激光及現(xiàn)代激光制造技術(shù)

1、激光及現(xiàn)代激光制造技術(shù)摘要：激光是21世紀不可或缺的技術(shù)手段，要初步掌握激光的產(chǎn)生 原理、特點，了解現(xiàn)代激光制造技術(shù)以及其他激光高新技術(shù)。關(guān)鍵詞：激光、現(xiàn)代激光制造技術(shù)一、序言激光是二十世紀自然科學(xué)的重大發(fā)明之一。I960年世界上第一 臺激光器的出現(xiàn)標志著量子光學(xué)由理論發(fā)展到技術(shù)工程，激光的誕 生開始了一場光子學(xué)的革命，產(chǎn)生了光電子學(xué)。以激光作為光能源 和光工具的新型制造技術(shù)開始登上歷史舞臺，引領(lǐng)著制造技術(shù)進入 激光制造的新時代。21世紀是光子的時代，激光在改變著世界。信息與通信、醫(yī)療保健與生命科學(xué)、國防和激光制造是世界范 圍內(nèi)激光制造技術(shù)應(yīng)用最主要的四個領(lǐng)域，其中激光制造占據(jù)約32% 的比重

2、，處于所有應(yīng)用領(lǐng)域之首，同時也是發(fā)展最快、對一個國家 國民經(jīng)濟影響最大的激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)代激光制造技術(shù)作為一 種先進的加工技術(shù)，與光學(xué)、光電子學(xué)、材料學(xué)、機械學(xué)、計算機、 自動化、信息學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科相結(jié)合，成為交叉學(xué)科前沿 的生長點。二、激光1、激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)（1）原子能級各種發(fā)光現(xiàn)象都與光源內(nèi)部院子的運動狀態(tài)有關(guān)，原子的運動 狀態(tài)改變了，其內(nèi)能將相應(yīng)改變，而物質(zhì)的發(fā)光與內(nèi)能直接有關(guān)。了解原子的能級結(jié)構(gòu)，是研究發(fā)光現(xiàn)象的基礎(chǔ)。玻爾假說指出，原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)中不發(fā)出也不 吸收電磁輻射，原子定態(tài)能量只能采取某些分立值E1、E2、， 這些定態(tài)能量的值稱為能級。只有當原子從

3、一個定態(tài)躍遷到另一個 定態(tài)時才發(fā)出或吸收電磁輻射。按照光子假設(shè)，電磁輻射的最小單 元是光子，其能量為hu。電子從高能級軌道躍遷到低能級軌道時就 發(fā)射光子，而從低能級軌道躍遷到高能級軌道時就需要吸收光子。 每個躍遷對應(yīng)一個特定的波長和能量。與躍遷對應(yīng)的高能級能量E2 和低能級能量E1滿足關(guān)系式E2 - E1 = hu = hc / 人式中，C為真空中的光速，C近似等于3X108m/s ； X為波長；u為頻 率；h為普朗克常量，h = 6.62 x 10 -34 J. s。自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收激光是通過光與物質(zhì)相互作用尤其是作用過程中的受激輻射而 產(chǎn)生的。受激輻射的概念是愛因斯坦于1917

4、年首先提出的，為40 余年后激光的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。愛因斯坦從量子論的觀點出發(fā)提出 在輻射與物質(zhì)的相互作用中包含三個過程：自發(fā)輻射、受激輻射和 受激吸收。自發(fā)輻射是沒有收到任何外界的刺激下，處于高能級粒子自發(fā) 地躍遷到低能級，同時輻射頻率為U的光子，并滿足E2-E廣hu。當 粒子受到外來能量為的光子作用下并且滿足E2-E廣hu，則處于低 能級上的粒子由于吸收一個能量為 的光子而受到激發(fā)躍遷到高能 級上去，該過程即為物質(zhì)的受激吸收。受激輻射與受激吸收的過程 正好相反，當粒子受到外來的能量為E2-E廣hu，的光子作用時，處 在高能級的粒子在能量為的光子誘發(fā)下，而從高能級躍遷到低能 級，并且發(fā)射一個與

5、外來光子一模一樣的光子，這種過程叫受激輻 射，受激輻射對入射光具有放大作用。（3）光的受激輻射放大光通過介質(zhì)時，受激輻射和受激吸收同時存在互相競爭。如果 受激輻射的光子數(shù)多于受激吸收的光子數(shù)，則對外表現(xiàn)為管的放大; 如果受激吸收的光子數(shù)多于手機輻射的光子數(shù)，則對外表現(xiàn)為光的 吸收。一般在熱平衡的狀態(tài)下，低能級的粒子數(shù)總是高于高能級的 粒子數(shù)，因此，當光通過介質(zhì)時受激吸收應(yīng)該占優(yōu)勢，光子數(shù)減少， 即通常對外表現(xiàn)總是為光的吸收。高能級上的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)時的狀態(tài)稱為是離子 的反轉(zhuǎn)。熱平衡狀態(tài)下實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)是不可能的，只有當外界 向介質(zhì)提供能量時，使介質(zhì)處于非平衡狀態(tài)下，才可以實現(xiàn)粒子

