激光与物质相互作用复习大纲

1、从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？

答：（1）方向性好：发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。

（2）单色性好: 为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

（3）亮度极高：能量密度高。

（4）相关性好：获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。

总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。

2、透镜对高斯光束聚焦时，为获得良好聚焦可采用的方法？

答：用短焦距透镜；

使高斯光束远离透镜焦点，从而满足l>>f、l>>F；

取l=0，并使f>>F。

3、什么是焦深，焦深的计算及影响因素？

答：光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。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w12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。

4、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？

答：波长、温度、材料表面状态

波长越短，金属对激光的吸收率就越高

温度越高，金属对激光的吸收率就越高

材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。

5、简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？

答：基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。

应用：激光切割、打孔、焊接等。

高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。应用：激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。

6、试叙述激光相变硬化的主要机制。

答：当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件内部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向内部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。

7、激光淬火区横截面为什么是月牙形？在此月牙形区相变硬化有什么特点？

特点：A,B部位硬化，C部位硬化不够

原因：A,B部位接近材料内部，热传导速率大，可以高于临界冷却速度的速度冷却，因

此可充分硬化，而C部位热传导速率小，不能以高于临界冷却速度的速度冷却，因此硬化不够。

8、材料表面激光相变硬化的两个主要条件是什么？对激光光束和工件有什么要求？

答：两个主要条件：1. 材料加热后达到的最高温度T max温度必须是在相变温度（奥氏体化温度）以上，且在熔点以下；2. 必须从相变点A1以上的温度以高于临界冷却速度冷却。激光功率密度：103～104W/cm2

自身工件具有一定大小，实现自我快速冷却。

9、在激光表面淬火中需要光束的光强分布尽可能均匀，你知道几种能使光束光强分布均匀的措施和方法。

答：采用光强分布均匀的高阶模光束；

振镜扫描方法：使光束在试件的同一部位，以短时间内来回扫描2-3次，使之具有接近于时间上平均的光强分布的矩形面热源特征。

积分组合镜：在激光反射面上安装许多很细的平面镜，使之在激光焦面上达到均匀的能量分布。

10、在目前激光表面淬火中常对工件进行黑化处理，为什么？

答：提高材料对激光的吸收率

11、试叙述什么是激光熔覆。

答：激光熔覆是一种新的表面改性技术。通过在基体材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料熔化，并与材料表面形成冶金连接在金属表面形成以熔覆的材料为基体的表面强化层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。

12、激光合金化与熔覆材料的供料方式？

答：同步送料法、预置涂层法。

13、试叙述激光深穿透焊接与激光热传导焊接的主要异同

答：热导焊：激光功率密度较低（105～106W/cm2），依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。光能量只被材料表层吸收，不产生非线性效应或小孔效应。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小(焊缝深度小于2.5 mm，焊缝的深宽比最大为3:1)。

深熔焊：激光功率密度高（106～107W/cm2），工件迅速熔化乃至气化形成小孔（即有小孔效应）。这种焊接模式熔深大（51 mm），深宽比也大（焊缝深宽比最大可达12:1）。

在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。

14、在激光深穿透焊接中，何谓壁聚焦效应？

答：当小孔形成后，进入小孔的激光束与小孔的壁面相互作用时，因不能被壁面完全吸收，故必有部分激光被壁面反射至小孔深处的某处重新会聚起来，这一现象被称为壁聚焦效应，

15、由于激光焊接的净化效应，激光焊接的接头质量有可能高于母材。

16、等离子体对激光的吸收主要为逆韧致辐射吸收。

17、在两片不同熔沸点的金属片A和B（B熔

制在什么范围？

答：A熔—B沸之间

18、从激光加工工艺上考虑，如何打一个高质量的孔？

答：采用较短的脉冲；选择前后沿陡的波形打孔；基模进行打孔；一定的正离焦；多脉冲打孔、高峰值功率、材料的热扩散系数低等

19、激光打孔中，一般采用什么离焦量，为什么？

答：一定的正离焦，破坏机理主要是材料的蒸发，此时打出的孔比较深，孔的入口处直径较小，孔的锥度较小，打孔效果好。

焦点在工件内部（负离焦）时，激光以会聚方式进入材料，孔壁不能(或很少能)直接接受光通量，因此，液相多气相少，汽化时蒸气压力不太大，喷射力小，孔形锥度较大，打孔质量有好有坏。

过分的入焦和离焦使被加工点的能量密度大大下降，孔深大大减小

20、激光切割主要有哪几种类型，常用哪种激光切割方式？

答：气化切割，熔化切割和氧助熔化切割，氧助熔化切割所需的激光切割能量最小，因此最常用。

21、氧助切割存在激光辐射和化学反应热两个热源。

22、激光切割中，一般采用什么激光模式？

答：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。

23、什么是等离子体？与中性气体相比，它有什么特点？

答：答：等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气体。

1) 自由（非束缚性）：

等离子体的基本粒子元是正负电荷的粒子（电子、离子），而不是其结合体，即非束缚态。

2) 准中性：

指等离子体中正负离子数目基本相等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质。

3) 集体效应：是与中性气体的根本区别

中性气体：粒子间的直接的碰撞作用，碰撞瞬间有力的作用，短程力

等离子体：库仑（电磁）力，长程力

任何带电粒子的运动状态均受到其他带电粒子的影响，另外带电粒子的运动可以形成局部的电荷集中，从而产生电场，带电粒子的运动也可以产生电流，从而产生磁场，这些电磁场又会影响其他粒子的运动。因此等离子体呈现出集体效应。

24、金属靶蒸气产生激光等离子体的机制主要是什么？答：热驱动

25、多光子电离与激光波长的关系？CO2激光容易诱发多光子电离吗？为什么？

答：光电离时光子能量h v需大于电离势，因此单光子电离时激光波长在紫外，而多光子电离一般激光波长需小于1 m。一般气体电离能超过10 eV，而CO2激光光子能量h v= 0.12 eV，因此诱发多光子电离必须同时吸收100个以上的光子，所以CO2激光不容易诱发多