第二章-激光原理与设备2
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整体旋转，转 动的能量是量 子化的
❖ 振转能级形成 CO2光谱的精 细结构，200多 条谱线
激发过程（基态000跃迁到上能级001）
❖ 慢速电子碰撞激发 CO2(000)+eCO2(001)+e
❖ 串级跃迁 CO2(00V3)+ CO2(000)CO2(00V3－1)+ CO2(001) （V3>1）
氯化钾(KCl)
CO2激光透射材料性能比较
常用反射材料的反射率
二、聚焦光学系统
❖ 透射聚焦：2kw以下时常用
良好的聚焦性能、小光斑 与工作区域较近、容易污染（气流保护） 热透镜效应
❖ 反射聚焦：可用于大功率
高导热材料、背面冷却 镜面稳定、热畸变小、破坏阈值高 同轴球面聚焦、离轴球面聚焦、校正的离轴球面
惰性气体放电灯：Kr灯、Xe灯 金属蒸汽灯：汞弧灯、碱金属蒸汽灯 半导体发光二极管（激光和非相干光）
❖ 灯光形状：直线型或螺旋形 ❖ YAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯
四、聚光器
❖ 又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统
五 冷却系统
❖ 热量来源：
电光转换效率30～60％ 工作物质无辐射跃迁 聚光器内壁吸收泵浦光 激光工作物质吸收的多余的泵浦光线 反射镜片吸收的部分光
❖ 红宝石的特点
在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充 分利用光能
化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导 热性好
阈值高 单位体积内产生粒子数反转所需的最小输 入能量高，三能级系统，半数以上的抽运才能实 现粒子数反转，需要较大的泵浦光能
温度影响大 50度以上功率减小，300度温度猝灭
特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏 振态有关；离子能级受晶格场的影响
玻璃. 掺杂浓度高，均匀
缺点：热性能，机械性能较差, 谱线较宽 特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3
激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-3—10-4 s 储能大 泵源：一般用光泵激励 激光器组成： 固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统
红宝石棒成本高
发散角大3～10mrad、总效率低0.2~0.5%
2.掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
❖ YAG: Y3Al5O12（Y2O3 和 Al2O3按3：5克分子比）
❖ Nd3+ 代替Y3+: Y2.97Nd0.03Al5O12
❖ Nd3+：四能级系统
❖ 两条吸收谱线：750nm和 810nm
❖ E0(光激励)E3 E2(10－3s) (10.6um)E1 E0
E*10-3cm-1 750nm 810nm 10600nm
22
20
E3
18
16
12
E2
10
8
6
4
2
E1
0
E0
Nd3+:YAG晶体能级结构
掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)的特点
❖ 阈值低，需要的光泵浦功率小 ❖ 优良的物理、化学性能 ❖ 良好的导热性能、热膨胀系数小 ❖ 吸收谱线宽度窄，对光源质量要求高 ❖ 目前能够用于制作大功率固体激光器的物质
二、CO2激光器的结构和种类
❖ 封离式：工作气体不流动，管壁导热；结构简单，成本低；
光束质量好，可得基模；运行无噪音、易于维护；输出功率 小，1kw，50w/m
横流CO2激光器
❖ 与封离式相比：克服功率不高缺点，改善气体冷却条
件，提高气压
❖ 特点：1、三轴垂直；2、气体流速快60~100m/s；3、
二、固体激光器的结构
第一台红宝石激光器的结构
Haas YAG Laser
Cross Section
The Nd:YAG Solid State Laser
Modern CW lamp pumped
Nd:YAG laser
Schematic diagram of an Can also use diode
§2.5 工业激光加工设备
§2.5.1 固体激光器 §2.5.2 气体激光器 §2.5.3 激光加工的光学系统 §2.5.4 工业激光加工系统
