第一篇：激光切割技術的原理及應用

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激光切割技術的原理及應用

1.激光切割技術簡介.......................................................................2 1.1激光切割技術概述................................................................2 1.2激光切割技術的原理............................................................4 1.3激光切割技術的發(fā)展歷史....................................................5 2.激光切割的特點.............................................................................6 2.1激光切割的總體特點............................................................6 2.2 CO2激光切割技術的特點.....................................................7 2.3半導體激光切割機................................................................8 2.4光纖激光切割機....................................................................8 3.激光切割技術的應用及發(fā)展前景.............................................10 3.1激光切割技術的市場現(xiàn)狀..................................................10 3.2激光切割技術的應用..........................................................12 結論..................................................................................................13

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激光切割技術的原理及應用

材料12A文修曜

摘要

激光加工技術是一種先進制造技術，而激光切割是激光加工應用領域的一部分，激光切割是當前世界上先進的切割工藝。由于它具備精密制造、柔性切割、異型加工、一次成形、速度快、效率高等優(yōu)點，所以在工業(yè)生產(chǎn)中解決了許多常規(guī)方法無法解決的難題。激光能切割大多數(shù)金屬材料和非金屬材料。

Abstract

The laser processing technology is a kind of advanced manufacturing technology, and laser cutting is part of the laser processing applications, laser cutting is the current advanced cutting technology in the world.Because it has flexible cutting, stone processing, precision manufacturing, a forming, fast speed, higher efficiency, so in industrial production solved many conventional methods cannot solve the problem.Can laser cutting most of the metal materials and nonmetal materials.關鍵詞：激光切割的原理；激光切割的分類及特點；激光切割技術的應用

1.激光切割技術簡介

1.1激光切割技術概述

激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項應用技術。它占整個激光加工業(yè)的70%以上。激光切割與其他切割方法相比，最大區(qū)別是它具有高速、高精度及高適應性的特點。同時還具有割縫細、熱影響區(qū)小、切割面質(zhì)量好、切割時無噪聲、切割過程容易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。激光切割板材時，不需要模具，可以替代 2 遼寧科技大學學生論文

一些需要采用復雜大型模具的沖切加工方法，能大大縮短生產(chǎn)周期和降低成本。因此，目前激光切割已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門中。

激光切割主要是CO2激光切割,激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,并使CO2激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定狀的切縫。激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。

激光束聚焦成很小的光點其最小直徑可小于0.1mm，使焦點處達到很高的功率密度可超過106W／cm2)。這時光束輸入（由光能轉換）的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散部分，材料很快加熱至汽化濕度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄（如0.1mm左右）的切縫。切邊熱影響很小，基本沒有工件變形。

切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助氣體。鋼切割時得用氧作為輔助氣體與溶融金屬產(chǎn)生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性氣體。進入噴嘴的輔助氣體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導致鏡片過熱。

大多數(shù)有機與無機都可以用激光切割。在工業(yè)制造占有分量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可進形無變形切割。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。

激光切割無毛刺，皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機電制造行業(yè)來說，由于微機程序的現(xiàn)代化激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度慢于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省加工費用，降低產(chǎn)品成本，所以從總體上講在經(jīng)濟上更為合算。

另一方面，從如何使模具適應工件設計尺寸和形狀變化角度看，激光切割也 3 遼寧科技大學學生論文

可發(fā)揮其精確、重現(xiàn)性好的優(yōu)勢。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不需要高級模具制作工，激光切割運轉費用也并不昂貴，因此還能顯著地降低模具制造費用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會產(chǎn)生一個淺硬化層，提高模具運行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點給圓鋸片切割成形帶來無應力優(yōu)勢，由此提高了使用壽命。

1.2激光切割技術的原理

在激光束能量作用下（氧助切割機制下，還要加上噴氧氣與到達燃點的金屬發(fā)生放熱反應放出的熱量），材料表面被迅速（ms范圍）加熱到幾千乃至上萬度（℃）而熔化或汽化，隨著汽化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體（氧氣或氮氣等惰性氣體）吹走，切縫便產(chǎn)生了。脈沖激光適用于金屬材料,連續(xù)激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術的重要應用領域。

激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過材料表面，在極短時間內(nèi)將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使材料熔化或氣化，再用高壓氣體將熔化或氣化物質(zhì)從切縫中吹走，達到切割材料的目的。

該技術采用激光束照射到鋼板表面時釋放的能量來使不銹鋼熔化并蒸發(fā)。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為500～2500瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，但是，通過透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發(fā)。此外，由于能量非常集中，所以，僅有少量熱傳到鋼材的其它部分，所造成的變形很小或沒有變形。利用激光可以非常準確地切割復雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進一步的處理。

激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀七十年代以來隨著CO2激光器及數(shù)控技術的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料，成形復雜零件大批量的采用沖壓，單件的采用振動剪。七十年代后，為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量，又推廣了氧乙烷精 遼寧科技大學學生論文

密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期，又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術。各種切割下料方法都有其有缺點，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。

1.3激光切割技術的發(fā)展歷史

激光切割是激光加工行業(yè)中最量要的一項應用技術,由于具有諸多特點,已廣泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門。近年來，激光切割技術發(fā)展很快，國際上每年都以20％～30％的速度增長。我國自1985年以來，更以每年25％以上的速度增長。由于我國激光工業(yè)基礎較差，激光加工技術的應用尚不普遍，激光加工整體水平與先進國家相比仍有較大差距，相信隨著激光加工技術的不斷進步，這些障礙和不足會得到解決。激光切割技術必將成為21世紀不可缺少的重要的鈑金加工手段。激光切割加工廣闊的應用市場，加上現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，使得國內(nèi)外科技工作者對激光切割加工技術進行不斷探入的研究，推動著激光切割技術不斷創(chuàng)新，激光切割技術的發(fā)展方向如下：

(1)伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的CNC及伺服系統(tǒng),使用高功率的激光切割可獲得高的加工速度,同時減小熱影響區(qū)和熱畸變;所能夠切割的材料板厚也格進一步地提高，高功率激光可以通過使用Q 開關或加載脈沖波，從而使低功率激光器產(chǎn)生出高功率激光。

(2)根據(jù)激光切割工藝參數(shù)的影響情況，改進加工工藝，如：增加輔助氣體對切割熔渣的吹力；加入造渣劑提高熔體的流動性；增加輔助能源，并改善能量之間的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。

