第二講制造用典型激光器

第二講制造用典型激光器激光器的技術要素工作物質：氣體激光器、固體激光器、半導體激光器…諧振腔：穩(wěn)定腔、臨界腔、非穩(wěn)腔泵浦方式：光泵浦、電激勵、共振能量轉移、化學激勵、熱激勵…熱管理—冷卻技術CO2激光器40%固體和碟片激光器32%光纖激光器7%半導體激光器2%準分子激光器19%2008全球材料加工激光器市場分布CO2激光器主要用于切割、焊接、打標固體激光器應用廣泛，主要包括焊接、打孔、打標、切割、微加工半導體激光器主要用于表面處理、焊接、塑料連接準分子激光器主要用于光刻和微加工一、CO2激光器工作物質：CO2分子同時加入：N2、He與固體激光器和半導體激光器相比，CO2氣體激光器的激活離子濃度較低，高功率器件的體積一般比較龐大。CO2激光器的優(yōu)點：高效率。CO2激光的量子效率高，達38%，能量轉換效率一般為10%-25%。高功率。效率高、氣體工作物質容易實現(xiàn)大體積激勵，且冷卻方便高效。高光束質量。氣體工作物質均勻性好，容易獲得高光束質量的高功率激光輸出；激勵方式靈活，既可以連續(xù)運轉，也可以脈沖運轉；工作波長為10.6m，正好處在大氣窗口，傳輸方便。CO2分子的振動模型OCO對稱振動v1變形振動v2l反對稱振動v3振動能級用(v1

v2lv3）標記v=0激發(fā)10.6mN200.100.050.150.200.250.300.35v=1碰撞碰撞碰撞9.6m能量(103cm-1)000200000001020010000110CO2分子的部分能級躍遷圖

He在CO2激光器中取什么作用？怎樣獲取9.6um激光輸出？CO2激光器的種類封離式CO2激光器慢速軸流CO2激光器橫流CO2激光器Turbo型快速軸流擴散型SlabCO2激光器羅茲泵快速軸流封離型CO2激光器封離式CO2激光器的優(yōu)點是結構簡單，光束質量高，可以獲得基模輸出，同時造價和運行費用低。激光功率低：50~70W/m增加放電管直徑能否提高激光功率？橫流CO2激光器有哪些措施可改善光束質量？輸出功率高：數(shù)kW/m光束質量較差氣流速度低：40~50m/min大功率CO2激光器舉例RofinHF系列橫流CO2激光器快速軸流CO2激光器輸出功率較高（kW/m），光束質量較好。后腔鏡輸出窗口熱交換器風機高頻電源氣流速度高：300~600m/s大功率CO2激光器舉例Trumpf射頻激勵快速軸流CO2激光器TruFlow1200TruFlow5000TruFlow8000TruFlow15000TruFlow20000激光功率1200W5000W8000W15000W20000W光束質量K0.60.550.520.240.22光束質量M21.671.821.94.24.5擴散冷卻板條CO2激光器輸出功率：~8kW優(yōu)點：輸出功率穩(wěn)定，光束質量高；結構緊湊，體積?。粴怏w消耗小，運行成本低；運行噪聲低。

大功率CO2激光器舉例RofinDC系列擴散冷卻CO2激光器ROFINDC020ROFINDC030ROFINDC050ROFINDC080激光功率2000W3000W5000W8000W光束質量K0.950.950.950.95光束質量M21.051.051.051.05CO2激光器連續(xù)輸出功率可以很高，但脈沖峰值功率較低。橫向激勵高氣壓（TEA）CO2激光器普通CO2激光器通常工作在低氣壓下，單位體積粒子數(shù)密度低。CO2激光器：41016/cm3

