激光加工技术 激光工具的使用-激光光源

激光把它用于不同的材料、不同的行业中，希望让它的神奇特点带来广泛的应用。1971 年第一台商用 1kW CO2 激光器问世后，激光材料加工和表面改性获得了迅速的实用性发展。如今，激光对于材料的加工有切割、焊接、激光精细加工、激光打标、激光表面处理和激光增材制造等。在介绍这些应用之前，让我们先来了解一下激光技术的基本原理和用于材料加工的各种光源。

激光技术基本原理

激光泵浦源

激光的产生是能量转换的过程，必然要遵循能量守恒定律。产生激光必然有能量的来源，也就是我们首先要说的激光泵浦源。泵浦源的种类非常多，这取决于我们后面将要介绍的增益介质和光学结构的设计。目前使用的泵浦源主要有高频电源、闪光灯以及半导体激光模块等。CO2 激光主要用高频电源来泵浦， 而对于传统的棒状激光器，由于谐振腔的设计依然采用闪光灯泵浦，新型的光纤以及碟片激光器则多采用半导体激光模块泵浦。相对于闪光灯泵浦，半导体模块具有吸收效率高，使用寿命长等一系列优点。

半导体激光模块巴条

激光增益介质

 

许多材料都可以作为激光的增益介质，它们可以是气体、固体、甚至液体。基本原则是：当这些材料受到激发，然后从激发态降落到低能态时，必须辐射出光。准确地说，是某种特定波长的电磁辐射。

激光增益介质

 

许多材料都可以作为激光的增益介质，它们可以是气体、固体、甚至液体。基本原则是：当这些材料受到激发，然后从激发态降落到低能态时，必须辐射出光。准确地说，是某种特定波长的电磁辐射。增益介质不断被激发到比激光上层能级还高的能级。在这之后，原子或者分子通过一系列复杂的过程回到基态。激光可以是二能级，三能级或者四能级系统，这取决于在产生激光的过程中有多少个能级参与其中。增益介质中的各个能级和跃迁可以用能级图进行描述。如下图：

粒子数反转是激光增益介质中处于上能级的原子或分子的数目超过处于下层能级的原子或分子的数目的情况。在这种情况下，光子去撞击一个处于激发态的原子或者分子并使它辐射激光的可能性要大于被原子或者分子吸收的可能性。这样的结果使激光束被放大。如果是另外一种情况，下层能级上的原子或分子数目比上层能级的多，那么这个光子更可能去撞击一个未处于激发态的原子或者分子从而被它吸收掉。激光束因此而变弱。粒子数反转是产生激光的必要条件。与此同时，增益介质必须是一种可以实现粒子数反转的材料。为了实现粒子数反转，增益材料需要有寿命足够长的上层能级。原子或者分子在自发衰减到下层能级之前，要尽量长时间地停留在这个能级上。这里的“长”时间是指万分之一秒。

 

 

激光种类	激光增益介质	典型材料
气体激光器	气体或蒸汽	CO2激光器（CO2）
		氦氖激光器（氦氖）
		准分子激光器
固体激光器	掺杂了激活离子的晶体或玻璃	红宝石激光器
		Nd：YAG激光器
		Nd：玻璃激光器
		Yb：YAG激光器
二极管激光器	半导体	GaInP（磷化铟镓）
		GaAs（砷化镓）
染料激光器	高度稀释的有机染料	波长可调谐

 

谐振腔

光子从增益介质产生之后运动的方向是随机的，如下图所示，如果不加限制产生的光子就是普通的光，无法生成高能激光束进行材料的加工。因此，聪明的科学家们将振荡的设计应用到了激光设计之中。

不同光学的谐振腔设计是不同的，有只有两面镜片构成的简单腔，也有由数十面镜片构成的复杂谐振腔。主要的目的是用来产生高质量高能量的激光输出。同时利用谐振腔的设计，可以获得单模、多模模式的激光输出，实现不同的应用。

 

激光参数

 

对于激光工作者来说激光能量、功率以及功率密度或者强度是非常熟悉的术语。它们经常出现在加工描述、技术表或者是光源产品说明书中。除此之外，什么样的光束才算是好的激光束呢？

 

激光束的方向性很好，但是光波并不是完全平行的。激光束有一个”束腰”，从它开始激光束是发散的。激光束腰直径（光束最窄的部分）和发散角决定了激光发散的路径。束腰小且发散度低的光束可以聚焦成相对小的光斑，同时保持较长的焦深。这样在透镜和工件之间有一个相对大的距离（焦深）—这恰好是激光使用者和制造商所需要的。当他们提到光束质量，其实就是谈激光束的发散特性和聚焦性能。较小的发散角意味着较高的光束质量。只有基模可能实现尽可能小的发散，并且与波长也相关。

 

为了表示一个特定的光束质量，专家们采用了光束参数乘积或者 M2 因子（质量因子）来描述。这两种计量都得到了认证。光束参数乘积，简称 BPP，定义为两个最重要且容易测量的参数的乘积：束腰半径和 1/2 发散角。需要的说明是：光束参数乘积越小，光束质量越好。M2 因子描述了光束参数乘积偏离理想基模光的程度。M2 的值总是大于等于 1。当该值为 1 时，光束就像理想光束一样传播。M2 和光束参数乘积是可以相互转换的。