激光与材料的相互作用(精)
激光加工的原理特点及应用
激光加工的原理特点及应用一、激光加工的原理激光加工是一种利用激光束对材料进行加工的方法。
它使用高能量密度的激光束对材料表面进行加热或熔化，从而实现切割、焊接、打孔等加工过程。
激光加工的原理主要包括以下几个方面：1.激光的产生：激光是由激光器生成的一束高度聚焦的光束。
激光器通过受激辐射的原子或分子发出具有特定波长和方向性的光，形成激光束。
2.激光的聚焦：激光束经过透镜或反射镜的作用，可以将光束聚焦到小尺寸的区域。
聚焦后的激光束具有高能量密度，可使材料表面产生高温。
3.激光与材料的相互作用：激光束照射到材料表面时，光能会被材料吸收、反射或透射。
当光能被吸收时，材料会发生热量的积累，引起温度升高。
4.材料的热效应：当材料受到高温的作用时，可能会发生熔化、汽化、气化或蒸发等现象。
材料的热效应决定了激光加工的效果。
二、激光加工的特点激光加工具有以下几个特点，使其在许多领域得到了广泛应用：1.高能量密度：激光束具有高度聚焦的特性，能够将高能量集中在很小的区域内。
因此，激光加工可以在微观尺度上进行精确加工，实现高精度的加工效果。
2.无接触加工：激光加工是一种非接触加工方法，即激光束不需要直接接触材料表面，避免了材料污染和机械损伤的可能性。
3.热影响区小：激光加工主要通过瞬时高温作用于材料表面，对材料的热影响区域较小，减少了加工过程中的热变形和残余应力。
4.处理速度快：激光加工具有高加工速度的特点，可以在短时间内完成大量的加工任务，提高了生产效率。
5.可加工多种材料：激光加工适用于各种硬度和脆性的材料，包括金属、非金属、塑料等。
不同材料对激光的吸收和反射特性不同，因此可以选择不同类型的激光器进行加工。
三、激光加工的应用激光加工在许多应用领域都得到了广泛的应用，以下列举了几个常见的应用领域：1.制造业：激光切割、激光焊接和激光打孔是制造业中常用的激光加工方法。
激光加工可以对金属板材、管材、零件等进行精确加工，提高产品的质量和生产效率。
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。
3-2 激光与材料相互作用
反常吸收
指通过多重非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能的过程。 这些波所携带的能量，通过各种耗散机制转化为等离子热能。
等离子体对激光的吸收系数：
Z 2 e 6 N e N i ln 2 2 3 c 0 (2me KT ) 3 2 [1 ( pe / 2 ]1 2
T
Z Ne / Ni
激光束
等离子体 工件
2）等离子体对激光的吸收
等离子体通过多重机制吸收激光能量，使温度升高、电离度增大。
正常吸收
逆韧致吸收，是指处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并 且以一定概率与粒子（主要为离子）相互碰撞，把能量交给比较重的 粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。 逆韧致吸收分为线性（电子速度分布为麦克斯韦分布）和非线性 （电子速度分布函数与电场有关）两类，非线性情况发生在极高激光 电场场合。
Localized evaporation
Weld metal
Hump Metal flow
焊接过程中匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的。 气孔的形成：1）局部蒸发引起保护气的侵入；2）合金元素的烧损； 3）激光焊接铝及合金时，在冷却过程中由于氢在铝中的溶解度急剧下 降会形成氢气孔。
在熔池中存在旋转的涡流构造，且能量较大，有强烈 的搅拌力作用。熔池底部产生的较大气泡并非完全依靠上 浮力排除熔池，而是靠金属的流动带出熔池。
羽状等离子云吸收光束能量
匙孔内光束能量减少，等离子体的 产生作用减弱，同时匙孔熔深减小
羽状等离子云逐渐消散
匙孔内光束能量增加，等离子体的 产生作用增加，同时匙孔熔深增大。
4、等离子体在能量传输中的作用
等离子体位于熔池上方的激光传输通道上，它对激光会产 生反射、散射以及吸收，还会对激光产生负透镜效应。
激光与物质相互作用的应用及原理
激光与物质相互作用的应用及原理1. 引言激光技术作为一种高度聚焦、高能量密度、单色性好的光源，其与物质相互作用的应用领域越来越广泛。
本文将介绍激光与物质相互作用的一些应用及其原理。
2. 材料加工激光在材料加工领域具有广泛的应用。
激光通过聚焦后的高能量密度，可以对各种材料进行切割、打孔、焊接等加工操作。
以下是激光材料加工应用的一些原理：•切割：激光加工中最常见的应用之一。
激光通过高能量聚焦，使材料发生熔化或气化现象，从而实现切割作业。
•打孔：激光束通过高能量聚焦，使材料在被烧蚀的同时发生熔化，从而形成孔洞。
•焊接：激光通过高能量聚焦，使材料局部熔化，然后冷却后形成焊缝。
激光材料加工的优势主要体现在精度高、速度快、热影响区小等方面。
3. 激光医学应用激光在医学领域的应用也十分广泛。
激光手术是一种非侵入性的治疗方法，可用于切除、蒸发和凝固组织。
以下是激光医学应用的一些原理：•激光手术：激光通过高能量聚焦，可以切割和蒸发生物组织。
激光手术具有创伤小、出血少和恢复快的特点。
•激光美容：激光可以用于美容领域中的病症治疗、皮肤重建和皮肤再生等方面。
•激光疗法：激光通过对病人身体组织的照射，可用于治疗多种疾病，如肿瘤、静脉曲张等。
