将一定比例的 A12O3、 Y2O3 ，和 Nd2O3 在单晶炉中进行 熔化结晶而成。 Nd2O3 的重量比为 0.725% （掺入约 1% 原子 百分比的钕离子），晶体呈淡紫色，它的激活粒子是钕离子 (Nd3＋)。
YAG激光器结构示意图
Nd-YAG激光器的特性
1. 激光为近红外不可见光，保密性好
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
红宝石激光器的特性
优点： 1. 温度效应明显 缺点：
1. 需要高能量的泵浦光源
2. 激光上能级寿命长，有利于 2. 较低的效率 储能，输出能量大 3. 冷却困难，使输出脉冲频率 不能太高 3. 激光器输出红光，适合应用 需要。
（2）钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）
按泵浦方式：电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、 热能激励激光器等 按谐振腔：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器折叠腔激 光器等
根据工作物质分类
固体激光器 气体激光器 ：红宝石，Nd:YAG，钕玻璃
：He—Ne，CO2，离子激光器
：染料激光器 ：同质结，异质结，量子阱
液体激光器
半导体激光器
2.高方向性
激光光束的发散角可以小于一到几个毫弧度，可以认为光束基 本上是平行的。激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距 离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度。
3.高相干性
相干性主要描述光波各个部分的相位关系。因为它的频率 很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向
传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中
固体激光器基本结构示意图
（1）红宝石（Cr3+：Al2O3)激光器
1960-5-17，Ted Maiman 发明 第一台激光器
第一台红宝石激光器原理图
红 宝 石 是 在 三 氧 化 二 铝 (A12O3) 中 掺 入 少 量 的 氧 化 铬 (Cr2O3)生长成的晶体（重量比为0.03%～0.07%)，吸收光谱 特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，各向异性晶体，具有双折射。
Ｓ Ｃ Ｗ １
，式中， W/S是激光的功率密度，C是
b. 表面等离子形成的冲击力
（3）
光作用 光化学反应机制：由于吸收光子能量导致的光分解和裂解 光热化学机制：光子被吸收后分子热振动加剧
1.3 激光表面处理技术
工艺方法
功率密度 （W/cm2） 冷却速度 （℃/s） 作用区深度 （mm）
激光淬火 激光合金化
1.2.4 液体激光器
分类：有机化合物液体激光器(染料激光器) 无机化合物液体激光器(无机液体激光器)
特点：波长可调谐，调谐范围广
可产生极短的超短脉冲(10-15s) 可获得窄的谱线宽度(10-5-10-6nm)
染料激光器结构示意图
1.2.5 半导体激光器
工作物质：半导体材料如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、 碲锡铅(PbSnTe)
（有高的机械强度、高的导热特性） 掺杂材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+） 过渡金属（Cr3+，Ni3+）
固体激光器的特点
能量大，峰值功率高
结构紧凑、牢固耐用 连续输出功率不如气体激光器
固体激光器基本结构
1. 工作物质 2. 泵浦源 3. 谐振腔 4. 冷却系统 5. 滤光系统
可在几分之一秒甚至千分之一秒把金属材料由室
温加热至奥氏体转变温度或熔化温度。
2.2 电子束表面处理原理
电子束表面处理原理： 高速运动的电子具有波的性质，当高速电子束照射到金 属表面时，入射电子能深入金属表面一定深度，与基体金属 的原子核及电子发生相互作用。由于入射电子与原子核的质 量差别极大，和原子核的碰撞可以看作是弹性碰撞。因此， 能量传递主要是通过电子束与金属表层电子碰撞而完成的， 所传递的能量立即以热能的形式传给金属表层原子，从而使 被处理金属的表层温度迅速升高，使表层成分和组织结构发 生变化，达到表面改性的效果。
1.3.2 激光合金化和激光熔覆
激光合金化：利用激光改变金属或者合金表面化学成分的 技术 激光熔覆：用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能 的涂层技术 都是形成合金层，提高工件性能，延长工件使用寿命。 合金化 过程更以基材的熔化为主，通过外加合金改变表 面化学成分； 熔覆 更强调外加合金的熔化，希望在保证冶金结合前提 下尽可能降低稀释率
激光合金化和激光熔
侧向送粉
激光合金化和激光熔覆实例
耐腐蚀（包括耐高温腐蚀）和耐磨损。应用的实例如内燃机的阀和阀 座的密封面的激光熔覆，水、气和蒸汽分离器的激光熔覆等。
激光熔覆工业应用实例
冶金轧辊激光合金化
轴类零件表面激光熔覆
