YAG激光的产生
YAG激光器的氪弧灯与二极管泵浦源的谱线分布
二极管激光的发射光和Nd:YAG吸收波段之间的良好光谱匹配 降低了Nd:YAG晶体上的热负荷，从而可获得较好的光束质量， 提高激光输出功率和脉冲重复频率。
二极管泵浦YAG激光器在材料加工中的优势
ΔHQ
●
加工效率更高
(更高的速度或更低的功率要求)
灯式泵浦Nd:YAG 激光器加工头 二极管泵浦Nd:YAG 激光器加工头
聚焦直径更小
●
热输入低
●
加工灵活性更高 ΔHQ
光学镜片更细小
难以到达的工作区
ΔHQ
Δ HQ = 由高质量光束引起
工作距离更远 的加工灵活性的增加
较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度 光束质量高： 工作距离大 瑞利长度大： 焦点位置对公差不敏感
CO2激光的产生
轴流式CO2激光器系统
几个功能部件在 谐振腔中采用了光 学串联方式连接， 这样既提高了功率， 同时又保持了各部 分独立设计的特点。
CO2激光的产生
扩散冷却式CO2激光器系统
射频气体在两个大面积铜电极之间放电，电极间隙很小，放电 腔中通过水冷电极可达到很好的散热效果，或的相对较高的能量 密度。
1kW的脉冲Nd:YAG激光器
YAG激光的产生
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)。
CO2激光的产生
工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%； 光束波长：10.6µ m;
CO2激光的产生
1. 激光束 2. 切向排风机 3. 气流方向 4. 热交换器 5. 后镜 6. 折叠镜 7. 高频电极 8. 输出镜 9. 输出窗口
一般气流的流动速度较慢, 将热量从放电腔中带走。 高频激励横流CO2激光器系统
.
激光束
光束反 射腔 聚焦模块 f3
聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦 合角α不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传 出时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。
光纤传输方式
进入光纤前的强度分布 n1 n2
折射指数n
出光纤后的强度分布
a) 阶跃折射率光纤
进入光纤前的强度分布 n1 n2 Nhomakorabea
M 2

激光束特征描述及光束传播定义
光束参数积与激光功率决定加工范围
激光束特征描述及光束传播定义
四、光束的聚焦特性
0
D=2r
聚焦后焦点半径：
0
D=2r
rfoc
f r K
f
ZRaylengh
聚焦面
焦点附近，光束横截面积为焦点处 2倍的两个光束横截面之间的距离称为 瑞利长度或焦深，可用下式表示：
光斑半径
2( x2 y 2 )
所描述的规 律从中心向外平滑地降落，故称为高斯光束。由光强降落到中心值 的 1/ e2的点定义为光斑直径为 ( z ) ，在这个半径值的圆内包含了光束 总能量的86.5%。中心处最大光强为 22P 。
( z )
基模光束在任意截面内的光强分布按高斯函数 e
扩散冷却
0.2~3.5kW
DC-5kHz
TEM00-TEM01 0.8
极小
30% 优良
优良
一般 一般
一般
YAG激光的产生
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）， 脉冲宽度：100~500ns，频率：几百~62kHz。
激光
能 量 自然光
波长
2、方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。
激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3~10-5弧度。 激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：
(发散角)
激光束
等相位面
发散角：
4 /( D) 1.27 / D
激光的方向性带来两个结果： 光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。
f 2 2 r 2 K
dfoc=2rfoc dRaylengh=2rRaylengh = 2 dfoc
dfoc=2rfoc
Z Rayleigh
激光束的反射、透射聚焦
激光的产生
激光的形成过程 工作物质 激励、受激辐射 自激振荡增益 外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔
高能束焊接的定义
高能束焊接（电子束焊EBW、激光束焊LBW） 是利用高能密度束流作为热源的焊接方法。其能量 密度比TIG或MIG等弧焊方法高一个数量级以上， 通常高于 5×105W/cm2。
激光束基本特性
单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。 1、单色性 激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。
He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，线宽只有10-9nm。 普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)， 其谱线宽度为4.7×10-3nm。 激光的单色性比一般光要高出106～107倍以上 . 自然光由波场范围较宽的光构成， 激光的谱线展宽极小，具有很好的单色 性。 单色性决定物质对激光能量的吸收 和精细聚焦的可能性； CO2：10.6μm CO： 5.4μm YAG： 1.06μm 准分子：0.24μm；
CO2、YAG激光器性能比较
激光器类型： YAG 光束波长: 1.06m 输出功率等级： 0.1~5kW 脉冲能力： DC-60kHz 光束模式： 多模 光束传播系数（K） 0.15 电-光转换效率： 3-10% 光束传输: 光学镜片或光纤 焊接效果： 优良 切割效果： 一般 表面处理: 好 运行成本: 高 CO2 10.6m 0.5~45kW DC-5kHz TEM00-多模 0.1-0.8 15-30% 光学镜片 好 优良 好 低
折射指数n
出光纤后的强度分布
b) 梯度折射率光纤
光纤传输方式
冷却设备
光纤
多路转接器
以很高的转向频 率，依次给超过20 根的光纤提供光源， 适合“多点”或 “多工位”激光加 工。
光束转 向镜
激光束
聚焦镜
远距离焊接系统原理
CO2激光器的应用
功率：2kW 焦距：150mm
材料：齿轮钢 深度：2.5mm 速度：3.5m/min
激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部 轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。
半导体激光的产生
半导体激光波长808，940，980nm。
激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。 进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常 将这样的单元结构称为“堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这 样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW 。
激光束特征描述及光束传播定义
气体激光的光能横向分布
激光束特征描述及光束传播定义
不论是轴对称还是旋转对称， 其TEM 00 模是一致的，称为基模。光 波的强度与光波电矢量振幅的平方 成正比，一束沿方向传播的基模光 束的光强可表示为：
光强
2( x 2 y 2 ) 2P I ( x, y, z ) exp 2 ( z ) 2 ( z)
半导体激光的产生
半导体结构内的电 子空穴复合时，可以 在非常窄、非常薄的 区域内产生几毫瓦功 率的光，许多这样的 元件组合起来可形成 一个“激光条”。
典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每 个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度 约为600µ m。
半导体激光的产生
2 (z)
激光束特征描述及光束传播定义
YAG等固体激光器，其光能的空间分布则远为复杂，不能用简单的 数学公式描述。因为固体激光棒不可避免地存在很多缺陷，折射率不 均匀，在光泵作用下受热而产生光程变化和双折射等。
固体激光的光能横向分布
激光束特征描述及光束传播定义
二、发散角
z ( z ) 0 1 2 0
半导体激光的产生
附带电源的大功率半导体激光器
半导体激光加工头
CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比
激光加工系统的构成
循环水冷系统
激光 器控 制器
激光器
气体供给系统
光束传输及聚焦
CNC控制 工作台
CNC 控制系统
反射镜传输
CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理
光纤传输
光纤传输基本原理
CCD 耦合单元 α 光纤 f1 f2 校准模块
功率：1.3kW 焦距：150mm
材料：齿轮钢 深度：1.5mm 速度：5.5m/min
功率：2kW 焦距：150mm
材料：不锈钢 深度：1.5mm 速度：7m/min
功率：3.5kW 焦距：200mm
材料：不锈钢 深度：1.1mm 速度：8m/min
激光焊接汽车组合齿轮
激光焊接不锈钢传感器
YAG激光器的应用
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。
激光束特征描述及光束传播定义
一、光束的模式