激光医学应用的优势主要体现在精准治疗、创伤小、恢复快等方面。
4. 激光测量技术激光测量技术是利用激光与物体相互作用的原理进行测量的一种精确测量方法。
以下是激光测量技术的一些应用：•激光雷达：通过利用激光束对目标物体进行扫描，可以测量目标物体的距离、速度和位置等信息。
•激光测距仪：通过测量激光束从发射到接收的时间来计算距离，可用于测量远距离。
•激光显微镜：利用激光对样品进行照射，可以实现高分辨率、高对比度的显微观察。
激光测量技术的优势主要体现在测量精度高、非接触式测量、适用于各种物体等方面。
5. 激光通信技术激光通信技术是利用激光将信息传输的一种无线通信技术。
以下是激光通信技术的一些原理：•光纤通信：利用激光将信息通过光纤传输，具有大带宽、抗干扰能力强等特点。
激光与材料表面相互作用过程分析
激光与材料表面相互作用过程分析激光技术作为一种高能量、高密度、高单色性的光源，广泛应用于各个领域，包括材料加工、医学、通信等。
在材料加工领域，激光与材料表面的相互作用过程具有重要意义。
深入分析激光与材料表面相互作用过程，对于提高材料加工效率和质量具有重要意义。
激光与材料表面相互作用过程可以分为三个主要阶段：吸收阶段、热传导阶段和物质损失阶段。
在吸收阶段，激光能量被材料表面吸收，导致材料表面温度升高。
激光的选择性吸收特性使得激光能够更加有效地转化为热能。
材料的吸收率与激光波长、材料性质以及表面状态等因素有关。
吸收阶段的研究对于确定激光处理的条件和参数非常关键。
在热传导阶段，经过吸收的能量将沿着材料表面传播。
热传导的速度与材料的热导率密切相关。
高热导率的材料能够更快地将热量传导到材料内部，减少激光热效应的范围。
还有一些材料由于其较低的热导率，可以实现局部加热和快速冷却，从而形成一些特殊的表面形貌，如激光诱导断裂等。
在物质损失阶段，高温和高能量的激光作用下，材料表面会出现一系列改性的现象，如脱层、气泡、熔化、汽化等。
这些现象与材料的物理性质、激光参数和作用时间密切相关。
理解物质损失机制可以帮助我们更好地控制材料的加工质量，避免不必要的损失。
除了以上三个主要阶段，还有一些其他因素会影响激光与材料表面相互作用过程，比如激光的聚焦方式、脉冲能量和频率以及材料的粗糙度等。
这些因素在激光加工过程中起到重要的作用，对于加工效率和质量的控制至关重要。
值得注意的是，激光与材料表面相互作用过程也存在一些潜在的挑战和问题。
一方面，激光加工可能导致材料的畸变、裂纹和残留应力等问题，需要通过优化激光参数和加工条件来解决；另一方面，激光加工过程中产生的废气和废水可能对环境造成污染，需要采取相应的措施进行处理和处理，确保激光加工的可持续性和环境友好性。
总而言之，激光与材料表面相互作用过程是一个复杂且多变的过程。
深入分析这个过程对于提高材料加工效率和质量至关重要。
激光与物质相互作用课件
利用激光的能量和方向性，实现对微观粒子的精 确操控，如光镊技术等。
激光与物质相互作
03
用的实验技术
激光光谱技术
原子光谱技术
利用激光激发物质中的原子，测量原子能级的跃迁，从而分析物 质成分和结构。
分子光谱技术
通过测量分子振动和转动能级的跃迁，分析物质的分子结构和化学 键信息。
非线性光谱技术
激光与物质相互作
02
用的应用
激光在材料加工中的应用
激光切割
利用高能激光束对材料进行精确 切割，具有高精度、高效率的特
点。
激光焊接
通过激光束将材料熔化并连接在 一起，常用于金属材料的焊接。
激光打标
利用激光束在材料表面刻写文字 、图案等标识，具有高清晰度、
耐久性好。
激光在医学领域的应用
激光治疗
利用激光的生物效应，如光热作用、 光化学作用等，对病变组织进行治疗 。
折射
当激光进入不同介质时， 会发生折射现象，改变光 的传播方向。
激光与物质相互作用的物理过程
光致电离
激光能量足够高时，能够 使物质中的电子从原子或 分子中完全剥离出来，形 成离子。
热效应
激光能量被物质吸收后， 会导致物质局部温度升高 ，产生热效应。
光化学反应
激光能量可以激发物质分 子到激发态，进而发生光 化学反应。
致。
单色性
激光的波长范围非常窄，具有很高 的单色性，有利于精确控制和操作 。
高强度
激光的功率密度非常高，可以在短 时间内对物质产生强烈的相互作用 。
物质对激光的响应
01
02
03
吸收
物质对激光的能量进行吸 收，将光能转化为热能或 其他形式的能量。
激光与晶体的相互作用
激光与晶体的相互作用一、激光概述（一）激光发展历程激光是自1960年世界上第一台红宝石激光器出现后受到人们的关注，且被越来越多地研究。
对激光的研究极大地推动了光物理的发展。
1964年锁模技术出现后，激光产生的许多非线性现象得以发现，出现了激光与物质材料相互作用的微扰理论。
20世纪70年代，飞秒脉冲激光得以发现，从此激光进入了飞秒激光技术时代。
激光在物理、化学、生物等方面得到广泛的应用。
激光的发现为人们研究物质新现象、新性质提供了便捷有力的手段，是目前具有尖端前沿性质的科学研究领域，可为未来科学技术实现跨越式发展奠定基础。
其中飞秒激光极高的峰值功率密度可用于诱导材料的非线性现象的出现，是激光研究的一个极其重要的方面。
（二）激光与晶体相互作用原理激光与晶体之间相互作用表现为通过二者之间的相互作用机理来改变物质的性状。
激光中超短脉冲激光与晶体材料之间相互作用会出现非线性现象，比如光离效应、等离子吸收激光热量效应等。
超长脉冲激光与晶体之间相互作用是通过使用长脉冲激光对材料进行加工，改变晶体材料的物理形态，使其从固态变为液态，再由液态变为气态，最后经过物质热熔环节的处理，过滤晶体材料中的杂质，实现对晶体材料的加工。
