激光應用的物理基礎

1、下篇下篇 應用篇應用篇 激光器的誕生標志著量子光學由學術走向技術，使傳統(tǒng)光學、近代光學進入現(xiàn)代光學和光子學的新世紀。在總結20世紀的偉大成就時，激光是被認為繼原子能、半導體、計算機之后的又一重大發(fā)明。計算機延伸了人的大腦，而激光延伸了人的五宮，激光是探索自然奧秘的超級“探針”。 今天，激光無時不在，無處不在，應用幾乎遍及所有領域。本篇重點介紹六個方面的應用。激光應用技術第 七 章 激光應用的物理基礎第 八 章 激光制造技術第 九 章 激光傳感與測量第 十 章 激光在信息技術中的應用第十一章 激光在基礎科學和前沿科學中 的應用第 十二 章 激光在醫(yī)學中的應用第十三章 激光在軍事領域的應用及最新

2、進展第七章 激光應用的物理基礎深圳大族龍門式激光加工系統(tǒng)第一節(jié) 激光光束的特性 高強度、高方向性、高單色性和高相干性光源光源一、高強度StEI太陽123102srWcmI1mW He-Ne激光器1231088srWcmI大功率激光器121791010srWcmI SE光源亮度-單位面積、單位時間在垂直于光源 表面的單位立體角內發(fā)射的能量。立體角定義立體角定義： = S /r2Sr 太陽表面的亮度比白熾燈大幾百倍。二、高方向性激光器激光器Laser測月紅寶石激光器測月紅寶石激光器 =0.031mradD=1.6km=25mrad（毫弧度）（毫弧度）rlrl(1km時光斑直徑時光斑直徑10m) 氦

3、氖激光器是目前發(fā)散角最小的激光器，可達到 rad，較探照燈高3個量級。410激光所包含的波長或頻率范圍極小一束普通的紅光頻率范圍：Hz1414107 . 4109 . 3Hz14108 . 0Laser6328埃的He-Ne激光（中心頻率)1074. 414HzHz4102（理論值，實際幾赫茲）三、高單色性 710單頻氦氖激光器的譜寬度可達 nm 氪燈86Kr譜線寬度是 nm210 單色性好單色性最好的氪燈單色性最好的氪燈KrKr8686 =4.7=4.71010-3-3 nm nm 穩(wěn)頻穩(wěn)頻HeHeNeNe激光器激光器 910 nm激光的單色性比普通光高 倍.1010 相干性是指光波場中光振

4、動之間的相關程度。 相干性越好則光場中各點光振動在頻率、振動方向的一致性越好，相位的關聯(lián)性也越好。相干性越好則光場中任取兩點作光源所產生的干涉和衍射的條紋越清晰。 四、高相干性 原子發(fā)光時間和所發(fā)光的頻率寬度成反比，即：相干長度：光波在空間能夠產生干的最大距離LH = c tH相干時間：能夠產生干涉的最大間隔時間 tH tv1激光的非常小，激光的相干時間t 很大普通光源的相干長度約為1mm至幾十cm，激光可達幾十km.楊氏雙縫干涉單單縫縫雙雙縫縫屏屏Ir圓孔衍射 光的單色性越好，則其相干性也越好。光的單色性越好，則其相干性也越好。 二者是統(tǒng)一的二者是統(tǒng)一的.激光的空間相干性空間相干性：空間兩點

5、在同一時刻的 相干性 時間相干性：是指空間一點在兩個不 同時刻的相干性 第二節(jié) 激光光束特性對激光加工的影響激光器的輸出特性： 激光波長、輸出能量和功率、空間分布特性、時間特性、偏振特性、光譜特性、頻率穩(wěn)定性、增益特性、相干性等 一、激光波長光束傳輸、變換的影響，材料吸收的影響。二、輸出能量和功率脈沖激光器：用輸出能量來描述 峰值功率：Pm=E/TPm=E/T平均功率：P=EfP=Ef三、空間分布特性1、高斯光束及其聚焦 高斯光束 ：振幅和等相位面都在變化的高斯球面光波 基模（TEM0000）的高斯光束幾個重要概念：光斑半徑：2( )1 ()zzf20f束腰半徑 ：光斑半徑達到極小值其值稱為束

6、腰半徑 高斯光束及其參數(shù)上式：/0既束腰半徑發(fā)散角：當基模高斯光束橫截面上的強度下降到中心強度的1/e2時點對應的全角寬度。002 ( )2limzzz2、發(fā)散角及光斑模式壓縮發(fā)散角提高功率密度 橫模選擇：小孔光闌非穩(wěn) 腔等 多模的合理利用四、時間特性 連續(xù)激光器 用功率瓦表示脈沖激光器（普通、調Q、超短脈沖）五、偏振特性激光偏振狀態(tài)對切割的影響第三節(jié) 激光加工的特點 作用點?。ㄎ⒚准墸┳饔脮r間短（納秒甚至飛秒）功率密度高（ W/cm2）（電子束 W/cm2 ） 1010810激光加工的主要特點：1、激光功率密度高，可以加工幾乎所有材料。（高硬度材料、耐高溫材料等）2、激光加工屬于非接觸加工，

