激光在工业中的应用

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三、半无限大物质模型求解

若激光照射材料时.激光光斑约尺寸大于激光脉冲作用时间 内热量的传播深度,则可以近似地按一维热传导问题处理,并可 把材料视为被均匀加热的半无限大物体。这时热传导方程为 ������ ������T 1 ������T − =0 ������z ������z αt ������t 设作用于靶材表面的激光功率密度在时间上恒定不变,且空 间分布均匀。即 0, t<0 PS (t) = PS , t≥0
此时,边界条件可写为

������������ ������ = 0 ������������ ������������ = −λ������ ������������ ������ = ∞,������ = 0 ������ = 0 解为 ������ ������, ������ =
2������������ ������������ �����
������������ ������ ierf(
������ ) 2 ������������ ������
式中,������������ 为靶材表面的吸收比;ierfc为互补误差函数且有

������������������������ ������ =
������
erfc(������) ������������
E0 E0 ������ E

激光在材料内部传播过程中,激光强度按指数规律衰减,激 光入射到距离表面x处的光强度I为
I = ������0 ������ −Ax
其中,������0 为入射到材料表面的激光强度,A为材料的吸收系数,若 将激光在材料内的穿透深度定义为原入射迁都的1/e时,则入射 深度为A;
电源 光源泵
工作介质(YAG晶体)
激光束
全反射镜
半反射镜
工作物质
全反射镜
激励能源
部分反射镜
激光的产生过程可归纳为:
粒 工 子 外界激励 作 数 物 反 质 转
偶 然 的 自 发 辐 射
其 它 光 粒 子 子 光学谐振腔 放 的 大 受 及 激 振 辐 荡 射
激 光 产 生
工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质
2 ������������������������ ������ = ������
∞ ������
exp(−������ 2 ) ������������

在z=0,及材料的表面处,温度为:
2������������ ������������ ������������ ������ ������ 0, ������ = ����� ������
上式表明表面温度与加热时间的 平方根成正比,即作用时间越长, 温度越高,对于给定能量的激光 加热脉冲,当增加功率密度时, 脉冲持续时间即加热时间必然缩 短,同时材料表面温度也会升高。 也就是说,峰值功率高,持续时 间短的激光脉冲可以更有效的材 料表面
经matlab软件绘图
表面附近的材料温度上升。 一般而言,激光照射材料表面的温度是个均匀的,因而各处的 温升也不可能相同,对于高斯光束 ������������ ������, ������ = ������������0 (0,t)exp(−
������ 2
������2 ������

)
式中,为激光束束腰半径,为考察点到光斑中心距离;为激光光斑 中心的功率密度。 若高斯斯光火持续村材料加热.则温度度分市为 ′ ′ ������ ������ (������, ������ ) ⅆ������ ������ ������ ������ ������������ ������������ ������ ������ ������高斯光 ������, ������, ������ = ������������������ ������ ������ ������ − ������′(������������������ ������′ + ������������ ) ������
�����
������������ ������������
+ Q x, y, z, t
式中,ρ为材料密度;c为比热容,T为温度,t为时间。λ������ 为材 料热导率;Q为材料单价时间内单位体积的发热量。

在激光照射靶材的过程中—般不存在体积热源,故有 Q=0 在激光功率不高的条件下,激光照射过程属于表面加热过程.因而 可按一定的边界条件处理。 在λ������ 为常数时、其值不随温度与位置的变化而变化,则热传导方程 为:
式中,������������ 为材料的热扩散率,且有������ =
������������ ������������

假设靶材料表面热对流和辐射对流均忽略不计.且设无激光照射的 表面为绝热边界,则在激光照射的区域沿法线方向的温度梯度出为: ������������ ������������ ������������ = −λ������ ������������ 式中������������ 为靶材表面对激光的吸收比;������������ 为作用于靶材表面的激光 功率密度。
E2
入射光子
E2
E1 受激吸收跃迁
E1
自发辐射:粒子受到激发而进入的激发态,不是粒子的稳定状态,如存 在着可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概 率,自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射 出能量为(E2-E1)的光子。
E2 E1 自发辐射跃迁 E2 E1
二、加热的热传导方程

为抓住激义传热过程的实质,以下的讨论均作如下简化假化: 被加热的材料是均匀从各向同性的物质。

材料的光学特性和热力学参数与温度无关,或者取其在某一特
定范围内的平均值。

忽略传热过程中的辐射和对流,只考虑材料表面向内的热传导。

激光照射靶材时,其能量被材料的表层所吸收并转变为热。该热 量通过热传导在靶材内扩散.从而形成温度场,该温度导致靶材 件质的变化。 对于各向问件的均匀材料,热传导偏微分方程的一般形式为: ρ������
E0 E0 E0
������
E
E
������ ������ ������������
其中������������ 为反射比,������������ 为吸收比������ ������ 为透射比
������������

对于不透明材料,透射光亦被吸收,即E透射 = 0,所以 1 = 反射 + 吸收 = ������������ + ������������
一、吸收过程

激光人射到材料表面时。一部分被材料表面反射,一部分被材料 吸收,还有一部分通过材料透射。在这一激光传播过程中,显然 满足能量守恒定律。用E0 表示入射到材料表面的激光能量。 ������反射 小表示被材料表面反射的激光能量,E吸收 表示被材料表面 吸收的激光能量,而E透射 表不透过材料的激光能量,则出能量 守恒定律为: E0 = ������反射 + E吸收 + E透射 即为:1 = 反射 + 吸收 + 透射 = ������������ + ������������ + ������ ������
随着������2 的增大A在不断的减 小,吸收比也在不断的降低
不同材质在不同波长的 反射比曲线

材料对激光的吸收系数 A除取决于材料的种类外.还与激光波
长有关。吸收系数与激光波长有关的特性称为选折吸收;而吸收
条数不随激光波氏变化的吸收称为一般吸收,在—般情况下吸收 系数和激光强度无关。一般情况下吸收系数由为: 4������������2 A= ������ 其中������为激光波长,������2 为介质复折射率的虚数部分。
激光原理简介

• 激光产生原理 • 激光在产生过程中的三种状态 • 粒子数反转 • 晶体腔:工作物质,谐振腔,激发源 • 激光器结构
激光产生理论介绍
激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态: 受激吸收(简称吸收):处于较低能级的粒子在受到外界的激发,吸收了 能量时,跃迁到与此能量相对应的较高能级。
激光器内部机构
晶体腔:产生最原始的激光(包含YAG晶体,LED光源,电源); 全反光镜:使光完全反射回去,增大光强度; 半反射镜:反射75%的光,只有满足一定直线性,能量和波长的光才 能通过,大约25%; 调Q:分X轴和Y轴,控制激光输出能量,得到能量较强,持续时间较 长的光束; 功率计:量测输出的激光能量大小; Shutter:控制激光输出的一个开关。
������������ ������������
=
������ ������������
�����
������������ ������������

������ ������������ (����� ) ������������ ������������
+
������ ������������
自发辐射光子
受激辐射(激光): 当频率为=ν(E2-E1)/h的光子入射时,会引发粒子以 一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、 相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。
E2
E1
入射光子
E2
E1 受激辐射跃迁
受激Leabharlann Baidu射光子
入射光子
粒子数反转
要想使受激辐射占优势,必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1 的粒子数,这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称为粒子数反转分布, 简称粒子数反转,实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
目录
研究背景 激光和材料相互作用的理论推导 激光切割技术 激光表面处理技术 现状与发展方向 附录
研究背景


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。 激光加热使半导体材料升温,发 生热扩散、热膨胀和热应变,并可能 使半导体材料发生烧蚀。如果辐照 半导体材料的激光能量足够强,材料 表面层局部区域会发生熔融和气化, 导致半导体材料将可能改变或者失 去原有功能。涉及光学、热物理、 连续介质力学和材料学等多方面的 内容。对于工业加工应用有着深刻 的指导意义 热处理 激光雕刻 激光 激光钻孔 激光表面处理
固体工作物质:掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG);红宝石;钕玻璃; 气体工作物质:CO2分子气体;He-Ne原子气体;氩离子气体; 半导体工作物质:砷化镓
激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的 能源
光激励: 用脉冲光源来照射工作介质(闪光灯、LD); 电激励: 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质 原子; 化学激励:应用化学反应方法; 热激励: 超音速绝热膨胀法; 注入式激励:采用向半导体物质注入大电流的方法。
全反光镜
反光镜: (越75%)
Shutter
激光器外形
接光纤
调Q
晶体腔
功率计
激光器内部分解图(P4)
调Q
晶体腔
半反镜
光纤耦合器
激光和材料相互作用的理论推导

一、吸收过程 二、加热的热传导方程 三、半无限大物质模型求解 四、熔融理论分析

高功率激光光束作用于靶材时,靶表面吸收大量激光能量,引起 温度升高、熔融、气化、喷溅等现象。具体过程依赖于激光参数 (能量、波长及脉宽等)、材料特征和环境条件。一般说来,在不 同数量级激光功率密度作用下靶面发生的物理现象是: 103~104W/cm2 加热 104~106W/cm2 熔融 106~108W/cm2 气化 108~1010W/cm2 等离子体
������������ ������������������{− − ������������������ ������′ ������������
������������������ ������′ +
晶体腔:工作物质,谐振腔,激发源
工作物质:使受激辐射成为介质中的主导过程,必要条件是在介质 中造成离子数反转分布,即使介质激活。 谐振腔:加强介质中的受激辐射,通常由两块与工作介质轴线垂直 的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产 生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先 的放大,把其它频率和方向的光加以抑制。 激发源:要是工作物质成为激活态,需要外界激励作用。
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