在这个过程中，也能更多地认识到激光本身的特性。
在改变晶体材料物理形态的过程中，长脉冲激光的特性也发生了改变，更能够直观地观察到晶体材料在长脉冲激光照射下性态变化的特殊瞬间。
超短脉冲激光与晶体材料的相互作用则更为复杂，其中发生的非线性效应有多种变化，不易直接地得出研究结论。
二、激光与晶体的相互作用分析对激光与晶体相互作用的研究分析主要从超短激光和超长激光两个方面进行，分别阐述了超短激光与晶体材料的相互作用，超长激光与晶体材料之间的相互作用。
最后构建现阶段广泛使用的Docchio 模型对移动损伤的分析，得到高速激光脉冲下对物质损伤的结果，以进一步激发激光的潜能。
（一）非线性效应超短脉冲激光与晶体材料之间的相互作用主要是晶体材料对激光的能量吸收，分为线性和非线性吸收两种状况。
激光与材料相互作用的机理研究
激光与材料相互作用的机理研究激光是一种高能光束，具有独特的性质。
激光技术被广泛应用于现代工业、医学、航天等领域。
材料与激光相互作用的机理研究，对于开发新的激光应用技术、优化工艺和改进材料性能具有重要意义。
一、激光与材料相互作用的基本原理激光与材料相互作用的机理是通过激光光束能量的吸收、传输与转化来实现的。
激光束在材料表面形成热点，并将能量传递给材料内部，导致材料结构发生改变，表面形态也发生相应的变化。
激光在材料中的能量传递与转化方式是多种多样的，主要包括吸收、散射、反射、折射等过程。
激光在材料中的转化方式与材料本身的物理性质和化学性质密切相关。
激光束的选择、参数设置和控制技术对于激光与材料相互作用的机理研究有着至关重要的影响。
二、激光与材料相互作用的各种方式激光与材料相互作用的方式是多种多样的，包括激光表面处理、激光切割、激光焊接、激光打标、激光刻蚀等多种方式。
每种方式都有其独特的作用原理和特点，具有广泛的应用领域。
激光表面处理是通过激光束的高能量、高强度对材料表面进行能量转化或化学反应而实现的。
激光表面处理主要用于材料表面的改性、加热、强化和清洗等方面。
激光表面处理在汽车、航空制造、金属材料加工等行业中有着重要的应用。
激光切割则是将激光束聚焦在材料表面，使材料表面的局部区域受热膨胀、溶化、汽化，从而实现对材料进行切割的过程。
激光切割具有切割速度快、切割精度高、应用范围广等优点，广泛应用于金属、非金属材料的切割加工。
激光焊接通过激光能量的局部作用，使材料表面的局部区域局部熔化，然后使材料互相融合，形成一体化的结构。
激光焊接具有焊接精度高、成型效果好、应用领域广泛等特点。
激光焊接广泛应用于汽车、电子、军工等领域。
激光打标是指通过激光束在材料表面进行无接触的标记或刻画。
激光打标主要适用于材料的品种多、光滑度高、硬度大或材料表面易受污染等情况下的标记要求。
激光打标在计量器具、电子、医疗、飞行器等行业有着广泛应用。
2.1材料对激光的吸收与反射(精)
4. 作业思考题
（1）利用激光技术加工材料，从本质上讲激光与材料的相 互作用是什么过程？
（2）简述影响材料对激光吸收的因素和影响规律是什么？
材料对激光的吸收与反射
课程名称：激光加工技术 主讲人：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
材料对激光的吸收与反射
1.教学目标
理解在激光加工过程中激光与材料相互作用的机制,掌 握材料对激光光波吸收的影响因素和规律。
2. 材料对激光的作用
2.1 材料对激光的吸收
激光与材料的相互作用是激光加工的物理基础，本质是光 波电磁场与物质内带电粒子的作用，即能量转换过程。
对于金属材料加工，主要考察吸收和反射（透射为零）。 吸收率a=P吸/P总；反射率R=P反/P总，则有a+R=1
2.2 影响材料吸收光波的因素
2.2.1 激光波长
室温下激光波长增 加，吸收率减小
图1 室温下常用金属的反射率与波长的关系
2.2.2 加热温度
吸收率
材料温度升高， 吸收率增大
温度
图2 材料吸收率与温度的关系
2.2.3Байду номын сангаас材料表面状态
表1 不同涂层材料的吸收率
表面粗糙、氧化膜或 涂层可增大吸收率
注：材料：40钢；激光功率：150W； 扫描速度：10mm/s
2.2.4 材料性质
波长在红外线范围内，电 阻越小，吸收率越低
图3 不同材料对不同波长激光的吸收率
约390nm-780nm
3. 小结
室温下激光波长增加，材料的吸收率减小；材料温度升 高，吸收率增大；表面粗糙、氧化膜等增大吸收率；波长 在红外区内，电阻越小，吸收率越低。
激光与材料相互作用物理学
激光与材料相互作用物理学
激光与材料相互作用物理学是研究激光与物质相互作用的学科，其中包括激光与材料
的光学、光谱学、热力学、动力学等方面的问题。
激光是一种极具高度的集中性和单色性的光源，其能量密度超过了传统的光源，因此
可以产生非常强的光束，对物质产生显著的影响。
在材料科学中，利用激光进行加工、制备和探测已成为一种热门的研究方向。
激光在
材料中的作用主要包括光学过程和非光学过程。
光学过程是指激光与材料的光学性质相互作用的过程。
这种相互作用通常涉及到材料
对激光的吸收、散射和反射等现象。
根据材料对激光吸收的不同波长，可以选择不同波长
的激光进行操作。
此外，激光还可以通过能量传递的方式作用于材料，达到加热或组分转
移的目的。
光学过程的特点是能够实现高精度加工，制备高性能材料。
在激光与材料相互作用中的一些基本问题包括激光与材料的能量传递过程、激光对材
料的光致化学反应、激光与材料的相转变过程等。