，固體激光器：1020/cm3

普通CO2激光器存在一個“最佳工作氣壓”。泵浦功率與氣壓平方成正比，氣壓增大時，工作氣體溫度升高，輸出功率下降。當以脈沖方式工作時，選擇適當?shù)募罘烹娒}沖寬度和間隔，使激光過程的時間小于激光下能級的馳豫時間，氣體壓力可達1~2大氣壓。--TEACO2激光器。二、固體激光器固體激光器是在固體基質材料（晶體或玻璃）中摻雜少量可產生激光的激活離子（主要是三價的穩(wěn)定離子，如Cr3+、Nd3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+、Er3+、Ti3+等）。通過泵浦光的作用產生光激勵，形成粒子數(shù)反轉分布，并以其本身固有的波長發(fā)射。幾種典型固體激光器工作物質及其工作波長工作物質激光波長/m摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻鐿釔鋁石榴石(Yb3+:YAG)紅寶石(Cr3+:Al2O3)釹玻璃(Nd3+:glass)摻鈦藍寶石(Ti3+:Al2O3)1.0641.030.69431.054~1.0620.66~1.18什么原因使得紅寶石激光器成為過眼煙云？對激光材料加工而言，目前應用最廣的固體激光器是摻釹釔鋁石榴石（Nd3+:YAG）激光器。Nd3+:YAG晶體是將一定比例的Al2O3、Y2O3和Nd2O3在單晶爐中進行熔化，并結晶而成的，呈淡紫色，具有以下特點：熔點高(1970C)，熱穩(wěn)定性能良好，熱導率高(室溫下的熱導率約為0.03Cal/cmsC)，熱膨脹系數(shù)?。粰C械性能較好，硬度較高；化學性質穩(wěn)定，不溶于水，空氣中不潮解，亦不溶于一般的酸類；抗光照性能好，可在長期光泵輻射條件下保持穩(wěn)定的光學和物理性能。YAG晶體是目前唯一能在室溫下連續(xù)工作的固體激光物質。YAG激光器的特點：介質摻雜離子濃度較大（比氣體工作物質高4~5個數(shù)量級），容易獲得大能量輸出，并適用于采用調Q、鎖模技術獲得巨脈沖和超短脈沖；波長短，與金屬材料的耦合效率高；可以采用光纖傳輸；結構緊湊，體積小，使用和維護方便。不足：傳統(tǒng)燈泵浦固體激光器運轉效率低，電光轉換效率僅為2%左右；固體工作物質在工作過程中存在內部溫度梯度，會引起熱應力和熱透鏡效應，使得固體激光器的平均功率和光束質量較CO2氣體激光器低；固體激光器每瓦輸出功率的成本比CO2氣體激光器高；波長短，加工時的漫反射光對人眼視力的危害較大，應采用更加嚴格的安全防范措施。

Nd3+:YAG晶體的吸收光譜(300K)

主要有五個吸收光譜帶，中心波長分別在525、585、750、810、870nm附近，其中以750nm和810nm為中心的兩個吸收帶最為重要。

750nm810nm914nm1064nm1319nm04268101214能量(103cm-1)Nd3+:YAG晶體的能級結構

聚光腔后腔鏡泵浦燈工作物質泵浦光冷卻水受激輻射輸出鏡激光束泵浦燈燈泵固體激光器效率低：3%左右功率低：~6kW光束質量差：24mmmrad大功率固體激光器舉例TRUMPF公司HL系列燈泵浦固體激光器HL1106DHL2206DHL3306DHL4406D激光功率1100W2200W3300W4400W光束質量25mmmrad25mmmrad25mmmrad25mmmrad光纖直徑600m600m600m600m光譜強度波長/nm波長/nm(b)連續(xù)Kr燈(a)脈沖Xe燈泵浦光僅一小部分可用于激發(fā)Nd3+。泵浦燈光譜中還含有不利于晶體棒的紫外光譜，因此通常還需要采取措施加以過濾。0.4%2.6%5%5%7%30%8%外電源燈輸入電源損失100%燈熱損耗光功率50%50%聚光腔吸收功率工作物質吸收功率冷卻液吸收功率燈再吸收功率工作物質耗散的熱受激發(fā)射熒光輸出激光輸出光學損耗2%0.6%燈泵浦YAG激光器的能量轉換過程熱透鏡效應激光棒中產生熱量要由棒表面的流動水冷卻，這樣就會在棒內形成溫度梯度。

