激光应用的物理基础课件

下篇下篇 应用篇应用篇 激光器的发明，实现了高亮度和高时空相干性的光源，激光器的发明，实现了高亮度和高时空相干性的光源，从而使光子不仅成为信息的有效载体而且也成为能量的有效从而使光子不仅成为信息的有效载体而且也成为能量的有效载体。载体。激光的出现是在光学领域里发生的一次巨大的变革。它激光的出现是在光学领域里发生的一次巨大的变革。它使当时那种认为光学处于停滞状态，而且感到光学的研究已使当时那种认为光学处于停滞状态，而且感到光学的研究已经枯竭的局面一扫而光了，激光使光学的面貌焕然一新。经枯竭的局面一扫而光了，激光使光学的面貌焕然一新。激光器的诞生标志着量子光学由学术走向技术，使传统光学、近代光学进入现代光学和光子学的新世纪。在总结20世纪的伟大成就时，激光是被认为继原子能、半导体、计算机之后的又一重大发明。计算机延伸了人的大脑，而激光延伸了人的五宫，激光是探索自然奥秘的超级“探针”。今天，激光无时不在，无处不在，应用几乎遍及所有领域。本篇重点介绍六个方面的应用。激光应用技术第 七 章 激光应用的物理基础第 八 章 激光制造技术第 九 章 激光传感与测量第 十 章 激光在信息技术中的应用第十一章 激光在基础科学和前沿科学中 的应用第 十二 章 激光在医学中的应用第十三章 激光在军事领域的应用及最新 进展第七章 激光应用的物理基础深圳大族龙门式激光加工系统第一节 激光光束的特性 高强度、高方向性、高单色性和高相干性光源光源一、高强度太阳1mW He-Ne激光器大功率激光器 SE光源亮度-单位面积、单位时间在垂直于光源 表面的单位立体角内发射的能量。立体角定义立体角定义：=S/r2Sr 太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。二、高方向性激光器激光器Laser测月红宝石激光器测月红宝石激光器=0.031mradD=1.6km=25mrad（毫弧度）毫弧度）(1km时光斑直径时光斑直径10m)氦氖激光器是目前发散角最小的激光器，可达到 rad，较探照灯高3个量级。激光所包含的波长或频率范围极小一束普通的红光频率范围：Laser6328埃的He-Ne激光（中心频率（理论值，实际几赫兹）三、高单色性 单频氦氖激光器的谱宽度可达 nm 氪灯86Kr谱线宽度是 nm 单色性好单色性最好的氪灯单色性最好的氪灯KrKr8686 =4.7=4.71010-3-3 nm nm 稳频稳频HeHeNeNe激光器激光器 激光的单色性比普通光高 倍.相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中各点光振动在频率、振动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。四、高相干性 原子发光时间和所发光的频率宽度成反比，即：相干长度：光波在空间能够产生干的最大距离LH=c tH相干时间：能够产生干涉的最大间隔时间 tH 激光的非常小，激光的相干时间t 很大普通光源的相干长度约为1mm至几十cm，激光可达几十km.杨氏双缝干涉单单缝缝双双缝缝屏屏Ir圆孔衍射 光的单色性越好，则其相干性也越好。光的单色性越好，则其相干性也越好。二者是统一的二者是统一的.激光的空间相干性空间相干性：空间两点在同一时刻的 相干性 时间相干性：是指空间一点在两个不 同时刻的相干性 第二节 激光光束特性对激光加工的影响激光器的输出特性：激光波长、输出能量和功率、空间分布特性、时间特性、偏振特性、光谱特性、频率稳定性、增益特性、相干性等 一、激光波长光束传输、变换的影响，材料吸收的影响。二、输出能量和功率脉冲激光器：用输出能量来描述 峰值功率：Pm=E/TPm=E/T平均功率：P=P=EfEf三、空间分布特性1、高斯光束及其聚焦 高斯光束：振幅和等相位面都在变化的高斯球面光波 基模（TEM0000）的高斯光束几个重要概念：光斑半径：束腰半径：光斑半径达到极小值其值称为束腰半径 高斯光束及其参数上式：/0既束腰半径发散角：当基模高斯光束横截面上的强度下降到中心强度的1/e2时点对应的全角宽度。2、发散角及光斑模式压缩发散角提高功率密度 横模选择：小孔光阑非稳 腔等 多模的合理利用四、时间特性 连续激光器 用功率瓦表示脉冲激光器（普通、调Q、超短脉冲）五、偏振特性激光偏振状态对切割的影响第三节 激光加工的特点 作用点小（微米级）作用时间短（纳秒甚至飞秒）功率密度高（W/cm2）（电子束 W/cm2）激光加工的主要特点：1、激光功率密度高，可以加工几乎所有材料。