1.3.3 激光非晶化
激光非晶化:是利用激光快速加热和快速冷却的特点加热 材料表面使其熔化，并以大于一定临界冷却速度急冷至低 于某一特征温度，以抑制晶体形核和生长，从而获得非晶 材料的技术。 与急冷法制得的非晶态合金相比，激光法制取的非晶态合 金优点：冷却速度高；激光非晶态处理还可减少表层成分 偏析，消除表层的缺陷和可能存在的裂纹。

激光淬火实例
齿轮的激光强化，比常规热处理高的表面 硬度及硬度分布均匀的相变硬化层，从而 提高其耐磨、耐蚀、耐冲击和耐疲劳性能， 且激光强化过程中工件变形小。
柴油机曲轴的激光强化，发动机台架试验证明，激光强化后的曲轴 颈平均磨损比普通淬火减少90%，曲轴的耐磨性提高1倍以上。
曲轴轴颈表面激光强化
1. 增益介质，2. 泵浦源，3. 反射镜， 4.输出功率藕合器，5. 激光束
激光器示意图
1.2.1 激光器的分类
按工作物质：气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体 激光器等 按运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳 频激光器、可调谐激光器
按波长：红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、毫米波激 光器、X射线激光器等泵
104-105 104-106
104-105 104-105
0.2-3 0.2-2
激光熔覆
激光非晶化 激光冲击硬 化
104-106
106-1010 109-1012
104-106
106-1010 104-106
0.2-1
0.01-0.1 0.02-0.2
1.3.1 激光淬火
也称激光相变强化。是在固态下经受激光辐照，其表层被 迅速加热，并在激光停止辐射后快速自冷却使表面硬化的 一种工艺方法。 极快的加热速度和冷却速度 柔性好，易于自动化生产 精密节能 自淬火
CO2激光器基本结构
输出特性
(1) 放电特性 相应于 CO2 激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。 CO2 激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压， 以及气体混合比有关。 (2) 温度效应 CO2激光器将有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升 高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下 能级的热激发，这都会使粒子反转数减少。并且，气体温度的 升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度 的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子 浓度。
气体激光器的特点
气体激光器的工作物质：气体或蒸汽 波长范围：紫外到红外 优点： 1.工作物质均匀性好，光束质量好
2. 连续输出功率高
3. 转换效率高 4. 结构简单 5. 成本低 应用：准直、导向、计量、材料加工、全息术、医学、农 业育种、国防等
（1）CO2激光器
工作物质为二氧化碳，加入氮气、氦气作为辅助气体，以提高 输出功率和效率。 主要特点：输出功率和能量相当大，既能连续工作，又能脉冲 工作，峰值功率高，能量转换效率达20~25%；输出波长分布 在9～18 m，已观察到上百条谱线，其中10.6m最重要。
2、电子束表面处理
主要内容：
1、电子束表面处理的主要特点
2、电子束表面处理工艺
3、电子束表面处理设备 4、电子束表面处理应用
2.1 电子束简介
电子束是一束集中的高速电子。 特点：
它的速度取决于加速电压的高低，可达到光速的
2/3左右。
具有高的功率和功率密度的电子束撞击材料表面，
可使能量沉积在材料的亚表层区域，并可形成亚 稳金属合金。
较小。
（7）工件尺寸受真空室的限制，尤其是对大批量流水线生产来说 更是无法接受。
（8）当使用电压超过150 kW时，电子束易激发X射线，使用过程
中应注意防护。
2.4 电子束表面处理工艺
电子束表面改性
固态相变
液态相变
电子束表面淬火
电子束表面熔凝
电子束表面熔覆
电子束表面合金化
电子束表面精 细化
电子束表面非 晶化
电子束预涂气 体合金化
电子束预涂敷 层合金化
不同材料电子束处理的技术分类
2.4.1 电子束表面淬火
电子束以很高的速度轰击金属表面，电子与 金属材料中的原子相碰撞，给原子以能量，使金 属表面温度迅速升高。当材料被加热到奥氏体点 以上、熔点以下时，采用自身淬火冷却，达到表 面硬化层。由于自身冷却的冷速可以超过105 K/s， 获得的表面硬化层的硬度比感应加热、火焰加热 等高出几个HRC单位，组织也更为细化。
特点：体积小、效率高、结构简单、成本低 应用：光纤通讯、光盘、准直、显示等
1.2.6 激光与物质的作用机理
激光与物质作用的几个阶段：
①激光照射到材料表面；
②激光被材料吸收变为热能；
③表层材料受热升温；
④发生固态转变、熔化甚至蒸发；
⑤材料在激光作用后冷却。
1.2.6 激光与物质的作用机理
（1）热作用 由于激光光子的吸收而产生的热效应 （2）力作用 a. 光压： I = 光子的速度 －•－
1、 激光表面处理