工业激光器
❖ 固体激光器
红宝石 铷玻璃 Nd3+:YAG
ห้องสมุดไป่ตู้
❖ 气体激光器
CO2 CO
能量输出方式：脉冲，连续
激光器的组成
❖ 激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大， 具备亚稳态的多能级系统
大功率激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
板材激光焊接机
激光焊接聚焦头
金刚石锯片激光焊接机
金刚石锯片激光焊接车间
全自动焊接机
半自动焊接机
金刚石刀片制造系统
缸套激光热处理机
汽车缸套激光热处理机
北京切诺基缸套在线激光热处理机
河南孟州缸套激光热处理车间
激光热处理汽车缸套
❖ 危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭” ❖ 冷却方式：全腔式、分离式
六 调Q技术
❖ Q激光器的品质因子
定义：
Q 2 W
dW
其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量， v为频率
❖ Q：反映了谐振腔的损耗，Q越大，起 振越容易，损耗越小
❖ 调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄 脉冲
调Q过程和方法
❖ 调Q方法：
❖ 共振转移＋N2(振动能级E(v)与00V3相近) N2(V=1~4)+ CO2(000)N2(V=0)+ CO2(00V3=1~4) V3=1 001 V3>1 再通过串级跃迁到001
弛豫过程（100、020000）
❖ 分两步
100、020010(很快) 010000(很慢，加快气体)
❖ 下能级尽快排空，维持粒子数反转
World Centre for Materials Joining Technology
双焦点的获得
三、匀光系统
❖ 目的：功率密度均匀分布的矩形光斑 ❖ 形式：
离焦光斑 振动镜 旋转多棱镜 积分镜
匀光系统
四、导光系统
❖ 目的：将光束引入到加工位置 ❖ 形式：
光束转动和光学关节臂 光纤传输系统 分光系统
§2.5.3 激光加工的光学系统
❖ 作用:激光束的传输和处理(光斑大小 和光强分布)
❖ 反射材料和透射材料 ❖ 聚焦光学系统 ❖ 匀光系统 ❖ 导光系统
一、光学材料
❖ YAG: 1.06um，近红外，传统玻璃（硅酸硼冕牌玻 璃），镀膜
❖ CO2: 10.6um,红外光学材料 ❖ 高反射率光学材料：铜、钼、硅、锗 ❖ 透射材料：锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、砷化镓(GaAs),
机械转镜 电光开光 声光开光
M1
M2
转镜调Q
§2.5.2 气体激光器
❖ 增益介质为气体, 可以是原子，分子或离子 ❖ He-Ne激光器 ❖ CO2 分子激光器:
高功率:25kw,欧洲尤里卡计划100kw 高效率：量子效率达40％，电光总效率15％，
YAG：2～3％ 高光束质量，连续稳定输出低阶模 长波长：非金属吸收，金属强烈反射
Nd:YAG laser
lasers for pumping
Copyright © 2003, TWI Ltd
World Centre for Materials Joining Technology
三、泵浦光源
❖ 要求：电光效率高、发光谱线与工作物质的 吸收谱线一致、功率大、亮度高、寿命长
❖ 光源种类：
功率高；4、光束质量差(高阶模或环形模)
轴流式CO2激光器
Fast-Axial Flow Lasers -Theory Of Operation
PRC Laser
The Carbon Dioxide Fast Axial Flow Laser
Schematic diagram of a fast axial flow CO2 laser
一、固体激光器的工作物质
1、红宝石：Al2O3晶体中掺 入少量Cr3+
❖ Cr3+是激活粒子， Al2O3晶体是基体
❖ 三能级系统：
基态E1：4A2 激发态E3：4F1 、 4F2 亚稳态E2: E、2A
❖ 由于谱线竞争，激光 多产生于R1线 (694.3nm)
❖ 两个吸收能带
❖ 410nm(蓝光带) ❖ 550nm(绿光带)
❖ 导光系统的保护（人身和镜面）
光束方向改变
YAG 激光传输方式 --光纤传输
Nd:YAG Laser Beam Delivery
Laser
分光装置
扫描光路
§2.5.4 工业激光加工系统
激光加工设备
主要部件
辅助部件
激光器
导光系统
