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

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激光不容易诱发多光子电离。

26、什么是德拜长度

答：德拜长度是等离子体保持准电中性的最小尺度，在德拜球围，电中性是不保证的，即球不能称为等离子体，只能是电离气体。若要使电离气体成为等离子体，它的空间线度要远大于德拜长度

27、激光在什么样的等离子体中能够传输？两者必须满足怎样的频率关系？

答：激光只能在密度低于临界密度的等离子体中传输。激光频率必须高于等离子体频率，否

则激光将无法传播。两者频率关系必须满足色散关系

28、试简述激光波长长短对线性逆韧致吸收的影响。

答：激光线性逆韧致吸收系数近似和波长平方成反比。短波长激光，临界密度大，即激光可以传播到更高等离子体密度的地方，导致更多吸收—距离远。

29、激光焊接光致等离子体对焊接质量有何影响？采用哪些方法可以对光致等离子体进行控制？

答：激光深熔焊接过程中产生的等离子体云团对入射激光具有屏蔽作用，影响正常焊接过程，等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；等离子体对激光的折射作用使激光束产生严重散焦，光斑变大，并且导致激光实际聚焦位置比正常聚焦位置偏低，大大降低了耦合到工件表面的能量密度，从而降低了焊接质量。

等离子体对激光的折射行为是引起等离子体屏蔽的主要原因。

控制方法：激光束摆动法、脉冲激光焊接法、外加电磁场控制法、吹辅助气体法、低气压或真空焊接法

30、高功率激光焊接时，会产生等离子体，这时会产生深宽比小的焊缝，这是为什么？ 答：等离子体对激光有强烈的吸收、散射和折射作用，从而屏蔽后继激光，导致激光熔池中的激光能量减少，从而使焊接熔深减小，这就是所谓等离子体屏蔽效应。

31、等离子体诊断技术有哪些用途？

研究激光等离子体物理机制，激光诱导等离子体光谱测量材料成分，激光加工等离子体参量作为实时监控信号。

32、激光等离子体的常用诊断方法有哪些（举四种）？

高速摄影法、探针法、光谱法、激光法

33、什么是激光支持的燃烧波和爆轰波？

传播速度小于音速——激光支持的燃烧波

传播速度大于音速——激光支持的爆轰波

34、基于激光等离子体力学效应的应用有哪些？举一个例说明其原理。

激光冲击强化、

激光推进：高能激光使材料产生极高温度的等离子体，然后通过适当的控制使等离子体经过喷气道喷射而产生推力，从而实现推进。

激光沉积薄膜：利用激光束在固体材料表面产生等离子体，并让其扩散、沉积到另一基体表2

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面而形成特定性能的薄膜。

35、简述激光沉积薄膜的原理

利用激光束在固体材料表面产生等离子体，并让其扩散、沉积到另一基体表面而形成特定性能的薄膜。

36、激光冲击强化约束层和牺牲层的作用分别是什么？

约束层：约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间。牺牲层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收。

37、简述激光推进烧蚀模式与大气模式的区别？

答：是否需要靶物质，烧蚀模式是激光加热光船自身携带的工质 (气体、液体和固体 )产生高温高压等离子体，推动光船前进的推进模式。

大气模式是激光击穿空气，产生激光支持的等离子体爆轰波，推动光船前进的推进模式。

38、飞秒激光器的结构有几部分组成？

答：振荡器、展宽器、放大器、压缩器

39、简述啁啾脉冲放大技术的基本原理

答：由于直接放大fs脉冲时，其峰值功率很高会损坏激光晶体，因此先将fs脉冲展宽成ps脉冲，再进行放大，放大后再把脉宽压缩回fs，此时激光功率增强百万倍以上。

40、为什么采用掺钛蓝宝石晶体可以获得窄的fs脉冲输出？

答：因为掺钛蓝宝石晶体的增益线宽很宽，而增益线宽越宽，可以锁定的纵模数越多(n越大) ，锁模后的脉冲宽度就越短，所以可以获得窄的fs脉冲输出。

41、简述自锁模（克尔透镜锁模技术）的基本原理

答：自锁模是利用激光增益介质本身的非线性克尔效应锁模，克尔效应即指介质折射率与光强有关，光强大的地方折射率大，由于光强的高斯分布，激光光斑中心折射率高于边缘，此时介质相当于一个透镜，会对激光腔激光束产生自聚焦效应。由于光脉冲前后沿的光强小于脉冲中部的光强，则由介质的自聚焦后的焦点位置不同，当在适当位置加上光阑，可以使光脉冲前后沿的损耗大于脉冲中部的损耗。脉冲在腔循环时，强度小的脉冲不断被抑制而消失，强度大的脉冲不断增强，而且使其前后沿不断损耗，脉冲中间部分被放大，脉冲宽度被压缩。对于一个光脉冲，自聚焦效应与腔光阑的结合就相当于一个快饱和吸收体。

42、与常规脉冲激光加工相比，飞秒激光微加工有哪些优点？

①耗能低，无热熔区，“冷”加工；

②可加工的材料广泛：从金属到非金属再到生物细胞组织；

③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；

④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和无后续工艺。