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2、用激光器及应用 专著光机电一体化手册专著光机电一体化手册湖北、武汉激光技术及产业特点湖北、武汉激光技术及产业特点东湖新技术开发区东湖新技术开发区500500平方公里；平方公里；湖北省激光技术四代人的奋斗；湖北省激光技术四代人的奋斗；武汉武汉“武汉武汉中国光谷中国光谷”；2 20000家激光企业；家激光企业；上市公司上市公司：华工科技：华工科技、金运激光、金运激光；成为我国激光技术研究、激光产业和激光专业人才培养的重要成为我国激光技术研究、激光产业和激光专业人才培养的重要基地之一。基地之一。国际形势国际形势LASER FOCUS WORLD激光产品销售10%的速度增长；2012年激光加工用激光器
3、80亿美元；激光加工装备年产值140亿美元。激光产业链结构激光产业链结构中国激光产业布局中国激光产业布局湖北激光产业布局湖北激光产业布局完善的产、学、研基地完善的产、学、研基地完善的完善的 产学研产学研 基地基地博士点博士点博士点博士点武汉光电国家实验室（筹）武汉光电国家实验室（筹）武汉光电国家实验室（筹）武汉光电国家实验室（筹）博士后流动站博士后流动站博士后流动站博士后流动站激光技术国家重点实验室激光技术国家重点实验室激光技术国家重点实验室激光技术国家重点实验室国家重点学科国家重点学科国家重点学科国家重点学科激光加工国家工程研究中心激光加工国家工程研究中心激光加工国家工程研究中心激光加工国家
4、工程研究中心华工科技产业股份有限公司华工科技产业股份有限公司华工科技产业股份有限公司华工科技产业股份有限公司华中科技大学华中科技大学教育部直属全国重点大学，首批教育部直属全国重点大学，首批211211、985985工程工程光电国家实验室光电国家实验室 激光加工国家工程研究中心激光加工国家工程研究中心 博士后流动站博士后流动站 博士点博士点 国家重点学科国家重点学科激光加工国家工程研究中心激光加工国家工程研究中心全国首批全国首批49个工程中心之一，我校最早第一个个工程中心之一，我校最早第一个第一章第一章 激光基础概论激光基础概论1.1 激光器基本结构原理1.2 激光束描述及特点1.3 光腔基本计
5、算理论1.4 主要激光技术1.1 激光器的基本结构激光器的基本结构任何激光器都由工作物质、激励系统和光学谐振腔工作物质、激励系统和光学谐振腔三个基本部分。1.1.1 工作物质工作物质激光器核心部分，它是一种用来实现粒子数反转和产生光的受激辐射作 用的物质体系，可以是固体(如晶体、玻璃等)、气体(原子气体、离子气体、 分子气体等)、半导体及液体(有机或无机液体)等材料。CO2激光器的工作物 质由CO2、N2、He等气体按一定比例混合而成，通过CO2分子振转能级的跃 迁而产生激光。Nd3+ ：YAG激光器的工作物质是钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12) 。激光器基本组成原理图 1.1.2 1.1.2
6、 激励系统激励系统激励系统是提供激励能源的装置，用于将下能级粒子输送到上能级上去，使得工作物质实现粒子数反转。常用的激励方式有气体放电激励、光学激励、化学反应激励、热激励和核能激励等。气体激光器常采用气体放电激励气体在辉光放电时，部分气体粒子电离后产生的电子在高压激励电场作用下获得较大的动能，电子再与气体粒子碰撞将能量转移给粒子使其激发到高能级，从而在某对对待的能级间实现粒子数反转。实际的气体激光器可用脉冲放电、直流放电、交流放电和高频放电等多种方式来激励放电激励装置由适当结构的放电电极和电源设备等组成。固体和液体激光器采用光学激励固体和液体激光器采用光学激励即利用外界光源发出的光辐照工作物质