7、速度快、效率 高、無噪聲。3、激光加工屬于局部加工，熱影響區(qū)小， 熱變形和加工變形很小。4、由于光斑小和作用時間短，可以進行 精細的微加工。5、由于激光的空間和時間控制性很好，便 于機器人、計算機、數(shù)控機床、自動檢 測技術和設備相結合，實現(xiàn)自動化加工。6、與電子束加工相比，設備相對簡單，使 用方便。7、可以一機多用，完成不同的工作。8、可以對透明的物體內部進行加工。各種參數(shù)條件下激光加工的可能應用和影響第四節(jié) 激光與物質的相互作用一、激光與物質相互作用的物理基礎 激光加工的物理基礎，涉及多學科和能量轉換及物質形態(tài)變化。1、激光與物質相互作用的能量轉換能量守恒定律 ：R+T+=1 布格爾定律：

8、材料吸收率0 xII e2、吸收率影響吸收率的主要因素：、波長的影響：吸收率 是波長的函數(shù)。、溫度的影響：隨著溫度變化，材料對激光的吸收 率 也隨之變化。溫度越高，吸收率增大。、其他因素；激光入射角、材料表面狀況等。二、金屬材料對激光的吸收 1、金屬表面的反射和吸收自由電子密度越大，即電導率越大，反射率越高 2.、金屬表面反射率與波長的關系3、金屬性質和表面狀態(tài)的影響增加吸收，表面處理：粗糙、污染、氧化、磷化等三、非金屬材料對激光的吸收1、絕緣材料對激光的吸收非金屬材料：吸收率高 激光光學材料：選擇透射率高、 吸收率小的材料 2、半導體材料對激光的吸收半導體材料對可見光不透明，對紅外光透明，如

9、鍺 四、光致等離子體 等離子體的熱傳導有三種形式：1、等離子體與材料表面的電子熱傳導。2、等離子體輻射的短波長光波。3、受等離子體壓迫而返回表面的蒸氣的凝結。五、激光防護1、危險性 激光輻射的危害電器危害污染噪聲2、防護標準工程控制個人防護3、標識激光危害分類：1類激光產品：無危險2類激光產品：小于1mW的連續(xù) 激光，低危險3A類激光產品：15mW的連續(xù) 激光，低危險3B類激光產品:脈沖小于10J/m2連續(xù) 小于0.5W，中等危險4類激光產品：大于3B類，高危險激光輻射警告標志圖說明標志第五節(jié) 激光加工用光學系統(tǒng)光束傳輸和變換系統(tǒng)一、激光光學元件1、透射型光學元件 激光器輸出鏡、聚焦系統(tǒng)的透鏡

10、、光路中的棱鏡等 、CO2激光器常用的三種材料：鍺（GeGe）、砷化鎵（GaAs）、硒化鋅（ZnSeZnSe） 、Nd:YAG 激光器：普通冕牌光學玻璃2、反射型光學元件、激光器的全反射鏡、導光系統(tǒng)中的折反鏡、光路中的反射鏡紅外波常用銅和鉬，其中銅要鍍金膜3、光學鍍膜、介質膜（增透、增反、特定透射率）、金屬膜二、光學聚焦系統(tǒng)1、高斯光束聚焦、發(fā)散角 ：002 ( )2limzzz2244()PPGDF、透鏡后光斑直徑 ：DF、焦平面的功率密度：2、倒置望遠鏡系統(tǒng)倒置望遠鏡系統(tǒng)也稱擴束鏡作用：壓縮發(fā)散角RR 開普勒望遠鏡伽利略望遠鏡倒置望遠鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角薄透鏡對高斯高斯的變換3、透鏡聚焦系

11、統(tǒng) 透射式聚焦：透鏡4、反射聚焦系統(tǒng)反射式聚焦：凹面鏡，適合功率密度非常大時 卡格林系統(tǒng)球面反射鏡的聚焦光路三、光學勻光系統(tǒng)掃描器1、掃描器振鏡 振鏡掃描裝置轉鏡掃描角：7204( )radNN轉鏡分辨率：12.6WAN2、積分鏡積分鏡結構轉鏡掃描裝置3、二元光學勻光系統(tǒng) 二元光學元件以光的衍射為其工作原理，采用計算機設計與微電子加工技術在片基表面制作 深度為亞微米級、臺階形分布的純相位元件。 意義：二元光學是光學設計和元件制作工藝上的一場革命，它的誕生促進了光學設計原理從 折射向衍射發(fā)展，光學元件從宏觀與散件向微型與集成發(fā)展。 應用：光束波前整形和重建、光束勻滑、光束分束與合束像差矯正、光束準直、長焦深器件、激光聚焦矯正、坐標變換等。 采用二元光學器件的二元光學勻光系統(tǒng)可以將橢圓高斯光束變換為均勻圓光束，將圓光束變換成矩形、三角形、線形等形狀的均勻光束，同時實現(xiàn)了改變光束形狀和能量分布均勻化的功能。4、平場透鏡（f-透鏡）系統(tǒng) 平場透鏡系統(tǒng)的結構 f -透鏡的像高和其入射角成正比。假設焦點距離為f，其像高Yf。使用f -透鏡可以方便地實現(xiàn)等速掃描。Yf四、光學導光系統(tǒng)1、光纖導光系統(tǒng)優(yōu)點 ：體積小，