(3)激光切割將向高度自動化、智能化方向發(fā)展。將CAD/CAPP/CAM[4]以及人工智能運用于激光切割，研制出高度自動化的多功能激光加工系統(tǒng)。

(4)根據(jù)加工速度自適應地控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫和專家自適應控制系統(tǒng)使得激光切割整機性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)核心，面向通用化CAPP開發(fā)工具，對激光切割工藝設計所涉及的各類數(shù)據(jù)進行分析，建立相適應的數(shù)據(jù)庫結構。

(5)向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各 遼寧科技大學學生論文

道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢。

(6)隨著Internet和WEB技術的發(fā)展，建立基于WEB的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，采用模糊推理機制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡來自動確定激光切割工藝參數(shù)，并且能夠遠程異地訪問和控別激光切割過程成了不可避免的趨勢。

(7)三維高精度大型數(shù)控激光切割機及其切割工藝技術，為了滿足汽車和航空等工業(yè)的立體工件切割的需要，三維激光切割機正向高效率、高精度、多功能和高適應性方向民展，激光切割機器人的應用范圍將會愈來愈大。激光切割正向著激光切割單元FMC、無人化和自動化方向發(fā)展。

2.激光切割的特點

2.1激光切割的總體特點

激光加工作為一種全新的加工方法，以其加工精確、快捷、操作簡單、自動化程度高等優(yōu)點，在皮革、紡織服裝行業(yè)內(nèi)逐漸得到廣泛的應用。鐳射激光切割機與傳統(tǒng)的切割方式相比不僅價格低,消耗低.并且因為激光加工對工件沒有機械壓力,所以切割出來產(chǎn)品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且還具有操作安全,維修簡單等特點.可連續(xù)24小時工作。用鐳射激光機切割出來的無塵布無紡布邊不發(fā)黃,自動收邊不散邊,不變形，不會發(fā)硬,尺寸一致且精確；可切割任意復雜形狀；效率高、成本低，電腦設計圖形,可切割任意形狀任各種大小的花邊。開發(fā)速度快：由于激光和計算機技術的結合，用戶只要在計算機上設計，即可實現(xiàn)激光雕刻輸出并且可隨時變換雕刻,可邊設計邊出產(chǎn)品。

激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面，使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定外形的切縫。

1．精度高：定位精度0.05mm，重復定位精度0.02 mm 2．切縫窄：激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度，材料很快加熱至氣化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切口寬度一般為0.10～0.20mm。

3．切割面光滑：切割面無毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以內(nèi)。遼寧科技大學學生論文

4．速度快：切割速度可達50m/min，最大定位速度可達70m/min，比線切割的速度快很多。

5．切割質(zhì)量好：無接觸切割，切邊受熱影響很小，基本沒有工件熱變形，完全避免材料沖剪時形成的塌邊，切縫一般不需要二次加工。

6．不損傷工件：激光切割頭不會與材料表面相接觸，保證不劃傷工件。7．不受被切材料的硬度影響：激光可以對布料，橡皮等柔軟材質(zhì)進行加工，不管什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。

8．不受工件外形的影響：激光加工柔性好，可以加工任意圖形，可以切割管材及其它異型材。

9．可以對非金屬進行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、紡織品、有機玻璃等。

10．節(jié)約模具投資：激光加工不需模具，沒有模具消耗，無須修理模具，節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加工費用，降低了生產(chǎn)成本，尤其適合大件產(chǎn)品的加工。

2.2 CO2激光切割技術的特點

1.切割質(zhì)量好

切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5--25μm），切縫一般不需要再加工即可焊接。2.切割速度快

例如采用2KW激光功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極小。3.清潔、安全、無污染

大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明：CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速，應用日益廣泛的一種先進加工方法。

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2.3半導體激光切割機

1簡介

半導體激光切割機采用半導體泵浦激光器，半導體泵浦激光器是近年來國際上發(fā)展最快，應用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長的半導體激光器代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來對激光晶體進行泵浦，從而取得了嶄新的發(fā)展，被稱為第二代的激光器。這是一種高效率、長壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結構緊湊小型化的第二代新型固體激光器，目前在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學，醫(yī)療器械，光學圖象處理，激光打印機等高科技領域有著獨具特色的應用前景。

2特點

1、采用半導體泵浦源和德國高速標記振鏡頭，光電轉化效率高、光束質(zhì)量好。

2、采用全數(shù)字化激光標記和獨特的激光選模及深雕技術，確保了設備具有極高的穩(wěn)定性、精確性和友好的操作性。并可選配自動測焦和調(diào)焦系統(tǒng)，滿足精確切割和多樣化打標需求。

3、周到的防護設計：缺水保護，激光諧振腔光路和激光腔腔體雙重密封，防潮裝置，防長出光裝置。

4、多樣的外圍裝置設計：自動上、下料系統(tǒng)，旋轉標記轉臺，排風除塵系統(tǒng)，激光防護罩及燈光警示裝置。

5、光路預覽功能，焦點指示功能：在激光的光軸上疊加了可見紅光，用于指示激光束的位置，實現(xiàn)對打標范圍的預覽。增加了指示對焦紅光，直觀方便的實現(xiàn)了對焦功能。

半導體激光切割機GDBEC-130250，選用進口半導體泵浦源和德國高速標記振鏡頭，光電轉化效率高，光束質(zhì)量好，可在金屬、非金屬等各類固性材料上進行精確、快速的打標和劃線，并可根據(jù)加工材料厚度，調(diào)整激光焦距，確保加工的最佳效果。適用于各類普通金屬及合金（鐵、銅、鋁、鎂、鋅等所有金屬）、稀有金屬及合金（金、銀、鈦）、金屬氧化物、ABS料（電器用品外殼、日用品）、油墨（透光按鍵、印刷制品），環(huán)氧樹脂（電子元件的封裝、絕緣層）等材料。

2.4光纖激光切割機

1簡介 遼寧科技大學學生論文

光纖激光切割機是利用光纖激光發(fā)生器作為光源的激光切割機。光纖激光器是國際上新發(fā)展的一種新型光纖激光器輸出高能量密度的激光束，并聚集在工件表面上，使工件上被超細焦點光斑照射的區(qū)域瞬間熔化和氣化，通過數(shù)控機械系統(tǒng)移動光斑照射位置而實現(xiàn)自動切割。同體積龐大的氣體激光器和固體激光器相比具有明顯的優(yōu)勢，已逐漸發(fā)展成為高精度激光加工、激光雷達系統(tǒng)、空間技術、激光醫(yī)學等領域中的重要候選者。