7、使其实现粒子数反转。光学激励系统由光源和聚光器组成，光源一般高压氙灯，氪灯或卤钨灯。这些光源一般发射连续光谱，而工作物质则对光谱区中的某些谱线或谱带有较强的吸收，使得与这些吸收谱线或谱带对应的能级获得粒子数积累。1.1.3 1.1.3 光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔是激光器的重要组成部分，对激光的形成和激光束的性质有重要影响。光在激活介质内传播实质是光的放大，谐振腔起正反馈的作用，维持光的振荡。（1 1）谐振腔的作用）谐振腔的作用 激活介质实现了粒子数反转后，在激活 介质两侧加上一对平行的反射镜，使垂 直于反射镜的初始光子来回通过激活介 质，进一步“刺激”其他在亚稳态的粒子 发光，产生连锁反应
8、，光子数目越来越 多，引起雪崩式光放大作用，在极短的 时间内由部分反射镜输出强激光，这一 对反射镜就构成了激光谐振腔。在激光 谐振腔内，只有沿轴线附近传播的光才 能被来回反射形成激光，而其他方向传 播的光被逸出腔外。因此，激光具有很 好的方向性。谐振腔的作用(2)(2)谐振腔的形式谐振腔的形式 光学谐振腔可以按不同的方法分类，如分为球面腔和非球 面腔、两镜腔和多镜腔、高损耗腔和低损耗腔、端面反馈 腔和分布反馈腔、折叠腔和环形腔等。由于各种复杂腔都 可以化为等效的两镜腔，所以只讨论由两个反射镜构成的 两镜腔。常用的激光两镜腔的主要形式有平行平面腔、双 凹腔和平凹腔。(a) 平行平面腔 (b) 双
9、凹腔 (c) 平凹腔 常用激光两镜腔的主要形式平行平面腔平行平面腔由两个平行平面反射镜组成， 光学上称为法布里一珀罗干涉仪，简称为FP腔 ，多用于固体激光器。双凹腔双凹腔由两个凹面反射镜组成，其中一种 特殊而常用的形式是共焦腔，由两个曲率半径相 同的凹面反射镜组成，且两镜间距离等于曲率半 径，两镜面与焦点重合，“共焦腔衍射。损耗小， 调整容易。平凹腔平凹腔由一个平面反射镜和一个凹面反射 镜组成，其中一种特殊而常用的形式是半共焦腔 ，相当于共焦腔的一半，因为光在腔内来回反射 ，因此，它在光学上与共焦腔是等价的。无论哪种形式的谐振腔，两个反射镜中，至少无论哪种形式的谐振腔，两个反射镜中，至少 有一
10、个是部分透射，或者有某种耦合的机构，以有一个是部分透射，或者有某种耦合的机构，以 便于使腔内激光输出。便于使腔内激光输出。1.2 1.2 激光光束描述及其主要特点激光光束描述及其主要特点按照激光光束对激光加工的影响，可以把激光加工光束特性参数按照激光光束对激光加工的影响，可以把激光加工光束特性参数按下图所示形式进行分类。按下图所示形式进行分类。激光光束参数激光束功率及功率密度偏振特性连续/脉冲能量特性光束质量光束模式异形光束模式特性焦点位置焦点大小焦深焦点特性这些光束特性参数并不是独立的，而是相互影响的。这些光束特性参数并不是独立的，而是相互影响的。 同样功率的激光束，光束质量越好，聚焦焦点就
11、越小，焦点的功同样功率的激光束，光束质量越好，聚焦焦点就越小，焦点的功 率密度就越大。率密度就越大。 同一束激光，采用短焦距聚焦镜，可得到较小的聚焦焦点和较大同一束激光，采用短焦距聚焦镜，可得到较小的聚焦焦点和较大的焦点功率密度。的焦点功率密度。 光束质量作为光束特性中最重要的参数之一，对光束能量分布、光束质量作为光束特性中最重要的参数之一，对光束能量分布、聚焦焦点大小、功率密度大小等重要参数有很大影响，是评价激聚焦焦点大小、功率密度大小等重要参数有很大影响，是评价激光制造系统的关键参数光制造系统的关键参数,它不仅标志了激光制造系统的可加工能力它不仅标志了激光制造系统的可加工能力，还对激光材料
