光纖激光器講義課件

1、7.1 激光加工的一般原理1.激光加工大都基于光對非透明介質(zhì)的熱作用，也即吸收光能引起的熱效應(yīng)。因此激光光束特性、材料對光的吸收作用以及導(dǎo)熱性等有重大影響；1）光束特性例：一個CO2激光器，設(shè)聚焦前透鏡面上光斑尺寸 ，有效截面輸出功率為200W，透鏡焦距f10mm，求透鏡后焦點處光斑有效截面內(nèi)的平均功率密度？2）材料的反射、吸收和導(dǎo)熱性光波照射在不透明的物體表面時， 一部分被反射，一部分被吸收；不同材料的反射率和波長有密切的關(guān)系；設(shè)入射到材料表面的光強為I0，材料吸收系數(shù)為，則進入到材料內(nèi)部距表面距離為x處的光強為17.1 激光加工的一般原理2）材料的反射、吸收和導(dǎo)熱性2.激光加工舉例1）激光

2、焊接2）激光打孔3）激光切割激光正入射，在光點中央的溫度上升值T與被吸收的光功率、導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系2一、激光焊接是一種材料連接，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。 其優(yōu)點：7.2 激光焊接1）用激光很容易對一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料實施焊接。 2）在激光焊接過程中無機械接觸,易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形 3）激光束易于控制的特點使得焊接工作能夠更方便的實現(xiàn)自動化和智能化。 二、圖7-19所示為一種顯象管陰極芯的激光焊接設(shè)備原理。 圖7-19陰極芯的激光焊接設(shè)備原理圖 1:光束分束器；2:聚焦透鏡；3：陰極芯37.2 激光焊接三、激光熱導(dǎo)焊 1）激光熱導(dǎo)焊的原

3、理2）激光熱導(dǎo)焊的工藝以及部分參數(shù)熱導(dǎo)焊時，激光輻射能量作用于材料表面，激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散，使材料熔化，在兩材料連接區(qū)的部分形成溶池。溶池隨著激光束一道向前運動，溶池中的熔融金屬并不會向前運動。 激光熱導(dǎo)焊的連接形式：片狀工件的焊接形式有對焊、端焊、中心穿透熔化焊 激光功率密度：激光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。見圖720圖7-20 激光熱導(dǎo)焊焊接不銹鋼時功率與焊接速度、熔化深度的關(guān)系47.2 激光焊接三、激光熱導(dǎo)焊 2）激光熱導(dǎo)焊的工藝以及部分參數(shù)脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度：脈沖寬度影響到焊接熔深，熱影響區(qū)的寬度等焊接的質(zhì)量要求。脈寬時間長，焊接熔深熱影

4、響區(qū)都大，反之則小。因此，要根據(jù)激光功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來適當(dāng)選擇脈沖寬度。 離焦量對焊接質(zhì)量的影響：因為焦點處激光光斑中心的光功率密度過高，激光熱導(dǎo)焊通常需要一定的離焦量，使得光功率分布相對均勻。 正離焦：焦平面位于工件上方；負(fù)離焦：焦平面位于工件下方 脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形：脈沖波形對于焊接質(zhì)量也有很大的影響57.2 激光焊接四、激光深熔焊 1）激光深熔焊的原理2）激光深熔焊工藝參數(shù)3）激光焊接過程中的幾種效應(yīng)五、激光焊的優(yōu)點 當(dāng)激光功率密度達到106107Wcm2時，功率輸入遠大于熱傳導(dǎo)、對流及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成小孔（圖7-21），孔內(nèi)金屬

5、蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。 臨界功率密度：深熔焊時，功率密度必須大于某一數(shù)值，才能引起小孔效應(yīng)。這一數(shù)值，稱為臨界功率密度 圖7-21 深熔焊小孔示意圖 激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數(shù)。 67.3 激光打孔一、激光打孔原理 激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤（圖7-13）。 二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 脈沖寬度對打孔的影響 ：脈沖寬度對打孔深度、孔徑、孔形的影響較大。窄脈沖能夠得到較深而且較大的孔；寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小，而且使孔的表面粗糙度變大，尺

6、寸精度下降。圖7-13 激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)示意圖77.3 激光打孔二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 激光打孔中離焦量對打孔的影響當(dāng)激光聚焦于材料上表面時，打出的孔比較深，錐度較小。在焦點處于表面下某一位置時相同條件下打出的孔最深；而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（圖7-15）。 圖7-15 離焦量對打孔質(zhì)量的影響87.3 激光打孔二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 被加工材料對打孔的影響 脈沖激光的重復(fù)頻率對打孔的影響用調(diào)Q方法取得巨脈沖時，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，重復(fù)頻率越高，脈沖的峰值功率越小，單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。 材料對激光的吸收率直接

