文档介绍：第5章激光加工
激光束加工的工作原理
光实质上是一定波长范围内的电磁波
根据光的量子学说,可以认为光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度,靠光热效应来加工各种材料的
激光加工原理示意图
第一节激光加工的原理和特点
一、激光的产生原理
1、光的物理概念
近代人们承认光既具有波动性,又具有微粒性,就是说,光具有波粒两象性。之前有两种学说
1)光的电磁学说:光是具有一定波长的电磁波,其波长、频率、波速有一定关系:λ=c/ν
2)人们能够看见的光称为可见光,它的波长为 ~ 。可见光根据波长不同分为红、橙、黄、绿、蓝、青、紫等七种光,波长大于 的称红外光或红外线, 的称紫外光或紫外线。
根据光的量子学说,又可以认为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就称为光子。不同频率的光对应于不同能量的光子,光子的能量与光的频率成正比,即E = hν
式中 E——光子能量;ν———光的频率;h———普朗克常数。
一束光的强弱与这束光所含的光子多少有关,对同一频率的光来说,所含的光子数多,即表现为强;反之,表现为弱。
2、原子的发光
原子由原子核和绕原子核转动的电子组成。原子的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是最稳定的,人们把这时原子所处的能级状态称为基态。当外界传给原子一定的能量时(例如用光照射原子),原子的内能增加,外层电子的轨道半径扩大,被激发到高能级,称为激发态或高能态。
被激发到高能级的原子一般是很不稳定的,它总是力图回到能量较低的能级去,原子从高能级回落到低能级的过程称为“跃迁”。
当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时,常常会以光子的形式辐射出光能量,所放出光的频率ν与高能态 En和低能态 E1之差有如下关系
ν= (En- E1)/h
式中 h———普朗克常数。
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辐射,自发辐射出来光的频率和波长大小不一,所以单***很差,方向性也很差。
稳态和亚稳态。
物质的发光,除自发辐射外,还存在一种受激辐射。当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中,若这束光的频率ν与(En- E1)/h 很接近,则处在激发能级上的原子,在这束光的刺激下会跃迁回较低能级,同时发出一束光,这束光与入射光有着完全相同的特性,它的频率、相位、传播方向、偏振方向都是完全一致的。因此可以认为它们是一模一样的,相当于把入射光放大了,这样的发光过程称为受激辐射。
3、激光的产生
以红宝石为例,基本成分是氧化铝,其中掺有 % 的氧化铬,能发射激光的是正铬离子。当脉冲氙灯照射红宝石时,使处于基态 E1的铬离子大量激发到En状态,由于 En寿命很短, En状态的铬离子又很快地跳到寿命较长的亚稳态 E2(无辐射转换)。如果照射光足够强,就能够在千分之三秒时间内,把半数以上的原子激发到高能级 En,并转移到 E2。这时当有频率为ν= (E2- E1)/h的光子去照射“刺激”它时,就可以产生从能级 E2到 E1的受激辐射跃迁,出现雪崩式连锁反应,发出频率(E2- E1)/h的单***好的光,这就是激光。
二、激光的特性
1、强度高(亮度高)(能量在空间上、在时间上分析)
2、单***好(单色指光的波长为一个确定数值)
3、相干性好(干涉距离长)
4、方向性好(发散角小)
三、激光加工的原理和特点
1、激光加工的基本原理
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料的。(聚焦成点可以进行打孔,聚焦线可以进行切割)
2、激光加工的特点
1)聚焦后,激光加工的功率密度极高达108~1010W/cm2 ,光能转化为热能,几乎可以熔化、气化任何材料。
2)激光光斑大小可以聚焦到微米级,输出功率可以调节,因此可用以精密微细加工。
3)加工所用工具是激光束,是非接触加工,所以没有明显的机械力,没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小,容易实现加工过程自动化。
4)和电子束加工等比较起来,激光加工装置比较简单,不要求复杂的抽真空装置。
5)激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工,影响因素很多,因此,精微加工时,精度,尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证,必须进行反复试验,寻找合理的参数,才能达到一定的加工要求。由于光的反射作用,对于表面光泽或透明材料的加工,必须预先进行色化或打毛处理,使更多的光能被吸收后转化为热能用于加工。
6)加工中产生的金属气体及火星等飞溅物,要注意通风抽走,操作者应戴防护眼镜。