材料激光加工PPT-概論

材料激光加工

LaserMaterialProcessing

授課教師：龐盛永講師材料科學與工程學院參考書目：《激光制造技術》，劉順洪等著，華中科技大學出版社課時和學分：選修課，24學時/1.5學分時間：1-2、4-7周周二、四上午第3、4節(jié)地點：東9樓D403課時、學分、時間和地點課后討論聯(lián)系方式和考核辦法聯(lián)系方式：模具國家重點實驗室（新機械大樓）B401E-mail:spang@電話核辦法：作業(yè)、點名30%+考試70%(開卷)課程主要內容第一章概述第二章激光產生的基本原理第三章工業(yè)激光器及激光加工系統(tǒng)第四章激光與材料相互作用原理第五章激光焊接第六章激光切割和打孔第七章激光表面處理觀看工業(yè)激光器材料加工錄像第一章概述主要內容：激光產生的歷史激光的特性激光技術的廣泛應用激光加工發(fā)展現(xiàn)狀與展望1.1激光產生的歷史總體上可分為三個階段受激輻射理論的提出技術上的準備第一臺激光器的產生LASER=LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：通過幅射的受激發(fā)射實現(xiàn)光的放大何為“激光”錢學森(1911-2009),世界著名科學家。1964年建議將“光受激發(fā)射”改為“激光”。1.1.1、

受激輻射理論的提出19世紀末的“紫外災難”：1900年，英國物理學家瑞利根據經典統(tǒng)計力學和電磁理論，推出了黑體輻射的能量分布公式。該理論在長波部分與實驗比較符合，但在短波部分卻出現(xiàn)了無窮值，而實驗結果是趨于零。這部分嚴重的背離，被稱之為“紫外災難”（紫外指短波部分）經典物理學無法解釋的光電輻射現(xiàn)象1.1.1、

受激輻射理論的提出紫外災難1.1.1、

受激輻射理論的提出1900年，普朗克提出“能量子假說”黑體幅射的經驗公式理論依據尚不清楚長波和短波部分均與實驗相吻合，“能量子”或“量子”概念：假設能量的幅射是不連續(xù)的，以一定的整數(shù)倍跳躍式地變化，量子假說與物理學界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”直接矛盾——需要新的理論解釋1.1.1、

受激輻射理論的提出普朗克定理1.1.1、

受激輻射理論的提出愛因斯坦1917年提出“受激輻射”理論首次深刻認識“假說”含義，進行了理論解釋建立了光量子論以解釋光電效應中出現(xiàn)的新現(xiàn)象提出光的波粒二象性三種原子系統(tǒng)與電磁場之間能量交互方式受激躍遷：受激輻射和受激吸收自發(fā)躍遷：自發(fā)輻射1.1.2、

技術上的準備受激輻射的概念最初并未引起足夠重視1924年首次被用來研究光的吸收和散射1928年德國的拉登伯格（R.W.Ladenberg）：激勵電流超過一定值時，高能粒子數(shù)量隨電流增大而增大，發(fā)現(xiàn)了負色散現(xiàn)象，間接用實驗證明受激幅射的存在1939年前蘇聯(lián)的法布里康特研究氣體放電的光學性質時明確指出：受激輻射的條件是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉

1.1.2、

技術上的準備光學諧振腔難題的解決激光產生的兩個條件：激光放大器與正反饋回路電子學低頻段：電感和電容更高頻段：一定尺寸(與波長相比擬)的雙導線微波段：封閉的金屬盒子（微波諧振腔）毫米波段：諧振腔的尺寸為毫米數(shù)量級光波頻段：微米量級？二戰(zhàn)的影響直接研究限于停頓微波、雷達等無線電的研究迅速發(fā)展1.1.2、

技術上的準備MASER的產生1953年，湯斯以NH3分子作為振蕩器，實現(xiàn)了1.25cm微波量子振蕩器向波長更短方向邁進遇到了極大困難光學諧振腔模型的提出湯斯和肖洛的合作肖洛：原子光譜、F－P儀、固體微波激射器等領域深有研究，提出了關鍵性建議：利用光學F－P儀作為光學諧振腔1958年湯斯和肖洛聯(lián)名在《PhysicsReview》上發(fā)表了題為“紅外線和光學脈塞”的論文，1964年諾貝爾獎。1959年9月在紐約舉行的第一屆國際量子電子學會議上，提交了十幾個激光器的設計方案，各國學者展開了激烈角逐湯斯的紅寶石激光器建議伊朗杰萬的He－Ne激光器建議1960年7月7日，《紐約時報》率先報道了梅曼得到激光的消息美國休斯公司，年僅33歲，僅得5萬美元資助良好的基礎：原子分子光譜、紅寶石微波激射器等不迷信：1959年8月開始研究激光，不迷信權威，發(fā)現(xiàn)紅寶石的量子效應高達70％，而非肖洛指出的1％波長：0.6943um1.1.3、