冷却系统
加工头
工件装夹
光路保护装置
控制系统
工件运动系统
辅助材料
上下料
质量监控
3D laser cutting and welding
激光加工系统图片
大功率激光切割机
VECTOR数控激光切割机
激光切割聚焦头
数控5轴激光切管机
Profile 数控激光切割机
中小功率激光焊接机
小型通用激光焊接机
首饰激光焊接机
中小功率激光焊接机
LWY50C4多光束激光焊接机 多光束激光焊接聚焦系统
❖ 激励源：提供能量，使粒子数反转，最后转 化成激光能量
❖ 谐振腔： 选模， 限制波形和提供反馈、增益， 提供稳定振荡
❖ 电源：为激励源提供能量 ❖ 冷却系统：冷却工作物质、谐振腔等 ❖ 控制系统：保证系统稳定可靠的工作
激光器组成
§2.5.1 固体激光器
工作物质：基质材料和掺杂离子
掺杂离子：三能级系统或四能级系统 基 质：晶体. 掺杂离子取代晶体中的一种离子
❖ 工作气体的成分
CO2产生激光 N2：共振激发，同时加速弛豫过程 He：抽孔下能级（碰撞），导热性好、散热 不同结构具有不同最佳比例 气体“老化”：分解、空气滲入、不同的解决方法
❖ 温度的影响：温度升高，下能级粒子数增多，功率绛低 ❖ 放电电流的影响：一定范围内，电流增大功率增大；电
流过大加速CO2分解和温度上升，功率下降
一、CO2激光器的工作物质
❖ 分子的内能：电子运动、原 子间的振动、整体转动
❖ CO2激光器中CO2分子跃迁 发生在基态电子的不同振转 能级之间
❖ 振动能级：V1V2lV3
对称 V1 弯曲 V2 反对称 V3 l为弯曲振动的角量子数
❖ 转动能级
不存在纯振动， 振动时一定处 于某种转动之 中
聚焦
反射聚焦与透射聚焦
Beam focusing
0.6mm
Reflective 4kW Nd:YAG beam print ~150mm focal length
Transmissive
Power density at focus ~1,500,000 W/cm2
Copyright © 2003, TWI Ltd
Modern RF excited fast Axial flow CO2 laser
❖ 快轴流(200~500m/s)和慢轴流(0.1~1m/s)
❖ 特点:
光束、气流、电场同向 分段激励 单位长度输出功率大 500w/m，体积大大减小 输出光束质量好：基模或低阶模 可连续或脉冲输出
三、影响CO2激光器功率输出的因素
❖ 振转能级形成 CO2光谱的精 细结构，200多 条谱线
激发过程（基态000跃迁到上能级001）
❖ 慢速电子碰撞激发 CO2(000)+eCO2(001)+e
❖ 串级跃迁 CO2(00V3)+ CO2(000)CO2(00V3－1)+ CO2(001) （V3>1）
氯化钾(KCl)
CO2激光透射材料性能比较
常用反射材料的反射率
二、聚焦光学系统
❖ 透射聚焦：2kw以下时常用
良好的聚焦性能、小光斑 与工作区域较近、容易污染（气流保护） 热透镜效应
❖ 反射聚焦：可用于大功率
高导热材料、背面冷却 镜面稳定、热畸变小、破坏阈值高 同轴球面聚焦、离轴球面聚焦、校正的离轴球面
惰性气体放电灯：Kr灯、Xe灯 金属蒸汽灯：汞弧灯、碱金属蒸汽灯 半导体发光二极管（激光和非相干光）
❖ 灯光形状：直线型或螺旋形 ❖ YAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯
四、聚光器
❖ 又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统
五 冷却系统
❖ 热量来源：
电光转换效率30～60％ 工作物质无辐射跃迁 聚光器内壁吸收泵浦光 激光工作物质吸收的多余的泵浦光线 反射镜片吸收的部分光
❖ 红宝石的特点
在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充 分利用光能
化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导 热性好
阈值高 单位体积内产生粒子数反转所需的最小输 入能量高，三能级系统，半数以上的抽运才能实 现粒子数反转，需要较大的泵浦光能
温度影响大 50度以上功率减小，300度温度猝灭
特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏 振态有关；离子能级受晶格场的影响
玻璃. 掺杂浓度高，均匀
缺点：热性能，机械性能较差, 谱线较宽 特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3