光纖激光切割機它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且邊緣整齊、平滑,適用于金屬板等高精度的切割加工，同時加上機械臂可以進行三維切割代替原本進口的五軸激光。比起普通二氧化碳激光切割機更節(jié)省空間和氣體消耗量，光電轉化率高，是節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品，也是世界上領先技術產(chǎn)品之一。2光纖激光切割機較CO2激光切割機的優(yōu)勢：

1）卓越的光束質(zhì)量：聚焦光斑更小，切割線條更精細，工作效率更高，加工質(zhì)量更好；

2）極高的切割速度：是同等功率CO2激光切割機的2倍；

3）極高的穩(wěn)定性：采用世界頂級的進口光纖激光器，性能穩(wěn)定，關鍵部件使用壽命可達10萬小時；

4）極高的電光轉換效率：光纖激光切割機光電轉換效率達30%左右，是CO2激光切割機高3倍，節(jié)能環(huán)保；

5）極低的使用成本：整機耗電量僅為同類CO2激光切割機的20-30%； 6）極低的維護成本：無激光器工作氣體；光纖傳輸，無需反射鏡片；可節(jié)約大量維護成本；

7）產(chǎn)品操作維護方便：光纖傳輸，無需調(diào)整光路；

8）超強的柔性導光效果：體積小巧，結構緊湊，易于柔性加工要求。

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當然了，與二氧化碳激光切割機相比，光纖的切割范圍相對狹窄。因為波長的原因，其只能切金屬材料，對非金屬不容易被其吸收，從而影響其切割范圍。3與YAG激光切割機相比的優(yōu)勢：

1）切割速度：光纖激光切割機的速度是YAG的4-5倍，適用于大量加工與生產(chǎn)

2）使用成本：光纖激光切割機的使用成本比YAG固體激光切割更少 3）光電轉換效率：光纖激光切割機的光電轉換效率是YAG的10倍左右 相應的光纖激光器的價格較高，所以光纖激光切割機價高比之YAG激光切割機要高出不少，但比二氧化碳激光切割機要低很多。但其性比價確實三者中最高的。

3.激光切割技術的應用及發(fā)展前景

激光切割的應用領域非常廣泛, 比如汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的欽合金等等。近年來, 激光切割的新應用層出不窮, 令人耳目一新。

3.1激光切割技術的市場現(xiàn)狀

我國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雖然是一個初步發(fā)展，但在國際科技帶領下已經(jīng)完成了飛躍的發(fā)展，并且比同等質(zhì)量有一個高階段的突出。以激光切割機來講，市場的需求高達千萬，為廣闊的市場添加了新的生機。自從60年代第一臺激光設備的誕生和應用開始，我國就有多位專家在激光行業(yè)付出了努力，并達到了國際一個微小的差值。在激光行業(yè)的發(fā)展同時，激光成套工業(yè)設備也進入了生產(chǎn)的市場，擺脫了長期依靠國外的局面，解決了國內(nèi)激光行業(yè)的尷尬局面。

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國內(nèi)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，成為激光市場的高產(chǎn)業(yè)支柱，并且可以達到每年20%以上的增長速，成為全球激光市場的一個新起點，根據(jù)專家預測，國內(nèi)的激光市場仍處于高速的增長階段，在未來可以在進行翻倍的增加，來最大的擴充激光切割設備的市場，填補國內(nèi)空白，將國內(nèi)高端激光設備擺脫受困的狀態(tài)，成為國際上的頂梁柱。目前國內(nèi)的激光產(chǎn)業(yè)主要在深圳、武漢兩地聚集，其中深圳是國內(nèi)的重要銷售市場，并且以多年的發(fā)展經(jīng)驗，領先了其他區(qū)域。

激光切割指采用激光發(fā)射性光束在產(chǎn)品上面打孔，根據(jù)水平移動來對應產(chǎn)生的縫隙稱為激光切割，激光可以在多產(chǎn)品材料上面切割，如亞克力、刀模板、布料、皮革等行業(yè)都能運用激光進行切割，因此激光切割是一種在多行業(yè)切割的新型方案。對于這樣一種新型的切割方法，相對于傳統(tǒng)切割有著什么樣的優(yōu)勢呢，下面光博士帶您分析下。

激光是利用物質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生光，這種光帶有強烈的溫度，在接觸材料時候，能夠迅速的在材料表面融化，形成打孔，根據(jù)對位對點的移動形成了切割，因此這樣的一種切割方法相對于傳統(tǒng)的切割方法，縫隙更小，更能夠省去大部分材料，然而根據(jù)切割效果來定義分析，根據(jù)激光進行切割的材料，其切割效果能夠滿意，精準度又高，這是繼承了激光的優(yōu)勢，也是普通切割方式不能夠媲美的。

相對于傳統(tǒng)切割方式中，激光切割更易懂、易學、在商家需求的加工效果，速度方面都有著絕對的優(yōu)勢，因此相信在未來的切割方式選擇中，激光切割機將是大眾的需求。

激光切割加工是指采用激光設備來給產(chǎn)品進行加工，這種模式是針對那種初入激光行業(yè)，并且小型的加工戶，然而這種模式在現(xiàn)今的社會都不提倡了，因為激光設備的價格不再是那種高高在上的設備了，完美的技術發(fā)展，優(yōu)良的加工精細，使得現(xiàn)今的激光設備不再是那樣的昂貴，因為它們的設備有針對行業(yè)性的，這樣能夠省去了以往那種高貴的大功率設備加工，現(xiàn)今的小功率設備也能進行加工了，這讓這些想購買激光切割機的加工不在需要借用他人的設備進行加工了，激光切割加工模式逐漸被取代了，這是必然性。

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下面分析下激光切割市場以及加工效果，在激光切割市場，凡事了解一點的都清楚，激光切割能夠加工多行業(yè)，然而需要購買加工多行業(yè)的設備，價格是不菲的，然而如果購買的是單行業(yè)，如刀模激光切割機、皮革激光切割機等，這些針對行業(yè)的設備，價格就不是那樣昂貴了，這就是未來的市場，在其加工效果方面，單行業(yè)的加工效果，肯定針對單行業(yè)其功能是最好的，能夠滿足此行業(yè)的要求，這些在這些行業(yè)設備介紹中，光博士有提到，因此在如果想采用激光切割加工的商戶們，不妨去嘗試著使用激光切割設備直接自己購買進行加工，這樣能夠幫助你實現(xiàn)以及解決很多的問題！

