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1、激光加工(包括打孔、标刻、切割、焊接和表面热处理等)、激光快速成型、激光制膜和激光检测等技术的迅速发展。激光先进制造技术在汽车、冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑、造船和微电子工业等领域得到了广泛的应用，例如汽车行业已达到相当高的水平。 激光先进制造技术大致分为：激光加上技术、激光快速成型技术、激光检测技术和微电子器件激光制造技术等。,1.1 激光束特性1.2 材料的吸收和反射特性1.3 激光与固体材料的相互作用1.4 激光加工的热源模型,1.1 激光束特性(1)单色性好。(2)相干性好，方向性好。(3)亮度高。,（4）激光束的聚焦特性,D1和D2是透镜1和2的直径,光束的聚焦深度,文献中
2、对聚焦深度的截取位置各有不同，有些是以从束腰向两边截取至光束半径增大5%处。 另外有些是以光轴上某点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离作为光束的聚焦深度。光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距f的平方成正比，与W12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选择长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。,扫描刀口法：测量激光光斑的尺寸，它是通过激光束扫窄缝(knife-edge)来实现的,(3)透镜的像差。,(a)球差。(b)彗差。（c）像散。(d)场曲率。（e）畸变,单透镜成像彗差,（5）激光窗口和透镜材料,石英、派克斯玻璃和其
3、它玻璃通常可作为3501000nm波长范围的激光器窗口材料。紫外区激光器需要石英、氟化镁或氟化锂作窗口材料。Nd：YAG激光器的窗口材料一般是石英和玻璃，而这些材料在远红外区并不是透明的半导体(如Ge , GaAs ,Z nSe ,CdTe等)材料和碱性卤化物(如KC1,NaCI等)材料可用来作为红外激光器的窗口材料和聚焦透镜材料。,金属卤化物，如KC1,NaCI ，可以作为输出波长为10m的激光器(如CO2激光器)的窗口材料，甚至它还可用作高质量的化学涂层材料，至于半导体材料有较高的化学抗腐蚀性。,作为激光器窗口和聚焦透镜的材料，常需具备如下几方面要求和条件。,（1）对入射光的吸收越小越好。
4、,(2)热导率。窗口和透镜材料要求热导率尽可能大。 (3)硬度和平滑度。窗口和透镜材料要求硬度高，以增加抗擦伤能力;平滑度要求高，以适应镀膜要求。(4)化学阻抗性。光学元件要求在水中溶解度低和抗蚀能力强。,光学元件材料的光学（ 10.6m ）和热学参数,商用的红外光学元件对光热特性有确定的指标。 在透镜的两个面上通常镀增透膜以降低反射率，提高光透过率;其它元件，例如窗口、滤光片，则需在反射面镀增反膜，而在对应面镀增透膜。增反膜涂层需要镀多层，故在许多情况下，镀膜的费用要高于光学元件材料本身的费用。,（6）反射镜：反射镜材料的选择主要依据热破坏性和热变形性。 用于红外区CO2激光器的反射镜的材料
5、有Si , Ge和金属镜(包括铜、铝镜等)，在高功率CO2激光器中的反射镜主要采用金属铜镜和铝镜，并且需对反射镜加水冷系统以防止产生热畸变。,为了提高反射镜的反射率，需在反射镜表面镀膜。通常在金属反射表面镀金膜，但也有的镀多层介质膜，镀过膜的反射镜的反射率高达99%以上。在金属表面镀多层介质膜时，每层的光学厚度等于1/4 激光波长)。在紫外波段区域，用于真空镀膜的材料有MgF2, NaF,A12O3,Z rO2等;在可见光区域，有SiO2和A12O3等;而在红外波段区域，有Si,Ge等。,(7)激光束的光束质量:光束质量因子M2,M2参数同时包含了远场和近场的特性，能够综合描述光束的品质，且具
