第二講制造用典型激光器

1、第二講第二講制造用典型激光器制造用典型激光器激光器的技術(shù)要素激光器的技術(shù)要素工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器諧振腔：諧振腔： 穩(wěn)定腔、臨界腔、非穩(wěn)腔穩(wěn)定腔、臨界腔、非穩(wěn)腔泵浦方式：泵浦方式：光泵浦、電激勵(lì)、共振能量轉(zhuǎn)移、化學(xué)激勵(lì)、光泵浦、電激勵(lì)、共振能量轉(zhuǎn)移、化學(xué)激勵(lì)、 熱激勵(lì)熱激勵(lì)熱管理熱管理冷卻技術(shù)冷卻技術(shù)CO2激光器激光器40%固體和碟片激光器固體和碟片激光器32%光纖激光器光纖激光器7%半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器2%準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器19%2008全球材料加工激光器市場(chǎng)分布全球材料加工激光器市場(chǎng)分布CO2激光器激光器主要用

2、于切割、焊接、打標(biāo)主要用于切割、焊接、打標(biāo)固體激光器固體激光器應(yīng)用廣泛，主要包括焊接、打孔、打標(biāo)、切割、微加工應(yīng)用廣泛，主要包括焊接、打孔、打標(biāo)、切割、微加工半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器主要用于表面處理、焊接、塑料連接主要用于表面處理、焊接、塑料連接準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器主要用于光刻和微加工主要用于光刻和微加工一、一、CO2激光器激光器工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：CO2分子分子同時(shí)加入：同時(shí)加入：N2、He與固體激光器和半導(dǎo)體激光器相比，與固體激光器和半導(dǎo)體激光器相比，CO2氣體激光器的激活離氣體激光器的激活離子濃度較低，高功率器件的體積一般比較龐大。子濃度較低，高功率器件的體積一般比較龐大。 CO2激

3、光器的優(yōu)點(diǎn)：激光器的優(yōu)點(diǎn)：高效率高效率。CO2激光的量子效率高，達(dá)激光的量子效率高，達(dá)38%，能量轉(zhuǎn)換效率一般為，能量轉(zhuǎn)換效率一般為10%-25%。高功率高功率。效率高、氣效率高、氣體工作物質(zhì)容易實(shí)現(xiàn)大體積激勵(lì)，且冷卻方便高效。體工作物質(zhì)容易實(shí)現(xiàn)大體積激勵(lì)，且冷卻方便高效。高光束高光束質(zhì)量質(zhì)量。氣體工作物質(zhì)均勻性好，容易獲得高光束質(zhì)量的高功率。氣體工作物質(zhì)均勻性好，容易獲得高光束質(zhì)量的高功率激光輸出；激光輸出；激勵(lì)方式靈活激勵(lì)方式靈活，既可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以脈沖運(yùn)，既可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)；工作波長(zhǎng)為工作波長(zhǎng)為10.6 m，正好處在大氣窗口，傳輸方便。，正好處在大氣窗口，傳輸方便。C

4、O2分子的振動(dòng)模型分子的振動(dòng)模型OCO對(duì)稱振動(dòng)對(duì)稱振動(dòng)v1變形振動(dòng)變形振動(dòng)v2l反對(duì)稱振動(dòng)反對(duì)稱振動(dòng)v3振動(dòng)能級(jí)用振動(dòng)能級(jí)用(v1 v2l v3）標(biāo)記）標(biāo)記v=0激發(fā)10.6mN200.100.050.150.200.250.300.35v=1碰撞碰撞碰撞9.6m能量(103cm-1)000200000001020010000110CO2分子的部分能級(jí)躍遷圖 He在在CO2激光器中取什么作用？激光器中取什么作用？怎樣獲取怎樣獲取9.6um激光輸出？激光輸出？CO2激光器的種類激光器的種類封離式封離式CO2CO2激光器激光器慢速軸流慢速軸流CO2CO2激光器激光器橫流橫流CO2CO2激光器激光器

