激光器的种类及应用.ppt

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1、激光器的种类,按功率分：超大功率、大功率、中功率、小功率激光器； 按输出激光连续性状况分：连续激光器、脉冲激光器； 按泵浦方法分：光泵浦激光器、电泵浦激光器等。 一般按激光工作物质的类型来划分:气体. 液体 .固体 .半导体激光器,激光器的种类,气体激光器,以气体为工作物质的激光器。 目前应用最广泛的一类激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。 大多数能连续工作，激励过程中涉及能级较固定，采用气体放电中的电子碰撞激发。 根据能级跃迁类型，又分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。,1.原子气体激光器,工作物质：中性气体原子。 典型代表：He-Ne激光器。其激活介质按He:Ne

2、=1:10填充，氖提供激光跃迁能级。,气体激光器,发光波长：0.6328m红光，3.39m、1.15m红外光。通常腔镜选取0.6328m 输出功率：较小(几mW到100mW） 能量转换功率：较低(0.01%） 单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度达几十公里 应用：精密计量、准直、测距、通讯、跟踪及全息照相等。,2.离子气体激光器,工作物质：离子气体。 输出波长：大多在紫外和可见光区域，输出功率比原子气体激光器高。 代表： 激光器， 输出波长：最强的是 的蓝光和 的绿光， 输出功率：达 ，最大可达 ，可见光谱中连续输出功率最大的气体激光器。 能量转换效率：千分之几

3、所需泵浦功率高，需加冷却水、热交换器等。,用途：彩色电视、全息照相、信息存储、快速排字、理论研究、医学、染料激光器泵浦源。,气体激光器,3.分子气体激光器,工作物质：中性气体分子的激光器。 代表： 激光器，其能级与分子的振动和转动有关。充气： 输出波长： 红外，正处于光通信“大气窗口”中，常被用作地面和空间光通信光源 效率：高达30%， 输出功率：近似与管子长度成正比，很易从1米长激光器中获得100W连续功率输出 脉冲激光器输出功率可达千兆瓦量级。 又可分为直流放电型、横向放电大气压(TEA) 型和波导型,(a)直流放电型,(b) TEA型,(c)波导型,气体激光器,4.准分子激光器,工作物质

4、：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体， 输出波长处于紫外波段的高效脉冲激光器，通常作为分光、激光加工、光刻的光源。 一般稀有气体非常稳定，很难与其他原子结合形成分子， 一旦被激发易与其他原子结合形成分子准分子， 准分子：激发态很稳定，基态不稳定立即分解，因而可获得理想的反转分布。 稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长(nm)不同。,准分子激光器激光波长(nm),放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千

5、帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。,液体激光器,激光工作物质：液体。 可分为无机液体激光器和有机液体激光器。染料激光器最有代表性， 优点：波长连续可调（调谐范围从紫外直到红外）、价格低、增益高、效率较高、制备容易、 激光均匀性好、输出功率可与固体和气体激光器相比、 可以循环操作、利于冷却。 典型例子：若丹明6G染料激光器。,泵浦：，波长稍短于激光器输出波长的光泵， 泵浦方式：(1)横向泵浦，泵浦光束与染料激光束垂直； (2)纵向泵浦，泵浦光束与染料光束同轴； (3)倾

6、斜入射式泵浦，泵浦光束与染料激光束成一锐角。,(a)脉冲激光激励型,(b) 连续激光器激励型,层流式染料激光器结构示意图,固体激光器,激光工作物质：生长期间人为掺入杂质原子的晶体。 特点：体积小，结构稳，易维护，输出功率大且适于调Q产生高功率脉冲、锁模产生超短脉冲 典型例子：红宝石激光器、Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）、钛蓝宝石激光器等。,Nd:YAG激光器结构示意图,半导体激光器,工作物质：半导体材料（主要是化合物半导体） 泵浦：电流注入,特点：输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单， 与集成电路生产工艺兼容，价格低廉，可靠性高，寿命长等 目前销售总数量已

7、占各种激光器的99，成为世界激光器市场上的绝对主流。,1.同质结半导体激光器,是更复杂、更高性能半导体激光器的基本结构，简单、直观而 精练地体现了半导体激光器的工作原理，便于建立清晰的概念。,激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。 粒子数反转分布通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， 导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。 谐振腔一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高

