3、激光工作物质：凡是可通过激励实现粒子数反转的物质都 称激光工作物质。
工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质
• 固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃； • 气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体； • 半导体工作物质：砷化镓
激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的能源 • 光激励： 用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）； • 电激励： 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子； • 化学激励：应用化学反应方法； • 热激励： 超音速绝热膨胀法； • 注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。
灯泵浦Nd:YAG体激光器
将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高 功率的激光束，每个独立的棒可通过透 镜引导并规则的排列起来。
目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。 输出4kW功率。
1kW的脉冲Nd:YAG激光器
2、二极管泵浦YAG激光器 低功率激光器：末端泵浦
高功率激光器：侧向、横向泵浦
二极管在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标 时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器 的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。
2、电极 4、冷却水 6、出水口 8、激光束 10、风机
3、CO2激光器的分类
（1）根据气体流动方式分类： 封闭管式：工作气体在谐振腔中不流动； 慢 流 式：工作气体在谐振腔中缓慢流动； 横 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向垂直； 轴 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向同轴；
激光原理焊及接激论光文题加目工应用
参考材料：激光加工技术，王家金，中国计量出版社 激光原理与技术 施亚齐 华中科技大学出版社 激光辐照效应，孙承伟，国防工业出版社
课程主要内容
引 言 激光的应用 第一章 激光的基本物理特性 第二章 激光产生的基本原理及激光器 第三章 激光加工系统 第四章 激光打标、激光切割 第五章 激光焊接 第六章 激光清洗
（2）根据激励方式分类： 普通直流高压激励：交流升压—高压整流（16kV）； 逆变直流高压激励：交流变频—低压整流—直流升压（16kV）； 射频激励：采用无线电波的频率进行激励；
（3）根据谐振腔形式分类： 单管直腔式：光束在直线式的腔中振荡，通常用于慢流式激光器中； 折叠腔式：内部光路中增加折叠镜，增加激光的振荡长度以提高功率；
为了获得满足焊接需要的高能激光束，主要采取三方面措施：
1、提高激光束的输出功率（亮度特性）
CO2激光：45kW，YAG 激光-5kW，半导体激光-4kW；
2、提高激光束的光束质量（发散角）
3、采用适当的 聚焦方法（透镜、反射镜聚焦）
光束参数积(光斑半径乘以该方向上远场发散角的乘积)与激光功率决定加工范围
0.4 大
0.8 极小
15% 好 好 一般 一般 一般
30% 优良 优良 一般 一般 一般
（二）固体激光器
固体激光器分类 根据工作物质分类： 红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级； Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级； 钕玻璃： 激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级 根据泵浦方式分类： 氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒上，输出方式：脉冲； 氪弧光灯泵浦: 连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续； 二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲； 调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦），
RSM 130D 3W 彩色塑料 低于15秒 永久性标识 可从后部照明
2、激光切割
激 光 切 割 应 用 举 例
激 光 切 割 应 用 举 例
3、激光焊接
热导焊接、深熔焊接
激 光 焊 接 应 用 举 例
激 光 焊 接 应 用 举 例
4.激光热处理种类
激光热处理 激光淬火 激光熔覆 激光合金化 激光冲击强化 激光毛化 激光快速成型 激光清洗 激光非晶化
二极管泵浦YAG激光器在材料加工中的优势
聚焦直径更小 光学镜片更细小 工作距离更远
4、横模
光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律，对激光加工影 响极大。光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小。