5、TurboTurbo型快速軸流型快速軸流擴(kuò)散型擴(kuò)散型Slab CO2Slab CO2激光器激光器羅茲泵快速軸流羅茲泵快速軸流封離型封離型CO2激光器激光器封離式封離式CO2激光器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光束質(zhì)量高，可以獲得激光器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光束質(zhì)量高，可以獲得基模輸出，同時(shí)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低?；］敵?，同時(shí)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低。 激光功率低：激光功率低：5070W/m增加放電管直徑能否提高激光功率？增加放電管直徑能否提高激光功率？橫流橫流CO2激光器激光器有哪些措施可改善光束質(zhì)量？有哪些措施可改善光束質(zhì)量？輸出功率高：數(shù)輸出功率高：數(shù)kW/m光束質(zhì)量較差光束質(zhì)量較差氣流速度低：氣流速度低：4050m

6、/min大功率大功率CO2激光器舉例激光器舉例Rofin HF系列橫流系列橫流CO2激光器激光器快速軸流快速軸流CO2激光器激光器輸出功率較高（輸出功率較高（kW/mkW/m），光束質(zhì)量較好。），光束質(zhì)量較好。后腔鏡輸出窗口熱交換器風(fēng)機(jī)高頻電源氣流速度高：氣流速度高：300600m/s大功率大功率CO2激光器舉例激光器舉例Trumpf 射頻激勵(lì)快速軸流射頻激勵(lì)快速軸流CO2激光器激光器TruFlow1200TruFlow5000TruFlow8000TruFlow15000TruFlow20000激光功率激光功率1200W5000W8000W15000W20000W光束質(zhì)量光束質(zhì)量K0.60.

7、550.520.240.22光束質(zhì)量光束質(zhì)量M21.671.821.94.24.5擴(kuò)散冷卻板條擴(kuò)散冷卻板條CO2激光器激光器輸出功率：輸出功率：8kW優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸出功率穩(wěn)定，光束質(zhì)量高；輸出功率穩(wěn)定，光束質(zhì)量高；結(jié)構(gòu)緊湊，體積??；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小；氣體消耗小，運(yùn)行成本低；氣體消耗小，運(yùn)行成本低；運(yùn)行噪聲低。運(yùn)行噪聲低。 大功率大功率CO2激光器舉例激光器舉例Rofin DC系列擴(kuò)散冷卻系列擴(kuò)散冷卻CO2激光器激光器ROFIN DC 020ROFIN DC 030ROFIN DC 050ROFIN DC 080激光功率激光功率2000W3000W5000W8000W光束質(zhì)量光束質(zhì)量K0.950

8、.950.950.95光束質(zhì)量光束質(zhì)量M21.051.051.051.05CO2激光器連續(xù)輸出功率可以很高，但脈沖峰值功率較低。激光器連續(xù)輸出功率可以很高，但脈沖峰值功率較低。 橫向激勵(lì)高氣壓（橫向激勵(lì)高氣壓（TEA）CO2激光器激光器普通普通CO2激光器通常工作在低氣壓下，單位體積粒子數(shù)密度低。激光器通常工作在低氣壓下，單位體積粒子數(shù)密度低。CO2激光器：激光器：4 1016/cm3 ，固體激光器：，固體激光器： 1020/cm3 普通普通CO2激光器存在一個(gè)激光器存在一個(gè)“最佳工作氣壓最佳工作氣壓”。泵浦功率與氣壓。泵浦功率與氣壓平方成正比，氣壓增大時(shí)，工作氣體溫度升高，輸出功率下降。平方

9、成正比，氣壓增大時(shí)，工作氣體溫度升高，輸出功率下降。當(dāng)以脈沖方式工作時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)募?lì)放電脈沖寬度和間隔，當(dāng)以脈沖方式工作時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)募?lì)放電脈沖寬度和間隔，使激光過(guò)程的時(shí)間小于激光下能級(jí)的馳豫時(shí)間，氣體壓力可達(dá)使激光過(guò)程的時(shí)間小于激光下能級(jí)的馳豫時(shí)間，氣體壓力可達(dá)12大氣壓。大氣壓。-TEA CO2激光器。激光器。二、固體二、固體激光器激光器固體激光器是在固體基質(zhì)材料（晶體或玻璃）中摻雜少量可產(chǎn)固體激光器是在固體基質(zhì)材料（晶體或玻璃）中摻雜少量可產(chǎn)生激光的激活離子（主要是三價(jià)的穩(wěn)定離子，如生激光的激活離子（主要是三價(jià)的穩(wěn)定離子，如Cr3+、Nd3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+、Er3+、

