第一章 激光先进制造技术基础

1.2 激光与固体材料的相互作用
2018年12月6日星期四
3) 表面状况对材料吸收率的影响
室温下金属表面对可见光的吸收率比对10.6微米波长红外光的吸收 率几乎大一个数量级。表中的吸收率是采用光洁的金属表面测得的。而在 激光加热的实际应用中，由于氧化和表面污染，实际金属表面对红外激光 的吸收率大
1.2 激光与固体材料的相互作用
2
1
1.1.3 激光束的聚焦特性
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1、激光束的聚焦形式
透射式：常用于2KW以下的激光加工系统
1.1.3 激光束的聚焦特性
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球面反射式：适用于千瓦以上的大功率激光器
2018年12月6日星期四
球面反射式：适用于千瓦以上的大功率激光器
1.1.3 激光束的聚焦特性
2018年12月6日星期四
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常用反射镜表面对10.6μm光波的百分反射率
热畸变品质因素与表面吸收率的关系
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不镀膜或镀增透膜热畸变品 质因素与表面吸收率的关系
镀50%反射膜热畸变品质 因素与表面吸收率的关系
热畸变品质因素与表面吸收率的关系
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1.2
激光与固体材料的相互作用
2018年12月6日星期四
2、金属材料对激光的吸收特性 一般来说，吸收率是随波长和温度的改变而改变的。
(T ) 1 R (T )
垂直入射下的反射率为
(n 1) 2 K 2 R (T ) (n 1) 2 K 2 K为消光系数
垂直入射下材料的吸收率为
区域定义为光束准直区
1.1.2
激光束的亮度
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光源亮度是描述发光表面特性的一个物理量，光源亮度(B) 被定义为 立体角内每单位面积上的辐射功率(P)。则光源亮度为：
P B 2 2 2 A
则：
对于接近衍射极限的 光束 ，
B
P
A