激光与材料相互作用物理学的研究已在工业、医学、能源等领域得到广泛应用。
例如，激光制造已成为高精度制造和精密控制技术的典范，激光检测已经在医学和环境保护上得
到广泛应用，激光在能源中的应用也日渐增多，包括太阳能、激光动力学、激光核聚变等。
总之，激光与材料相互作用的物理学研究对于推动材料科学和现代工业的发展具有重
要的意义。
激光的成型技术原理和应用
激光的成型技术原理和应用1. 引言激光技术是一种利用激光器发射的激光束进行物质加工和制造的先进技术。
这种技术具有高精度、高效率和非接触性的特点，广泛应用于多个领域，例如工业加工、医疗、通信等。
本文将介绍激光的成型技术原理和应用。
2. 激光成型技术原理激光成型技术是一种通过控制激光束对材料进行加热和熔化，从而实现材料形状的变化的技术。
以下是激光成型技术的原理：•激光产生：激光是通过激光器产生的。
激光器中的活性介质受到能量激发后，会发射出一束具有高度一致性和高度定向性的光束。
•激光与材料的相互作用：激光束照射到材料表面时，会与材料相互作用。
激光的能量会被吸收或散射，使材料受热并熔化或蒸发。
•激光控制和移动：激光束通过透镜或反射镜进行聚焦和控制，使激光能量集中在材料的特定区域。
同时，激光束可以通过机械系统进行移动，以实现对材料的精确成型。
3. 激光成型技术应用激光成型技术在多个领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：3.1 工业加工激光成型技术在工业加工中起到了关键作用。
它可以用于切割、雕刻、打孔和焊接等工艺。
由于激光的高能量密度和精确控制能力，它可以对各种材料进行高精度加工，例如金属、塑料和陶瓷等。
3.2 医疗在医疗领域，激光成型技术被广泛用于激光手术和激光治疗。
激光手术利用激光束的高能量照射来切割、凝固或蒸发组织，用于眼科手术、皮肤手术和晶状体摘除等。
激光治疗则利用激光的局部加热作用来破坏异常组织，用于癌症治疗和皮肤疾病治疗等。
3.3 通信激光成型技术在通信领域起到了重要的作用。
激光器发射的激光束可以传输数据信号，用于光纤通信和无线通信中的光传输。
激光的高速、高能量传输能力使其成为了当前通信技术中的重要组成部分。
3.4 其他领域的应用除了工业加工、医疗和通信，激光成型技术还在其他领域有着各种应用。
例如，激光打印技术用于激光打印机和激光复印机中，激光雷达用于地形测绘和无人驾驶汽车等。
4. 总结激光成型技术利用激光器产生的激光束对材料进行加热和熔化，实现材料形状的变化。
激光与材料相互作用
激光与材料相互作用：匙孔效应的详细研究一、引言激光与材料的相互作用是现代光学和材料科学的一个重要交叉领域。
这种相互作用产生的一系列复杂现象，如匙孔效应，对于理解材料的加工、改性和失效机制具有重要意义。
匙孔效应，也称为激光匙孔或激光诱导的孔洞，是激光照射到材料表面时产生的一种独特现象。
当高功率激光束聚焦到材料表面时，会迅速加热并蒸发材料，形成一个空腔，即匙孔。
匙孔效应在材料加工、微制造和医疗等领域具有广泛的应用。
二、匙孔效应的现象和机制匙孔效应的主要现象包括激光束聚焦处的材料迅速蒸发，形成蒸汽羽和匙孔。
匙孔形成后，会吸引激光束继续照射，导致匙孔周围的材料迅速熔化和汽化。
这种过程会一直持续，直到激光束移开或材料温度降至熔点以下。
匙孔效应的主要机制是激光与材料相互作用引起的热力学过程。
高功率激光束将能量传递给材料，导致其快速加热和蒸发。
形成的蒸汽羽和匙孔又会对周围的材料产生冲击力和热传导作用，进一步导致材料的熔化和汽化。
三、匙孔效应的影响因素匙孔效应的影响因素包括激光参数、材料性质和环境条件等多个方面。
1.激光参数：激光功率、波长、光斑尺寸、扫描速度等参数都会对匙孔效应产生影响。
其中，激光功率和光斑尺寸对匙孔的形成和尺寸有显著影响。
2.材料性质：材料的吸收系数、热导率、熔点和表面张力等性质都会影响匙孔效应。
例如，高吸收系数的材料会更容易被激光加热和蒸发。
3.环境条件：环境温度、气压和气体成分等也会对匙孔效应产生影响。
例如，高气压环境会阻碍蒸汽羽的形成，而含有杂质的气体会影响匙孔的形状和稳定性。
四、匙孔效应的数值模拟方法为了深入理解匙孔效应的机制和影响因素，数值模拟方法是一种有效的手段。
常用的数值模拟方法包括热力学模型、流体动力学模型和耦合模型等。
1.热力学模型：热力学模型关注的是材料的热性质和能量传递过程。
这类模型通常基于传热方程、质量守恒方程和能量守恒方程等构建，能够模拟激光照射下材料的温度分布和匙孔的形成过程。
激光与材料相互作用机理研究
激光与材料相互作用机理研究一、概述激光与材料相互作用机理研究是材料科学领域中的一个重要研究方向。
激光加工技术在制造业中越来越受到重视，因为它具有质量高、效率高、可控性好等优点，被广泛应用于航空制造、汽车制造、电子设备等领域。
在激光加工过程中，激光再材料中的相互作用是一项关键的技术问题。
因此，深入研究激光与材料相互作用机理对于提高激光加工的质量和效率具有重要意义。
二、激光与材料相互作用的基本原理激光与材料相互作用的基本原理是光与物质之间的相互作用。
光在与材料相互作用时会被吸收、反射、散射等，并通过热传导、热辐射等方式作用于材料中，从而导致材料的物理和化学性质发生改变。
激光与材料相互作用的过程可以分为以下几个阶段：1. 光与材料的相互作用：当激光与材料相遇时，光子将能量传递给材料，使其进行状态变化。
2. 吸收过程：材料中的分子吸收光子能量，使它们从基态或低能量状态转变为高能量在态，在此过程中，物质发生热膨胀和蒸发。