—由冷卻條件決定的棒表面溫度—泵浦功率，—棒耗散泵浦功率百分比l

—

棒的長度，r0—棒的半徑，r—距離棒軸的徑向距離K—

導溫系數(shù)

板條固體激光器輸出耦合鏡后腔鏡泵浦光(a)側視圖板條泵浦光冷卻介質(b)橫截面圖冷卻泵浦絕熱zxyxT(x)0yT(y)0板條內部溫度分布在制造用激光器發(fā)展歷史上，為什么板條固體激光器沒有真正成為進入工業(yè)應用的產品？泵浦源效率和熱問題解決途徑二極管陣列聚焦光學系統(tǒng)輸出耦合鏡后腔鏡(a)側面泵浦方式半激導光體器晶體棒輸出耦合鏡后腔鏡聚焦光學系統(tǒng)(b)端面泵浦方式半導體激光器泵浦棒狀固體激光器效率提高：10%左右光束質量改善：12mmmrad不能從根本上改變熱效應。在制造用激光器發(fā)展歷史上只是曇花一現(xiàn)。大功率固體激光器舉例Rofin-Sinar公司DY系列二極管泵浦固體激光器盤片固體激光器大功率固體激光器舉例TRUMPF公司HLD系列片狀固體激光器TruDisk1000TruDisk2001TruDisk3302TruDisk16002激光功率1000W2000W3300W16000W光束質量2mmmrad4mmmrad8mmmrad8mmmrad光纖直徑50m100m200m200m半激導光體器摻雜光纖輸出耦合鏡后腔鏡聚焦光學系統(tǒng)光纖激光器泵浦光保護層外包層內包層纖芯雙包層光纖結構示意圖

為什么高功率光纖激光器要采用雙包層光纖結構？三、半導體激光器半導體激光器是以半導體材料作為激光工作物質，用電注入直接泵浦的一種小型化激光器。它具有超小型、高效率、結構簡單、價格便宜、波長更短、與金屬材料的耦合效率高等優(yōu)點。半導體激光器的激發(fā)機理和氣體和固體激光器完全不同。它的電子躍遷發(fā)生在半導體材料的導帶中的電子態(tài)和價帶中的空穴態(tài)之間，而不像原子、分子、離子激光器那樣發(fā)生在兩個確定的能級之間。在電流或光激勵下，半導體價帶中的電子可以獲得能量，躍遷到導帶上，在價帶中形成一個空穴，這相當于受激吸收過程。價帶中的空穴也可以被從導帶躍遷下來的電子填充復合，并放出一個光子，這相當于自發(fā)輻射或受激輻射。用于激光材料加工的大功率半導體激光器所使用的材料體系是以GaAs和Ga1-xAlxAs(下標x表示GaAs中被Al原子取代的Ga原子百分數(shù))為基礎的。這種激光器的波長取決于下標x及摻雜情況，一般為850nm左右。半導體激光器的基本結構

~1000m~200m~100mP區(qū)N區(qū)解理面//金屬電極最簡單的半導體激光器由一個PN結組成。PN結的兩個端面是按晶體的天然晶面剖切開，稱為解理面，此二表面極為光滑，可直接用作平面反射鏡，構成諧振腔。上下電極施加正向電壓時，使結區(qū)產生雙簡并的能帶結構及激光工作電流。激光可以從一側解理面輸出，也可以由兩側輸出。由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性差，特別是在結的垂直平面內，發(fā)散角很大，可達成20~30。在結的水平面內，發(fā)散角//約為幾度。由于半導體激光器單管的有源區(qū)體積小，輸出功率受限于腔面毀滅性失效，一般單個的PN結半導體激光器的輸出能量只有幾毫瓦、幾十毫瓦或幾百毫瓦數(shù)量級，目前最好的是1~3W。為了獲得高的輸出功率，可以將多個發(fā)射單元以列陣的形式集成起來形成“激光條”。把若干個激光條縱向疊加，堆砌成面陣，各條之間安裝微通道散熱器，通常將這樣的單元結構稱為“激光堆”，多個激光條構成一個激光堆就可以獲得千瓦量級的激光功率。采用特殊設計的反射鏡、或采用偏振耦合或波長耦合技術等將幾個激光堆發(fā)出的光束進行合束，可以獲得更高功率。FiberDiscCO2Nd:YAGDiodeWavelength1.07um1.03um10.6um1.06um0.9~1.03umWallPlugEfficiency30%15%~10%~3%~70%OutputPowersto50kWto16kWto20Kwto6kW10kWBPP(4/5kW)<2.5862540DiodeLifetimes100,000100,000N.A.1,000100,000CoolingAir/WaterWaterWaterDionizedwaterFloorSpace(4/5kW)<1m2>

