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1、激光与物质相互作用的物理基础2. 激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。激光是一种特定介质（如红宝石、钇铝石榴石或CO2）在电、光或者其他能量的激发下反复振荡、放大后射出的一束光子流。这束光子流波长单一（单色性好），发散角小（方向性好），具有相干、高能、高亮度等特性，经聚焦后可达到很高的功率密度（1061012W/cm2），用它做热能源，对材料或者零件可以进行高效率、高精度的加工。激光与物质的相互作用是激光加工的物理基础。因为激光首先被材料吸收并转化为热能，才能用不同功率密度或能量密度对其进行加工。当
2、激光作用到被加工材料上，光波的电磁场与材料即会产生相互作用，这一相互作用过程主要与激光的功率密度、激光的作用时间、材料的密度、材料的熔点、材料的相变温度、激光的波长和材料表面对该波长激光的吸收率、导热率等有关11。一、激光与物质相互作用物理过程高功率激光光束作用于物体表面时，物体表面将吸收大量的激光能量，引起温度升高、熔化、气化和喷溅等现象。具体过程依赖于激光参数（能量、波长及脉宽等）、材料特征和环境条件。当激光的作用时间较短，功率密度较低，为103104W/cm2时，大部分入射光被吸收，材料温度逐渐升高，这种情况下，一般只能加热材料，不能熔化和气化材料，如图2-1a)所示；当激光的功率密度升
3、高到104106W/cm2时，温度达到材料的熔点，材料开始熔化，形成熔池，如图2-1b)所示；当激光的功率密度升高到达106108W/cm2时，达到材料的气化点，材料开始气化和蒸发，形成等离子体，如图2-1c)所示；再进一步提高激光功率密度到108W/cm2以上，并加长辐射时间，此时材料表面强烈气化，形成较高电离度的等离子体，一方面它阻碍了激光对材料的辐射，另一方面在较大的气化碰撞压力下，材料表面生成小孔，增强了材料对激光的吸收，如图2-1d)所示23。以上四个阶段即为激光同物质相互作用的物理过程，从中可以看出对相同物质而言，激光的功率密度和作用时间是影响作用效果的两个极其重要的因素。二、物质
4、对激光的吸收及其影响因素激光照射到材料表面上时，由于光波的电磁场与物质的相互作用，将产生反射、折射和吸收，这一过程应当满足能量守恒定律，即：R +A +T =1 公式(2-1)式中，R为材料的反射率，A为材料的吸收率，T为材料的透射率。当激光沿x方向传播，照射到材料上被吸收后，其强度满足关系式：I =I0e-A x 公式(2-2)式中，I为激光被材料吸收后的强度，I0为入射光强度，A为材料的吸收率，此式称为布格尔定律。由此可见，激光在材料内部传播时，强度按指数规律衰减，其衰减程度由材料的吸收率A决定，即物质同激光的相互作用主要取决于材料对该种波长激光的吸收率的大小23。材料对激光的吸收率除了取
5、决于材料的种类外，还与激光波长有关。R及A的值可由材料复数折射率的测量值进行计算。材料的复数折射率为：n =+i 公式(2-3)其中为复数折射率的实部，即通常所说的媒质的折射率，而虚部为消光系数。根据菲涅尔公式24，当激光垂直入射到平板材料时，激光的反射率R为： 公式(2-4)对于不透明材料，材料的透射率T0，则有A =1-R，从而： 公式(2-5)材料的吸收率A也可由下式给出：式中，为消光系数，为入射光波长。当激光斜射至平板材料时，垂直于入射面的S分量的反射率RS为： 公式(2-7)平行于入射面的P分量的反射率RP为：2 公式(2-8)式中，n1和n2分别为两媒质的折射率，1和2分别为入射角
6、和折射角。当120时，光线垂直入射，此时： 公式(2-9)由上可以看出，材料的吸收率A主要与激光作用波长、材料温度、入射光偏振态、激光入射角和材料表面状况有关。首先，由式(2-6)可知，吸收率是波长的函数，随波长的变化而变化，一般情况下，照射光的波长越短，吸收率越大。其次，当温度变化时，材料对激光的吸收率也随之变化：温度升高，材料的吸收增大。激光功率越大，使材料的温度上升得越高，则材料的吸收率也越大。此外，若入射的激光为垂直于入射面的线偏振光，反射率R随入射角增大而增大，而吸收率A随入射角的增大而减小；若入射激光为平行于入射面的线偏振光，则反射率R随入射角的增大而减小，吸收率随入射角的增大而增
7、大11。并且，一般情况下，材料的表面越粗糙，反射率越低，材料对光的吸收率越大，而且在激光加工过程中，由于激光对材料的加热，存在表面氧化和污染，材料对光的吸收将进一步扩大。三、不同材料对激光的吸收不同的材料对不同波长的激光表现为不同的吸收率，下面就分别探讨金属和非金属对激光吸收的不同。1.金属对激光的吸收金属为导电媒质，内部有很多未被束缚的电子，当激光照射在金属表面上，这些电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波，透射波部分在很薄的金属表层被吸收。对于大多数金属而言，在可见光和红外波段范围内都有很高的反射率，可达7898，而在紫外波段吸收率较高。由于反射率
8、和吸收率均随波长变化，因此在激光加工过程中，为了有效地利用激光能量，应当根据不同的材料选用不同波段的激光。表2-1为室温下几种金属对特定波长激光的吸收率23。2.非金属对激光的吸收非金属与金属不同，它对激光的反射率比较低，而吸收率比较高，同时非金属的结构特征也决定了它对激光波长具有强烈的选择性。非金属材料的导热性很小，在激光作用下，不是依靠自由电子加热。长波长（低频率）的激光照射时，激光能量可以直接被材料晶格吸收而使热振荡加强。短波长（高频率）的激光照射时，激光光子能量高，激励原子壳层上的电子，通过碰撞传播到晶格上，使激光能量转化为热能被吸收11。激光模切所针对的加工材料大都是非金属，因此会有
