1.前言:
任何物質均是由分子 原子組成,進一步分析,在原子里存在電子 質子中子等微粒子,電子繞原子核轉動距離的不同,可以把原子分成不同的能級。通常把原子處在最低的能級狀態(tài)稱為基態(tài);能級比基態(tài)高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子,在沒有外界信號作用下,自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時產(chǎn)生的光輻射,稱之為自發(fā)輻射。原處于高能級E2的粒子,受到外界能量為(如光照射)的光子的激勵,發(fā)出與入射光子相同的一個光子而躍遷到低能級E1其輻射出的光子頻率由兩個能級間的能量差來決定,即hν=E2 -E1
原子獲得能量后處于不穩(wěn)定狀態(tài)(也就是激發(fā)狀態(tài)),它會以光子的形式把能量發(fā)射出去。這種通過受激輻射光擴大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)就是激光名字的由來,激光,就是被引誘(激發(fā))出來的光子隊列,光學特性一樣,步調(diào)極其一致
2.激光產(chǎn)生
光的受激輻射的放大條件,①激勵能源——把介質中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去;②增益介質——能在外界激勵能源的作用下輻射光子狀態(tài)。
光是受根據(jù)受激物質的不同可分為固體激光 氣體氣體。
YAG激光:固體激光,又稱Nd.YAG ,來自(Neodymium-dopedYttriumAluminiumGarnet; Nd:Y3Al5O12)或中文稱之為摻釹的雜釔鋁石榴石晶體,可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光,發(fā)射之激光為紅外線波長 1.064μm。
光纖激光:固體激光,(Fiber Laser)是指用摻稀土元素玻璃光纖(SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維)作為增益介質的激光器,按激光輸出波長的波段分類為S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)
CO2激光:氣體激光,CO2激光器中,主要的工作物質由CO,氮氣,氦氣三種氣體組成。其中CO是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體,放電時,放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到激發(fā)的氮分子便和CO分子發(fā)生碰撞,N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子,CO分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉發(fā)出激光
碟片激光 : 固體激光 ,(Disk Laser),又稱圓盤激光器,它與傳統(tǒng)的固體激光器的本質區(qū)別在于激光工作物質的形狀。將傳統(tǒng)的固體激光器的棒狀晶體改為碟片晶體,這一創(chuàng)新理念將固體激光器推向了一個新時代。碟片激光器以其極佳的光束質量和轉換效率在工業(yè)制造業(yè)中得到了日益廣泛的應用。
半導體激光器:(Diode Laser)以一定的半導體材料做工作物質而產(chǎn)生激光的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉,當處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時,便產(chǎn)生受激發(fā)射作用,常用工作物質有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)
(1)單色性 激光具有其他光源的光所難以達到的、極高的單色性。
(2)方向性 激光束的方向性好,即光線的發(fā)散度小。
(3)相干性 相干性是區(qū)別激光與普通光源的重要特性。
(4)能量密度高 激光束也和其他光束一樣,可以通過凸鏡或金屬反射鏡加以聚焦。
3.激光的比較
++最大輸出功率方面:
1).光纖激光器達到50kw,
2)YAG固體激光器為6kw,
3)CO2激光器達到20kw,
4)碟片激光器達到8kw。
++使用比較:
1)YAG激光器輸出的波長為1.06um,恰好比CO2激光波長10.06μm小一個數(shù)量級,因而使其與金屬的偶合效率高、加工性能良好(一臺800W YAG激光器的有效功率相當于3KW CO2激光功率);
2)YAG激光器能與光纖偶合,借助時間分割和功率分割多路系統(tǒng)能方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠程距離工位,便于激光加工實現(xiàn)柔性化;
3)YAG激光器能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作,其脈沖輸出可通過調(diào)Q和鎖模技術獲得短脈沖及超短脈沖,從而使其加工范圍比CO2激光更大;
4)YAG激光器結構緊湊、重量輕、使用簡便可靠、維修要求較低,故其應用前景看好。
5) YAG激光器的缺點:
光纖激光器的優(yōu)勢:
+ 1、光纖激光切割機光電轉換率高,綜合電光效率高達20%以上,能夠大幅度地節(jié)約運行成本;
+ 2、光纖激光器具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點;
+ 3、光纖激光器使用壽命長,而且維護比較簡單;
+ 4、結構簡單、體積占地面積小。
光纖激光器的缺點:
+1、相位穩(wěn)定性不容易做好;
+2、不能切割非金屬材料和厚板金屬。
++ BPP(4/5Kw)方面:Beam Parameter Product (光束參數(shù)乘積遠場發(fā)散角半角×近場
光束半徑)
1)光纖激光器小于2.5,
2)YAG固體激光器為25左右,
3)CO2激光器達到6,
4)碟片激光器為8左右。
++半導體泵浦壽命方面:
1)光纖激光器可連續(xù)工作10萬小時以上。 2)YAG固體激光器可工作1000小時左右、 3)CO2激光器預計在5萬小時左右、 4)碟片激光器壽命大約為1萬小時左右、
++ 維護和操作費用/小時(4/5Kw)方面:
1)光纖激光器每小時¥2、
2)YAG固體激光器每小時¥35、
3)CO2激光器每小時¥20、
4)碟片激光器每小時¥8、
光纖激光是近幾年來得到快速發(fā)展的固體激光器,其激光器結構獨特并且創(chuàng)新。輸出激光功率達25kW以上的高質量光束。因結構緊湊、維護簡單、運行可靠,已表現(xiàn)出良好的應用勢頭,在相當多的領域正在逐步替代傳統(tǒng)的Nd:YAG激光和CO2激光器。
4. 應用
1)切割速度快,熱影響區(qū)小,工件被切部位的熱影響層的深度為0.05~0.1mm,因而熱畸變形小。
2)割縫窄,一般為0.1~1mm,割縫質量好,切口邊緣平滑,無塌邊,無切割殘渣。
3)切邊無機械應力,工件變形極小。
4)無刀具磨損,沒有接觸能量損耗,也不需更換刀具,切割過程易于實現(xiàn)自動控制。
5)激光束聚焦后功率密度高,能夠切割各種材料,如高熔點材料、硬脆材料等。
6)可在大氣中或任意氣體環(huán)境中進行切割,不需真空裝置。
LBW: laser beam welding
1)激光能量密度高,這對高熔點、高熱導率材料的焊接特別有利。
2)焊縫深寬比大,比能小,熱影響區(qū)小,焊件變形小,故特別適于精密、熱敏感部件的焊接,??梢悦馊ズ负蟪C形、加工工藝。
3)一般不加填充金屬。
4)激光可透過透明體進行焊接,以防雜質污染和腐蝕,適用于真空儀器元件的焊接。
5)焊接系統(tǒng)具有高度的柔性,易于實現(xiàn)自動化。
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