3.2激光切割技術的應用

大多數(shù)激光切割機都由數(shù)控程序進行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

在汽車制造領域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經(jīng)獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域，激光切割技術主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進行服裝剪裁，可節(jié)約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

從技術經(jīng)濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復雜，批量不大,一般厚度；12mm的低碳鋼、；6mm厚的不銹鋼，以節(jié)省制造模具的成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。遼寧科技大學學生論文

裝飾、廣告、服務行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標記，車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內(nèi)近幾年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵，在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能大于0.3mm，切割技術難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。

國外除上述應用外，還在不斷擴展其應用領域。

⑴采用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機器人，切割空間曲線，開發(fā)各種三維切割軟件，以加快從畫圖到切割零件的過程。

⑵為了提高生產(chǎn)效率，研究開發(fā)各種專用切割系統(tǒng)，材料輸送系統(tǒng)，直線電機驅(qū)動系統(tǒng)等，如今切割系統(tǒng)的切割速度已超過100m/min。

⑶為擴展工程機械、造船工業(yè)等的應用，切割低碳鋼厚度已超過30mm，并特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術，以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在中國擴大CO2激光切割的工業(yè)應用領域，解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。

結論

激光從提出到變?yōu)楝F(xiàn)實的發(fā)展史用了幾十年，從初生到今天無處不再又是幾十年，激光及應用實際上是隨著社會需求的進步而得以發(fā)展。激光的出現(xiàn)和發(fā)展又帶動了光學，實驗等學科的發(fā)展。從社會角度看，激光的產(chǎn)生改變了人們的生活，使之更加方便快捷。隨著科技的發(fā)展，激光技術必將得到更加廣泛的應用于我們世界的各個方面，使人類的科技不斷進步。我也堅信，我國的激光技術也將會達到世界領先的水平，為我國各行各業(yè)的發(fā)展提供有利的條件！

參考文獻

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第二篇：激光切割技術

激光切割技術

1.激光切割技術基本概念

激光切割是利用高能量密度的激光束作為“切割工具”對材料進行熱切割的一種材料加工方式，是激光加工行業(yè)中最重要的一項應用技術。1971年用CO2激光切割包裝用夾板，首次開辟了激光切割在工業(yè)領域中的應用。隨著激光切割設備的不斷更新和切割工藝的日益先進，激光切割技術可實現(xiàn)各種金屬，非金屬板材及眾多復雜零件的切割，在汽車工業(yè)，航空航天，國防等領域獲得了廣泛應用。

2.激光切割技術基本原理和分類

2.1 激光切割技術基本原理

在激光束能量作用下，材料表面被迅速加熱到幾千至上萬度而熔化或氣化，隨著氣化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體吹走，達到切割材料的目的。脈沖激光適用于金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料。

2.2激光切割技術的分類

激光切割可分為：激光氣化切割，激光熔化切割，激光氧化切割和激光劃片與控制斷裂四類。

（1）激光氣化切割：利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內(nèi)達到材料的沸點，材料開始氣化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，在材料上形成切口。材料的氣化熱很大，所以激光氣化切割時需要很大的功率和功率密度。激光氣化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料的切割。

（2）激光熔化切割：激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴吹非氧化性氣體，依靠氣體的強大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全氣化，所需能量只有氣化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼，鈦，鋁及其合金等。

（3）激光氧化切割：原理類似于氧-乙炔切割。是用激光作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體與切割金屬發(fā)生作用，發(fā)生氧化反應，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧化切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠遠大于激光氣化切割和熔化切割。激光氧化切割主要用于碳鋼，鈦鋼以及熱處理等易氧化的金屬材料。

(4)激光劃片與斷裂控制：激光劃片是利用高能量密度的激光束在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。斷裂控制是利用激光刻槽時所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應力，使材料沿小槽斷開。

3.激光切割的工藝特點和應用范圍

3.1 激光切割工藝特點

（1）切割質(zhì)量好，精細

由于激光光斑小，激光切割切口細窄，切割表面光潔，熱影響區(qū)寬度很小，變形小，切割零件的尺寸精度可達±0.05mm，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序。

（2）切割效率高

由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有數(shù)控工作臺，整個切割過程可全部實現(xiàn)數(shù)控。操作時，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現(xiàn)三位切割。材料在激光切割時不需要裝夾固定，既可節(jié)省工裝夾具，又節(jié)省了上，下料的時間。

（3）非接觸式切割

激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需要改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。

（4）切割材料的種類多

激光切割材料包括金屬，非金屬，金屬基和非金屬基復合材料，皮革，木材及纖維等。對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應性。

（5）缺點：激光切割由于受激光器功率和設備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。

3.2 激光切割的應用

在材料方面受激光器功率和設備體積的限制，激光切割只能切割中，小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。激光切割設備費用高，一次性投資大。大多數(shù)激光切割機都由數(shù)控程序進行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

在汽車制造領域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經(jīng)獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域，激光切割技術主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進行服裝剪裁，可節(jié)約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

適合采用CO2激光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：

第一類：從技術經(jīng)濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復雜，批量不大,一般厚度；12mm的低碳鋼、；6mm厚的不銹鋼，以節(jié)省制造模具的成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。

第二類：裝飾、廣告、服務行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標記，車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

第三類：要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內(nèi)近幾年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵，在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能大于0.3mm，切割技術難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。

4.激光切割工藝參數(shù)與質(zhì)量評定

4.1激光切割工藝參數(shù)

（1）光束橫模

① 基模 又稱為高斯模，是切割最理想的模式，主要出現(xiàn)在功率小于1kw的激光器。② 低階模 與基模比較接近，主要出現(xiàn)在1-2kw的中功率激光器。③ 多模 是高階模的混合，出現(xiàn)在功率大與3kw的激光器（2）激光功率

激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型以及被切割材料的性質(zhì)。氣化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。激光功率對切割厚度、切割速度和切口寬度等有很大影響。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口寬度也有所加大。

（3）焦點位置

離焦量對切口寬度和切割深度影響較大。一般選擇焦點位于材料表面下方約1/3板厚處，切割深度最大，切口寬度最小。

（4）焦點深度

切割較厚板時，應采用焦點深度大的光束，以獲得垂直度較好的切割面。但焦點深度大，光斑直徑也增大，功率密度隨之減小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，則需要增大激光的功率；切割薄板宜采用較小的焦點深度，這樣光斑直徑小，功率密度高，切割速度加快。