4m2>3m2>6m2<0.5m2FiberdeliveryYesYesNoYesYes幾種紅外激光器技術參數(shù)對比PRC，6千瓦CO2激光器IPG,4千瓦光纖激光器(在3.8千瓦下試驗)TRUMPF，4千瓦,燈泵Nd:YAG激光器TRUMPF，4千瓦圓盤激光器美國Edison焊接研究所（EWI）

CO2和YAG激光焊接成本比較四、準分子激光器準分子是一種激發(fā)態(tài)下能夠暫時結合成的不穩(wěn)定分子，而在基態(tài)又迅速離解成原子的締合物，因此也稱之為“受激準分子”。與激光有關的準分子可劃分為三類：一類是惰性氣體準分子，如Xe2*、Ar2*、Kr2*等；一類是惰性氣體原子與鹵素原子結合成的準分子，如XeF*、XeO*、XeCl*、KrF*、ArF*等；第三類是金屬原子與鹵素原子結合成的準分子，如HgCl*、HgBr*、BeO*、CuF*等。其中應用較廣的是第二類準分子。激光器類型Ar2*Kr2*ArCl*ArF*KrCl*KrF*XeCl*XeF*激光波長/nm126146170193223248308353幾種常用準分子激光器工作波長核間距R0AB勢能C準分子能級結構示意圖曲線A表示較高的激發(fā)態(tài)，B表示激光上能級，C表示基態(tài)。激發(fā)態(tài)時在某一核間距處勢能最小，具有束縛態(tài)的特征，能級壽命為10-8s數(shù)量級?；鶓B(tài)時勢能曲線隨核間距的增加而單調下降，顯示了原子相互排斥的特征?；鶓B(tài)分子的壽命極短，為10-13s數(shù)量級。激發(fā)態(tài)比基態(tài)穩(wěn)定，在核間距R0處很容易形成B、C間的粒子數(shù)反轉分布。

準分子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)的躍遷可以說是從束縛態(tài)向自由態(tài)的躍遷。由于下能級近似是空的，因此不存在低能級被充滿而終止反轉的問題。只要有一定數(shù)量的準分子存在，反轉就存在，因此容易獲得較大的粒子反轉數(shù)和較高的增益，有利于獲得巨脈沖。同時，由于激光下能級是基態(tài)，基本上沒有無輻射損耗，因此量子效率高，接近100%。

由于準分子存在的壽命極短，因此準分子激光器一般輸出幾十個納秒的脈沖激光。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，要求泵浦脈沖上升時間短。工業(yè)準分子激光器大多采用快速放電激勵技術。

制造用激光器的輸出特性1、激光波長激光波長決定激光加工的基本原理

激光波長影響激光與物質的相互作用

激光波長決定激光束精細聚焦的可能性

激光波長決定激光加工系統(tǒng)光束的傳輸方式

2、輸出功率與能量3、空間分布特性---模式（光束質量）激光束質量可以采用聚焦特征參數(shù)Kf(也稱光參乘積)、衍射極限倍因子M2或光束傳輸因子K值來表示。

聚焦特征參數(shù)Kf定義為光束的束腰半徑與遠場發(fā)散半角的乘積

對于理想基模（TEM0