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19
课
激光加工
陈少勇（上海二工大）
简介：
激光加工的基本原理是近期才
发现的。激光这个词是“模拟辐射使光放大”首字母的缩写。这个加工
过程取决于高强度
、
高方向性、
相干性的单色光与工件的相互作用，
并使这个工件材料以气化的方式去除。
原子现象的解说有利于理解激光效应。
1985
年
XXX
和
XXX
首次发现激光效应。他
们是通过其谐振腔作用的
FP
干涉仪发现激光的。如图
19.1
所示，
这台设备基本上由两个高度平行
的半边渡银的镜子组成，
镜子中间有一束经多次反射的单色光。
镜子之间的谐振腔充满了放大介质，放大介质是一些被激发到高能态的气体分子。光沿着平行于干涉仪主
轴的方向传播，在这个过程中光被镜子反射并穿过激发态的气体，这样光就被放大了，当然了，要
假定光
保持相同的相位。
激光放大器的类型和特点
类型
有利于加工的几种激光器有：气
体激光器、二氧化碳激光器、光泵激光器。
气体激光器。气体
激光器的典型组成如图
19.2
所示。激光管的末端安装了高度
透明的
XXX
窗，外部
的光线通过这个
窗后能被线性偏振。激光在优化的偏振方向上发生偏振并与其他方向相比占主导地位。
外部的电激励可以通过多种方式获得，例如直流和交流放电，后者比较简单：能量来源可
以是非常普
通的与冷金属电极连接的高压变压器。在氦氖激光器中利用了电极高频放电。
第一台气体激光器设备由
XXX
和
XX
X
在贝尔电话实验室研制出来。许多高能量激光器使用了高压脉冲，尤其是在稳定的离子
数反
转不能维持时。
氦氖激光器。<
/p>
放电时的电子轰击激发氦原子。
因为没有光学上所允许的跃迁轨道
，
所以由
3S
和
1S
能
级代表的处于亚稳态的氦的粒子数聚集起来了。处于<
/p>
2S
和
3S
的氖
原子接近于氦的亚稳态水平。
在氦氖系统中主要的激光行为相当于下述氖原子的跃迁。
3S
2
→
2P
4
（
632.8
μ
m
）
2S<
/p>
2
→
2P
4
（
1.1532
μ
m
）
3S
2
→
3P
4
（<
/p>
3.39
μ
m
）
括号中的数字代表激光的波长。
<
/p>
二氧化碳激光器。
二氧化碳和氮气可以获得连续的高能量的激光。
这种激光器在
20
世纪
60
年代年设
计出来的，它的输出功率为几毫瓦到几百
毫瓦。
在二氧化碳分子的震荡能量水平之间能发生激光跃迁，
他们之间的区别相当于输出
10.6
微米的波长。
更近一步的研究揭示了在放电过程中被激发到一个震荡水平的氮原子相当接近二氧化碳的
00
°
1
水平。在
氮气中这种激发被有效地转换到了二氧化碳的高激发水平，并积累了大量分子。足够的粒子数是产
生激光
的必要条件。氦在放电过程中有利于维持粒子数反转，相当于提高了传导到内壁的
热量。发生波长为
10.6
微米的激光后二氧化碳分子衰减到<
/p>
01
?
0
水平，然后发光并回到基态。
光泵固体激光器
< br>激光介质中的活性原子夹杂在固体中，这种固体一般是有平行的平端面的水晶棒，
这个端面通常由镜面磨和抛光加工出来。棒的端面有涂层，以形成所需要的光学型腔，或者选择外面的镜
子作为水晶棒。
通常选用氙灯和高压水银灯作
为外部光源，产生激发原子的光泵。
特性
与普通光相比，激光有许多特性
，例如空间分布、光束发散、聚焦、暂时性、亮度、能量等等。由于
激光的这些特性，尤
其是她的空间分布、聚焦和能量在激光加工中具有重要意义，接下来介绍几种重要的
应用
。
应用
随
着先进工艺和技术的发展，出现了越来越多的加工方法，例如激光加工。因为工具和工件之间内有
直接的接触以至于工具不会磨损的损坏，所以激光加工非常具有吸引力。激光加工可以获得很高的加工精
度。如今激光加工被运用到许多方面，例如钻孔、切削、刻蚀等等。
钻孔
钻孔是激光加工的重要应
用之一。
在早期研究中常用脉冲红宝石激光器进行金刚石材料的穿孔加
< br>工。如今，红宝石激光器可以在许多材料上进行钻孔。可以精确定位空的位置和加工深径比很大的孔。
在钻孔过程中出现被称作光管效应的状况影响空的外形，这个效应
的出现是由于当孔很深时激光的内
部反射产生的，通常激光聚焦在孔的表面。接着进入孔
后发散，并且由于入射角很小，孔壁使激光反射。
光管效应的实例如图
< br>19.3a
）和
b
）所示。与其
他加工方法相反，每次脉冲以后，要进行一系列的努力重新
聚焦，以获得更深的孔。
切削
激光加工
的另一个重要应用就是切削，如图
19.4.
