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第５章 激 光 加 工
一、激光的产生原理
激光技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴科学。激光加工（Laser Beam Machining简称LBM），是运用光的能量通过聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工多种材料的。
（一）光的物理概念及原子的发光过程
1、光的物理概念
光是在一定波长范围内的电磁波，光具有波粒两象性。
波长λ，频率ν和波速c之间的关系：
把所有电磁波按波长和频率排列，可以得到电磁波波谱。
P127 图5-1
激光加工的原理和特点
-，根据波长不一样分为七种颜色。
根据广的量子学说，光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流。这种具有一定能量的粒子称为光子。不一样频率的光对应于不一样能量的光子，光子的能量与光的频率成正比。
一束光的强弱与这束光所含光子多少有关，光子多则光强。
2、原子的发光
光的产生与光源内部原子运动状态有关，原子内的电子按一定的半径轨道围绕原子核运动，当原子接受一定的外来能量或向外释放一定的能量时，核外电子的运动轨道半径将发生变化，即产生能级变化。
原子从高能级到低能级的“跃迁”，会以光子的形式辐射出能量。
自发辐射：原子从高能态自发地跃迁到低能态而发光的过程称为自发发射。
一、激光的产生原理
（二）激光的产生
某些具有亚稳态能级构造的物质，在一定外来能量激发条件下，会吸取光能，使处在较高能级（亚稳态）的原子（或粒子）数目不小于处在低能级（基态）的原子数目，这种现象为“粒子数反转”。在粒子反转状态下，假如有一束光子照射该物体，而光子的能量恰好等于两个能级的能量差，这时就能产生受激辐射，输出大量光能。
P128 图5-3 阐明
激光加工的原理和特点
二、激光的特性
激光具有光的共性。其特点：
（一）强度高
原因能实现光能在空间和时间上的高度集中。
（二）单色性好
光的波长为一种确定的数值。光谱范围小，单色性好。
（三）相干性好
相干性可用相干时间和相干长度来表达。
（四）方向性好
光束的方向性用光束的发散角来表达。发散角小，方向性好。
激光加工的原理和特点
普通光源
激光光源
亮度
电灯：约470sb
太阳： sb
红宝石激光器，
功率1000MW/cm2
方向
无确定方向、发散角大、难会聚
（近似平行光），光束会聚其焦点处光斑10um
单色性
Å
激光的谱线宽度为10-7Å
相干性
氪灯光源的相干长度78cm
激光的相干长度可达几十公里
激光的特性
三、激光加工的原理和特点
激光具有光的共性。其特点：
1）聚焦后，激光加工的功率密度高达108-1010W/cm，几乎可溶化、气化任何材料。
2）激光光斑大小可以聚焦到微米级，功率可调，因此可用以精密微细加工。
3）加工工具是激光束，是非接触加工，无明显机械力，没有工具损耗。
4）和电子束加工相比，加工装置比较简单
5）影响原因多，精微加工时精度不易保证
6）加工中产生金属气体及火星等，要通风抽走，戴护目镜
激光加工的原理和特点
一、激光加工机的构成部分
激光加工的基本设备由激光器、电源、光学系统及机械系统四部分构成。
１）激光器 激光加工的重要设备，把电能转变成光能
２）电源 为激光器提供能量及控制功能
３）光学系统 包括激光聚焦系统和观测瞄准系统
４）机械系统 重要包括床身、能在三座标范围内移动的工作台及机电控制系统等。已实现数控操作。
激光加工的基本设备
二、激光加工常用激光器
按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。按工作方式可分为持续和脉冲激光器。
P131 表5-2常用激光器的性能特点
（一）固体激光器
采用光鼓励，能量转化环节多，光的鼓励能量大部分转换为热能，效率低。为避免介质过热，常采用脉冲方式。
１、固体激光器的基本构成
工作物质尺寸较小，构造比较紧凑，包括工作物质、光泵、玻璃套管和滤光液、冷却水、聚光器及谐振腔等。
激光加工的基本设备