第二講制造用典型激光器

第二講制造用典型激光器激光器的技術(shù)要素工作物質(zhì)：氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器…諧振腔：穩(wěn)定腔、臨界腔、非穩(wěn)腔泵浦方式：光泵浦、電激勵(lì)、共振能量轉(zhuǎn)移、化學(xué)激勵(lì)、熱激勵(lì)…熱管理—冷卻技術(shù)CO2激光器40%固體和碟片激光器32%光纖激光器7%半導(dǎo)體激光器2%準(zhǔn)分子激光器19%2008全球材料加工激光器市場(chǎng)分布CO2激光器主要用于切割、焊接、打標(biāo)固體激光器應(yīng)用廣泛，主要包括焊接、打孔、打標(biāo)、切割、微加工半導(dǎo)體激光器主要用于表面處理、焊接、塑料連接準(zhǔn)分子激光器主要用于光刻和微加工一、CO2激光器工作物質(zhì)：CO2分子同時(shí)加入：N2、He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子濃度較低，高功率器件的體積一般比較龐大。CO2激光器的優(yōu)點(diǎn)：高效率。CO2激光的量子效率高，達(dá)38%，能量轉(zhuǎn)換效率一般為10%-25%。高功率。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。高光束質(zhì)量。氣體工作物質(zhì)均勻性好，容易獲得高光束質(zhì)量的高功率激光輸出；激勵(lì)方式靈活，既可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)；工作波長(zhǎng)為10.6m，正好處在大氣窗口，傳輸方便。CO2分子的振動(dòng)模型OCO對(duì)稱振動(dòng)v1變形振動(dòng)v2l反對(duì)稱振動(dòng)v3振動(dòng)能級(jí)用(v1

v2lv3）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CO2激光器中取什么作用？怎樣獲取9.6um激光輸出？CO2激光器的種類封離式CO2激光器慢速軸流CO2激光器橫流CO2激光器Turbo型快速軸流擴(kuò)散型SlabCO2激光器羅茲泵快速軸流封離型CO2激光器封離式CO2激光器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光束質(zhì)量高，可以獲得基模輸出，同時(shí)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低。激光功率低：50~70W/m增加放電管直徑能否提高激光功率？橫流CO2激光器有哪些措施可改善光束質(zhì)量？輸出功率高：數(shù)kW/m光束質(zhì)量較差氣流速度低：40~50m/min大功率CO2激光器舉例RofinHF系列橫流CO2激光器快速軸流CO2激光器輸出功率較高（kW/m），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：300~600m/s大功率CO2激光器舉例Trumpf射頻激勵(lì)快速軸流CO2激光器TruFlow1200TruFlow5000TruFlow8000TruFlow15000TruFlow20000激光功率1200W5000W8000W15000W20000W光束質(zhì)量K0.60.550.520.240.22光束質(zhì)量M21.671.821.94.24.5擴(kuò)散冷卻板條CO2激光器輸出功率：~8kW優(yōu)點(diǎn)：輸出功率穩(wěn)定，光束質(zhì)量高；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小；氣體消耗小，運(yùn)行成本低；運(yùn)行噪聲低。

大功率CO2激光器舉例RofinDC系列擴(kuò)散冷卻CO2激光器ROFINDC020ROFINDC030ROFINDC050ROFINDC080激光功率2000W3000W5000W8000W光束質(zhì)量K0.950.950.950.95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。橫向激勵(lì)高氣壓（TEA）CO2激光器普通CO2激光器通常工作在低氣壓下，單位體積粒子數(shù)密度低。CO2激光器：41016/cm3

，固體激光器：1020/cm3

普通CO2激光器存在一個(gè)“最佳工作氣壓”。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。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)1~2大氣壓。--TEACO2激光器。二、固體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)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+、Ti3+等）。通過泵浦光的作用產(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。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)1.0641.030.69431.054~1.0620.66~1.18什么原因使得紅寶石激光器成為過眼煙云？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（Nd3+:YAG）激光器。Nd3+:YAG晶體是將一定比例的Al2O3、Y2O3和Nd2O3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)：熔點(diǎn)高(1970C)，熱穩(wěn)定性能良好，熱導(dǎo)率高(室溫下的熱導(dǎo)率約為0.03Cal/cmsC)，熱膨脹系數(shù)??；機(jī)械性能較好，硬度較高；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，空氣中不潮解，亦不溶于一般的酸類；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。YAG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)。YAG激光器的特點(diǎn)：介質(zhì)摻雜離子濃度較大（比氣體工作物質(zhì)高4~5個(gè)數(shù)量級(jí)），容易獲得大能量輸出，并適用于采用調(diào)Q、鎖模技術(shù)獲得巨脈沖和超短脈沖；波長(zhǎng)短，與金屬材料的耦合效率高；可以采用光纖傳輸；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，使用和維護(hù)方便。不足：傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，電光轉(zhuǎn)換效率僅為2%左右；固體工作物質(zhì)在工作過程中存在內(nèi)部溫度梯度，會(huì)引起熱應(yīng)力和熱透鏡效應(yīng)，使得固體激光器的平均功率和光束質(zhì)量較CO2氣體激光器低；固體激光器每瓦輸出功率的成本比CO2氣體激光器高；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。

