激光器的種類及應(yīng)用

激光器的種類及應(yīng)用第一頁，共二十頁，2022年，8月28日

激光器的種類氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)的激光器。目前應(yīng)用最廣泛的一類激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。大多數(shù)能連續(xù)工作，激勵過程中涉及能級較固定，采用氣體放電中的電子碰撞激發(fā)。根據(jù)能級躍遷類型，又分為原子、離子、分子、準(zhǔn)分子型氣體激光器。1.原子氣體激光器工作物質(zhì)：中性氣體原子。典型代表：He-Ne激光器。其激活介質(zhì)按He:Ne=1:10填充，氖提供激光躍遷能級。第二頁，共二十頁，2022年，8月28日

氣體激光器發(fā)光波長：0.6328m紅光，3.39m、1.15m紅外光。通常腔鏡選取0.6328m輸出功率：較小(幾mW到100mW）能量轉(zhuǎn)換功率：較低(0.01%）單色性好，譜線寬度很窄，頻率穩(wěn)定度高，方向性好，發(fā)散角小，相干長度達(dá)幾十公里應(yīng)用：精密計量、準(zhǔn)直、測距、通訊、跟蹤及全息照相等。2.離子氣體激光器工作物質(zhì)：離子氣體。輸出波長：大多在紫外和可見光區(qū)域，輸出功率比原子氣體激光器高。代表：激光器，輸出波長：最強(qiáng)的是的藍(lán)光和的綠光，輸出功率：達(dá)，最大可達(dá)，可見光譜中連續(xù)輸出功率最大的氣體激光器。能量轉(zhuǎn)換效率：千分之幾所需泵浦功率高，需加冷卻水、熱交換器等。用途：彩色電視、全息照相、信息存儲、快速排字、理論研究、醫(yī)學(xué)、染料激光器泵浦源。第三頁，共二十頁，2022年，8月28日氣體激光器3.分子氣體激光器工作物質(zhì)：中性氣體分子的激光器。代表：激光器，其能級與分子的振動和轉(zhuǎn)動有關(guān)。充氣：輸出波長：紅外，正處于光通信“大氣窗口”中，常被用作地面和空間光通信光源效率：高達(dá)30%，輸出功率：近似與管子長度成正比，很易從1米長激光器中獲得100W連續(xù)功率輸出脈沖激光器輸出功率可達(dá)千兆瓦量級。又可分為直流放電型、橫向放電大氣壓(TEA)型和波導(dǎo)型

(a)直流放電型

(b)TEA型

(c)波導(dǎo)型第四頁，共二十頁，2022年，8月28日氣體激光器4.準(zhǔn)分子激光器工作物質(zhì)：稀有氣體或稀有氣體與鹵素氣體的混合氣體，輸出波長處于紫外波段的高效脈沖激光器，通常作為分光、激光加工、光刻的光源。一般稀有氣體非常穩(wěn)定，很難與其他原子結(jié)合形成分子，一旦被激發(fā)易與其他原子結(jié)合形成分子——準(zhǔn)分子，準(zhǔn)分子：激發(fā)態(tài)很穩(wěn)定，基態(tài)不穩(wěn)定立即分解，因而可獲得理想的反轉(zhuǎn)分布。稀有氣體與鹵素氣體的不同組合所得激光波長(nm)不同。準(zhǔn)分子激光器激光波長(nm)

放電激發(fā)的準(zhǔn)分子激光器結(jié)構(gòu)與TEA型CO2激光器基本相同。很難維持放電的長期穩(wěn)定性，而要求脈沖寬度為幾十ns的高速放電。鹵素氣體活性很強(qiáng)，氣體容易惡化，必須用耐腐蝕材料制作，并要定期更換氣體。通常采用He、Ne將由壓力數(shù)千帕的稀有氣體和壓力數(shù)百帕的鹵素氣體組成的混合氣體稀釋成數(shù)百千帕的混合氣體作為激光工作物質(zhì)，所形成的激光器輸出能量為數(shù)百微焦耳，發(fā)光效率1%，重復(fù)頻率數(shù)千赫茲。第五頁，共二十頁，2022年，8月28日液體激光器