激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-3—10-4 s 储能大 泵源：一般用光泵激励 激光器组成： 固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统
红宝石棒成本高
发散角大3～10mrad、总效率低0.2~0.5%
2.掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
❖ YAG: Y3Al5O12（Y2O3 和 Al2O3按3：5克分子比）
❖ Nd3+ 代替Y3+: Y2.97Nd0.03Al5O12
❖ Nd3+：四能级系统
❖ 两条吸收谱线：750nm和 810nm
❖ E0(光激励)E3 E2(10－3s) (10.6um)E1 E0
E*10-3cm-1 750nm 810nm 10600nm
22
20
E3
18
16
12
E2
10
8
6
4
2
E1
0
E0
Nd3+:YAG晶体能级结构
掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)的特点
❖ 阈值低，需要的光泵浦功率小 ❖ 优良的物理、化学性能 ❖ 良好的导热性能、热膨胀系数小 ❖ 吸收谱线宽度窄，对光源质量要求高 ❖ 目前能够用于制作大功率固体激光器的物质
二、CO2激光器的结构和种类
❖ 封离式：工作气体不流动，管壁导热；结构简单，成本低；
光束质量好，可得基模；运行无噪音、易于维护；输出功率 小，1kw，50w/m
横流CO2激光器
❖ 与封离式相比：克服功率不高缺点，改善气体冷却条
件，提高气压
❖ 特点：1、三轴垂直；2、气体流速快60~100m/s；3、
二、固体激光器的结构
第一台红宝石激光器的结构
Haas YAG Laser
Cross Section
The Nd:YAG Solid State Laser
Modern CW lamp pumped
Nd:YAG laser
Schematic diagram of an Can also use diode
§2.5 工业激光加工设备
§2.5.1 固体激光器 §2.5.2 气体激光器 §2.5.3 激光加工的光学系统 §2.5.4 工业激光加工系统
工业激光器
❖ 固体激光器
红宝石 铷玻璃 Nd3+:YAG
ห้องสมุดไป่ตู้
❖ 气体激光器
CO2 CO
能量输出方式：脉冲，连续
激光器的组成
❖ 激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大， 具备亚稳态的多能级系统
大功率激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
板材激光焊接机
激光焊接聚焦头
金刚石锯片激光焊接机
金刚石锯片激光焊接车间
全自动焊接机
半自动焊接机
金刚石刀片制造系统
缸套激光热处理机
汽车缸套激光热处理机
北京切诺基缸套在线激光热处理机
河南孟州缸套激光热处理车间
激光热处理汽车缸套
❖ 危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭” ❖ 冷却方式：全腔式、分离式
六 调Q技术
❖ Q激光器的品质因子
定义：
Q 2 W
dW
其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量， v为频率
❖ Q：反映了谐振腔的损耗，Q越大，起 振越容易，损耗越小
❖ 调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄 脉冲
调Q过程和方法
❖ 调Q方法：
❖ 共振转移＋N2(振动能级E(v)与00V3相近) N2(V=1~4)+ CO2(000)N2(V=0)+ CO2(00V3=1~4) V3=1 001 V3>1 再通过串级跃迁到001
弛豫过程（100、020000）
❖ 分两步
100、020010(很快) 010000(很慢，加快气体)
❖ 下能级尽快排空，维持粒子数反转
World Centre for Materials Joining Technology
双焦点的获得
三、匀光系统
❖ 目的：功率密度均匀分布的矩形光斑 ❖ 形式：
离焦光斑 振动镜 旋转多棱镜 积分镜
匀光系统
四、导光系统
❖ 目的：将光束引入到加工位置 ❖ 形式：
光束转动和光学关节臂 光纤传输系统 分光系统
§2.5.3 激光加工的光学系统
❖ 作用:激光束的传输和处理(光斑大小 和光强分布)
❖ 反射材料和透射材料 ❖ 聚焦光学系统 ❖ 匀光系统 ❖ 导光系统
一、光学材料