12、加工过程产生重要的影响。，还对激光材料加工过程产生重要的影响。 激光器选择-三看-一看波长，二看模式，三看功率1. 1. 激光束单色性激光束单色性激光的单色性比普通光高激光的单色性比普通光高 倍倍. .1010由于激光的单色性好，为精由于激光的单色性好，为精密度仪器测量和激励某些化密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极学反应等科学实验提供了极为有利的手段。为有利的手段。2. 2. 发散角发散角激光的一个重要优点在于它是高度准直的，有良好的方向性，能够远距离传输而不显著扩束并能聚焦于一个小的光斑内。实际的激光都有一定的发散，发散角的最小值由光束的衍射所决定。下面讨论这个发散角的衍射极限
13、。高斯光束在自由空间传输仍维持高斯光束，但其横向尺寸扩大。高斯光束传输公式：高斯光束传输公式：Z0：束腰位置；：束腰位置； W0：束腰半径；：束腰半径；：远场发散角：远场发散角任何旋转对称的激光束具有三个参数特点：光腰位置、光束束腰半任何旋转对称的激光束具有三个参数特点：光腰位置、光束束腰半 径和远场发散角径和远场发散角( (半角半角) )。基模高斯光束光斑半径随传输路程计算，由此可求 其发散角的半角为 发散角随z的增大而加大。在Z=0时， =0，表明 在共焦腔的中心处，即在光束的束腰处，光束是 平行的。当z=f时，后者是光束在共焦腔镜面处的发散角。当z时，有 发散角达最大值，称为远场发散角。
14、() ()dzz d zzf 0( )2,/(2)ff 0f 高阶横模光束的发散角比基模光束的大。对于 轴对 称情况，x方向的半轴长其发散角为相应的基模光束的发散角。在y方向，有 。对于旋转对称情况，则 。由于整个激光系统不可避免地存在各种缺陷，实际激 光的发散角均大于以至远大于其衍射极限。1()()2mxzmz00001,2mm0 01 2nn00122mnmn方向性好方向性好 （发散角（发散角10 -4弧度）弧度）一束激光射到一束激光射到38万万km的月的月 球上，光斑的直径只有球上，光斑的直径只有2km手电筒的光射到手电筒的光射到m处，扩处，扩 展成很大的光斑展成很大的光斑。 利用激光准
15、直利用激光准直 仪可使长为仪可使长为2.5km 的隧道掘进偏差不的隧道掘进偏差不 超过超过16nm.激光准直、导向和测距就是利用方向性激光准直、导向和测距就是利用方向性 好这一特性。好这一特性。 发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度发散角小、聚焦光斑小，聚焦能力密度 高。高。3.3.光束质量光束质量多种具有特征化的值被用于描述激光束的质量：K K因子因子、 光束质量因子光束质量因子(M(M2 2 ) )及光束参数积（及光束参数积（BPPBPP），），这些特征值通过简单计算能相互直接转换。光束参数积是0和0的乘积，在整个激光传输区域守恒。例如，通过安装透镜或扩束镜来改变光束直径，将会影响光束的发散角。因此，光束参数积用来衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔径效应的光学系统时才会影响外光路的光束参数。与K可表示为： ,这两个特征值用来描述理想激光的特性，即：K值在0.11之间。M2值在110之间。BPP值通常用来取代和K，描述那些光束特性相对远离理想值的激光，即：K值远低于0.1或远大于10。这三个特征值可以用来描述所有圆形对称的激光这三个特征值可以用来描述所有圆形对称的激光2 0011KM 激光光束激光光束M M2 2因子因子