激光工作物質(zhì)：液體?？煞譃闊o機(jī)液體激光器和有機(jī)液體激光器。染料激光器最有代表性，優(yōu)點(diǎn)：波長連續(xù)可調(diào)（調(diào)諧范圍從紫外直到紅外）、價格低、增益高、效率較高、制備容易、激光均勻性好、輸出功率可與固體和氣體激光器相比、可以循環(huán)操作、利于冷卻。典型例子：若丹明6G染料激光器。泵浦：，波長稍短于激光器輸出波長的光泵，泵浦方式：(1)橫向泵浦，泵浦光束與染料激光束垂直；

(2)縱向泵浦，泵浦光束與染料光束同軸；

(3)傾斜入射式泵浦，泵浦光束與染料激光束成一銳角。(a)脈沖激光激勵型

(b)連續(xù)激光器激勵型層流式染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖第六頁，共二十頁，2022年，8月28日固體激光器激光工作物質(zhì)：生長期間人為摻入雜質(zhì)原子的晶體。特點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)，易維護(hù)，輸出功率大且適于調(diào)Q產(chǎn)生高功率脈沖、鎖模產(chǎn)生超短脈沖典型例子：紅寶石激光器、Nd:YAG（摻釹的釔鋁石榴石激光器）、鈦藍(lán)寶石激光器等。Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)示意圖第七頁，共二十頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料（主要是化合物半導(dǎo)體）泵浦：電流注入特點(diǎn)：輸入能量最低，效率最高，體積最小，重量最輕，可以直接調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡單，與集成電路生產(chǎn)工藝兼容，價格低廉，可靠性高，壽命長等目前銷售總數(shù)量已占各種激光器的99％，成為世界激光器市場上的絕對主流。1.同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器是更復(fù)雜、更高性能半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)，簡單、直觀而精練地體現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的工作原理，便于建立清晰的概念。

激光工作物質(zhì)：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的有源區(qū)：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接帶隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶底與價帶頂都在K空間的同一位置，注人的電子－空穴帶間的光躍遷無需聲子參與，躍遷幾率很大，有很高的發(fā)光效率。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布——通過p-n結(jié)正向大注入途徑來實現(xiàn)：正向偏壓下，大量電子和空穴分別通過耗盡層注入到p側(cè)和n側(cè)，

——導(dǎo)帶中存在電子而價帶空，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。諧振腔——一般通過解理形成：

GaAs等材料折射率很高，解理面大約反射35%的入射光，可形成的一對優(yōu)質(zhì)F－P腔，若再在兩腔面分別鍍以反射膜和增透膜，則可以進(jìn)一步提高腔運(yùn)行效果第八頁，共二十頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器2.異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層，如GaAs和AlGaAs，所組成的一種夾心結(jié)構(gòu)。高帶隙勢壘可以阻止注入載流子向注入端深層擴(kuò)散，從而增加反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，改善激光器的溫度特性，縮短有源區(qū)厚度，降低閾值電流密度。與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器具有有源層厚度薄、閾值電流密度低、內(nèi)部損耗低、電－光轉(zhuǎn)換量子效率高、可通過改變混晶比調(diào)節(jié)輸出波長等一系列優(yōu)點(diǎn)。第九頁，共二十頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體激光器3.量子阱半導(dǎo)體激光器兩個高勢能的阱壁夾住一個低勢能阱底就構(gòu)成了一個勢阱，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)就是這樣一個半導(dǎo)體勢阱。這類勢阱中，當(dāng)有源區(qū)的厚度被減少到同電子的德布羅意波的波長差不多（約10nm）時，就會發(fā)生量子尺寸效應(yīng)，此時的勢阱就稱為量子阱。應(yīng)變量子阱陣列激光器：略微改變重疊層材料的晶格常數(shù)可使量子阱的材料層形成應(yīng)變，由此構(gòu)成的激光器。輸出功率更高。優(yōu)點(diǎn)：閾值電流小，功耗更低，輸出功率更高，發(fā)射光譜更純，溫度特性更好，噪音更低響應(yīng)速度更快，波長覆蓋范圍更寬，更容易陣列化，——為現(xiàn)代光信息系統(tǒng)提供了一個優(yōu)異且實用的光源。量子阱半導(dǎo)體激光器:

