 光就弱得多了。 3. � 激光的方向性好,激光光斑只要有杯口那么大，就 是发射到 38 万千 米外的月球上 ，光圈的 直径 也不 过 2 千米，在地球 上看 去，只 是一个明亮的红点。利用激光的这一特性，科学家在 1962 年测出 了 地球与月球的精确距离. 4.
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图一
CO2 激光的激 发过程：如图一所示 ,CO2 激光器中，主要的工作 物质由 CO2，N2，He 三种气体组成。它们的比率是 CO2 5: N2 55: He 40\CO ２ 5:N２ 34:He 61 其它们的纯 度为 99.99%,99.995%,99.995%.其
中 CO2 是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加 入其中 的氦，可以加速 010 能级热弛预过程，因此有利于激光 能级 100 及 020 的抽空。氮气 加入主要在 CO2 激光器中起能量传递作用，为 CO2 激光 上能级粒子数的 积累与大 功 率高效率的激光 输出起到强有力 的 作用。 CO2 激光器的 结构图:如图二所示.