10、Ti3+等）。通過(guò)泵浦光的作用產(chǎn)生光等）。通過(guò)泵浦光的作用產(chǎn)生光激勵(lì)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，并以其本身固有的波長(zhǎng)發(fā)射。激勵(lì)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，并以其本身固有的波長(zhǎng)發(fā)射。 幾種典型固體激光器工作物質(zhì)及其工作波長(zhǎng)幾種典型固體激光器工作物質(zhì)及其工作波長(zhǎng) 工作物質(zhì)激光波長(zhǎng)/m摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻鐿釔鋁石榴石(Yb3+:YAG)紅寶石(Cr3+:Al2O3)釹玻璃(Nd3+:glass)摻鈦藍(lán)寶石(Ti3+:Al2O3)1.0641.030.69431.0541.0620.661.18什么原因使得紅寶石激光器成為過(guò)眼煙云？什么原因使得紅寶石激光器成為過(guò)眼煙云？對(duì)激光材料加工而言，目前應(yīng)用

11、最廣的固體激光器對(duì)激光材料加工而言，目前應(yīng)用最廣的固體激光器是摻釹釔鋁石榴石（是摻釹釔鋁石榴石（Nd3+:YAG）激光器。）激光器。Nd3+:YAG晶體是將一定比例的晶體是將一定比例的Al2O3、Y2O3和和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化，并結(jié)晶而成的，呈淡紫色，在單晶爐中進(jìn)行熔化，并結(jié)晶而成的，呈淡紫色，具有以下特點(diǎn)：具有以下特點(diǎn)：熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高(1970 C)，熱穩(wěn)定性能良好，熱穩(wěn)定性能良好，熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率高(室溫下的熱導(dǎo)率約為室溫下的熱導(dǎo)率約為0.03Cal/cm s C)，熱，熱膨脹系數(shù)?。慌蛎浵禂?shù)??；機(jī)械性能較好，硬度較高；機(jī)械性能較好，硬度較高；化學(xué)性化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，空氣中不潮

12、解，亦不溶于一般質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，空氣中不潮解，亦不溶于一般的酸類；的酸類；抗光照性能好，可在長(zhǎng)期光泵輻射條件抗光照性能好，可在長(zhǎng)期光泵輻射條件下保持穩(wěn)定的光學(xué)和物理性能。下保持穩(wěn)定的光學(xué)和物理性能。YAG晶體是目前唯晶體是目前唯一能在室溫下連續(xù)工作的固體激光物質(zhì)。一能在室溫下連續(xù)工作的固體激光物質(zhì)。 YAG激光器的特點(diǎn)：激光器的特點(diǎn)：介質(zhì)摻雜離子濃度較大（比氣體介質(zhì)摻雜離子濃度較大（比氣體工作物質(zhì)高工作物質(zhì)高45個(gè)數(shù)量級(jí)），容易獲得大能量輸出，并個(gè)數(shù)量級(jí)），容易獲得大能量輸出，并適用于采用調(diào)適用于采用調(diào)Q、鎖模技術(shù)獲得巨脈沖和超短脈沖；、鎖模技術(shù)獲得巨脈沖和超短脈沖；波長(zhǎng)短，與金屬材料的耦合

13、效率高；波長(zhǎng)短，與金屬材料的耦合效率高；可以采用光纖傳可以采用光纖傳輸；輸；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，使用和維護(hù)方便結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，使用和維護(hù)方便。不足：不足：傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，電光轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，電光轉(zhuǎn)換效率僅為效率僅為2%左右；左右；固體工作物質(zhì)在工作過(guò)程中存在固體工作物質(zhì)在工作過(guò)程中存在內(nèi)部溫度梯度，會(huì)引起熱應(yīng)力和熱透鏡效應(yīng)，使得固體內(nèi)部溫度梯度，會(huì)引起熱應(yīng)力和熱透鏡效應(yīng)，使得固體激光器的平均功率和光束質(zhì)量較激光器的平均功率和光束質(zhì)量較CO2氣體激光器低；氣體激光器低；固體激光器每瓦輸出功率的成本比固體激光器每瓦輸出功率的成本比CO2氣體激光器高；氣體激光器高