（5）切割速度

切割速度直接影響切口寬度和切口表面粗糙度。對于不同材料的板厚，不同的切割氣體壓力，切割速度有一個最佳值，這個最佳值約為最大切割速度的80%。

（6）輔助氣體的種類和壓力

切割低碳鋼較多采用氧氣作輔助氣體，以利用鐵-氧燃燒反應熱促進切割過程，而且切割速度快，切口質(zhì)量好，可以獲得無掛渣的切口。切割不銹鋼時，常采用O2+N2混合氣體或雙層氣流，單用氧氣在切口底邊會發(fā)生掛渣。氣體壓力增大，動量增加，排渣能力增強，因此可以使無掛渣的切割速度增加。

氧氣純度對切割速度有一定的影響，研究表明，氧氣純度降低2%，切割速度就會降低50%。

噴嘴形狀也影響激光切割質(zhì)量和效率。不同切割機采用不同形狀的噴嘴。

4.2激光切割質(zhì)量評定

與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應性。首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域，結果導致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。一般來說，激光切割質(zhì)量可以由以下6個標準來衡量。（1）切割表面粗糙度RZ（2）切口掛渣尺寸（3）切邊垂直度和斜度u（4）切割邊緣圓角尺寸r（5）條紋后拖量n（6）平面度F 5.激光切割設備

激光切割設備與焊接設備基本類似，區(qū)別是焊接需要使用激光焊槍，而切割使用激光割炬。激光切割大都采用CO2激光切割設備，主要由激光器、導光系統(tǒng)、數(shù)控運動系統(tǒng)、割炬及抽煙系統(tǒng)組成。

激光器由激光電源提供高壓電源，產(chǎn)生的激光經(jīng)反射鏡、導光系統(tǒng)把激光導向切割工件所需要的方向；數(shù)控運動系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)割炬的移動方向，割炬與工件間的相對移動有三種情況。

① 割炬不動，工件通過工作臺運動，主要用于尺寸較小的工件。② 工件不動割炬移動 ③ 割炬和工作臺同時運動。

割炬主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件。激光切割時，割炬必須滿足下列要求。

④ 能夠噴射出足夠的氣流。

⑤ 割炬內(nèi)氣體的噴射方向必須和反射鏡的光軸同軸。⑥ 割炬的焦距能夠方便調(diào)節(jié)。

⑦ 切割時，保證金屬蒸汽和切割金屬的飛濺不會損傷反射鏡。

激光切割時，要求激光器輸出的光束經(jīng)聚焦后的光斑直徑最小，功率密度最高。噴嘴用于向切割區(qū)噴射輔助氣體，其結構形狀對切割效率和質(zhì)量有一定影響。噴孔的形狀有圓柱形、錐形、和縮放形等。一般根據(jù)切割工件的材質(zhì)、厚度、輔助氣體壓力等經(jīng)試驗后確定。

6.激光切割的應用實例

6.1布料激光切割

制衣行業(yè)中使用的服裝布料激光切割機打破了傳統(tǒng)手工和電剪速度慢和難以排版,充分解決了效率達不到和浪費材料的難題.速度快，操作簡單，只需把所要裁剪的圖形及尺寸輸入到電腦，機械就會把整張的材料裁剪成您所需要的成品，不用刀具、不需要模具，利用激光實現(xiàn)非接觸式加工，簡便快速。布料激光切割機與傳統(tǒng)的切割方式相比不僅價格低,消耗低.操作更方便，效果更好，并且因為激光加工對工件沒有機械壓力,所以切割出來產(chǎn)品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且還具有操作安全,維修簡單等特點.可連續(xù)24小時工作。

用于皮革、箱包企業(yè)及皮鞋、鞋材生產(chǎn)企業(yè)的激光切割雕刻機, 集切割、雕刻和鏤空于一身，適用各種皮革料的加工：高檔鞋材、皮包、皮衣切割特殊形狀，無毛邊，尺寸標準，誤差小（±0.1mm），效果柔軟，無高周波或刀模切壓的生硬感。另可于皮革上刻畫特別效果或圖案，使成品更顯精細及別具創(chuàng)意。

6.2激光切割在飾品中的應用

飾品加工是一門對比特殊的職業(yè)，由于主要是針對一些稀有的貴金屬的加工改造，所以對加工改造的設備要求十分的高。可是這對小型激光切開機來說，確是一個十分好的機會，它極好的處理了加工飾品中的一些難題，并且受到了各個廠家的熱捧。

運用小型激光切割機加工飾品在不需開模的情況下，就可以直接加工出想要的商品，并且精度十分的高，加工時刻只需要短短的幾分鐘就可以。不僅縮短了加工時刻，還降低了成本。

6.3激光切割在眼鏡行業(yè)中的應用

以往眼鏡行業(yè)主要利用模具做鏡框，不同樣式需要做不同模具，所需成本高，效率低。直到激光切割機投入后，開發(fā)新的款式只需在軟件上呈現(xiàn)，速度快、精度大，特別適合小量、多款式的生產(chǎn)模式。甚至可以做到一臺光纖激光切割機能夠快速加工出了不同款式的眼框，為個性定制眼鏡解決后顧之憂。

除此之外，激光切割機能夠在板材上任意的設計圖形，速度快，精度高，一次成型，無需后續(xù)處理，比傳統(tǒng)切割設備快十幾倍，極大的提高加工效率，可視排料，緊密貼合，節(jié)省材料。先進的工藝可提高眼鏡廠家的新產(chǎn)品開發(fā)速度，能夠快速收回設備投資成本。眼鏡專用激光切割機能在板材上切割任意的設計圖形，速度快，精度高，一次成型，無需后續(xù)處理，比線切割快十幾倍，極大的提高加工效率，可視排料，緊密貼合，節(jié)省材料。先進的工藝可提高貴公司的新產(chǎn)品開發(fā)速度，最快為您收回設備投資成本。一機多用，既能滿足客戶對平板的切割要求，也能滿足管圓及異形材料（方鋼、扁鐵、槽鋼、方管）的切割。

