激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统激光基础知识1.1 激光的产生三要素：1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质；2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转；3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡；1.2 激光光束的特性1）高光亮度——激光束发散角很小，光能量集中，光强度很高例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ；气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr)；固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr)；若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光亮度2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。
例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1－10 mrad（毫弧度）3）高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度，可视为单波长。
4）高相干性——由于激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大（时间相干性好）；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干（空间相干性好）1.3激光器的输出特性1）激光波长——激光器输出准单色光；不同激光器输出激光波长不同，材料吸收特性各不同；对不同材料用不同的激光来加工。
2）激光输出的能量和功率连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒脉冲激光: 峰值功率P= 脉冲能量E / 脉冲宽度Tm脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f3）激光束的空间分布特性——基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布；振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径；对应的全角宽度定义为光束发散角；为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法高斯光束的参数：束腰；等相位面；发散角；基模多模基模与低阶模实际激光束的横模c.调Q 脉冲激光——用调Q 技术压缩脉宽（纳秒量级），提高激光的峰值功率（声光调Q 可达数百千瓦；电光调Q 可至兆瓦以上）；d.超短脉冲激光——用锁模技术压缩脉宽到皮秒至飞秒量级，峰值功率达1012W, 可作很多精密微加工；4）激光束时间分布特性a.连续激光——以连续恒定的功率来描述；b. 普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级）.脉冲能量与脉冲频率来描述；激光焊接常用脉宽1－10ms, 能量1至数十焦尔；峰值功率数千瓦；打孔和切割常用脉宽0.1－2ms ，能量为0.5－20j ；峰值功率达万瓦5）激光束的偏振特性光波是横向电磁波，电矢量与磁矢量总是在相互垂直方向上，一般只讨论电矢量的方向。
若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向，称为线偏振光；若在传播过程中电矢量只改变大小而不改变方向，称为线偏振光；若电矢量在传播过程中不改变大小而只改变方向，两相互垂直分量的振幅相等，而相位差是p/2，称为园偏振光；若电矢量在传播过程中既改变大小又改变方向，称为椭园偏振光；若电矢量作无规变化，振幅方向不确定的光，称为自然光；自然光与偏振光的混合光称为部分偏振光；激光的偏振态对材料加工的效率和质量有较大影响。
1.4 激光束聚焦特性1）高斯光束的聚焦，其聚焦光斑（束腰）与透镜焦距；光束发散角；和激光波长成正比；与聚焦镜的象差也有关。
2）激光聚焦的焦深——激光聚焦在一定深度内，焦斑大小变化不大，叫焦深；研究证明：焦深与聚焦镜焦距平方成正比1.5激光与物质的相互作用1.5.1 激光与物质相互作用的能量转换当激光照射到材料上，存在光的反射.透射与吸收；影响的因素：激光波长.功率密度与激光作用时间；材料的密度.相变温度.熔点.气化点；材料表面对激光的吸收率.热导率等；1）激光功率密度<103－104 W/cm2 ——光子传能量给电子；材料被加热升温并由外向里传热；2）激光功率密度104－105W/cm2——达到材料相变点，材料金相结构出现变化；可作激光相变硬化；3）激光功率密度105－106W/cm2——材料熔化，形成熔池；可作激光熔焊.激光熔覆和表面合金化等；4）激光功率密度106－107W/cm2以上——材料汽化并形成等离子体；可作激光打孔.切割等加工。
1.5.2 吸收与反射1）吸收率a=4ph/l h 为消光系数，因材料吸收而使光强衰减2）各种材料的吸收差别很大，影响吸收率的主要因素——波长；温度；偏振态等3)反射率R = (n-1)2+h2 / (n+1)2+h2材料折射率越高，反射损耗越大例如：光学玻璃n=1.5, 则R=0.04红外材料ZnSe n=2.4, R=0.17可见，在光学元件表面镀增透（减反）膜非常重要1.5.3 金属材料对激光的吸收金属表面的反射和吸收——强吸收和强反射，不透明金属表面反射率与波长的关系金属性质和表面状态的影响——粗糙表面或经表面处理，其吸收加大；随着金属的熔化，反射率下降激光功率密度超过样品汽化阈值，材料汽化后，反射率大减。