3. 热传导和热辐射：被激发的材料分子通过热传导和热辐射方式传递能量。
4. 热损耗：材料受到激光照射后，内部吸收的能量不断积累，超过其耐受的极限，便会发生熔化、汽化、严重的塌陷等不同的物理和化学反应过程。
5. 材料剥落：材料剥落是指激光能量传递到物体表面后，材料出现爆炸性膨胀和极端量热反应，瞬间使物体表面形成高压气体。
此时，材料表面逐渐形成锥型孔洞，并随着气浪的爆发产生的物理冲击力，最终导致材料剥落。
三、激光与材料相互作用机理的影响因素1. 光学特性：光学特性是指材料吸收、散射、反射、透射激光的能力。
不同材料的反射率和吸收率不同，因此激光与材料相互作用过程中其产生的影响也不同。
2. 材料特性：不同材料的熔点、硬度、热导率等物理性质不同，因此激光与材料相互作用的过程中也会产生不同的影响。
3. 激光特性：激光的波长、能量密度、相干性等特性也会影响激光与材料相互作用过程中所产生的反应效果。
四、激光与材料相互作用应用激光具有高能量、高精度、无污染等特点，因此在制造业、医疗和科学研究等领域中，激光与材料相互作用技术正在不断应用和发展。
激光与材料的相互作用
激光与材料的相互作用作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑，无需直接接触，即可与材料发生相互作用。
激光的性能不断提高，现在的激光具有各种不同的波长、功率和脉冲宽度，这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。
为了更好地了解激光的潜能，工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。
在决定使用何种激光前，工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行医疗材料加工。
了解这些知识后，工程师设计医疗器械时就能做出正确的决定。
激光在器械加工中的应用机会激光可用于器械制造的许多加工环节中。
例如，激光切割便是一种常见用途，常用于制造支架等小型器械。
激光还可用于加工通沟或盲孔。
该技术可用于加工医疗诊断设备的微流体通道以及给药用微量注射器的小孔。
目前，人们正利用激光加工技术研制用于芯片实验室上的微型传感器和传动器上的硅制微型机械。
激光焊接和打标常用于植入器械和手术器械的制造中。
此外，激光还常用于表面纹理加工中，例如：可用于矫形外科植入物的表面处理上，提高表面的粘附性。
激光工作原理激光的工作原理较为简单。
通过一个光子激发其他光子，使大量光子以光束的形式一起发射出去。
肉眼可能无法看见的光束由激光腔中发射出去，然后被传导至材料加工工作站中。
根据激光波长的不同，光束可通过光纤传播或者经光学元件直接传播。
目前使用的激光大都早在20世纪60年代就已经问世，包括Nd:Y AG激光、二氧化碳激光和半导体激光。
激光器集成到工业用机械中经过了数年的时间，尽管技术已经成熟，但激光器仍在不断改进，例如：人们研制出能产生很短脉冲宽度的如皮秒和飞秒激光器。
此外，激光材料在光纤激光器、光碟激光器和焊接用绿光激光器内的独特排列进一步丰富了材料加工的方法。
表I. 材料加工中常用的激光波长。
(点击放大) 材料加工所用激光波长从紫外线一直到红外线，包括了可见光谱。
常用激光类型及其波长列于表I中。
除激光类型外，选择激光时还要考虑其他许多方面，例如：激光腔的设计、光学传送元件和激光与材料相互作用。
2.12材料吸收率对激光焊接的影响(精)
（a)长脉冲作用
（b)超短脉冲作用
图3 不同脉宽激光对材料的作用效果
8/13/2018
表2 不同材料加工工艺使用光束脉冲宽度和能量密度
8/13/2018
3. 小结
影响材料对激光吸收的因素都影响激光焊接工艺过程。室温下激光波
长增加，材料的吸收率减小；材料温度升高，吸收率增大；表面粗糙、 氧化膜等增大吸收率；波长在红外区内，电阻越小，吸收率越低。
2.2 影响材料吸收光波的因素
所有影响材料对激光吸收的因素都对激光焊接过程产生影响。
1） 激光波长
研究表明，激光的波长越短，材料 对激光的吸收率越高。所以激光焊 接中，较少使用二氧化碳激光器。
图1 室温下常用金属的反射率与波长的关系
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2） 材料表面的温度
材料表面温度越高，材料对激光 的吸收率越高。这就是激光焊接 中，当液态熔池形成后，材料对 激光的吸收率明显提高的原因。
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4. 作业思考题
（1）利用激光进行材料焊接，从本质上讲激光与材料的相互作用是什么 过程？ （2）举例说明哪些因素影响材料对激光的吸收，进而影响材料的激光焊 接过程？
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4） 材料的导电性能
金属材料的导电性能越好，也就是材料的直流电阻率越小， 对激光的吸收率越低。 一般地，材料从银、铜、铝、镍到碳钢，对激光的吸收率 依次升高，这也能从图1得到验证。
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5） 激光的脉宽影响激光对材料的作用效果
不同脉宽激光对材料的作用效果不同。长脉冲激光主要产生热作用，超短脉 冲激光主要产生光化学作用，也称为“冷加工”。表1给出的是不同激光加 工使用的脉冲宽度和能量密度。