6.4激光雕刻

使用激光雕刻和切割，過程非常簡單，如同使用電腦和打印機在紙張上打印。您可以在Win98/Win2000/WinXP環(huán)境下利用多種圖形處理軟件，如CorelDraw等進行設計，掃描的圖形，矢量化的圖文及多種CAD文件都可輕松地“打印”到雕刻機中。唯一的不同之處是，打印將墨粉涂到紙張上，而激光雕刻是將激光射到木制品、壓克力、塑料板、金屬板、石材等幾乎所有的材料之上。

7.參考文獻

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第三篇：水切割的原理及應用

水切割的原理及應用

科目：先進制造系統(tǒng)導論

專業(yè)：機械設計制造及其自動化

學號：110606423

姓名：XXX

水切割的原理及應用

摘要：

水切割也稱水射流切割或水刀切割。高壓水射流切割是一種特殊的加工方法。它利用增壓器將水加壓，達到10MPa一400MPa甚至更高的壓力。水獲得壓力能，再從細小的噴嘴噴射而出，將壓力能轉換為動能，從而形成高速射流。切割正是利用這種高速射流的動能對工件的沖擊破壞作用，達到切斷、成形的目的。

高壓水射流既不同于傳統(tǒng)加工的銑、刨、磨、削，也有別于一般的剪切和沖裁。它屬于高能切割。高壓水射流切割就是把高壓水射流的動能作為切割能，對材料進行沖蝕和擠壓、破壞，以達到切割的目的的一種新工藝。它最大特點是非熱源的高能量射流束加工，切割過程中無熱產(chǎn)生，故可以切割所有的金屬和非金屬材料，特別是各種熱切割方法難以切割的材料。具有：切口快、切口平整、無塵埃、無熱變形、無污染、減少材料浪費等特點。可切割：鈦合金、銅板、鋼板、鋁板、鑄鐵、花崗巖、大理石、瓷磚、化纖、木材、布匹、紙張、皮革、塑料等材料。已應用于航空、軍工、石材、建筑、裝潢等精加工領域。

關鍵詞：水刀，超高壓，高能量，安全，成本低，無污染，高速度，精加工。

水在人們的概念里往往是“柔”、“軟”的代表，然而自古就有水滴石穿之說。以柔克剛水滴石穿給水賦予了新的定義，如今利用柔軟的水也能夠進行切割物體了，不論是純鋼的鋼板還是堅硬的石頭，在水刀面前變得輕而易舉。

高壓水射流加工技術正是利用與水滴石穿相同的原理，把動量加大，縮短時間，達到斷石、斷鐵、切割的目的。人們在很早的時間就開始利用很高壓力的水進行材料的加工和切割。1870年前后，美國在加利福尼亞的金礦中用增壓后的水流開采礦石，俄國人也曾用水采煤。在上世紀60年代，密蘇里大學林業(yè)系的諾曼·弗朗茲教授發(fā)明了高壓水射流的切割實驗裝置。該裝置的核心是一個單缸增壓器，壓力可以達到344.7MPa(s000opsi)，用這樣的高壓水可以來切割木材。這一裝置引起包括著名的依格所爾公司在內(nèi)的許多壓力設備制造商和研究單位的興趣。

1971年第一臺商用水切割試驗機在杰克遜的阿爾頓紙品公司投入應用，用于切割層壓紙 管，并且可以在紙管上切出各種形狀。高壓水切割技術的真正的商品化應用是上世紀80年代初洛克韋爾飛機公司用水切割機來切割BI轟炸機的欽合金零件，可以節(jié)約成本50%。目前許多國外的公司用高壓水切割各種材料，甚至用于軍艦制造。

普通的加工方式即利用硬度較強的金屬制作刀具，在主軸的高速轉動下帶動刀具進行切割多余材料來達到加工目的，然而由于，這種方式是用硬的材料來切軟的材料，那么較硬的材料采用這種方式就會比較難加工，況且加工過程中，產(chǎn)

生大量的熱量，經(jīng)常會導致工件的熱變形，影響加工精度，直接接觸切割也容易導致刀具的磨損，使刀具使用壽命降低，在加工過程中的冷卻液也會造成加工質(zhì)量的不穩(wěn)定，增加相應制造成本，造成環(huán)境污染。

高壓水射流足以水為工作介質(zhì)，通過增壓設備和特定形狀的噴嘴產(chǎn)生高速射流束，具有極高的能級密度。一些新型射流如脈沖射流、空化射流和磨料射流的相繼出現(xiàn)，大大提高了其切割、剝離、破碎能力，更進一步拓寬了水射流技術的應用范圍，可用于清洗、清理、切割、注水鉆孔、噴霧、破碎、研磨等作業(yè)，具有清潔、無熱效應、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等特點，超高壓水刀的基本技術既簡單又極為復雜。當水被加壓至很高的壓力并且從特制的噴嘴小開孔(其直徑為0.1mm至0.5mm)通過時, 可產(chǎn)生一道每秒達近千公尺(約音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各種軟質(zhì)材料包括食品, 紙張, 紙尿片, 橡膠及泡棉，此種切割被稱為純水切割。而當少量的砂如石榴砂被加入水射流中與其混合時, 所產(chǎn)生之加砂水射流, 實際上可切割任何硬質(zhì)材料包括金屬, 復合材料, 石材及玻璃.超高壓水刀也可使用于各種不同的工業(yè)表面處理應用如船身清洗及汽車噴漆設備清洗.水射流切割機包括四個基本組成部分:壓力發(fā)生裝置提供切割動能，如:高強度的加壓泵、蓄能器:水供給裝置，如過濾器、輸送管線;切割裝置，如:控制閥門、噴嘴等;回收裝置等。有的還具備精確控制裝置;磨料供給裝置等。

水射流技術特點

較之激光、等離子、線切割等傳統(tǒng)的切割方式，水射流切割技術確實有其獨特、顯著的優(yōu)勢：

1.切割品質(zhì)優(yōu)異：水射流是一種冷加工方式，‘水刀’不磨損且半徑很小，能加工具有銳邊輪廓的小圓弧。加工本身無熱量產(chǎn)生且加工力小，加工表面不會出現(xiàn)熱影響區(qū)，自然切口處材料的組織結構不會發(fā)生變化，也幾乎不存在熱和機械的應力與應變，無需二次加工，無裂縫、無毛邊、無浮渣，因此其切割品質(zhì)優(yōu)良。

2.幾乎沒有材料和厚度的限制：無論是金屬類如普通鋼板、不銹鋼、銅、鈦、鋁合金等，或是非金屬類如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、紙張及復合材料，皆可適用。

