第一章 激光先进制造技术基础

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
2014年11月24日星期一
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
1.1.3 激光束的聚焦特性
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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)
单色性
普通光源发出的光均包含较宽的波长范围，即谱线宽度宽，如 太阳光就包含所有可见光波长，而激光为单一波长，谱线宽度 极窄，通常在数百纳米至几微米，与普通光源相比，谱线宽度 窄了几个数量级。 普通光源发出的光属于非相干光，不产生干涉现象，而激光有 很好的相干特性。激光束叠加在一起，其幅度是稳定的。在相 当长时间内，可保持光波前后的相位关系不变，这是任何其他 的光源所达不到的。 普通光源发射的光射向四方，谈不上有什么方向性、光束发散 度大，而激光发散角小，一般为几个毫弧度，方向性也好，如 将激光束射向月球，则在月球表面的光斑直径不超过2km。 激光束能通过一个光学系统(如透镜)聚焦到一个很小面积上， 具有很高的亮度。例如一支输出功率为1mw的He-Ne激光器 输出的激光，经过透镜聚焦后，其亮度比太阳的亮度高10万 倍。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu，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 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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2014年11月24日星期一
2014年11月24日星期一
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、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
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
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。
1.1.4 激光窗口和透镜材料
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Nd：YAG激光器： 一般是石英和玻璃 CO2激光器： 半导体(如Ge、GaAs、ZnSe、CdTe等)材 料和碱性卤化物(如KCl、NaCl等） 1、要求和条件 (1)光学吸收性越小越好 (2)热导率。窗口和透镜材料要求热导率尽可能大 (3)硬度和平滑度。 要求硬度高以增加抗擦伤能力，平滑 度要求高，以适应镀膜要求。 (4)化学阻抗性。要求在水中溶解度低和抗蚀能力强。
相干性
方向性
亮度高
1.1.1
激光束的形状与发散
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激光场是—个稳定的驻波场，垂直于激光传播方向的光场分布称之为横模， 通常讲的光束的质量，主要是看输出光束的横模。激光束的空间形状是由激光器 的谐振腔决定的。 大多数激光器输出均为高阶模。
激光模式对加工的影响
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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。
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
2014年11月24日星期一
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。
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
2014年11月24日星期一
1.2 激光与固体材料的相互作用
2014年11月24日星期一
常用金属的吸收率20 ℃
1.2
激光与固体材料的相互作用
2014年11月24日星期一
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
光学元件材料的光学和热学参数
2014年11月24日星期一
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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。
W02 通常将 0 Z
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
1、激光与材料作用的一般规律
A 能量变化过程：激光入射材料表面，一部份反射，一部份进入材 科内部。对不透明物质，透射光被吸收。其吸收率或辐射率为
1 R
Z处的激光功率密度：
Fv ( z) Fv0 (1 R ) e
z
B 状态变化：在不同的功率密度等条件下，材料表面区域发生各种不同的 变化。这种变化包括温度升高、熔化、汽化、形成小孔和等离子体云等。 材料表面区域物理状态的变化反过来又极大地影响材料对激光的吸收。
(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℃？
1.2 激光与固体材料的相互作用
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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
（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
2
由于：
2 D
对基模光斑最小聚焦半径：
W f
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常用激光器的最小聚焦光斑尺寸（f=2cm）
W f
（3）焦深---激光聚焦的重要参数之一
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第一章
激光先进制造技术基础
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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
2014年11月24日星期一
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
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(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
1.2
激光与固体材料的相互作用
2014年11月24日星期一
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

2
(W cm sr )
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
2014年11月24日星期一
球面反射式：适用于千瓦以上的大功率激光器
2014年11月24日星期一
球面反射式：适用于千瓦以上的大功率激光器
1.2 激光与固体材料的相互作用
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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。