激光與物質(zhì)相互作用復(fù)習(xí)大綱

1、從激光束的特性分析，為什么激光束可以用來進(jìn)行激光與物質(zhì)的相互作用？答：（1）方向性好：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。（2）單色性好:為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。（3）亮度極高：能量密度高。（4）相關(guān)性好：獲得高的相關(guān)光強，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來?？傊?，激光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱，可廣泛應(yīng)用于材料加工、醫(yī)療、激光武器等領(lǐng)域。2、透鏡對高斯光束聚焦時，為獲得良好聚焦可采用的方法？答：用短焦距透鏡；使高斯光束遠(yuǎn)離透鏡焦點，從而滿足l>>f、l>>F；取l=0，并使f>>F。3、什么是焦深，焦深的計算及影響因素？答：光軸上其點的光強降低至激光焦點處的光強一半時，該點至焦點的距離稱為光束的聚焦深度。光束的聚焦深度與入射激光波長和透鏡焦距的平方成正比，與w12成反比，因此要獲得較大的聚焦深度，就要選長聚焦透鏡，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要減少錐度，均需要較大的聚焦深度。4、對于金屬材料影響材料吸收率的因素有哪些？答：波長、溫度、材料表面狀態(tài)波長越短，金屬對激光的吸收率就越高溫度越高，金屬對激光的吸收率就越高材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。5、簡述激光模式對激光加工的影響，并舉出2個它們的應(yīng)用領(lǐng)域？答：基模光束的優(yōu)點是發(fā)散角小，能量集中，缺點是功率不大，且能量分布不均。應(yīng)用：激光切割、打孔、焊接等。高階模的優(yōu)點是輸出功率大，能量分布較為均勻，缺點是發(fā)散厲害。應(yīng)用：激光淬火（相變硬化）、金屬表面處理等。6、試敘述激光相變硬化的主要機制。答：當(dāng)采用激光掃描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速達(dá)到極高的溫度，此時工件內(nèi)部仍處于冷態(tài)，隨著激光束離開零件表面，由于熱傳導(dǎo)作用，表面能量迅速向內(nèi)部傳遞，使表層以極高的冷卻速度冷卻，故可進(jìn)行自身淬火，實現(xiàn)工件表面相變硬化。7、激光淬火區(qū)橫截面為什么是月牙形？在此月牙形區(qū)相變硬化有什么特點？特點：A,B部位硬化，C部位硬化不夠原因：A,B部位接近材料內(nèi)部，熱傳導(dǎo)速率大，可以高于臨界冷卻速度的速度冷卻，因此可充分硬化，而C部位熱傳導(dǎo)速率小，不能以高于臨界冷卻速度的速度冷卻，因此硬化不夠。8、材料表面激光相變硬化的兩個主要條件是什么？對激光光束和工件有什么要求？答：兩個主要條件：1.材料加熱后達(dá)到的最高溫度Tmax溫度必須是在相變溫度（奧氏體化溫度）以上，且在熔點以下；2.必須從相變點A1以上的溫度以高于臨界冷卻速度冷卻。激光功率密度：103～104W/cm2自身工件具有一定大小，實現(xiàn)自我快速冷卻。9、在激光表面淬火中需要光束的光強分布盡可能均勻，你知道幾種能使光束光強分布均勻的措施和方法。答：采用光強分布均勻的高階模光束；振鏡掃描方法：使光束在試件的同一部位，以短時間內(nèi)來回掃描2-3次，使之具有接近于時間上平均的光強分布的矩形面熱源特征。積分組合鏡：在激光反射面上安裝許多很細(xì)的平面鏡，使之在激光焦面上達(dá)到均勻的能量分布。10、在目前激光表面淬火中常對工件進(jìn)行黑化處理，為什么？答：提高材料對激光的吸收率11、試敘述什么是激光熔覆。答：激光熔覆是一種新的表面改性技術(shù)。