3.節(jié)省成本：水切割所產(chǎn)生橫向及縱向的作用力極小，不會產(chǎn)生熱效應或變形或細微的裂縫，不需二次加工，既可鉆孔亦可切割，降低了切割時間及制造成本。

4.清潔環(huán)保無污染：在切割過程中不會產(chǎn)生弧光、灰塵及有毒氣體。操作環(huán)境整潔，符合嚴格的環(huán)保要求。

5.便于實現(xiàn)一機多能和自動化、數(shù)控化：高壓水射流是全方位點切割器，無碩萬孔，可以在任意點切割，切出任何復雜的形狀。因此對程序化和數(shù)控操作十分便利。另外采用CAM或CAD控制加工，可以達到高精度，重復加工能力強。6.優(yōu)化材料的利用率。由于射流切口小、切割可以精確控制，因此樣板可以嵌套或者相切排列，充分利用每一塊材料，減少廢料。

7.加工能力強，可以加工不同材質(zhì)的工件;硬質(zhì)材料的加工厚度達6’‘;可以加工某些難以用傳統(tǒng)加工方法切割的材料。

水刀的分類

兩種水刀是指純水水刀和加砂水刀。純水水刀是最早的水切割方法.第一次商

業(yè)應用始于二十世紀七十年代中期，用于切割瓦楞紙板。純水水刀最大的應用是切割拋棄式尿布、棉紙和汽車內(nèi)飾件。對于棉紙和拋棄式尿布，與其它技術相比，水刀技術在材料上留下的水分最少。

純水水刀的特點

非常細的水流（常見直徑范圍：0.004至0.010英寸）非常詳細的幾何形狀 非常少的材料切割損失，切割時不產(chǎn)生熱量，切割厚度可以很大也可切得很薄，切割速度快，能夠切割軟、輕質(zhì)材料（例如厚達 24"的纖維玻璃絕緣材料），極小的切削力，夾具簡單，每天 24 小時的連續(xù)運行。

加砂水刀與純水水刀只有幾點不同。在純水水刀中，由超音速水流侵蝕材料。在加砂水刀中，由水射流加速砂料顆粒，然后由這些顆粒（而非水）侵蝕材料。加砂水刀的能力比純水水刀強大成百上千倍。純水水刀和加砂水刀都有其用武之地。純水水刀可切割軟質(zhì)材料，而加砂水刀則切割硬質(zhì)材料，如鋼材、石材、復合材料和陶瓷。使用標準參數(shù)的加砂水刀能夠切割硬度等于（甚至稍稍超過）氧化鋁陶瓷（常常稱作礬土，AD 99.9）的材料。我們將在下面介紹加砂水刀的特點，以及加砂水刀切割刀頭的工作方式。

加砂水刀的特點

水流細（直徑 0.020 到 0.050 英寸），可切割非常復雜的幾何形狀，薄材料切割10 英寸厚度切割，堆積切割，材料切割損失非常少，夾具簡單，切割力小（切割時低于1磅），對幾乎所有加砂水刀作業(yè)都只需設置一次，可方便地從單切割刀頭切換到多切割刀頭，可快捷地從純水水刀切換為加砂水刀，減少了輔助操作，毛刺很少或無毛刺。

水切割的不足之處

1、高硬度的材料，諸如鋼、金屬陶瓷、高強度復合材料、堅硬的巖石純水射流不能切割;而磨料水射流存在噴嘴磨損和切割成本大的問題。

2、高壓水射流的設備成本比其他切割方法高。

3、在一些應用中，與激光切割、等離子弧切割、線電極電火花切割等方法比較，存在進給速率低、加工精度差等不足。

4、在切割過程中，影響切割質(zhì)量的參數(shù)多，條件復雜，有時切割導致斷面分層和條紋。

水切割的發(fā)展

目前從事水射流加工技術研究和應用的國家己超過四十個:主要有美國、俄羅斯、日本、德國、瑞士、英國、法國、加拿大、澳大利亞、印度、韓國、新加坡等國。我國高壓水射流技術的研究和應用，通過幾年來的發(fā)展，取得了許多令人矚目的成績。

國內(nèi)的大連理工大學、石油大學、中國礦業(yè)大學、南京理工大學等幾所大學和機械部濟南鑄造鍛壓機械研究所、機械部通用機械研究所、航空工藝研究所等研究機構，先后開展了水射流加工技術的研究。通過全國性學術交流和許多學者的努力，我國的水射流理論水平也不斷提高。

我國的水射流技術起步于上世紀50年代，主要用于采礦業(yè)。到1980年以后，開始引進超高壓水射流設備，進行仿制和自主的研究開發(fā)，用于航空復合材料的切割。同時，在船舶工業(yè)，水射流主要用于清洗、除銹。1993年我國正式推出第一臺國產(chǎn)高壓(最大壓力392MPa)磨料水射流切割設備。自上世紀90年代開始，我國的高壓水射流設備發(fā)展很快，從小功率到大功率、從單機到成套設備、從高壓到超高壓，從通用設備到專用設備，新產(chǎn)品不斷開發(fā)，促進了高壓水射流技術在國內(nèi)的應用。

水射流技術的應用范圍和領域十分廣泛。一般包括工業(yè)切割、挖掘、開采和鉆探、巖石切割和掘進、表面清洗、材料破碎等。

水射流技術在切割方面的應用

水射流應用于造紙業(yè)、橡膠業(yè)，而加砂水刀則可應用于石材業(yè)、陶瓷業(yè)、航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)、金屬加工業(yè)。尤其值得一提的汽車制造業(yè)，隨著近幾年中國汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商產(chǎn)值的擴大，車型的不斷更新，生產(chǎn)周期的縮短，對配套的汽車內(nèi)飾件（如汽車地毯、儀表板、頂蓬等）廠家來說，早期手工加工汽車內(nèi)飾件的切邊及打孔的方法、由于效率低下、產(chǎn)品精度差、勞動強度大，顯然已不能滿足當前汽車業(yè)發(fā)展的需求。此時，與機器人相結合的的水射流設備脫穎而出。高壓水管以螺旋形繞在機器人手臂上，利用機器人手臂和手腕可使水射流頭的噴嘴快速沿直線或弧線運行，達到3維加工內(nèi)飾件的目的。

