《激光焊機器人系統(tǒng)及應用》 課件1、激光原理

激光原理及操作安全

激光原理激光（Laser）一詞是受激輻射光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。1960年，美國物理學家梅曼（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石激光器。從此以后，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，引起了科學技術(shù)領域的巨大變化。激光的基本原理原子吸收

hν=E2-E1

圖1原子吸收示意圖E1E2E1E2hv激光的基本原理自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它們在激發(fā)態(tài)停留的時間非常短（數(shù)量級約為10-8s），之后，會自發(fā)地返回基態(tài)去，同時放出一個光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射。圖2自發(fā)輻射激光的基本原理受激輻射圖2受激輻射示意圖E1E2E1E2圖3光放大示意圖hv輸入hvhvhvhvhvhv輸出hvhvhvhv激光的基本原理粒子數(shù)反轉(zhuǎn)處于高能級上的粒子數(shù)多于低能級上粒子數(shù)時的一種非熱力學現(xiàn)象。玻爾茲曼分布：對于大多數(shù)原子來說，兩能級之差En‘-En~1eV，而常溫下，

K

T=1.38

10-23

300~0.025eV

代入上式可得： 即：Nn'<<Nn激光諧振腔光學諧振腔

（a）圖5諧振腔結(jié)構(gòu)M1100%M298%L（b）激光諧振腔G1*G2=(1-d2/f-b/R1)*(1-d1/f-b/R2)其中，f：棒的熱焦距d1：棒中心到半反的距離d2：棒中心到全反的距離R1：全反曲率半徑R2：半反曲率半徑b=d1+d2-d1d2/f穩(wěn)定腔:0<G1*G2<1介穩(wěn)腔:G1*G2=1或G1*G2=0非穩(wěn)腔:G1*G2<0或G1*G2>1激光諧振腔

無介質(zhì)時，上式可簡化為G1*G2=(1-L/R1)*(1-L/R2)L：諧振腔的長度R1：全反曲率半徑R2：半反曲率半徑

要達到0<G1*G2<1，可見當R為凹鏡且曲率半徑大于L時，此諧振腔為穩(wěn)定腔。我們實際生產(chǎn)的焊接機的諧振腔全都是穩(wěn)定腔。產(chǎn)生激光的必要條件（1）選擇具有適當能級結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；（2）選擇一個適當結(jié)構(gòu)的光學諧振腔。對所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。激光的特性單向性極好單色性極強高亮度相干性好激光器簡介工作物質(zhì)的性質(zhì)分類，大體可以分為氣體激光器、固體激光器、液體激光器；按工作方式區(qū)分，又可分為連續(xù)型和脈沖型等。時間分光：指通過不同的控制部分在不同的時間內(nèi)給同一臺焊接機控制信號，以達到實時焊接的功能，同一時間只有一個激光頭出光。能量分光：指通過同一個控制部分在相同的時間內(nèi)給同一臺焊接機控制信號，以達到即時焊接的功能（多個激光頭同時焊接）。Nd：YAG激光棒

Nd：YAG（摻釹的釔鋁石榴石）是目前最常用的一類固體激光器。YAG是一種立方結(jié)構(gòu)晶體，質(zhì)地很硬、光學質(zhì)量好、熱導率高。用三價釹代替了晶體中部分的三價釔，因此稱為摻釹的釔鋁石榴石。泵浦燈

氙燈為惰性氣體放電燈，我們使用的燈的形狀多為直管形。其結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氙（Xe）氣體組成。電極是用高熔點、高電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成。燈管用機械強度高、耐高溫、透光性好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙氣。光纖傳輸光纖損耗典型值為<5dB/km，我們中心通用的5m光纖損耗只有6‰。光纖端面由于菲涅爾反射每個端面會損耗約4％。處理光纖時，不能觸摸光纖端面，保證其端面的潔凈和避免劃痕。處理光纖時，注意光纖的最小彎曲半徑。600微米光纖的彎曲半徑為150mm,400微米光纖的彎曲半徑為100mm。光纖傳輸光路操作時注意事項

·光學元件的膜層容易受到灰塵的污染，盡量避免光學元件暴露在空氣中?！と绻す獯蛟诟浇哪繕松蠒r，避免煙霧接觸到光學底座上的光學元件。應避免在附近產(chǎn)生煙霧。·不要用手接觸到光學元件的表面，如必要，必須帶上薄膜指套?！す鈱W元件如需擦拭，應使用高純度的無水乙醇和光學擦鏡紙?！つ苗R片和透鏡時，應只接觸它的邊緣。光路操作時注意事項·在移動鏡片或透鏡前，請注意觀察鏡片或透鏡的安裝方向?！ず附踊蛘{(diào)光時應帶上防護眼鏡，避免直視激光。·避免眼睛處于激光光路上，如果必須，必須斷電?！け苊庋劬Τ霈F(xiàn)在二極管激光的光路上。·氙燈內(nèi)有正氣壓，接觸氙燈時應帶上安全