2
(W cm sr )
A、以从束腰向两边截取至光束半径增大5％处

0.32W 2

0.32 4f 2 1.28f 2 2 D D 2
B、光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半 时，该点至焦点的距离作为光束的聚焦深度
f 2 D 2
D为入射到透镜上的光斑半径
从上面可看出光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距 的平方成正比，与D成反比，因此要获得较大的聚焦深度， 就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切 割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。
1.2 激光与固体材料的相互作用
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常用金属的吸收率互作用
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2) 温度对材料吸收率的影响 A、金属材料的吸收率（ 10.6m ）与温度
1.2
激光与固体材料的相互作用
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B、金属材料的吸收率与温度和金属电阻率的关系式
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2、聚焦光斑尺寸和焦深 （1）球面透镜 采用实际聚焦透镜将激光束聚焦所得的最小光斑半径可近 似表示为由衍射所决定的腰斑半径和由透镜像差决定的最小 弥散斑半径的和 最小光斑半径 其中：
3 2 f kD W b2 2 D f
n(4n 1) k 128(n 1) 2 (n 2)
4n (T ) (n 1) 2 K 2
K为消光系数
式中，n为复吸收率的实部；K为消光系数。对于金属材 料来说n和K均是波长和温度的函数。
1.2
激光与固体材料的相互作用
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1) 波长对材料吸收率的影响
图中可看出，波长在0.4-1.0μm范围内，n，K变化较 慢，而吸收率在这个区域变化较大。在长波区域n和K随波长 的增加迅速增加，而相应的吸收率则减小。
光学元件材料的光学和热学参数
2018年12月6日星期四
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2、反射镜
热破坏的原因在于：半导体对光的 吸收系数主要决定于半导体中自由载流 子的吸收。这种吸收随温度的上升里指 数规律增加，高于一定温度时，基体不 能耗散它所吸收的热量，温度上升，使 吸收进一步增加，又导致温度进一步上 升，如此恶性循环，以致因热应力过大 而碎裂。图示意表示了Ge、ZnSe和GaAs 三种材料的吸收系数随温度的变化，它 们的破坏温度分别为70℃、250℃和 300℃。Ge承受热破坏的能力差，但它比 较便宜，所以只用于透过100w以下功率 的co2激光系统中。
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4) 光致等离子体对材料吸收率的影响
A、 光致等离子体的形成:由激光辐照材料所产生的等离子体为光致等离子体。 激光加工过程中形成光致等离子体的前提是材料被加热至汽化。 B、 激光加工过程中的光致等离子体一般为材料蒸汽的等离子体，因为材 料蒸汽温度高，常用金属材料的电离能又比较，低于保护气体的电离 能，因而材料蒸汽较周围气体易于电离。但在激光功率密度很高及周 围气体流动不畅时，也可能发生周围气体击穿而产生气体等离子体。 C、 等离子体对激光的吸收系数与电子密度和蒸汽密度成正比，随激光功 率密度和作用时间的增长而增加。吸收系数还与波长的平方成正比。
1.2 激光与固体材料的相互作用
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吸收率计算（对CO2激光器） 20℃电阻率 电阻率变化系数 室温℃时吸收率 1500℃吸收率 Al Fe 合金 低碳钢 中碳钢 0.00000282 0.0000098 0.000015 0.0000162 0.000012 0.0036 0.005 0.0015 0.0036 0.0032 0.020 0.037 0.043 0.046 0.040 0.097 0.075 0.108 0.089
实际光束束腰宽度和远 场发散角的乘积 1、定义： M 基模高斯光束束腰宽度 和远场发散角的乘积
2
对于基模(TEM00)高斯光束，有M2＝1，光束质量好，实际光 束M2均大于1，表征了实际光束衍射极限的倍数。光束质量因 子M2可表示为
D0 M 4
2
1.2
激光与固体材料的相互作用
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(T ) 11.2[r20 (1 T )] 62.9[r20 (1 T )] 174 [r20 (1 T )]
测出材料的电阻率后，即可计算出材料的吸收率。
1 2
3 2
材料的电阻率及随温度的变化系数
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例合金钢室温时，吸收率为多少？1500℃？
(T ) 0.365 [r20 (1 T ) / ] 0.0667 [r20 (1 T ) / ] 0.006 [r20 (1 T ) / ]
1 2 3 2
其中： r20为20℃时金属的电阻率 γ为电阻率随温度的变化系数
T为材料温度
C、对CO2激光（ 10.6m ）吸收率
1 4
2k 3 3 与最小聚焦光斑半径相应的焦距为： f ( ) D 1.27b 2
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3 2 f kD 2 W b 2 D f
为得到小的聚焦光斑 直径波长越小越好， 横模阶数越低越好(b 小)，透镜的k值要小 (采用凹-凸镜)。
焦距与聚焦光斑直径
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透镜表面镀增透膜或不镀膜时，大部 分激光穿过基体，表面吸收率与热畸变品 质因素的关系见图1 ，当表面吸收系数小 时，ZnSe优于GaAs，而表面吸收系数大时， GaAs略好。 透镜表面镀50％反射膜时，只有部 分激光穿过基体，表面镀膜层的吸收较之 基体的吸收占主导地位，GaAs优于ZnSe， 如图2。GaAs常用作数千瓦激光器的输出镜。 透镜镀99％反射膜时，透射光仅1％， 透射材料对光的吸收很小，不仅GaAs的热 畸变品质因素高。Ge因其导热性好也且有 高的热畸变品质因素，接近GaSe的水平， 如图3。
1、基模高斯光束
优点：衍射损耗很大，能达到衍射极限，故基模光束的发散角小，能量集中。 不足：在腔内的模体积最小，功率不大，且能量分布不均。 应用：激光切割、打孔、焊接等
2、高阶模
优点：输出功率大，能量分布较为均匀 不足：发散厉害 应用：激光淬火、金属表面处理等
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3、匀光系统
反射式积分聚焦镜是使用大功率激光进行 大面积宽带熔覆和宽带表面热处理的必备器件， 具有极佳的均光效果。
发散与准直系统
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4、发散与光强分布
当Z=0时，θ=0（即在束腰处，发散角为0平面波）
W02 当Z 时：
当Z=∝时：
2
2 W0
2 2 W0
W02 通常将 0 Z
1.1.5
激光束质量因子M2
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激光束的光束质量是激光器输出特性中的一个重要指 标参数。评价光束质量的方法很多，曾采用聚焦光斑尺寸、远 场发射角等作为评价标准，这些评价标准各有优缺点，长期以 来均未形成评价激光束质量的统一标准。1988年，利用无量纲 的量--光束质量因子M2较科学合理地描述了激光束质量，并为 国际标准组织所采纳。
第一章
激光先进制造技术基础
2018年12月6日星期四
1. 激光束特性
2.激光与固体材料的相互作用
3. 材料的吸收和反射特性 4. 激光加工的热源模型
金玉名言
2018年12月6日星期四
成功者找方法，失败者找借口
宁可去碰壁，也不要在家里面壁 做任何事情，尽最大努力
1.1 激光束特性
2018年12月6日星期四
（2）非球面透镜
2 f 采用无像差非球面透镜聚焦的光斑半径： W b D