杂的微观量子过程和各种宏观现象，如激光的反射、吸收、 折射、衍射、干涉偏振、光电效应和气体击穿等）。激光与 材料的相互作用本质是光波电磁场与物质内带电粒子的作 用，即能量转换过程。 对于金属材料加工，主要考察吸收和反射（透射为零）。 吸收率a=P吸/P总；反射率R=P反/P总，则有a+R=1
材料科学中激光与物质相互作用的机理
材料科学中激光与物质相互作用的机理激光技术在当今的现代科学中发挥着越来越重要的作用。
尤其在材料科学中，激光技术为研究材料的物理、化学、结构与性能等方面提供了许多新的研究方法，促进了材料科学的快速发展。
所以，深入探究材料科学中激光与物质相互作用的机理，对于加深对材料的认识，提高材料的性能，具有重要的意义。
激光是一种以高强度、高单色性、高相干性的光束作为工具，进行精密加工的技术。
它在材料科学中应用十分广泛。
激光对材料的作用主要通过激光与物质相互作用来实现。
那么，激光与物质相互作用的机理是什么呢？激光与物质相互作用的机理主要涉及激光照射下光与物质相互的吸收、反射、透射、散射等过程。
激光光束在材料表面或内部聚焦后，能量密度极高，瞬间加热物质，由此产生光化学效应和热化学效应。
光化学效应是指激光在材料表面或内部的相互作用中，激发物质发生反应或分解。
当激光穿透材料时，部分能量被物质吸收，让其温度升高。
此时，高等电子激发跃迁，能带结构发生变化，从而改变原子、分子的构型、状态等。
这时，物质的化学反应便是光化学效应的一种。
比如，激光脱附效应是将材料表面吸附的分子通过激光引发的局部加热而去除。
这种效应广泛用于纳米材料的制备。
同时，也有被广泛用于光催化、光治疗等领域。
另外，激光还会通过热化学效应影响材料。
当激光高能量聚焦在材料上时，材料瞬间产生极高温度（数千摄氏度），并产生大量的热能。
由于这种高温状态下的短暂过程，产生了高温熔融、凝固、沉积等过程。
比如生产中通常采用激光切割材料。
激光在材料表面或内部形成的高能量损伤区域，对材料表面或内部快速加热，导致区域内的物质在高温下蒸发和溢出，从而实现了激光切割的目的。
激光切割主要应用于工程陶瓷、金属、半导体、光学玻璃等材料的精密加工。
总之，探究材料科学中激光与物质相互作用的机理，对于加深对材料的认识，提高材料的性能具有重要的意义。
在日后的实践中，科学家们将通过深入研究，推动激光技术在材料科学中的应用，促进材料科学的可持续发展。
光子钝化效应
光子钝化效应光子钝化效应是指在某些材料中，经过一定的激光照射后，其表面会形成一层微米级别的凹凸结构，从而使材料表面的反射率降低，光吸收率增加。
这种现象被称为“光子钝化效应”。
一、光子钝化效应的原理1.1 激光与材料相互作用激光照射在材料表面时，会与材料中的原子或分子相互作用。
这种相互作用主要有两种：一种是激发电子跃迁；另一种是使分子振动、转动和扭曲。
1.2 表面凹凸结构形成当激光能量足够大时，它可以使材料表面局部熔化或汽化，并形成微米级别的凹凸结构。
这种结构可以通过扫描电镜等仪器观察到。
1.3 光学性质改变由于表面凹凸结构的存在，反射率降低，同时吸收率增加。
这导致了材料的光学性质发生了改变。
二、光子钝化效应的应用2.1 氧化铝陶瓷的光子钝化氧化铝陶瓷是一种常用的结构材料，但其表面反射率较高，不利于光学器件的应用。
通过激光照射可以在其表面形成微米级别的凹凸结构，从而实现光子钝化效应。
这种方法可以用于制造高反射率镜片、太阳能电池等。
2.2 金属材料的光子钝化金属材料在高温和强酸等环境下容易腐蚀，因此需要进行表面处理。
通过激光照射可以形成微米级别的凹凸结构，从而提高金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性。
2.3 生物医学领域中的应用生物医学领域中常常需要对细胞进行精确地定位和控制。
通过激光照射可以形成微米级别的凹凸结构，从而实现对细胞的精确定位和控制。
三、光子钝化效应存在的问题及解决方案3.1 表面质量问题由于激光照射会使材料表面局部熔化或汽化，因此容易导致表面质量下降。
为了解决这个问题，可以采用多次激光照射或者控制激光的功率和照射时间。
3.2 结构稳定性问题由于光子钝化效应是通过形成微米级别的凹凸结构实现的，因此这种结构的稳定性是一个问题。
为了解决这个问题，可以采用不同的材料、不同的激光参数以及不同的处理方法。
3.3 应用范围有限由于光子钝化效应只适用于某些特定材料，因此其应用范围有限。
为了扩大其应用范围，需要进一步研究和探索新的材料和处理方法。
纳秒激光切割工作原理
纳秒激光切割工作原理纳秒激光切割是一种高精度、高效率的切割技术，广泛应用于电子、光电、半导体等领域。
其工作原理主要分为三个方面：激光与材料的相互作用、激光切割过程中的热效应和激光切割的控制技术。
一、激光与材料的相互作用纳秒激光切割的核心是激光与材料的相互作用。
激光是一种高能量、高频率的电磁波，其波长通常在几百纳米到几微米之间。
当激光束照射到材料表面时，激光能量被吸收，导致材料表面温度升高，从而引起材料的熔化、汽化或化学反应等。
不同材料对激光的反应不同。
金属材料通常具有高反射率和高热导率，因此需要使用高功率、高能量密度的激光才能切割。
而非金属材料则通常需要使用低功率、低能量密度的激光，以避免过度烧毁材料。
二、激光切割过程中的热效应激光切割过程中的热效应是指激光束照射到材料表面后，激光能量被吸收，导致材料表面温度升高，从而引起材料的熔化、汽化或化学反应等。
这些热效应会导致材料的物理和化学性质发生变化，从而影响切割质量和效率。