有源區(qū)由多個夾層狀量子阱結(jié)構(gòu)重疊而構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器，

第十頁，共二十頁，2022年，8月28日繼固體激光器后,氣體激光器、化學(xué)激光器、染料激光器、原子激光器、離子激光器、半導(dǎo)體激光器、X射線激光器和光纖激光器相繼問世,運(yùn)用范疇也擴(kuò)展到比如電子、輕工、包裝、禮物、小五金工業(yè)、醫(yī)療器械、汽車、機(jī)械制作、鋼鐵、冶金、石油等,為傳統(tǒng)工業(yè)的技能改造和制造業(yè)的現(xiàn)代化供給領(lǐng)先的技能裝備。第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日激光與通常光對比有4個特性即:單色性(單一波長)、相干性、方向性和高光強(qiáng)。激光束易于傳輸,具有極高功率密度的激光光束能夠熔化、氣化任何材料,也可對材料的有些區(qū)域進(jìn)行精細(xì)疾速加工。加工過程中輸入工件的熱量小,熱影響區(qū)和熱變形小;加工功率高;易于完成自動化。激光技能是一門歸納性高新技能,觸及光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科。一樣,激光加工設(shè)備也觸及到很多學(xué)科,因此決議了它的高科技性和高收益率?？v觀世界和國內(nèi)激光運(yùn)用狀況經(jīng)過多年的研討開發(fā)和完善,今世的激光器和激光加工技能與設(shè)備已適當(dāng)老練,形成了系列激光加工技能。我們來介紹激光加工技能在金屬切開、焊接方面的運(yùn)用狀況。第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日1激光切開的特色及運(yùn)用激光切開是當(dāng)時各國運(yùn)用最多的激光加工技能,在國外許多范疇,例如,汽車制作業(yè)和機(jī)床制作業(yè)都選用激光切開進(jìn)行鈑金零部件的加工。跟著大功率激光器光束質(zhì)量的不斷提高,激光切開的加工目標(biāo)規(guī)劃將愈加廣泛,簡直包含了一切的金屬和非金屬資料。例如能夠運(yùn)用激光對高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的資料進(jìn)行形狀雜亂的三維立體零件切開,這也正是激光切開的優(yōu)勢地點(diǎn)。激光切開的幾項關(guān)鍵技能是光、機(jī)、電一體化的歸納技能。激光光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控體系的功用和精度都直接影響激光切開的功率和質(zhì)量。激光切開的精準(zhǔn)度、功率和質(zhì)量因不一樣的參數(shù)而改動,如切開功率、速度、頻率、資料厚度及原料等,故操作人員的豐厚經(jīng)歷特別重要。第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日如今,選用激光切開體系的公司首要分兩類:一類是大中型制作公司,這些公司出產(chǎn)的商品中有很多板材需求下料、切料,而且具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和技能實力;另一類統(tǒng)稱為加工站,專門對外接受激光加工事務(wù),本身沒有主導(dǎo)商品。它的存在一方面可滿意一些中小公司加工的需求,另一方面在前期對推行運(yùn)用激光切開技能帶來宣揚(yáng)演示的效果。激光切開的幾項關(guān)鍵技能是光、機(jī)、電一體化的歸納技能。激光光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控體系的功用和精度都直接影響激光切開的功率和質(zhì)量。激光切開的精準(zhǔn)度、功率和質(zhì)量因不一樣的參數(shù)而改動,如切開功率、速度、頻率、資料厚度及原料等,故操作人員的豐厚經(jīng)歷特別重要。第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日