14、；波長(zhǎng)短，加工時(shí)的漫反射光對(duì)人眼視力的危害較大，波長(zhǎng)短，加工時(shí)的漫反射光對(duì)人眼視力的危害較大，應(yīng)采用更加嚴(yán)格的安全防范措施。應(yīng)采用更加嚴(yán)格的安全防范措施。 Nd3+:YAG晶體的吸收光譜(300K) 主要有五個(gè)吸收光譜帶，中心波長(zhǎng)分別在525、585、750、810、870nm附近，其中以750nm和810nm為中心的兩個(gè)吸收帶最為重要。 750nm810nm914nm1064nm1319nm042681012142922/54HF234274SF294I234F2134I2114I能量(103cm-1)Nd3+:YAG晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu) 聚光腔后腔鏡泵浦燈工作物質(zhì)泵浦光冷卻水受激輻射輸出鏡激光束

15、泵浦燈燈泵固體燈泵固體激光器激光器效率低：效率低：3%左右左右功率低：功率低：6kW光束質(zhì)量差：光束質(zhì)量差：24mmmrad大功率固體激光器舉例大功率固體激光器舉例TRUMPF公司公司HL系列燈泵浦固體激光器系列燈泵浦固體激光器HL1106DHL2206DHL3306DHL4406D激光功率激光功率1100W2200W3300W4400W光束質(zhì)量光束質(zhì)量25mm mrad25mm mrad25mm mrad25mm mrad光纖直徑光纖直徑600 m600 m600 m600 m光譜強(qiáng)度波長(zhǎng)/nm波長(zhǎng)/nm(b)連續(xù)Kr燈(a)脈沖Xe燈泵浦光僅一小部分可用于激發(fā)泵浦光僅一小部分可用于激發(fā)Nd

16、3+。泵浦燈光譜中還含有不。泵浦燈光譜中還含有不利于晶體棒的紫外光譜，因此通常還需要采取措施加以過(guò)濾。利于晶體棒的紫外光譜，因此通常還需要采取措施加以過(guò)濾。 0.4%2.6%5%5%7%30%8%外電源燈輸入電源損失100%燈熱損耗光功率50%50%聚光腔吸收功率工作物質(zhì)吸收功率冷卻液吸收功率燈再吸收功率工作物質(zhì)耗散的熱受激發(fā)射熒光輸出激光輸出光學(xué)損耗2%0.6%燈泵浦燈泵浦YAG激光器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程激光器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程熱透鏡效應(yīng)熱透鏡效應(yīng)激光棒中產(chǎn)生熱量要由棒表面的流動(dòng)水冷卻，這樣就會(huì)在棒內(nèi)形成溫度梯度。 KrrlrPTrTp4)(2202000TpP由冷卻條件決定的棒表面溫度泵浦功率，棒耗

17、散泵浦功率百分比l 棒的長(zhǎng)度，r0棒的半徑，r距離棒軸的徑向距離K 導(dǎo)溫系數(shù) 板條固體激光器板條固體激光器輸出耦合鏡后腔鏡泵浦光(a)側(cè)視圖板條泵浦光冷 卻介質(zhì)(b)橫截面圖冷卻泵浦絕熱zxyxT(x)0yT(y)0板條內(nèi)部溫度分布板條內(nèi)部溫度分布在制造用激光器發(fā)展歷史上，為什么板條固體激在制造用激光器發(fā)展歷史上，為什么板條固體激光器沒(méi)有真正成為進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品？光器沒(méi)有真正成為進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品？泵浦源泵浦源效率和熱問(wèn)題解決途徑效率和熱問(wèn)題解決途徑二極管陣列聚焦光學(xué)系統(tǒng)輸出耦合鏡后腔鏡(a)側(cè)面泵浦方式半激導(dǎo)光體器晶體棒輸出耦合鏡后腔鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)(b)端面泵浦方式半導(dǎo)體激光器泵浦棒狀固體