为了切割钢板需采
用
200
瓦到
1000
瓦功率的激
光器。
对于大多数材料而言，
氧喷射辅助是很有用的，
因为气体可以释放附加的能量以促使发生化学反应。
值得注意的是数控激光线切割的用途越来越广。一台
300
瓦的激光器可以切割厚度为
3.175mm
的钢板，速
度为
1.02m/min
，
并且它的热影响区域宽度只有
0.5mm
。
蚀刻
像硅、
< br>玻璃和陶瓷这一类的脆性材料可以很容易的由机关刻蚀加工成型。
使用这种技术可
以在工
件表面上沿着特定的路线去除材料。当压力过大时，沿着刻蚀路线的方向上会出现
裂纹。
除了上面两种应用以外，激光加工还可以用来控制裂纹
、电子元件微调、回转仪动态平衡调节，因为
激光的能量密度高、光点直径小、脉冲长度
短、精确平衡性高。激光加工在工业上扮演者越来越重要的角
色，对制造业来说也变得不
可或缺。
Introduction
Laser machining is based on
principles that were only recently
discovered.
The
word
is
an
acronym
of
light
amplification
by
simulated
emission
radiation.
The
process
depends
on
the
interaction
of
an
intense,
highly
directional
coherent
monochromatic
beam
of
light
with
a workpiece,
from
which material is removed by
vaporization. The explanations of
atomic
phenomena
given
are
a
useful
basis
for
understanding
laser effects.
The
laser
phenomenon
was
first
predicted
in
1958
by
Schawlow
and
Townes.
They
visualised
a
Fabry-Perot
interferometer
acting
as
a
resonance
cavity.
As
indicated
in
Figure
19.1,
this
instrument
consists
basically
of
two
planes
highly
parallel
half
silvered
mirrors
between
which
a
monochromotic
beam
of
light
undergoes
multiple
reflections.
The
cavity
between
the
mirrors
would
be
filled
with
an
amplifying medium, gas
molecules excited to high energy levels.
Light is propagated in a direction
parallel to the interferometer,
being
reflected
by
the
mirror
back
through
the
excited
gas
;in
this
way
the
light
can
be
amplified,
providing
of
course
that
it
maintains the same phase
at successive reflections.
Types and Characters of
Laser
Types
Several laser types are of interest for machining:
gas laser,
carbon dioxide laser and
optically pumped solid-state laser.
Gas
Laser
Figure19.2
shoes
a
typical
arrangement
for
the
gas
laser.
The
ends
of
the
laser
tube
are
fitted
with
highly
transparent
“
Brewster
”
windows
by
means
of
which
the
output
of
the
laser
is
linearly
polarized.
Laser
oscillation
at
the
preferred
Polarization
builds
up,
and
becomes
dominant
over
the
other
(orthogonal)
polarization.
External
electrical
excitation
can
be
obtained
from
several
sources, such as
direct and alternating current discharges. The
latter
is
very
simple:
the
power
source
can
be
an
ordinary
high
voltage
transformers
to
which
are
connected
cold
metal
electrodes
in
the
tube.
An
electrode
less
high-frequency
discharge
was
used
in
the
helium-neon
laser.
The
first
gas
laser
developed
by
t
and Herriot
at the Bell Telephone Laboratories. Many high-
powered
lasers
use
high
voltages
pulses,
especially
when
steady
population
inversion cannot
be maintained.
Helium-neon
Laser
Helium
atoms
are
excited
by
electron
impact
in
the
discharge.
The
populations
of
the
helium
met
stable
states
denoted
by
states
3S
and
1S
build
up,
because
there
are
no
optically allowed transitions to lower
levels. The neon levels 2S and
3S lie
close to the met stable helium levels.
The main laser action in the helium-
neon system corresponds to
the
following transition in the neon atom.
3S2
→
2P4(632.8um)
2S2
→
2P4(1.1532um)
3S2
→
3P4(3.39um)
The number in brackets gives the
wavelength of the laser.
Carbon
Dioxide
Laser
Very
high
continuous
power
levels
became possible when
the CO2: The laser was devised in the 1960s,
with the output rising from a few mill
watts to hundreds watts.