7、影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同的吸收率，必須根據(jù)所加工的材料性質(zhì)選擇激光器。 97.4 激光切割一、激光切割的原理與特點 1、切割過程中激光光束聚焦成很小的光點（最小直徑可小于0.1mm）使焦點處達到很高功率密度（可超過106W/cm2）。如圖7-17所示為激光切割頭的結(jié)構(gòu)，除了透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴。 2、激光切割的特點： 圖7-17 激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖107.4 激光切割二、激光切割分類及其機理 激光功率: 激光切割時所需功率的大小，是由材料性質(zhì)和切割機理決定的。 三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律 汽化切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點，部分材料

8、化作蒸汽逸去，部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為108/cm2左右，是無熔化材料的切割方式 熔化切割: 激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為107/cm2左右 氧助熔化切割: 金屬被激光迅速加熱至燃點以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。 切割速度: 在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表面粗糙度也有較大影響。 117.4 激光切割 噴嘴：噴嘴是影響激光切割質(zhì)量和效率的個重要部件

9、。激光切割一般采用同軸(氣流與光軸同心)噴嘴，噴嘴出口直徑大小應(yīng)依據(jù)板厚加以選擇。另外，噴嘴到工件表面的距離對切割質(zhì)量也有較大影響，為了保證切割過程穩(wěn)定，這個距離必須保持不變。 三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律四、工業(yè)材料的激光切割：金屬材料的激光切割和非金屬材料的激光切割 氣體的壓力：在功率和切割材料板厚一定時，有一最佳切割氣體流量，這時切割速度最快。隨著激光功率的增加，切割氣體的最佳流量是增大的。 光束在質(zhì)量、透鏡焦距和離焦量：激光器輸出光束的模式為基橫模時對激光切割最為有利。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡雖然可以得到較小光斑，但焦深很小。離焦量對切割速度和切割深度影響較大，切

10、割過程中必須保持不變，一般離焦量選用負(fù)值，即焦點位置置于切割板面下面某一點。 129.1.2 光纖激光器1. 光纖激光器的基本原理及其特點 (1)基本原理 光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。 圖9-5 光纖激光器原理示意圖 以縱向泵浦的光纖激光器（如圖9-5）為例說明光纖激光器的基本原理 (2)特點 耦合效率高基于激光介質(zhì)本身就是導(dǎo)波介質(zhì)；光纖纖芯很細(xì)，纖內(nèi)易形成高功率密度，可方便地與光纖傳輸系統(tǒng)高效連接。由于光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果好，因此光纖激光器具有很高的轉(zhuǎn)換效率，很

11、低的激光閾值，能在不加強制冷卻的情況下連續(xù)工作。又由于光纖具有極好的柔繞性，激光器可以設(shè)計得相當(dāng)小巧靈活，利于光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用，同時可借助光纖方向耦合器構(gòu)成各種柔性諧振腔，使激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定。光纖還具有相當(dāng)多的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，能獲得相當(dāng)寬的調(diào)諧范圍和相當(dāng)好的色散性和穩(wěn)定性。139.1.2 光纖激光器2.光纖激光器的分類及應(yīng)用 (1)稀土類摻雜光纖激光器 光纖激光器種類很多，如按光纖結(jié)構(gòu)可分為：單包層光纖激光器和雙包層光纖激光器；按摻雜元素可分為：摻鉺、釹、鐠、銩、鐿、鈥等15種； 圖9-6 受激拉曼散射光纖激光器示意圖 稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有：鉺（Er3+）、釹(Nd3+)、鐠(Pr3+)、銩(Tm3+)、鐿(Yd3+)。 (2)光纖受激拉曼散射激光器 這類激光器與摻雜光纖激光器相比具有更高的飽和功率，且沒有泵浦源限制，在光纖傳感、波分復(fù)用（WDM）及相干光通信系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。一種簡單的全光纖受激拉曼散射激光器見圖9-6所示，這是一種單向環(huán)形行波腔，耦合器的光強耦合系數(shù)為K。一般典型的受激拉曼分子主要有GeO2、SiO2、P2O5。 149.1.2 光纖激光器2.光纖激