（高硬度材料、耐高温材料等）2、激光加工属于非接触加工，速度快、效率 高、无噪声。3、激光加工属于局部加工，热影响区小，热变形和加工变形很小。4、由于光斑小和作用时间短，可以进行 精细的微加工。5、由于激光的空间和时间控制性很好，便 于机器人、计算机、数控机床、自动检 测技术和设备相结合，实现自动化加工。6、与电子束加工相比，设备相对简单，使 用方便。7、可以一机多用，完成不同的工作。8、可以对透明的物体内部进行加工。各种参数条件下激光加工的可能应用和影响第四节 激光与物质的相互作用一、激光与物质相互作用的物理基础 激光加工的物理基础，涉及多学科和能量转换及物质形态变化。1、激光与物质相互作用的能量转换能量守恒定律 ：R+T+=1 布格尔定律：材料吸收率2、吸收率影响吸收率的主要因素：、波长的影响：吸收率 是波长的函数。、温度的影响：随着温度变化，材料对激光的吸收 率 也随之变化。温度越高，吸收率增大。、其他因素；激光入射角、材料表面状况等。二、金属材料对激光的吸收 1、金属表面的反射和吸收自由电子密度越大，即电导率越大，反射率越高 2.、金属表面反射率与波长的关系3、金属性质和表面状态的影响增加吸收，表面处理：粗糙、污染、氧化、磷化等三、非金属材料对激光的吸收1、绝缘材料对激光的吸收非金属材料：吸收率高 激光光学材料：选择透射率高、吸收率小的材料 2、半导体材料对激光的吸收半导体材料对可见光不透明，对红外光透明，如锗 四、光致等离子体 等离子体的热传导有三种形式：1、等离子体与材料表面的电子热传导。2、等离子体辐射的短波长光波。3、受等离子体压迫而返回表面的蒸气的凝结。五、激光防护1、危险性 激光辐射的危害电器危害污染噪声2、防护标准工程控制个人防护3、标识激光危害分类：1类激光产品：无危险2类激光产品：小于1mW的连续 激光，低危险3A类激光产品：15mW的连续 激光，低危险3B类激光产品:脉冲小于10J/m2连续 小于0.5W，中等危险4类激光产品：大于3B类，高危险激光辐射警告标志图说明标志第五节 激光加工用光学系统光束传输和变换系统一、激光光学元件1、透射型光学元件 激光器输出镜、聚焦系统的透镜、光路中的棱镜等、CO2激光器常用的三种材料：锗（GeGe）、砷化镓（GaAs）、硒化锌（ZnSeZnSe）、Nd:YAG 激光器：普通冕牌光学玻璃2、反射型光学元件、激光器的全反射镜、导光系统中的折反镜、光路中的反射镜红外波常用铜和钼，其中铜要镀金膜3、光学镀膜、介质膜（增透、增反、特定透射率）、金属膜二、光学聚焦系统1、高斯光束聚焦、发散角：、透镜后光斑直径：DF、焦平面的功率密度：2、倒置望远镜系统倒置望远镜系统也称扩束镜作用：压缩发散角开普勒望远镜伽利略望远镜倒置望远镜系统压缩光束发散角薄透镜对高斯高斯的变换3、透镜聚焦系统 透射式聚焦：透镜4、反射聚焦系统反射式聚焦：凹面镜，适合功率密度非常大时 卡格林系统球面反射镜的聚焦光路三、光学匀光系统扫描器1、扫描器振镜 振镜扫描装置转镜扫描角：转镜分辨率：2、积分镜积分镜结构转镜扫描装置3、二元光学匀光系统 二元光学元件以光的衍射为其工作原理，采用计算机设计与微电子加工技术在片基表面制作 深度为亚微米级、台阶形分布的纯相位元件。意义：二元光学是光学设计和元件制作工艺上的一场革命，它的诞生促进了光学设计原理从 折射向衍射发展，光学元件从宏观与散件向微型与集成发展。应用：光束波前整形和重建、光束匀滑、光束分束与合束像差矫正、光束准直、长焦深器件、激光聚焦矫正、坐标变换等。采用二元光学器件的二元光学匀光系统可以将椭圆高斯光束变换为均匀圆光束，将圆光束变换成矩形、三角形、线形等形状的均匀光束，同时实现了改变光束形状和能量分布均匀化的功能。4、平场透镜（f-透镜）系统 平场透镜系统的结构 f-透镜的像高和其入射角成正比。假设焦点距离为f，其像高Yf。使用f-透镜可以方便地实现等速扫描。Yf四、光学导光系统1、光纤导光系统优点：体积小，结构简单、柔性；一机多工位；长距离传输光束不发散；光束均匀；便于同机器人及其它器件耦合。2、多关节式导光系统 作业及思考题：1、激光器的那些输出特性对激光加工有 影响？并分别举例说明之。2、激光作用到材料上，材料会有那些变化？3、试说出5种常用激光器及应用。4、激光扩束器的作用？发散角与光斑 直径的关系？5、什么是光学匀光系统？举出两种。6、简述振镜、f-镜工作原理