第一臺激光器的產生1.1.3、

第一臺激光器的產生國外的第一臺激光器1.1.3、

第一臺激光器的產生中國的第一臺激光器紅寶石激光器1961年8月王之江等He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同質結半導體激光器1963年12月王守武等脈沖Ar+激光器1964年10月萬重怡等CO2分子激光器1965年9月王潤文等CH3I化學激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等1.2激光的特性1.2.1方向性強：遠距離傳輸而不顯著擴散光源立體角:

S:距光源距離R處的的輻射面積(m2)R:光源距S的距離(m)遠場發(fā)散角:

太陽的立體角:激光的立體角:1.2激光的特性1.2.1方向性強：遠距離傳輸而不顯著擴散比較：探照燈和激光方向性探照燈照到月球光斑直徑約幾百公里激光照到月球光束直徑2公里探照燈激光1.2激光的特性1.2.2.亮度高亮度B：單位發(fā)光面積向單位立體角上發(fā)散的功率激光是目前世界上最亮的光源!1.2激光的特性光源發(fā)射功率w發(fā)散角rad立體角Sr發(fā)光面積m2亮度W/m2太陽4×102624π2.5*1019~105汞弧燈10424π10-4~107He－Ne激光10－3~10－410-310-5~1010CO2激光104~10－310-610-3~1013紅寶石激光107~1.3*10－35*10-610-4~1015高頻率銣玻璃激光109~3.5*10－54.8*10-910-3~10211.2激光的特性1.2.3.單色性好單色性：光源所發(fā)出的光所包括的頻率范圍，頻率范圍越窄，單色性越好。普通光源單色光，同位素Kr86的單色性最好：波長為0.6057μm,Δλ＝0.47×10-6μm激光的譜線寬度Δλ<10－11μm，He-Ne激光的譜線可以窄到2×10－12μm方向性單色性高亮度很小的光斑聚集很高的功率理想的加工熱源1.2.4.時間特性和相干性好1.2激光的特性光脈沖寬度可以極窄閃光燈：毫秒Q開關：10－9s；鎖模：10－14s飛秒激光10－15s

激光是最好的相干光源1.3激光技術的廣泛應用1.3.1激光精密測量

單色性、相干性，用于計量檢測能獲得高計量精度，且方便快捷激光長度基準：波長632.8nm的He-Ne激光定義米尺，精確度提高到2×10-2nm；精密長度測量（利用光的干涉）：Lmax=λ2/△λ，極好的單色性使其計量的有效量程很大;測距和測速：L=ct/2，激光亮度高，脈沖寬度窄，故測距精度高；利用運動物體產生的反射光多普勒頻移可測運動速度；1.3激光技術的廣泛應用1.3.2激光信息處理

光盤：存儲密度高，讀取時間短，無機械摩擦光通訊光纖通訊自由空間激光通訊光計算機：光波具有并行性，可交叉，并可解決電子計算機的發(fā)熱問題1.3激光技術的廣泛應用1.3.3強激光的應用材料激光加工切割、焊接、劃片、雕刻、淬火、微納加工等激光分離同位素現(xiàn)有方法：質量差別分離系數(shù)低耗能大選擇性的激發(fā)、電離或解離，克服上述缺點激光核聚變：核燃料點火慣性約束核聚變1.3.4激光醫(yī)學激光刀光照射：低功率光照－消炎、消腫、鎮(zhèn)痛等作用1.3.5激光武器、科學試驗激光武器戰(zhàn)術武器(激光制導、激光致盲、激光掃雷)戰(zhàn)略武器(核聚變)科學試驗應用非線性光學激光光譜1.3激光技術的廣泛應用1.4激光加工發(fā)展現(xiàn)狀與展望1.4.1激光加工的定義

激光束作用于物體表面而引起物體形狀或性能的改變的的加工過程。1.4.2激光加工的分類

熱加工：激光作用于材料表面會產生熱效應，如焊接、切割、打孔、成型、表面處理等。