通常用TEMmn表示不同横模的光场分布：
轴对称横模
旋转对称横模
气体激光器
固体激光器
第二章 激光产生的基本原理及激光器
一、能级、跃迁、辐射
1、能级：当原子或分子内部的电子与外界交换能量时，原子的内能也将发 生变化，但内能的变化是不连续的，其内能的状态成为能级。粒子（分
3、相干性好
以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再 使两束光重 合便产生明暗相间的条纹，这就是 光的干涉。
自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱 光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。
激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、 规则有序的大振幅光波。
三、高能激光束的获取
激光表面打标应用举例
打标:
激光器: 材料: 方法: 打标时间:
优点:
文本、标志、数据代码以及 二维矩阵代码的标记
ROFIN IC 打标机
塑料复合材料
非常轻微的雕刻
500字符／秒(单加工头） 1000字符／秒以上(双加工头)
标刻深度小于25 µm
激光表面打标应用举例
激光器: 激光功率: 材料: 时间: 优点:
13
0
10.6µm
(1000)
9.6µm (02 00)
1
(010)
0
(00 0)
2、激光器的组成
光学稳定谐振腔：激光仅通过半透明反射镜离开谐振腔。
100 光学不稳定谐振腔：谐振腔由 ％反射的反射镜组成，激光经过其
中一面反射镜离开谐振腔。
2、CO2激光器的组成
1、全反镜 3、交流电源 5、谐振腔 7、输出窗口 9、热交换器 11、进水口
工作物 质
全反射
部分反射镜
镜 激励能
激光的产生过程可归纳为：源
其
偶
它
光
粒
然
粒
子
工 作
外界激励
子 数
的 自
子 的
光学谐振腔
放 大
激 光
物 质
反
发
受
转
辐
激
及
产
振
生
射
辐
荡
射
二、粒子数反转
1、亚稳态能级：粒子在受激状态下，可以存在的时间较长的 能级称为亚稳态能级。
2、粒子数反转：热平衡状态下，处于高能级的粒子远远少于 处于基态的粒子数，如果在外界作用下打破平衡，使亚稳 态能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，这种状态称为 粒子数反转
世界激光加工技术的发展现状
工业激光器的市场分布
激光器制造商：
美国：PRC PRAMA
德国：HAAS TRUMPF ROFIN-SINAR
英国：LUMONICS 日本：川崎重工
东芝
各种加工方法的应用比例
打孔 其它
雕刻 3% 9% 12%
微处理 14%
打标 24%
切割 24%
焊接 14%

激光加工技术在汽车中的应用
工业上应用的连续Nd:YAG激光器的输出功率已达到5kW以上。 连续Nd:YAG激光器与脉冲系统相比可达到更高的加工速度。连 续Nd:YAG激光器具有Q-开关的特殊工作模式。
1、灯泵浦Nd:YAG激光器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径 7~10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单 棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50~800W。
全反光镜
反光镜： （越75%）
Shutter
激光器外 形
接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
激光器内部分解图
Q-Switch 半反镜
晶体腔 光纤耦合器
CO2气体激光器，YAG固体激光器，半导体激光器
（一）CO2气体激光器
1、CO2气体激光器的工作原理 工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%； 光束波长：10.6µm;
2、半导体泵浦YAG激光器
低功率激光器：末端泵浦 高功率激光器：侧向、横向泵浦
1. Nd:YAG晶 体棒
2. 激光束 3. 输出镜 4. 半导体阵列 5. 后镜 6. 冷却水 7. 电源
半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标 时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器 的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。
激光器类型：
横流
输出功率等级： 3~45kW
脉冲能力：
DC
光束模式：
TEM02以上
光束传播系数(K) 0.15
气体消耗：
小
电-光转换效率： 焊接效果：
15% 较好
切割效果：
差
相变硬化：
好
表面涂层：
好
表面熔覆：
好
轴流 扩散冷却
1.5~20kW
0.2~3.5kW
DC-1kHz
DC-5kHz
TEM00-TEM01 TEM00-TEM01
激光加工技术应用概述
一、激光加工方法
激光切割 激光焊接 激光表面处理
激光雕刻
各种加工方法的适用范围
激光表面打标应用举例
打标:
商标、刻度以及刻度图案 的标记
激光器: 激光功率: 材料: 方法: 时间: 优点:
RSM 100Q
100 W 不锈钢 雕刻 25秒 高精度 (150 mm以上的误差 < 5 µm )