为了减少热效应对切割质量的影响，通常采用以下措施：1. 降低激光功率和能量密度，以减少热效应的影响。
2. 使用高速气流或液流冷却切割区域，以降低温度。
3. 采用多次切割，每次切割只削去材料的一小部分，以减少热效应的积累。
三、激光切割的控制技术激光切割的控制技术是指通过控制激光束的位置、功率、速度和方向等参数，实现对切割过程的精确控制。
这些参数的控制对切割质量和效率有着重要的影响。
1. 激光束位置的控制：激光束的位置控制是通过控制激光束的移动轨迹和位置，实现对切割形状和尺寸的控制。
2. 激光功率和速度的控制：激光功率和速度的控制是通过调节激光功率和速度，实现对切割深度和速度的控制。
3. 激光束方向的控制：激光束方向的控制是通过调节激光束的方向，实现对切割方向和角度的控制。
总之，纳秒激光切割是一种高精度、高效率的切割技术，其工作原理主要包括激光与材料的相互作用、激光切割过程中的热效应和激光切割的控制技术。
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激光与材料的相互作用发布日期:2007-10-04 我也要投稿!作者:网络阅读:[ 字体选择:大中小] 680作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑,无需直接接触,即可与材料发生相互作用。
激光的性能不断提高,现在的激光具有各种不同的波长、功率和脉冲宽度,这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。
为了更好地了解激光的潜能,工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。
在决定使用何种激光前,工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行医疗材料加工。
了解这些知识后,工程师设计医疗器械时就能做出正确的决定。
激光在器械加工中的应用机会激光可用于器械制造的许多加工环节中。
例如,激光切割便是一种常见用途,常用于制造支架等小型器械。
激光还可用于加工通沟或盲孔。
该技术可用于加工医疗诊断设备的微流体通道以及给药用微量注射器的小孔。
目前,人们正利用激光加工技术研制用于芯片实验室上的微型传感器和传动器上的硅制微型机械。
激光焊接和打标常用于植入器械和手术器械的制造中。
此外,激光还常用于表面纹理加工中,例如:可用于矫形外科植入物的表面处理上,提高表面的粘附性。
激光工作原理激光的工作原理较为简单。
通过一个光子激发其他光子,使大量光子以光束的形式一起发射出去。
肉眼可能无法看见的光束由激光腔中发射出去,然后被传导至材料加工工作站中。
根据激光波长的不同,光束可通过光纤传播或者经光学元件直接传播。
目前使用的激光大都早在20世纪60年代就已经问世,包括Nd:Y AG激光、二氧化碳激光和半导体激光。
激光器集成到工业用机械中经过了数年的时间,尽管技术已经成熟,但激光器仍在不断改进,例如:人们研制出能产生很短脉冲宽度的如皮秒和飞秒激光器。
此外,激光材料在光纤激光器、光碟激光器和焊接用绿光激光器内的独特排列进一步丰富了材料加工的方法。
表I. 材料加工中常用的激光波长。
(点击放大材料加工所用激光波长从紫外线一直到红外线,包括了可见光谱。
常用激光类型及其波长列于表I中。
除激光类型外,选择激光时还要考虑其他许多方面,例如:激光腔的设计、光学传送元件和激光与材料相互作用。
最为关键的是,医疗器械设计人员必须了解激光束如何与不同器械材料发生相互作用以及如何用于材料加工中。
激光与材料的相互作用激光束投射在材料表面时,部分能量被反射,部分被吸收,部分被传递出去,具体情况取决于材料类型和激光波长。
在到达材料表面的光能中,被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的。
1,2 光能以电子和原子的振动激发形式被吸收,并转化为热能,扩散至临近原子。
随着吸收的光子越来越多,材料温度不断升高,从而提高光能吸收的比例。
该过程可引发连锁反应,使温度在极短时间内(焊接中通常为一毫秒内急剧升高。
温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。
光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%时光束传播的距离。
该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为L = [4Dt]1/2,其中L为扩散距离,D为热扩散率,t 为激光的脉冲宽度。
如果热扩散距离远大于吸收长度,激光光斑处的温度升高将很有限。
相反,如果扩散距离小于吸收深度,温度将急剧升高,导致材料熔化,甚至汽化。
要达到预期的效果,无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工,工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。
当光吸收深度与热扩散距离相等时,可以达到一个临界值,可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。
表II. 利用准分子波长的激光进行微加工时,需要采用不同的脉冲宽度,以便使热扩散距离与吸收长度相等。
脉冲宽度值(皮秒仅供比较;应通过实验进行全面评估。