18、半導(dǎo)體激光器泵浦棒狀固體激光器激光器效率提高：效率提高：10%左右左右光束質(zhì)量改善：光束質(zhì)量改善：12mmmrad不能從根本上改變熱效應(yīng)。不能從根本上改變熱效應(yīng)。在制造用激光器發(fā)展歷史上只在制造用激光器發(fā)展歷史上只是曇花一現(xiàn)。是曇花一現(xiàn)。大功率固體激光器舉例大功率固體激光器舉例Rofin-Sinar公司公司DY系列二極管泵浦固體激光器系列二極管泵浦固體激光器盤(pán)片固體激光器盤(pán)片固體激光器大功率固體激光器舉例大功率固體激光器舉例TRUMPF公司公司HLD系列片狀固體激光器系列片狀固體激光器TruDisk1000TruDisk2001TruDisk3302TruDisk16002激光功率激光功率10

19、00W2000W3300W16000W光束質(zhì)量光束質(zhì)量2mm mrad4mm mrad8mm mrad8mm mrad光纖直徑光纖直徑50 m100 m200 m200 m半激導(dǎo)光體器摻雜光纖輸出耦合鏡后腔鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)光纖激光器光纖激光器泵浦光保護(hù)層外包層內(nèi)包層纖芯雙包層光纖結(jié)構(gòu)示意圖 為什么高功率光纖激光器要采用雙包層光纖結(jié)構(gòu)？為什么高功率光纖激光器要采用雙包層光纖結(jié)構(gòu)？三、半導(dǎo)體三、半導(dǎo)體激光器激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)，用電注入直半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)，用電注入直接泵浦的一種小型化激光器。它具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)接泵浦的一種小型化激光器。它

20、具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、波長(zhǎng)更短、與金屬材料的耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)。單、價(jià)格便宜、波長(zhǎng)更短、與金屬材料的耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)。 半導(dǎo)體激光器的激發(fā)機(jī)理和氣體和固體激光器完全不同。它的半導(dǎo)體激光器的激發(fā)機(jī)理和氣體和固體激光器完全不同。它的電子躍遷發(fā)生在半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶中的電子態(tài)和價(jià)帶中的空穴電子躍遷發(fā)生在半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶中的電子態(tài)和價(jià)帶中的空穴態(tài)之間，而不像原子、分子、離子激光器那樣發(fā)生在兩個(gè)確定態(tài)之間，而不像原子、分子、離子激光器那樣發(fā)生在兩個(gè)確定的能級(jí)之間。在電流或光激勵(lì)下，半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子可以獲的能級(jí)之間。在電流或光激勵(lì)下，半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子可以獲得能量，躍遷到導(dǎo)帶上，在價(jià)帶中形

21、成一個(gè)空穴，這相當(dāng)于受得能量，躍遷到導(dǎo)帶上，在價(jià)帶中形成一個(gè)空穴，這相當(dāng)于受激吸收過(guò)程。價(jià)帶中的空穴也可以被從導(dǎo)帶躍遷下來(lái)的電子填激吸收過(guò)程。價(jià)帶中的空穴也可以被從導(dǎo)帶躍遷下來(lái)的電子填充復(fù)合，并放出一個(gè)光子，這相當(dāng)于自發(fā)輻射或受激輻射。充復(fù)合，并放出一個(gè)光子，這相當(dāng)于自發(fā)輻射或受激輻射。 用于激光材料加工的大功率半導(dǎo)體激光器所使用的材料體系是用于激光材料加工的大功率半導(dǎo)體激光器所使用的材料體系是以以GaAs和和Ga1-xAlxAs(下標(biāo)下標(biāo)x表示表示GaAs中被中被Al原子取代的原子取代的Ga原原子百分?jǐn)?shù)子百分?jǐn)?shù))為基礎(chǔ)的。這種激光器的波長(zhǎng)取決于下標(biāo)為基礎(chǔ)的。這種激光器的波長(zhǎng)取決于下標(biāo)x及摻雜