通過在基體材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料熔化，并與材料表面形成冶金連接在金屬表面形成以熔覆的材料為基體的表面強化層，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法。12、激光合金化與熔覆材料的供料方式？答：同步送料法、預(yù)置涂層法。13、試敘述激光深穿透焊接與激光熱傳導(dǎo)焊接的主要異同答：熱導(dǎo)焊：激光功率密度較低（105～106W/cm2），依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。光能量只被材料表層吸收，不產(chǎn)生非線性效應(yīng)或小孔效應(yīng)。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小(焊縫深度小于2.5mm，焊縫的深寬比最大為3:1)。深熔焊：激光功率密度高（106～107W/cm2），工件迅速熔化乃至氣化形成小孔（即有小孔效應(yīng)）。這種焊接模式熔深大（51mm），深寬比也大（焊縫深寬比最大可達(dá)12:1）。在機械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。14、在激光深穿透焊接中，何謂壁聚焦效應(yīng)？答：當(dāng)小孔形成后，進(jìn)入小孔的激光束與小孔的壁面相互作用時，因不能被壁面完全吸收，故必有部分激光被壁面反射至小孔深處的某處重新會聚起來，這一現(xiàn)象被稱為壁聚焦效應(yīng)，15、由于激光焊接的凈化效應(yīng)，激光焊接的接頭質(zhì)量有可能高于母材。16、等離子體對激光的吸收主要為逆韌致輻射吸收。17、在兩片不同熔沸點的金屬片A和B（B熔<A熔<B沸<A沸）中，試問焊接時溫度值控激光沉積薄膜：利用激光束在固體材料表面產(chǎn)生等離子體，并讓其擴散、沉積到另一基體表面而形成特定性能的薄膜。35、簡述激光沉積薄膜的原理利用激光束在固體材料表面產(chǎn)生等離子體，并讓其擴散、沉積到另一基體表面而形成特定性能的薄膜。36、激光沖擊強化約束層和犧牲層的作用分別是什么？約束層：約束等離子體的膨脹從而提高沖擊波的峰值壓力外，還能通過對沖擊波的反射延長其作用時間。犧牲層的作用主要是保護工件不被激光灼傷并增強對激光能量的吸收。37、簡述激光推進(jìn)燒蝕模式與大氣模式的區(qū)別？答：是否需要靶物質(zhì)，燒蝕模式是激光加熱光船自身攜帶的工質(zhì)(氣體、液體和固體)產(chǎn)生高溫高壓等離子體，推動光船前進(jìn)的推進(jìn)模式。大氣模式是激光擊穿空氣，產(chǎn)生激光支持的等離子體爆轟波，推動光船前進(jìn)的推進(jìn)模式。38、飛秒激光器的結(jié)構(gòu)有幾部分組成？答：振蕩器、展寬器、放大器、壓縮器39、簡述啁啾脈沖放大技術(shù)的基本原理答：由于直接放大fs脈沖時，其峰值功率很高會損壞激光晶體，因此先將fs脈沖展寬成ps脈沖，再進(jìn)行放大，放大后再把脈寬壓縮回fs，此時激光功率增強百萬倍以上。40、為什么采用摻鈦藍(lán)寶石晶體可以獲得窄的fs脈沖輸出？答：因為摻鈦藍(lán)寶石晶體的增益線寬很寬，而增益線寬越寬，可以鎖定的縱模數(shù)越多(n越大)，鎖模后的脈沖寬度就越短，所以可以獲得窄的fs脈沖輸出。41、簡述自鎖模（克爾透鏡鎖模技術(shù)）的基本原理答：自鎖模是利用激光增益介質(zhì)本身的非線性克爾效應(yīng)鎖模，克爾效應(yīng)即指介質(zhì)折射率與光強有關(guān)，光強大的地方折射率大，由于光強的高斯分布，激光光斑中心折射率高于邊緣，此時介質(zhì)相當(dāng)于一個透鏡，會對激光腔內(nèi)激光束產(chǎn)生自聚焦效應(yīng)。由于光脈沖前后沿的光強小于脈沖中部的光強，則由介質(zhì)的自聚焦后的焦點位置不同，當(dāng)在適當(dāng)位置加上光闌，可以使光脈沖前后沿的損耗大于脈沖中部的損耗。脈沖在腔內(nèi)循環(huán)時，強度小的脈沖不斷被抑制而消失，強度大的脈沖不斷增強，而且使其前后沿不斷損耗，脈沖中間部分被放大，脈沖寬度被壓縮。對于一個光脈沖，自聚焦效應(yīng)與腔內(nèi)光闌的結(jié)合就相當(dāng)于一個快飽和吸收體。42