6、有通过理想介质传输变换时不变的重要性质。对激光束质量因子M2的测量，可归结为光束束腰宽度D。和光束远场发散角的测量。,1.2材料的吸收和反射特性 激光束入射到材料表面，会在材料表面产生反射、散射和吸收等物理过程。,1、材料的吸收特性,一种金属材料，表面没有氧化，且处于真空中，可计算其发射率。垂直入射的材料的发射率为,波长对材料发射率的影响,温度对材料的发射率的影响,金属材料的发射率与温度和金属电阻率有关，并可计算:,在测出材料的电阻率后，即可计算出材料的发射率,氧化层和涂层对材料发射率的影响,当有氧化层存在时，材料的发射率明显增加而且对于一个特定温度，氧化层厚度与时间有关，从而材料发射率也是时
7、间的函数；在某一特定温度时，发射率随时间的增加而增加。,上述实验结果都是在较低的激光功率密度(102-107W.cm-2)下获得的，如果继续增大激光功率密度，那么由于高功率密度激光束辐射的动力效应，会使发射率迅速增加，即会提高激光辐射的热耦合率。高强度激光束的功率密度达到（107-109W.cm-2）时，会产生等离子体;等离子体会吸收一些激光辐射，然后激光又通过等离子体将能量祸合到大面积材料上，这个过程对激光束焦点处的打孔、切割均不利。,当高强度长脉冲激光作用材料时，以下三个步骤实现耦合效率的增加: (1)激光开始作用到材料的表而时，材料表而出现强反射。 (2)等离子体形成，并吸收激光能量和屏
8、蔽激光。 (3)等离子体被消耗，材料藕合效率提高。在激光脉冲开始辐射材料表面时，材料表面被加热，反射率较高，紧接着材料表面产生金属蒸气，形成等离子体，并形成激光维持燃烧波(LSC波)和爆发波LSD波)，这种类型波能强烈吸收人射激光辐射，并屏蔽激光。随着激光束向前移动，等离子体减少，材料表面又暴露在激光的辐射下，且此时材料的耦合效率提高。,激光辐照半导体和绝缘材料的吸收率,图中许多材料在=1m区是不透明的，而在红外区是部分透明的。这是因为在可见光区域有带隙之间的吸收的影响，在红外区吸收主要是自由载体的吸收和跃迁的杂质能级;这也是为什么半导体激光火常用Nd:YAG激光的缘故。,2.材料的反射率材料
9、的反射率随入射波长的变化而改变,从激光与材料相互作用的藕合效率角度来看，希望采用短波长激光器，故目前研究准分子激光器加工的很多，更进一步说，就是研究具有更短波长的自由电子激光器。,随着激光能量密度的增加，材料的反射率会逐渐下降，一旦材料到达它的熔点或沸点，材料的反射率将急剧下降。此外，材料的反射率还与激光的入射角和偏振状态有关。,Rs对所有入射角均较高，然面RP，在靠近切向入射时变得非常小，那么在偏振光垂直人射时的发射率最大，这就是在有些激光加工(例如激光切割和焊接)中为什么常采用偏振光的原因。,1.3 激光与固体材料的相互作用,1、表面效应,玻意耳定律:,（1）金属表面粗糙度发生变化,加热金
10、属表面发生氧化，从而使激光作用区及附近出现与氧化层特性有关的金属氧化色，降低了金属表面的粗糙度。,在激光作用区的金属表面上形成“蒸汽羽”或等离子体，可在金属表面看到金属升华后的痕迹。 在能量不太高的短脉冲激光作用下，金属表面会产生斑点，斑点的特性与金属的种类有关。,例如高熔点金属铁的斑点的表面不平度约为1m，熔点和沸点较低的锌表面斑点的不平度高达3 m。当激光能量密度很高时，由于金属气化量很大，将可看到激光作用区出现类似“火山口”的形态。激光电阻微调就是利用聚焦到微米级的强激光束使电阻膜层按预定的图案瞬间升华，对基片或相邻膜区的影响很小。,（2）.金属表面成分发生变化,在激光将金属加热到高温并
11、保持足够的时间，金属与环境介质发生相互作用，使表面发生化学成分变化。其“火山口”边缘出现了纯铁素体的脱碳区。在金属表面覆盖有硼、石墨、铬、钨、钥等介质时，利用激光可实现钢的渗碳、渗硼和激光表面合金化。,2.内部效应,金属的光学性质可用自由电子模型，当激光辐射作用在表面时，电子通过吸收光子使其能量增加，然后通过碰撞将能量传递给材料内部的晶格，由于电子和离子的质量差别很大，所以这种转换效率比较低，使得电子气比晶格变得更加过热。尽管金属中电子气和晶格的相互作用较弱，但电子、离子的弛像频率大于它们之间转换的弛豫频率，,1.4 激光加工的热源模型,1.4.1 热物理常数,(1)材料的热物理参数是温度的函