(点击放大表II列出了使用248nm波长激光时限制热扩散所需脉冲宽度的计算结果。
由于各种金属的吸收深度接近,脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离间的差异。
例如,不锈钢与镍相比导热性较差,因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度;另一方面,与镍相比,硅导热性更好,因此烧蚀时需要较短的脉冲宽度。
人们认为,采用飞秒脉冲时,由于功率密度高、时帧短,激光与材料间的相互作用发生在多光子非线性过程中。
此过程极为迅速,因此可以认为光束实际上一瞬间即可去除表面的原子,而不影响临近原子。
由于飞秒激光不会在暴露表面上留下扰动层,因而适合微加工。
表III. 常见材料加工中的脉冲宽度和能量密度值。
(点击放大对于烧蚀来说,所用脉冲宽度必须小于表II中计算的临界值,但这样还不够。
还必须保证脉冲具有足够的能量,以便每个脉冲都能加热足够体积的加工材料。
对于一定的脉冲能量来说,随着脉冲时间的缩短,热量越来越被局限在激光光斑附近,逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终达到汽化的效果。
选定合适的波长后,就要确定脉冲能量和脉冲宽度的组合,从而确定材料加工的类型。
不同加工应用中常用的脉冲宽度和能量密度值列于表III中。
尽管激光与材料间的相互作用基本相似,但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。
图1显示了金属、塑料、陶瓷和玻璃的吸收长度-波长曲线。
图中曲线为示意图,仅供讨论,而且仅于室温下有效。
《激光工业应用(Industrial Applications of Lasers》和《美国激光学会激光材料加工手册(LIA Handbook of Laser Materials Processing》1,2中列出了各种材料的吸收特性。
图1. 示意图显示了所选金属、玻璃和塑料材料的吸收特性。
(点击放大激光无法透过金属材料,部分能量会被吸收和反射掉。
金属吸收二氧化碳激光的能力较弱,激光波长越小,吸收率越高,能量传递效率也越高。
尽管金属对二氧化碳激光的吸收较少,但只要能量密度很大,二氧化碳激光仍可有效用于金属的焊接和切割。
与金属相反,陶瓷和玻璃对各种波长的激光都能很好地吸收。
但由于陶瓷的抗热冲击性能差、熔点高,因此加工难度比金属大。
玻璃只能吸收一小部分的Y AG 激光入射能,但由于玻璃导热性差,因而较易熔化。
表IV. 一些波长位于紫外线范围的激光在加工时能够打断聚合物材料中的化学键。
(点击放大塑料能够更好地吸收激光能量,特别是紫外线激光和二氧化碳激光。
一些波长位于紫外线范围的激光能够打断塑料分子中特定的化学键(见表IV,这为激光增添了一些新的用途。
通过这些波长的激光,可以选择性地改变材料的表面性质。
此外,如果塑料足够透明,工程师还能改变其表面下的材料性质。
激光参数激光加工能否达到预期效果很大程度上取决于一些激光参数以及这些参数的相互依存关系。
工程技术人员选择某一激光波长或加工机械前,必须全面了解这些关系。
脉冲能量。
考虑激光参数时大多从单个脉冲的能量开始。
采用最新一代的电源时,可以按照预期的传送曲线设定每次脉冲的能量,可以使脉冲开始时能量逐渐升高,结束时逐渐降低。
调节脉冲形状有助于改善加工控制效果。
功率密度。
功率密度实际度量的是到达材料上的激光光子数。
功率密度单位为瓦特/平方厘米,由脉冲能量除以光斑面积计算而得。
即使在单个光斑内,由于激光束质量不同,功率密度也有很大差异。
M2。
M2 衡量的是光束内的能量分布。
M2等于1的理想光束中心处能量达到高峰,由中心向四周能量呈高斯分布。
M2较小、接近1时,适合显微加工,M2较大(在30–100范围时,适合热处理和焊接加工。
脉冲宽度和重复频率。
脉冲宽度定义为激光能量脉冲持续的时间。
大多数激光加工都是以脉冲模式进行的。
在脉冲模式下,激光器按照设定的重复频率和持续时间以脉冲的形式发射能量。
激光器持续开启(称为连续波或CW模式的加工操作包括:焊接、软焊和热处理。
峰值功率。
尽管激光器的平均额定功率可能很小,但每次脉冲的峰值功率可能非常大。
例如,一般10W的激光器峰值功率可达5kW。
这可能是由于激光能量在极短的脉冲时间内释放的原因。
峰值功率可由脉冲能量除以脉冲宽度计算而得。
如果一个脉冲在1毫秒内释放了1焦耳的能量,那么峰值功率就是1kW。
但是,由于计算得到的是整个脉冲宽度内的平均值,实际的峰值功率可能更大,因为,能量在整个脉冲持续时间内并不是均匀释放的。
光斑直径。
光斑直径大小取决于焦距、波长、M2和光束直径,其关系如下:光斑直径= 2fλ M2 /D,其中 f 为聚焦透镜的焦距,λ为波长,M2 为光束质量指标,D 为光束直径。
注意,准分子激光光束质量较差,无法聚焦。
因此,这种激光要通过掩模,以便形成所需的样式,常用于硅芯片的蚀刻。
除波长在选择激光类型后即确定外,其他所有参数间几乎都有相互依存关系,因此必须谨慎设置。
例如,使用焦距较短的透镜改变光斑大小时,会增大功率密度,除非同时按比例减小总体功率。
结论了解各种激光参数以及激光与材料间的相互作用后,人们会发现很多情况下都可用激光来制造医疗器械。
工程师应检查激光的波长、功率级和脉冲宽度。
但更重要的是,他们必须了解这些参数如何相互作用。
随着器械越来越小,越来越精密,工程师们必须谨慎分析激光系统的各种特性以及这些特性对材料加工会产生何种影响。