❖ YAG: 1.06um，近红外，传统玻璃（硅酸硼冕牌玻 璃），镀膜
❖ CO2: 10.6um,红外光学材料 ❖ 高反射率光学材料：铜、钼、硅、锗 ❖ 透射材料：锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、砷化镓(GaAs),
机械转镜 电光开光 声光开光
M1
M2
转镜调Q
§2.5.2 气体激光器
❖ 增益介质为气体, 可以是原子，分子或离子 ❖ He-Ne激光器 ❖ CO2 分子激光器:
高功率:25kw,欧洲尤里卡计划100kw 高效率：量子效率达40％，电光总效率15％，
YAG：2～3％ 高光束质量，连续稳定输出低阶模 长波长：非金属吸收，金属强烈反射
Nd:YAG laser
lasers for pumping
Copyright © 2003, TWI Ltd
World Centre for Materials Joining Technology
三、泵浦光源
❖ 要求：电光效率高、发光谱线与工作物质的 吸收谱线一致、功率大、亮度高、寿命长
❖ 光源种类：
功率高；4、光束质量差(高阶模或环形模)
轴流式CO2激光器
Fast-Axial Flow Lasers -Theory Of Operation
PRC Laser
The Carbon Dioxide Fast Axial Flow Laser
Schematic diagram of a fast axial flow CO2 laser
一、固体激光器的工作物质
1、红宝石：Al2O3晶体中掺 入少量Cr3+
❖ Cr3+是激活粒子， Al2O3晶体是基体
❖ 三能级系统：
基态E1：4A2 激发态E3：4F1 、 4F2 亚稳态E2: E、2A
❖ 由于谱线竞争，激光 多产生于R1线 (694.3nm)
❖ 两个吸收能带
❖ 410nm(蓝光带) ❖ 550nm(绿光带)
❖ 导光系统的保护（人身和镜面）
光束方向改变
YAG 激光传输方式 --光纤传输
Nd:YAG Laser Beam Delivery
Laser
分光装置
扫描光路
§2.5.4 工业激光加工系统
激光加工设备
主要部件
辅助部件
激光器
导光系统
冷却系统
加工头
工件装夹
光路保护装置
控制系统
工件运动系统
辅助材料
上下料
质量监控
3D laser cutting and welding
激光加工系统图片
大功率激光切割机
VECTOR数控激光切割机
激光切割聚焦头
数控5轴激光切管机
Profile 数控激光切割机
中小功率激光焊接机
小型通用激光焊接机
首饰激光焊接机
中小功率激光焊接机
LWY50C4多光束激光焊接机 多光束激光焊接聚焦系统
❖ 激励源：提供能量，使粒子数反转，最后转 化成激光能量
❖ 谐振腔： 选模， 限制波形和提供反馈、增益， 提供稳定振荡
❖ 电源：为激励源提供能量 ❖ 冷却系统：冷却工作物质、谐振腔等 ❖ 控制系统：保证系统稳定可靠的工作
激光器组成
§2.5.1 固体激光器
工作物质：基质材料和掺杂离子
掺杂离子：三能级系统或四能级系统 基 质：晶体. 掺杂离子取代晶体中的一种离子
❖ 工作气体的成分
CO2产生激光 N2：共振激发，同时加速弛豫过程 He：抽孔下能级（碰撞），导热性好、散热 不同结构具有不同最佳比例 气体“老化”：分解、空气滲入、不同的解决方法
❖ 温度的影响：温度升高，下能级粒子数增多，功率绛低 ❖ 放电电流的影响：一定范围内，电流增大功率增大；电
流过大加速CO2分解和温度上升，功率下降
一、CO2激光器的工作物质
❖ 分子的内能：电子运动、原 子间的振动、整体转动
❖ CO2激光器中CO2分子跃迁 发生在基态电子的不同振转 能级之间
❖ 振动能级：V1V2lV3
对称 V1 弯曲 V2 反对称 V3 l为弯曲振动的角量子数
❖ 转动能级
不存在纯振动， 振动时一定处 于某种转动之 中
聚焦
反射聚焦与透射聚焦
Beam focusing
0.6mm
Reflective 4kW Nd:YAG beam print ~150mm focal length
Transmissive
Power density at focus ~1,500,000 W/cm2
Copyright © 2003, TWI Ltd
Modern RF excited fast Axial flow CO2 laser
❖ 快轴流(200~500m/s)和慢轴流(0.1~1m/s)
❖ 特点:
光束、气流、电场同向 分段激励 单位长度输出功率大 500w/m，体积大大减小 输出光束质量好：基模或低阶模 可连续或脉冲输出
三、影响CO2激光器功率输出的因素