激光技术及其 在工业加工中的应用 李新忠 物理与工程学院 2011-4-1

Outline 一. 激光原理 二. 激光技术 三. 激光在现代工业加中的应用 四. 激光在军事中的应用

一、激光原理-Laser Principles 1、What’s Laser? Light Amplification By Stimulated Emission Of Radiation

红宝石激光器-第一台激光器

2、激光的产生 受 激 吸 收

自 发 辐 射 处于激发态上的原子很不稳定，回到基态后即会放出光子，称为自发辐射。

受 激 辐 射 两个光子在频率、相位、传播方向上完全一致。

氦氖气体激光器是四能级系统 氖原子 在 间 实现粒子数反转分布 s 2 1 Ne 3 He p 自发辐射 共振转移 632.8 nm 电 子 撞 电子碰撞激发 电 子 碰 激 发 632.8 nm 自发辐射 氖原子 在 间 实现粒子数反转分布 管壁效应

3.激光的特性 方向性好 发散角小，10-3rad量级，立体角10-6sr 普通光源： 4立体角分布

单色性好 光波的单色性可表示为 谱线宽度 = 中心波长 氦氖激光的单色性比单色性最好的普通光源，如氪灯好 倍。

亮度高 光源发光的强弱 1毫瓦氢氖激光器：太阳亮度 44 ： 1 44 ： 1 高亮度激光束经聚焦后，可产生几百万个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金属汽化。

相干性好 由于激光具有高单色性和高定向性，决定了激光具有极好的时间相干性和空间相干性。 特制的He-Ne激光器输出的光束，相干长度达2107km。氪灯只有38.5cm。

4. 激光产生的基本条件 谐振腔 工作物质 激励系统

激光器图

5. 激光工作原理 (1) 工作物质在激励能源激励下实现粒子 数反转 (2) 由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传 播的光子在工作物质中引起受激辐射 (3) 光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内 往返振荡，不断得到放大 (4) 满足阈值条件下形成激光

6. 激光器的种类 按运转（工作）方式分，有连续波、单脉冲、重复脉冲和波长可调激光器等； 按激励方式分，有光激励、电激励、热激励、化学激励和核激励激光器等； 按工作物质的不同，分为固体、气体、半导体、染料、化学和自由电子激光器等。

按波段范围分类 紫外激光器 可见光激光器 红外激光器 脉冲激光器 连续波激光器 按运转方式分类

激光器的种类-按工作物质分 固体激光器。用固体材料作为激光器的工作物质。这类激光器的特点是小而坚固，功率较高。

激光器的种类 气体激光器。用气体作为激光器的工作物质。其特点是能以脉冲和连续两种方式工作。

激光器的种类 半导体激光器。用半导体作为激光器的工作物质。其最大的特点是体积小、种类多、效率高、使用方便。

激光器的种类 染料激光器。工作物质是有机染料。其特点是工作波长连续可调(波长分布在0.32～1.3微米)，主要用于科研领域。

激光器的种类 化学激光器。通过化学反应提供能量，形成受激辐射的激光器。其特点是：频率高，光子能量大，穿透力强，破坏效能高。

激光器的种类 自由电子激光器。工作物质是电子束。其特点是输出功率高，因此而成为战略激光武器的首选器件。

我国各类激光器的“第一台” 第一台固体红宝石激光器 1961年9月 王之江等 第一台He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等 第一台固体红宝石激光器  1961年9月  王之江等 第一台He-Ne激光器       1963年7月  邓锡铭等 第一台掺钕玻璃激光器    1963年6月  干福熹等 第一台GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武等 第一台脉冲Ar+激光器     1964年10月 万重怡等 第一台CO2分子激光器     1965年9月  王润文等 第一台CH3I化学激光器    1966年3月  邓锡铭等 第一台YAG激光器         1966年7月  屈乾华等

二、 激光技术 激光调Q技术 超短脉冲技术 激光放大技术 模式选择技术 稳频技术 非线性光学技术 激光传输技术

1. 调Q(Q开关)技术 调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。现在，欲要获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。

机械转镜调Q、电光调Q技术 声光调Q技术，染料调Q技术

电光调Q 利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点。

2. 超短脉冲技术

3. 激光放大技术

神光Ⅱ的主放大系统

我国激光核聚变大事记 1964年，王淦昌提出了研究激光聚变的倡议 1965年，上海光机所开始用高功率钕玻璃激光产生激光聚变的研究 1973年5月，上海光机所建成两台功率达到万兆瓦级的高功率钕玻璃行波放大激光系统 1974年，上海光机所研制成功毫微秒10万兆瓦级6路高功率钕玻璃激光系统，激光输出功率提高了10倍 1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议，称为激光12号实验装置 1987年6月27日，神光I通过了国家级鉴定 1994年，神光I退役，神光I连续运行8年 1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动 2001年8月，神光Ⅱ装置建成，总体性能达到国际同类装置的先进水平 2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了开工奠基仪式

三、 在军事上的应用 激光测距 激光雷达 激光制导 激光通信 激光武器

1、激光测距 激光测距的原理是：通过向目标发射激光信号，根据激光信号往返于测点与目标之间所用的时间而求出距离的。 激光测距在军事上可用于地形测量，战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹及卫星的高度等。