激光切開的首要長處(1)切開質(zhì)量好:切斷寬度窄，精度高、切斷外表粗糙度好,切縫通常不需求二次加工即可焊接。(2)切開速度快,例如選用2kW激光功率,厚度8mm的碳鋼切開速度為1.6m/min;厚度2mm的不銹鋼切開速度為3.5m/min,熱影響區(qū)小,變形極小。(3)清洗、安全、無污染,大大改進(jìn)了操作人員的作業(yè)環(huán)境。激光切開歸于非觸摸光學(xué)熱加工,被譽(yù)為“永不磨損的全能東西”。工件能夠進(jìn)行恣意方法的嚴(yán)密排料或套裁,使原資料得到充分運(yùn)用。因為對錯觸摸加工,加工后的零件的歪曲表象降至最低并減少了磨損量。其實激光切開亦有其不足之處,就精度和切斷外表粗度而言,激光切開未能超越電加工,就切開厚度而言難以達(dá)到火焰和等離子切開的水準(zhǔn)。別的它亦不能像轉(zhuǎn)塔沖床一樣進(jìn)行成型、攻牙及折邊等。第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日

激光切開的典型運(yùn)用1汽車范疇的運(yùn)用領(lǐng)先的三維激光設(shè)備,不光能夠完成車體零件的切開,還可完成整個轎車車身全體的切開、焊接、熱處理、熔覆、乃至三維丈量,然后完成慣例加工無法完成的技能需求。德國通快公司的三維激光設(shè)備在奔馳、通用公司、福特公司、雷諾公司、SKODA公司、歐寶公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克萊斯勒公司成功地運(yùn)用多年。2航空范疇的廣泛運(yùn)用世界上很多的航空發(fā)動機(jī)公司選用三維激光設(shè)備進(jìn)行燃燒器段的高溫合金資料的切開和打孔使命,在軍用和民用航空器的鋁合金資料或特別資料的激光切開都獲得了成功。第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日2.激光焊接的特色及運(yùn)用激光焊接是一種高速度、非觸摸、變形極小的焊接方法,十分合適很多而接連的在線加工。跟著激光設(shè)備和加工技能的開展,激光焊接才能也在不斷增強(qiáng)。當(dāng)前,運(yùn)用4kW的C02激光器焊接1mm的板材,焊接速度高達(dá)20m/min,例如,汽車職業(yè)的轎車箱底的大板拼接焊接作業(yè)等。激光焊接的方法首要有傳導(dǎo)焊和穿透焊2種。當(dāng)前全球的激光運(yùn)用首要以穿透焊為主。近些年來,高功率萬瓦級激光器在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)部門獲得了日益廣泛的運(yùn)用。第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日激光焊接機(jī)與其他焊接技能對比,首要長處是:(1)激光焊接速度快,焊縫深寬比很大(可達(dá)5~10),變形小。(2)合適于精細(xì)件、箱體件和有密封需求焊接件的加工。激光束經(jīng)集合后可獲得很小的光斑,能精細(xì)定位,可運(yùn)用于大批量自動化出產(chǎn),不只出產(chǎn)功率大大提高,且熱影響區(qū)小,焊點(diǎn)無污染,大大提高了焊接的質(zhì)量。(3)激光焊縫機(jī)械功用好,通常焊縫的機(jī)械功用均強(qiáng)于母材。(4)焊接時,無需屏蔽或真空環(huán)境,對工業(yè)化規(guī)劃出產(chǎn)含義很大。(5)經(jīng)過激光送絲焊接和激光送粉焊接等新技能技能,完成激光產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用,開辟了激光焊接新的運(yùn)用范疇。(6)可焊接難以接近的部位,施