22、情及摻雜情況，一般為況，一般為850nm左右。左右。 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu) 1000m200m100mP區(qū)N區(qū)解理面/金屬電極最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)PN結(jié)組成。結(jié)組成。PN結(jié)的兩個(gè)端面是按晶體的天然晶面剖切開(kāi)，稱為解理面，結(jié)的兩個(gè)端面是按晶體的天然晶面剖切開(kāi)，稱為解理面，此二表面極為光滑，可直接用作平面反射鏡，構(gòu)成諧振腔。上此二表面極為光滑，可直接用作平面反射鏡，構(gòu)成諧振腔。上下電極施加正向電壓時(shí)，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生雙簡(jiǎn)并的能帶結(jié)構(gòu)及激光下電極施加正向電壓時(shí)，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生雙簡(jiǎn)并的能帶結(jié)構(gòu)及激光工作電流。激光可以從一側(cè)解理面輸出，也可以由兩側(cè)輸出。工作

23、電流。激光可以從一側(cè)解理面輸出，也可以由兩側(cè)輸出。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性差，特別是在結(jié)由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性差，特別是在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角很大，可達(dá)成很大，可達(dá)成20 30 。在結(jié)的水。在結(jié)的水平面內(nèi)，發(fā)散角平面內(nèi)，發(fā)散角 /約為幾度。約為幾度。 由于半導(dǎo)體激光器單管的有源區(qū)體積小，輸出功率受限于腔面由于半導(dǎo)體激光器單管的有源區(qū)體積小，輸出功率受限于腔面毀滅性失效，一般單個(gè)的毀滅性失效，一般單個(gè)的PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的輸出能量只有結(jié)半導(dǎo)體激光器的輸出能量只有幾毫瓦、幾十毫瓦或幾百毫瓦數(shù)量級(jí)，目前最好的是幾毫瓦、幾十毫瓦或幾百毫瓦數(shù)量級(jí)，

24、目前最好的是13W。為了獲得高的輸出功率，可以將多個(gè)發(fā)射單元以列陣的形式集為了獲得高的輸出功率，可以將多個(gè)發(fā)射單元以列陣的形式集成起來(lái)形成成起來(lái)形成“激光條激光條”。 把若干個(gè)激光條縱向疊加，堆砌成面陣，各條之間安裝微通道把若干個(gè)激光條縱向疊加，堆砌成面陣，各條之間安裝微通道散熱器，通常將這樣的單元結(jié)構(gòu)稱為散熱器，通常將這樣的單元結(jié)構(gòu)稱為“激光堆激光堆”，多個(gè)激光條，多個(gè)激光條構(gòu)成一個(gè)激光堆就可以獲得千瓦量級(jí)的激光功率。構(gòu)成一個(gè)激光堆就可以獲得千瓦量級(jí)的激光功率。 采用特殊設(shè)計(jì)的反射鏡、或采用偏振耦合或波長(zhǎng)耦合技術(shù)等采用特殊設(shè)計(jì)的反射鏡、或采用偏振耦合或波長(zhǎng)耦合技術(shù)等將幾個(gè)激光堆發(fā)出的光束進(jìn)行

25、合束，可以獲得更高功率。將幾個(gè)激光堆發(fā)出的光束進(jìn)行合束，可以獲得更高功率。 FiberDiscCO2Nd:YAGDiodeWavelength1.07um1.03um10.6um1.06um0.91.03umWall Plug Efficiency30%15%10% 3%70%Output Powersto 50kWto16kWto 20Kwto 6kW10kWBPP (4/5kW) 2.5862540Diode Lifetimes100,000100,000N.A.1,000100,000CoolingAir/WaterWaterWaterDionizedwaterFloor Space (