8、，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质FP腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果,半导体激光器,2.异质结半导体激光器,由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs，所组成的一种夹心结构。 高带隙势垒可以阻止注入载流子向注入端深层扩散，从而增加反转粒子数密度， 改善激光器的温度特性，缩短有源区厚度，降低阈值电流密度。,与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄、阈值 电流密度低、内部损耗低、电光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出 波长等一系列优点。,半导体激光器,3.量子阱半导体激光器,两个高势能的阱壁夹住一个低势能阱

9、底就构成了一个势阱，双异质结构就是这样 一个半导体势阱。这类势阱中，当有源区的厚度被减少到同电子的德布罗意波的波长 差不多（约10nm）时，就会发生量子尺寸效应，此时的势阱就称为量子阱。,应变量子阱阵列激光器： 略微改变重叠层材料的晶格常数可使量子阱的材料层形成应变，由此构成的激光器。 输出功率更高。,优点： 阈值电流小，功耗更低，输出功率更高，发射光谱更纯，温度特性更好，噪音更低 响应速度更快，波长覆盖范围更宽，更容易阵列化， 为现代光信息系统提供了一个优异且实用的光源。,量子阱半导体激光器: 有源区由多个夹层状量子阱结构重叠而构成的半导体激光器，,激光器的应用,继固体激光器后, 气体激光器

10、、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X 射线激光器和光纤激光器相继问世, 运用范畴也扩展到比如电子、轻工、包装、礼物、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制作、钢铁、冶金、石油等, 为传统工业的技能改造和制造业的现代化供给领先的技能装备。,激光器的应用,激光与通常光对比有4个特性即: 单色性( 单一波长) 、相干性、方向性和高光强。激光束易于传输, 具有极高功率密度的激光光束能够熔化、气化任何材料, 也可对材料的有些区域进行精细疾速加工。加工过程中输入工件的热量小,热影响区和热变形小; 加工功率高; 易于完成自动化。激光技能是一门归纳性高新技能, 触及光学、机械学、电子

11、学等学科。一样, 激光加工设备也触及到很多学科, 因此决议了它的高科技性和高收益率。纵观世界和国内激光运用状况经过多年的研讨开发和完善, 今世的激光器和激光加工技能与设备已适当老练, 形成了系列激光加工技能。 我们来介绍激光加工技能在金属切开、焊接方面的运用状况。,激光器的应用,1 激光切开的特色及运用 激光切开是当时各国运用最多的激光加工技能, 在国外许多范畴, 例如, 汽车制作业和机床制作业都选用激光切开进行钣金零部件的加工。跟着大功率激光器光束质量的不断提高, 激光切开的加工目标规划将愈加广泛, 简直包含了一切的金属和非金属资料。例如能够运用激光对高硬度、高脆性、高熔点的资料进行形状杂乱

12、的三维立体零件切开, 这也正是激光切开的优势地点。 激光切开的几项关键技能是光、机、电一体化的归纳技能。激光光束的参数、机器与数控体系的功用和精度都直接影响激光切开的功率和质量。激光切开的精准度、功率和质量因不一样的参数而改动, 如切开功率、速度、频率、资料厚度及原料等, 故操作人员的丰厚经历特别重要。,激光器的应用,如今, 选用激光切开体系的公司首要分两类: 一类是大中型制作公司, 这些公司出产的商品中有很多板材需求下料、切料, 而且具有较强的经济和技能实力; 另一类统称为加工站, 专门对外接受激光加工事务, 本身没有主导商品。它的存在一方面可满意一些中小公司加工的需求, 另一方面在前期对推

13、行运用激光切开技能带来宣扬演示的效果。 激光切开的几项关键技能是光、机、电一体化的归纳技能。激光光束的参数、机器与数控体系的功用和精度都直接影响激光切开的功率和质量。激光切开的精准度、功率和质量因不一样的参数而改动, 如切开功率、速度、频率、资料厚度及原料等, 故操作人员的丰厚经历特别重要。,激光器的应用,激光切开的首要长处 (1) 切开质量好: 切断宽度窄，精度高、切断外表粗糙度好, 切缝通常不需求二次加工即可焊接。 (2) 切开速度快, 例如选用2kW激光功率, 厚度8mm的碳钢切开速度为1.6m/min; 厚度2mm的不锈钢切开速度为3.5m/min, 热影响区小, 变形极小。 (3)