一般，非金属材料对激光低反射，高吸收；而非金属材料熔点较低，导热性差，有利于激光加工绝缘体材料对激光的吸收——与波长有很大的关系；如石英SiO2，硅Si是常用激光材料；又如玻璃.有机玻璃对YAG激光透明而对CO2激光是吸收的。
一. 半导体材料介于导体与绝缘体之间，载流子（电子与空穴）的能级扩展为能带。
二. 影响激光与半导体相互作用的因素有：1）.激光波长功率等参数；2）.半导体的晶体结构.导电性能等。
3）.且吸收率随温度升高而增加很快。
4）半导体的激光破坏阈值较低。
有些半导体对可见光不透明，而对红外光相对透明,可作CO 2激光的光学材料：如硅Si, 锗Ge1.6 激光加工的特点1）功率密度极高，可加工所有材料：金属.非金属.透明体等；2）非接触加工，速度快，效率高；3）加工时间短，热影响区小，热变形和加工变形小；4）激光束聚焦光斑小，可进行精细微加工；5）激光束易于传导与聚焦，功率与能量易控，6）可实现数控全自动化加工；激光加工成套设备系统1）激光器系统：工作物质；激励泵浦系统；谐振腔系统；电源系统；激光控制系统；2）冷却系统：冷却介质循环及净化系统；温控系统；3）外光路系统：扩束镜系统；导光系统；聚焦系统；观察与监视系统；4）工作台系统：多维工作台；驱动电源系统；运动控制系统；工装夹具系统；辅助吹气系统5）程控系统：计算机系统；软件操作系统6）安全防护系统：激光隔离与防护系统；烟雾抽排系统；员工防护系统等。
第一节激光系统用光学材料——谐振腔镜.聚焦系统的光学元件等；对于不同波长的激光，应选用不同的激光光学材料。
要考查材料的反射率；吸收率；破坏阈值；热传导率等1.1 激光窗口和透镜材料：1）YAG激光窗口和透镜材料：石英，光学玻璃2）CO2激光窗口和透镜材料：ZnSe, Si, Ge, GaAs, CdTe等3）紫外激光窗口和透镜材料：紫外石英等选取激光窗口和透镜的要求：1）对该波长激光的光学吸收率小2）热导率和热稳定性高3）硬度和光洁度高4）化学稳定性高5）表面光学镀膜层性能高1.3 光学元件表面镀膜材料：膜层材料要吸收率小；激光破坏阈值高。
金属反射膜：金，银，铝（+介质膜）多层介质反射膜：硬膜：TiO2, ZrO2, SiO2, Al2O3等；熔点高，硬度大，软膜: MgF2, NaF, ZnS, ZnSe, ThF4等；1.2激光反射材料激光反射镜体材料—要求硬度高，表面光洁度好；热导率高；对YAG激光可用K9玻璃；熔石英；对中小功率CO2激光可用硅Si; 锗Ge; 砷化镓GaAs作反射镜基体；对大功率CO2激光可用铜作高反镜基体，外加镀钼和金；内部通水冷却1.4 材料的反射率与增透膜1）反射率R = (n-1)2 / (n+1)2材料折射率越高，反射损耗越大例如：光学玻璃n=1.5, 则R=0.04＝4%红外材料ZnSe n=2.4, R=0.17＝17%YAG晶体n=1.82, R=0.085＝8.5%可见，在光学元件表面镀增透膜非常重要2）透射光学元件的增透膜（AR减反膜）对增透膜要注意：1.中心波长要同于激光波长；2.镀膜材料—硬膜还是软膜；1.5 光学元件的清洁一）光学元件的拿取——带指套侧拿，防止手油与口气；二）光学元件的清洁——一般灰尘用气球吹；污漬用长纤棉签或镜头纸蘸无水乙醇+乙醚（1：1）拖擦；不要用丙酮；1.6 光学零件的加工流程光学零件加工工艺流程：1）毛坯与成形:选料——开坯——滚园——粗磨——细磨——检验（批量生产用金刚石磨具铣磨或大批量用压铸成形）2）精磨与抛光；上盘——精磨——抛光(经常检查光洁度与用样板看光圈）——下盘，清洗，——检查厚度，涂保护膜——第二面上盘——精磨——抛光——检验——下盘——清洗（批量用高速抛光）3）定中心磨边与倒角——清洗——检验4）真空镀膜真空镀膜设备第二节激光的传导2.1激光的反射镜导光（硬光路）要求精确，稳固，安全，防尘；激光加工多维工作台工作台二维运动光束工作台各一维运动光束二维移动：五轴联动：例：行架移动式切割机－激光聚焦头行架式行走加工幅面大；要注意近端与远端的激光聚集差异；2.2 多关节导光臂——半柔性传输激光2.3 光纤传光系统一）光纤传光的优点：柔性传输；远距传输；分光传输；匀光传输例四光束光纤传光激光焊接机二）光纤传光原理与特性光的全反射条件: 临界角Sin Q=n2/ n1入射到光纤端面的光在２f m以内的，都能在纤芯内无损耗传输；Sin f m= (n12-n22)1/2 / n0光纤的数值孔径NA=n0Sin f m = (n12-n22)1/2一般：通讯光纤NA=0.3--0.4, f=23度，芯径0.1--0.15毫米强光光纤NA=0.2--0.22, f=12.7度，芯径0.4--1毫米高斯光束经透镜聚焦：聚焦光斑（束腰）与透镜焦距，光束发散角，和激光波长成正比；聚焦镜象差也有影响。
第三节激光的聚焦3.1 激光束的聚焦特性高斯光束聚焦光斑：D=2l F/pw (l)=F Q 03.2 激光扩束镜一）激光扩束镜的作用——扩束激光束，压缩激光束发散角；倍率等于物镜与目镜焦距之比。
由于高斯光束聚焦光斑与光束发散角成正比，大多数激光加工聚焦系统都用激光扩束镜压缩激光束发散角。
二）扩束镜的构造——多用倒装的伽利略望远镜确定扩束镜的倍率，口径与筒长4.1 激光双点焊第四节特殊要求的光路系统镜前双光楔镜后双光楔组合镜半反膜片分光4.3匀光技术一）光束半切反叠匀光二）光纤匀光三）专用匀光器件第五节激光扫描聚焦系统5.1 激光一维扫描与聚焦系统激光扫描原理—二维振镜使光束作X-Y 方向运动，控制振镜可使光束作逐行扫描或矢量式二维书写。