6、數(shù) 反轉(zhuǎn)。在這種狀態(tài)下若有一束光通過介質(zhì)，而光子的能量恰好等于 高低能級的能量差，就可以產(chǎn)生受激輻射，使輸出的光能量超過入 射的光能量此時介質(zhì)對光有增益作用。產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)，通常稱為激光器的 工作物質(zhì)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的必要條件。要實現(xiàn)粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)，介質(zhì)本身的能級結(jié)構(gòu)應(yīng)該存在亞穩(wěn)態(tài)，以利于高能級上 粒子數(shù)的積存，實現(xiàn)高能級上粒子書大于低能級上粒子數(shù)。同時必 須采用外界激勵方式向介質(zhì)提供能量，對于不同類型的介質(zhì)，實現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的具體方式不同。外界激勵的過程又稱為泵浦，通常采 用光激勵、電激勵、化學(xué)分解或化合等方式給介質(zhì)輸入一定的能量。2、激光的特點（1）高單色

7、性單色光是指光的頻率或波長單純的程度。原子吸收或發(fā)射所產(chǎn) 生的任何譜線，其頻率或波長都在一定范圍內(nèi)，即有一定的寬度稱 為譜線寬度，這時衡量光的單色性好壞的量度。普通光源發(fā)出的光 的譜線快讀很寬，如太陽光和燈光的譜線寬度為幾百納米，激光出 現(xiàn)之前單色性最好的光源氪燈的光的譜線寬度是10 -2納米數(shù)量級。由 于激光器發(fā)出的激光是工作物質(zhì)中的粒子在有限的幾個高低能級之 間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此，激光震蕩只發(fā)生在一條或幾條譜線中， 所以單色性很好。（2）高方向性激光束之所以具有方向強的特點是由于激光器受激輻射的機理 和光學(xué)諧振腔對光束的方向限制所決定的。然而激光所能達到的最 小光束發(fā)散角還要受到衍射效應(yīng)

8、的限制它不能小于激光通過輸出孔 徑的衍射角氣，七稱為衍射極限。（3）高相干性光的相干性是指在不同時刻、不同空間點上兩個光波場的相關(guān) 程度。相干性又可分為空間相干性和時間相干性?？臻g相干性用來 描述垂直于光束傳播方向上各點之間的相位關(guān)系，光束的空間相干 性和它的方向性緊密聯(lián)系；而時間相干性則用來描述沿光束傳播方 向上各點的香味關(guān)系，光束的時間相干性和它的單色行也是密切聯(lián) 系的。（4）高亮度對于普通光源來講，由于方向性很差，所以光強度低；對于 激光來講，由于諧振腔對光束方向性的限制，激光束的發(fā)散角很小， 所以光強度很高。人類文明的發(fā)展與制造技術(shù)的進步緊密相關(guān)。遠在石器時代， 人類就利用石料來制造工

9、具。隨著社會進步和人類文明發(fā)展，制造 技術(shù)經(jīng)歷了力加工、火焰加工、電加工的歷史進程。第一臺激光器 的誕生，將激光引進科學(xué)研究領(lǐng)域，從此引領(lǐng)著制造技術(shù)進入激光 制造的新時代。1、激光制造應(yīng)用技術(shù)激光制造應(yīng)用技術(shù)包括：連接技術(shù)、去除和分離技術(shù)、表面 技術(shù)、成形技術(shù)、材料制備技術(shù)以及微技術(shù)。自20世紀70年代出 現(xiàn)大功率激光器件以來，激光制造技術(shù)迄今已經(jīng)形成了激光焊接、 激光切割、激光打孔、激光標記、激光表面熱處理、激光合金化、 激光熔覆、激光快速圓形制造、金屬零件激光直接成形、激光刻槽 和激光摻雜等十幾種應(yīng)用工藝，在電子、機械、冶金、汽車、鐵路、 航空航天、船舶等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。2、

10、激光制造系統(tǒng)技術(shù)激光制造系統(tǒng)由激光源、傳輸、聚焦系統(tǒng)、運動與控制系統(tǒng)、 傳感與檢測系統(tǒng)組成，其核心是光的產(chǎn)生、傳播和操控。激光的能 量或功率、光束質(zhì)量、對光的控制是衡量制造用“光能源”和“光 工具”的標準。激光制造系統(tǒng)的光源主要包括CO2激光器、固體激光 器和準分子激光器。另外，引人注目的是直接用于材料加工的大功 率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，它的意義在于它的更短的波長、小型化、 高效率、與光纖的良好耦合、易于調(diào)制等優(yōu)良特性，目前限制其應(yīng) 用的不足是光束質(zhì)量還較差。激光微制造的激光制造系統(tǒng)，目前有 準分子激光器、固體倍額紫外激光器、飛秒激光器、光纖激光器， 其發(fā)展趨勢是獲得微小的聚焦激光光斑或短作用時間，而對光的控 制的加工微系統(tǒng)還在發(fā)展中。除了激光源以外，激光制造系統(tǒng)技術(shù)還包括：激光光束傳輸與聚焦技術(shù)、激光光束光斑質(zhì)量診斷與控 制技術(shù)、激光與工件相對運動系統(tǒng)技術(shù)、制造過程中的傳感、跟蹤、 檢測技術(shù)等。3、激光制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代激光制造技術(shù)作為通用的的加工手段，其前沿領(lǐng)域之一是 應(yīng)用領(lǐng)域的擴展激光制造應(yīng)用技術(shù)不斷提出并解決新的問題，如： 擴大被加工材料的范圍；提高被加工材料的吸收率；實現(xiàn)運輸機械 輕型化等等。同時對激光制造技術(shù)提出新的要求，如激光器小型化、 高效率轉(zhuǎn)換與集成化等?，F(xiàn)代激光制造的另一前沿領(lǐng)域是與現(xiàn)代科 技發(fā)展微型化趨勢相一致的激光制造，與之相