14、清洗、安全、无污染, 大大改进了操作人员的作业环境。 激光切开归于非触摸光学热加工, 被誉为“永不磨损的全能东西”。工件能够进行恣意方法的严密排料或套裁, 使原资料得到充分运用。因为对错触摸加工, 加工后的零件的歪曲表象降至最低并减少了磨损量。 其实激光切开亦有其不足之处, 就精度和切断外表粗度而言, 激光切开未能超越电加工, 就切开厚度而言难以达到火焰和等离子切开的水准。别的它亦不能像转塔冲床一样进行成型、攻牙及折边等。,激光器的应用,激光切开的典型运用 1 汽车范畴的运用 领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量,

15、 然后完成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在奔驰、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。 2 航空范畴的广泛运用 世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或特别资料的激光切开都获得了成功。,激光器的应用,2.激光焊接的特色及运用 激光焊接是一种高速度、非触摸、变形极小的焊接方法, 十分合适很多而接连的在线加工。跟着激光设备和加工技能的开展, 激光焊接才能也在不断增强。当前, 运用4kW的C02激光器焊接1mm的板

16、材, 焊接速度高达20m/min, 例如, 汽车职业的轿车箱底的大板拼接焊接作业等。激光焊接的方法首要有传导焊和穿透焊2 种。当前全球的激光运用首要以穿透焊为主。近些年来, 高功率万瓦级激光器在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的运用。,激光器的应用,激光焊接机与其他焊接技能对比, 首要长处是: (1) 激光焊接速度快, 焊缝深宽比很大( 可达510) , 变形小。 (2) 合适于精细件、箱体件和有密封需求焊接件的加工。激光束经集合后可获得很小的光斑, 能精细定位, 可运用于大批量自动化出产, 不只出产功率大大提高, 且热影响区小, 焊点无污染, 大大提高了焊接的质量。 (3) 激光焊缝

17、机械功用好, 通常焊缝的机械功用均强于母材。 (4) 焊接时, 无需屏蔽或真空环境, 对工业化规划出产含义很大。 (5) 经过激光送丝焊接和激光送粉焊接等新技能技能, 完成激光产业化运用, 开辟了激光焊接新的运用范畴。 (6) 可焊接难以接近的部位, 施行非触摸远距离焊接。特别是近几年来, 在YAG 激光加工技能中选用了光纤传输技能, 使激光焊接技能获得了更广泛的推行与运用。 总归, 激光焊接有如下优势: 高强度, 超长寿数;高焊接速度, 功率高; 搭接接口技能简略, 废品率低;低定位精度适于产业化出产。首要运用于军工公司、食品工业、化学工业、石化工业。,激光器的应用,激光焊接的典型运用 1

18、激光焊接汽车用大板拼接的运用 为了满意汽车职业对宽幅钢板和特别功用钢板的需求, 经过激光焊接进行大板拼接, 满意汽车厂大型三维功用冲压件的需求。全球汽车制作商都已完成此类部件的激光焊接运用。例如, 奔驰、宝马、通用、丰田、欧宝SAAB、戴姆勒一克莱斯勒等很多公司都早已运用。能够把1m宽的冷轧钢板, 经过激光焊接, 拼成2m 宽的钢板。 2 激光焊接在齿轮加工方面的运用 激光焊接齿轮的技能从根本上改动了传统的描绘和制作理念, 为齿轮箱体类部件的加工供给了非常好的经济性和更为紧凑的布局。运用激光焊接齿轮技能, 需求先加工整个环状长齿圈, 然后截成若干个齿圈, 再别离依据齿轮箱的需求焊在传动轴上,激光加工技能已在很多范畴得到广泛运用, 跟着激光加工技能、设备、技能研讨的不断深入, 将具有更宽广的运用远景。,