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。

750nm810nm914nm1064nm1319nm04268101214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泵浦燈燈泵固體激光器效率低：3%左右功率低：~6kW光束質(zhì)量差：24mmmrad大功率固體激光器舉例TRUMPF公司HL系列燈泵浦固體激光器HL1106DHL2206DHL3306DHL4406D激光功率1100W2200W3300W4400W光束質(zhì)量25mmmrad25mmmrad25mmmrad25mmmrad光纖直徑600m600m600m600m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)Nd3+。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YAG激光器的能量轉(zhuǎn)換過程熱透鏡效應(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。

—由冷卻條件決定的棒表面溫度—泵浦功率，—棒耗散泵浦功率百分比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)部溫度分布在制造用激光器發(fā)展歷史上，為什么板條固體激光器沒有真正成為進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品？泵浦源效率和熱問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激光器效率提高：10%左右光束質(zhì)量改善：12mmmrad不能從根本上改變熱效應(yīng)。在制造用激光器發(fā)展歷史上只是曇花一現(xiàn)。大功率固體激光器舉例Rofin-Sinar公司DY系列二極管泵浦固體激光器盤片固體激光器大功率固體激光器舉例TRUMPF公司HLD系列片狀固體激光器TruDisk1000TruDisk2001TruDisk3302TruDisk16002激光功率1000W2000W3300W16000W光束質(zhì)量2mmmrad4mmmrad8mmmrad8mmmrad光纖直徑50m100m200m200m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)？三、半導(dǎo)體激光器半導(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)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)帶中形成一個(gè)空穴，這相當(dāng)于受激吸收過程。價(jià)帶中的空穴也可以被從導(dǎo)帶躍遷下來的電子填充復(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。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GaAs和Ga1-xAlxAs(下標(biāo)x表示GaAs中被Al原子取代的Ga原子百分?jǐn)?shù))為基礎(chǔ)的。這種激光器的波長(zhǎng)取決于下標(biāo)x及摻雜情況，一般為850nm左右。半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)

~1000m~200m~100mP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)PN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，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。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)散角很大，可達(dá)成20~30。在結(jié)的水平面內(nèi)，發(fā)散角//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幾毫瓦、幾十毫瓦或幾百毫瓦數(shù)量級(jí)，目前最好的是1~3W。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形成“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散熱器，通常將這樣的單元結(jié)構(gòu)稱為“激光堆”，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。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)行合束，可以獲得更高功率。FiberDiscCO2Nd:YAGDiodeWavelength1.07um1.03um10.6um1.06um0.9~1.03umWallPlugEfficiency30%15%~10%~3%~70%OutputPowersto50kWto16kWto20Kwto6kW10kWBPP(4/5kW)<2.5862540DiodeLifetimes100,000100,000N.A.1,000100,000CoolingAir/WaterWaterWaterDionizedwaterFloorSpace(4/5kW)<1m2>

4m2>3m2>6m2<0.5m2FiberdeliveryYesYesNoYesYes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，4千瓦圓盤激光器美國(guó)Edison焊接研究所（EWI）

CO2和YAG激光焊接成本比較四、準(zhǔn)分子激光器準(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，而在基態(tài)又迅速離解成原子的締合物，因此也稱之為“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，如Xe2*、Ar2*、Kr2*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XeF*、XeO*、XeCl*、KrF*、ArF*等；第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。激光器類型Ar2*Kr2*ArCl*ArF*KrCl*KrF*XeCl*XeF*激光波長(zhǎng)/nm126146170193223248308353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)?；鶓B(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。基態(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)的躍遷可以說是從束縛態(tài)向自由態(tài)的躍遷。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)，基本上沒有無輻射損耗，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1、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)光束的傳輸方式

2、輸出功率與能量3、空間分布特性---模式（光束質(zhì)量）激光束質(zhì)量可以采用聚焦特征參數(shù)Kf(也稱光參乘積)、衍射極限倍因子M2或光束傳輸因子K值來表示。

聚焦特征參數(shù)Kf定義為光束的束腰半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角的乘積

對(duì)于理想基模（TEM0