26、4/5kW) 4 m 2 3 m 2 6 m 2 0.5m 2Fiber deliveryYesYesNoYesYes幾種紅外激光器技術(shù)參數(shù)對(duì)比幾種紅外激光器技術(shù)參數(shù)對(duì)比PRC，6千瓦CO2激光器 IPG,4千瓦光纖激光器(在3.8千瓦下試驗(yàn))TRUMPF，4千瓦,燈泵Nd:YAG激光器TRUMPF， 4千瓦圓盤(pán)激光器美國(guó)Edison 焊接研究所（EWI） CO2和和YAG激光焊接成本比較激光焊接成本比較四、準(zhǔn)分子四、準(zhǔn)分子激光器激光器準(zhǔn)分子是一種激發(fā)態(tài)下能夠暫時(shí)結(jié)合成的不穩(wěn)定分子，而在基準(zhǔn)分子是一種激發(fā)態(tài)下能夠暫時(shí)結(jié)合成的不穩(wěn)定分子，而在基態(tài)又迅速離解成原子的締合物，因此也稱之為態(tài)又迅速離解

27、成原子的締合物，因此也稱之為“受激準(zhǔn)分子受激準(zhǔn)分子”。與激光有關(guān)的準(zhǔn)分子可劃分為三類：一類是惰性氣體準(zhǔn)分子，與激光有關(guān)的準(zhǔn)分子可劃分為三類：一類是惰性氣體準(zhǔn)分子，如如Xe2*、Ar2*、Kr2*等；一類是惰性氣體原子與鹵素原子結(jié)等；一類是惰性氣體原子與鹵素原子結(jié)合成的準(zhǔn)分子，如合成的準(zhǔn)分子，如XeF*、XeO*、XeCl*、KrF*、ArF*等；第等；第三類是金屬原子與鹵素原子結(jié)合成的準(zhǔn)分子，如三類是金屬原子與鹵素原子結(jié)合成的準(zhǔn)分子，如HgCl*、HgBr*、BeO*、CuF*等。其中應(yīng)用較廣的是第二類準(zhǔn)分子。等。其中應(yīng)用較廣的是第二類準(zhǔn)分子。 激光器類型激光器類型Ar2*Kr2*ArCl*A

28、rF*KrCl*KrF*XeCl*XeF*激光波長(zhǎng)激光波長(zhǎng)/nm126146170193223248308353幾種常用準(zhǔn)分子激光器工作波長(zhǎng)幾種常用準(zhǔn)分子激光器工作波長(zhǎng) 核間距R0AB勢(shì)能C準(zhǔn)分子能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖準(zhǔn)分子能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖 曲線A表示較高的激發(fā)態(tài)，B表示激光上能級(jí)，C表示基態(tài)。激發(fā)態(tài)時(shí)在某一核間距處勢(shì)能最小，具有束縛態(tài)的特征，能級(jí)壽命為10-8s數(shù)量級(jí)。基態(tài)時(shí)勢(shì)能曲線隨核間距的增加而單調(diào)下降，顯示了原子相互排斥的特征?；鶓B(tài)分子的壽命極短，為10-13s數(shù)量級(jí)。激發(fā)態(tài)比基態(tài)穩(wěn)定，在核間距R0處很容易形成B、C間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 準(zhǔn)分子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)的躍遷可以說(shuō)是從束縛態(tài)向自由態(tài)的躍遷。

29、由于下能級(jí)近似是空的，因此不存在低能級(jí)被充滿而終止反轉(zhuǎn)的問(wèn)題。只要有一定數(shù)量的準(zhǔn)分子存在，反轉(zhuǎn)就存在，因此容易獲得較大的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)和較高的增益，有利于獲得巨脈沖。同時(shí)，由于激光下能級(jí)是基態(tài)，基本上沒(méi)有無(wú)輻射損耗，因此量子效率高，接近100%。 由于準(zhǔn)分子存在的壽命極短，因此準(zhǔn)分子激光器一般輸出幾十個(gè)納秒的脈沖激光。為了實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，要求泵浦脈沖上升時(shí)間短。工業(yè)準(zhǔn)分子激光器大多采用快速放電激勵(lì)技術(shù)。 制造用激光器的輸出特性制造用激光器的輸出特性 1、激光波長(zhǎng)、激光波長(zhǎng) 激光波長(zhǎng)決定激光加工的基本原理 激光波長(zhǎng)影響激光與物質(zhì)的相互作用 激光波長(zhǎng)決定激光束精細(xì)聚焦的可能性 激光波長(zhǎng)決定激光加工系統(tǒng)光束的傳輸方