9、很好的吸收效果。表2-1室温下几种金属对特定波长的激光的吸收率1.2.1激光技术激光加工指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变或物体性能的改变的过程3。激光加工对提高产品质量、提高劳动生产率、减少污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。激光加工为材料加工工艺提供了一种理想实用的新手段。激光也被誉为是“万能加工工具”、“未来柔性制造系统的共同加工手段”，是当代具有代表性的先进制造技术。目前已开发20多种激光加工技术，应用于各个新工艺领域，如激光切割、激光标刻、激光打孔、激光焊接、激光表面热处理、激光快速成型、激光清洗、激光熔覆、激光光刻和存储等。激光加工技术的出现是对传统的加工工艺和加工
10、方法具有重大影响的技术变革，很快被应用于汽车、电子电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要行业，推动了工业的快速发展，并产生巨大经济效益。激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的70%以上。激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切
11、加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。近年来，激光切割技术发展很快4，国际上每年都以15%-20%的速度增长。我国自1985年以来，更以每年25%以上的速度增长。当然，由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会逐步得到解决，激光切割技术必将成为20世纪不可缺少的主流的钣金加工手段。以日本为例，目前拥有CO2激光加工机的数量约占全球激光加工机总量的1/3，其中80%为激光切割设备。而我国
12、至今却只有几百套激光切割机在使用中。因此，在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大。随着我国国民经济的飞速发展，许多传统产业需要改造，许多钣金加工领域有待开发，许多工业城市也需要建立激光加工中心。除了通用的CO2激光切割机之外，还需要高速、高精度的数控激光切割机、切割厚板的大型数控激光切割机、三维立体数控激光切割机及激光切割机器人等各种切割机和切割自动化装置。激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。控制系统是整个系统的控制中枢，负责协调整个系统的正常工作，主要完成加工轨迹控制、焦点位置控制和机、光、电一体的协调控制。数控激光切割机的研制属于机电一体化范畴，它的研制使生产系
13、统具有友好的人机界面，方便而易学的编程方式，以及精确的切割轨迹控制的功能，适合与工业现场的使用，极大地提高了生产率。1.2.2运动控制技术运动控制是近十年来国际上流行的一种新技术5，是由电力拖动发展而来的，通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。按照AIME（国际运动控制工程师协会）的定义：“运动控制是指应用一个可控制的力的作用，实现机电系统有效运动的技术。这个机电系统可以是以电气、液压、气动或其它形式驱动的。运动控制系统对被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩控制或力的控制，以及这些被控量的综合控制”。从电力拖动开始，经历四十几年的发展过程，
14、运动控制已成长为一个以自动控制理论和现代控制理论为基础、包括许多不同学科的技术领域，例如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等等。随着功能齐全的微计算机、超大规模集成电路、功率集成电路，以及先进的CAM等技术的出现和发展，运动控制技术的面貌为之一新，其前沿不断扩大，在军事、国防、工业生产、消费生活等众多领域有着极广泛的应用。信息时代的新技术推动了传统产业的迅速发展，在机械工业自动化中涌现出一些运动控制新技术。(1) 全闭环交流伺服驱动技术在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模
15、式的潮流。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），在驱动器和电动机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益，有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波、滤波方式消除机械共振。(2)直线电动机驱动技术直线电动机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来己在机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电动机热”。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，由此带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。(3)可编程计算机控制器技术自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（Programming Logic Controller，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程。尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它在软硬件技术方面已远远走出了当初的“
