激光加工光学系统20120229
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激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统
激光基础知识
1.1 激光的产生
三要素:1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质;
2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转;
3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡;
1.2 激光光束的特性
1)高光亮度——激光束发散角很小,光能量集中,光强度很高例如:太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ;气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr);固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr);
若进一步将激光束聚焦(空间上集中)或压缩脉冲宽度(时间上集中),则激光束更有极高的光亮度
2)高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制,激光束发散角很小。例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1-10 mrad(毫弧度)
3)高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光;若进一步采用稳频和选取单一纵模,更可大大压缩谱线宽度,可视为单波长。
4)高相干性——由于激光的谱线宽度极窄,传播中能产生相干的两点的时间间隔很大(时间相干性好);又激光发散角很小,方向性很高,激光束波前面内任意两点均相干(空间相干性好)
1.3激光器的输出特性
1)激光波长——激光器输出准单色光;
不同激光器输出激光波长不同,材料吸收特性各不同;对不同材料用不同的激光来加工。
2)激光输出的能量和功率
连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒
脉冲激光: 峰值功率P
= 脉冲能量E / 脉冲宽度T
m
脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f
3)激光束的空间分布特性——
基模(TEM00)高斯光束——光场振幅按高斯函数分布;
振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径;对应的全角宽度定义为光束发散角;
为了改善发散角可用小孔选模,非稳腔选模,拉长谐振腔等方法
高斯光束的参数:
束腰;
等相位面;
发散角;
基模多模
基模与低阶模
实际激光束的横模
c.调
Q 脉冲激光——用调Q 技术压
缩脉宽(纳秒量级),提高激光的
峰值功率(声光调Q 可达数百千
瓦;电光调Q 可至兆瓦以上);
d.超短脉冲激光——用锁模技术压
缩脉宽到皮秒至飞秒量级,峰值功
率达1012W, 可作很多精密微加工;
4)激光束时间分布特性
a.连续激光——以连续恒定的功率来描述;
b. 普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级).脉冲能量与脉冲频率来描述;
激光焊接常用脉宽1-10ms, 能量1至数十焦尔;峰值功率数千瓦;打孔和切割常用脉宽0.1-2ms ,能量为0.5-20j ;峰值功率达万瓦
5)激光束的偏振特性
光波是横向电磁波,电矢量与磁矢量总是在相互垂直方向上,一般只讨论电矢量的方向。
若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向,称为线偏振光;
若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向,称为线偏振光;若电矢量在传播过程中不改变大小而只改变方向,两相互垂直分量的振幅相等,而相位差是p/2,称为园偏振光;
若电矢量在传播过程中既改变大小又改变方向,称为椭园偏振光;若电矢量作无规变化,振幅方向不确定的光,称为自然光;
自然光与偏振光的混合光称为部分偏振光;
激光的偏振态对材料加工的效率和质量有较大影响。
1.4 激光束聚焦特性
1)高斯光束的聚焦,其聚焦光斑(束腰)
与透镜焦距;光束发散角;和激光波长成正比;与聚焦镜的象差也有关。
2)激光聚焦的焦深——激光聚焦在一定深度内,焦斑大小变化不大,叫焦深;研究证明:焦深与聚焦镜焦距平方成正比
1.5激光与物质的相互作用
1.5.1 激光与物质相互作用的能量转换
当激光照射到材料上,存在光的反射.透射与吸收;
影响的因素:激光波长.功率密度与激光作用时间;材料的密度.相变温度.熔点.气化点;材料表面对激光的吸收率.热导率等;
1)激光功率密度<103-104 W/cm2 ——光子传能量给电子;材料被加热升温并由外向里传热;
2)激光功率密度104-105W/cm2——达到材料相变点,材料金相结构出现变化;可作激光相变硬化;
3)激光功率密度105-106W/cm2——材料熔化,形成熔池;可作激光熔焊.激光熔覆和表面合金化等;
4)激光功率密度106-107W/cm2以上——材料汽化并形成等离子体;可作激光打孔.切割等加工。
1.5.2 吸收与反射
1)吸收率a=4ph/l h 为消光系数,因材料吸收而使光强衰减
2)各种材料的吸收差别很大,影响吸收率的主要因素——波长;温度;偏振态等
3)反射率R = (n-1)2+h2 / (n+1)2+h2
材料折射率越高,反射损耗越大
例如:光学玻璃n=1.5, 则R=0.04
红外材料ZnSe n=2.4, R=0.17
可见,在光学元件表面镀增透(减反)膜非常重要
1.5.3 金属材料对激光的吸收
金属表面的反射和吸收——强吸收和强反射,不透明
金属表面反射率与波长的关系
金属性质和表面状态的影响——粗糙表面或经表面处理,其吸收加大;
随着金属的熔化,反射率下降激光功率密度超过样品汽化阈值,材料汽化后,反射率
大减。