激光测距仪

中国研制的激光测距仪

2、激光雷达 利用激光束搜索、跟踪和测量活动目标的装置叫激光雷达。 激光雷达的工作原理和微波雷达相似，都是利用电磁波照射目标并接收回波的方法，发现、识别和指示目标的，只是工作波段不同。 武器鉴定试验、武器火控、跟踪识别、指挥导引、大气测量等。

激光雷达在军事上的应用 测风激光雷达 中国攻击性激光雷达

3、激光制导 应用激光作为跟踪目标和传输信息的手段，将导 弹、炮弹、航空炸弹等导向目标的技术。激光制导具有命中精度高、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到广泛应用，是精确制导武器的一种重要制导方式。 激光制导的种类主要有：半主动回波式制导、全主动回波式制导和波束式制导。目前应用较为普遍的是半主动回波式制导。

激光制导武器

4、激光通信 激光通信是把光作为传递信息的载体，通过把信息（音频信号）调制到光波上，经介质（大气、光缆等）的传输，将信息传至对方，再经接收终端解调，还原成声音而实现通信的。 按照激光传播途径的不同，激光通信可分为大气激光通信，空间激光通信，水下激光通信和光导纤维通信等方式。

大气激光通信 99A1式坦克的激光压瞄系统，可使对方瞄准具失效，此系统也拥有激光通信功能

光纤通信

5、激光武器 利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部分使之丧失战斗力的武器称为激光武器。

激光致盲武器 “军刀”(Saber)203的激光照明系统，主要用于照明、致盲和瞄准目标。 该装置采用镍镉电池供电，工作波长为670纳米，功率400毫瓦，有效照明距离300米，重1.5磅，每枚电池可连续运行30分钟，100米处的光斑尺寸可在1～10米之间变化。

高能激光武器 高能激光武器也称死光武器，它是借助于激光束的热能直接摧毁目标，可用于打击导弹、卫星、坦克、飞机等。

在军事上其他方面的应用 激光技术在军事的应用除上述几个方面外，还包括：激光侦察、激光核聚变、激光计算机、激光陀螺等。

四、激光技术在现代工业加工中的应用 主要的应用有：打孔、切割、焊接、热处理、雕刻、微调和快速成型。

激光在现代工业加工中的应用 激光加工是一种重的高能束加工方法，它是利用激光高强度、高亮度、方向性好、单色性好的特性，通过一系列的光学系统聚焦成平行度很高的微细光束（直径几微米至几十微米），获得极高的能量密度（108~1010W/cm2）照射到材料上，使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更短）熔化甚至气化，以达到加热和去除材料的目的。

激光加工的基本原理

激光加工的特点 1）适应性强 激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料，如各种金属、 陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。 2）加工精度高 激光束可聚焦成微米级的光斑（理论上直径可小于1um）适合精密微细加工。 3）加工质量好 激光加工能量密度高,热作用时间很短,整个加工区几乎不受热的影响,工件热变形极小，故可加工对热冲击敏感的材料。 4）加工速度快 效率高 激光打孔只需0.01s，切割比常规方法提高效率8~20倍，激光焊接可提高效率30倍，微调薄膜电阻可提高1000倍，提高精度1~2数量级。 5）容易实现自 化加工 激光束传输方便，易于控制，便于与机器人、自动检测、计算机数字控制等先进技术相结合。

6）通用性强 用一台激光器改变不同的导光系统，可以处理各种形状和尺寸的工件。也可以选择适当的加工条件，用同一台装置进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。 7）节能节材 激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10~1000倍，激光切割可以节省材料15%~30%。 8）激光可通过光学透明介质（玻璃、空气、惰性气体和某些液体）对工件 进行加工。 不足点 激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工，影响因素多。因此，微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。此外对具有高热传导率材料的加工较困难。

激光打孔

激光打孔特点 1）可加工精度高、深径比大的微小孔 2）能加工小至几微米的小孔 3）可加工异型孔 4）能在所有金属和非金属材料上打孔 5）容易实现自动化，加工效率高

激光切割

激光切割特性 1）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料 2）切割精度高 3）非接触切割 4）切割速度高 5）切割的深宽比高 6）切割质量优良 7）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工

激光焊接

激光焊接特性 1）激光照射时间短，焊接过程极为迅速 2）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属 3）能量密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利 4）可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀 5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接

激光热处理

激光热处理的特性 1）处理速度快 2）变形小 3）效率高

激光微雕刻

激光雕刻

快速成型

五、其他光电资讯

国内外著名激光企业 Coherent,TRUMPF, Rofin-Sinar,GSI, Photonics、Newport、Spectra physics, OSRAM、Jenoptik, Haas、Melles Griot, PRC, nlight, Miyachi, JDS Uniphase, Laservall, Bystronic、Laservall、Beamtech、Telesis、LINOS 大族激光、华工激光、楚天激光、武汉烽火、炬光科技、大恒公司、新产业、福晶科技、国科激光等

光电产品资讯 http://www.laserfocusworld.com.cn/ http://www.ofweek.com/ 光电新闻网 http://www.photonics.com/ http://www.opticsjournal.net/index.htm http://optics.org/

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