12、数，很难得到解析解。(2)实际中，大部分热物理参数随温度变化并不明显，可假定其与温度无关，这样可得到解析解。,若激光作用下材料是均匀和各向同性的,在激光加工中，激光辐射一般能被材料表吸收，不存在体积热源，所以A=O，上式变成,大部分材料，热物理参数均可在手册中查到材料在激光辐射作用下，遵循热力学中的传热的基本规律，也包含热传导、对流、辐射三种形式，但激光加热有加热速度快，温度梯度大等特性，激光作用有脉冲和连续之分，材料表面激光作用区内的激光光强分布不均匀;在激光加热过程中，材料的吸收率及其一些热物理参数随温度升高而变化，至今仍没有一个十分完善的、与实际情况吻合很好的激光加热的热源模型。大多数求
13、解热传导方程都是在如下假定条件下进行的: 被加热材料是各向同性物质; 材料的热物理参数与温度无关或取平均值; 忽视传热中的辐射和对流，只考虑材料表面的热传导,1.4.2 几种典型激光加工的热源模型一、激光束为空间分布均匀、且不随时间改变的热源 (1)当被加热区的横向尺寸远远大于激光加热深度时，可按一维热传导求解,(2)对于一个不随时间变化的均匀圆形面热源加热半无穷大工件，其热传导方程的解较复杂,二、激光束按高斯分布的热源求解,采用高斯分布热源计算的结果与假定为均匀热源的结构基本一致。这说明只要d(kt）1/2激光光斑中心处的温度就均可以用均匀热源代替高斯分布热源求解，ld区域基本未被加热。,第
14、2章 激光熔融与气化激光加热材料表面使得其表面的温度升高、当表面温度达到材料的熔点时，将发生熔融现象；继续加热到材料表面温度达到气化温度时，表面将发生汽化现象。,1 激光熔融现象,当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表面已有部分被熔化而且熔化区的出现使热传导变得很复杂；原因主要因为材料熔化要吸收熔化热；其次材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。,等温面传播的最大距离为最大熔化深度，该物理量是激光焊接中的重要参数。为使问题简化，在激光加热和熔化期间材料的热特性保持不变，且激光强度恒定，均匀地作用于材料表面，熔化（液相区）也均匀地出现在某一平面上，并假设等温面z（t），边界条件为：,激光照射到
15、材料表面时，材料表面温度按热传导的规律升高，但表面温度达到熔点Tm，等温面(熔化波前)以一定的速度向材料内部传播。其传播速度取决于激光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。,式中下标1，2分别表示液相和固相，Tn代表融化温度；Ll为材料的熔化潜热；t是熔化开始后的时间。,tn是激光照射材料表面到材料熔化所需的时间,对于大多数金属而言，,近似成立，所以溶化波前的深度为,在所作用的激光脉宽一定时，应调整作用激光的功率密度，以便在激光脉冲结束时材料表面恰好达到气化温度，以获取最大的熔化深度。,溶蚀时间tn可由热平衡方程近似出,第2节 靶材的气化模型高强度激光脉冲照射金属靶表面分为几个阶段:首先，靶
16、表面达到熔点温度时，就形成一个熔融层，然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能流变为蒸发的潜热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。最后，在强度不是很高的条件下，喷溅蒸气不能形成强吸收，系统达到一个稳定状态。,若激光加热能量分布随时一间变化，则必须假定在每一时刻均存在稳定状态解，然后将所有的点的解集合。,对于蒸发稳定状态，可从温度和蒸气的质量变化率来计算蒸气压力,在更高的强度下，激光和蒸气之间的相互作用变得重要了，温度很高以致部分靶蒸气原子处于激发状态，另外随着蒸气密度的加大，逆韧致辐射过程加强了。,考虑熔融潜热,稳态蒸发解为,铝靶吸收了功率密度为107W/cm2的激光后温度分布,