水射流技術在工業(yè)清洗方面的應用

水射流技術可應用于汽車業(yè)噴漆房清洗、石化業(yè)熱交換器內(nèi)外管清洗、飛機跑道的橡膠清洗、工業(yè)上除銹防蝕工程表面處理、航天工業(yè)引擎零件清洗、核能發(fā)電廠清除輻射污染等。近幾年，國外已有公司通過超高壓技術，將其應用于食品殺毒達到食品保鮮的目的，并成功打入食品保鮮行業(yè)（如美國著名的HEMELL公司已使用超高壓設備進行食品保鮮），取得了良好的口碑。水射流可用來清洗汽車、高層建筑物、飛機場跑道、化工廠換熱器等，近年來這類業(yè)務發(fā)展迅速。各種清洗機和清洗設施相繼問世，并大量投放市場，各種清洗公司和服務公司也相繼成立，為用戶提供服務。

美國密蘇里?羅拉大學的最新研究表明，高壓水射流在使用上還有很大潛力，它可將煤粉碎成細小顆粒，以便進行清洗和生產(chǎn)清潔的燃料，還可用水力制漿法分離木纖維。

2002年，美國FLOW公司將超高壓技術帶入了一個革命性的階段，發(fā)布了最高壓可達87000mpa的超高壓水射流設備，在大大提高了生產(chǎn)效率的同時，使用成本也較之以前下降40%。隨著對水射流技術不斷研發(fā)、提升、應用，其發(fā)展和使用前景將無可限量。

參考文獻：

戴慶輝主編.先進制造系統(tǒng)

機械工業(yè)出版社，2006 王潤孝主編.先進制造系統(tǒng)

西北工業(yè)大學出版社，2001 王細洋主編.現(xiàn)代制造技術 國防工業(yè)出版社，2010 美國卓越制造協(xié)會主編.綠色制造 人民郵電出版社，劉光復主編.綠色設計與制造 機械工業(yè)出版社，2010 沈向東主編.柔性制造技術 機械工業(yè)出版社，2013 朱曉春主編.數(shù)控技術 機械工業(yè)出版社，2006

2010

第四篇：激光切割技術介紹 及 發(fā)展 論文

激光切割技術及發(fā)展

作者：張莽 學號：200803050503（紅河學院 云南紅河哈尼族、彝族自治洲 661100）

摘要：激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。由于它具備精密制造、柔性切割、異型加工、一次成形、速度快、效率高等優(yōu)點，所以在工業(yè)生產(chǎn)中解決了許多常規(guī)方法無法解決的難題。激光能切割大多數(shù)金屬材料和非金屬材料。

關鍵詞：激光切割技術 應用 優(yōu)缺點 發(fā)展現(xiàn)狀

Laser Cutting Technology and Development

Zhang Mang 200803050503(The HongHe University of Yunnan HongHe Hani Nationality, Yi Autonomous State 661100)Abstract: Laser cutting technology is widely used in metallic and nonmetallic material processing, can greatly reduce the processing time, reduce the processing cost and improve the quality.Because it has precision manufacturing, flexible cutting, the heterogeneous type processing, once shaping, speed and higher efficiency, so in industrial production in solving many conventional method can not solve the problem.Laser can cut most metal materials and nonmetal materials.Keywords: Laser cutting technology;Application;Advantages and Disadvantages;Development situation 引言

在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料，成形復雜零件大批量的采用沖壓，單件的采用振動剪。七十年代后，為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量，又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期，又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術。各種切割下料方法都有其有缺點，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。從二十世紀七十年代以來隨著CO2激光器及數(shù)控技術的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方法。1 激光切割的原理

在激光束能量作用下（氧助切割機制下，還要加上噴氧氣與到達燃點的金屬發(fā)生放熱反應放出的熱量），材料表面被迅速加熱到幾千乃至上萬度（℃）而熔化或氣化，隨著氣化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體（氧氣或氮氣等惰性氣體）吹走，切縫便產(chǎn)生了

[1]

。脈沖激光適用于金屬材料, 連續(xù)激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術的重要應用領域。與計算機控制的自動設備結合,激光束具有無限的仿形切割能力,切割軌跡修改方便通過預先在計算機內(nèi)設計, 進行眾多復雜零件整張板排料,可實現(xiàn)多零件同時切割, 節(jié)省材料

[2]

。1 激光切割主要是CO2激光切割, 激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化, 同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料, 并使CO2激光束與材料沿一定軌跡作相對運動, 從而形成一定形狀的切縫

[3]。

激光切割設備除具有一般機床所需有的支承構件、運動部件以及相應的運動控制裝置外，主要還應備有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。其它有多腔吸塵系統(tǒng)、外光束傳輸件、冷卻器、和計算機編程硬件和軟件等輔助系統(tǒng)組成2 激光切割的優(yōu)缺點

[4]。

2.1 激光切割技術比其他方法的明顯優(yōu)點

（1）切割質(zhì)量好。切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra 為12.5--25μm），切縫一般不需要再加工即可焊接。

（2）切割速度快。例如采用2KW 激光功率，8mm 厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm 厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極小。

（3）清潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明：CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速，應用日益廣泛的一種先進加工方法。（4）非接觸式切割。激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。

（5）切割材料的種類多。與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應性2.2 激光切割的缺點

激光切割由于受激光器功率和設備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。激光切割設備費用高，一次性投資大。3 激光切割的分類 3.1 激光氣化切割

利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內(nèi)達到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸汽。這些蒸汽的噴出速度很大，在蒸汽噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。3.2 激光熔化切割

[5]

。激光熔化切割時，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。3.3 激光氧氣切割（氧化熔化切割）

激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

3.4 激光劃片與控制斷裂

激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。控制斷裂是利用激光刻槽時所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，引起該區(qū)域大的熱梯度,在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應力，導致嚴重的機械變形,使材料沿小槽斷開而形成裂縫。CO2激光切割的工業(yè)應用 4.1 激光切割機械的生產(chǎn)廠商

[6]

世界第一臺CO2激光切割機是二十世紀七十年代的誕生的。三十多年來，由于應用領域的不斷擴大，CO2激光切割機不斷改進，目前國際國內(nèi)已有多家企業(yè)從事生產(chǎn)各種CO2激光切割機以滿足市場的需求，有二維平板切割機、三維空間曲線切割機、管子切割機等。國外知名企業(yè)有德國Trumpf 公司、意大利Prima 公司、瑞士Bystronic 公司、日本Amada 公司、MAZAK 公司、NTC 公司、澳大利亞HG Laser Lab 公司等。

目前國內(nèi)能提供平板切割機的企業(yè)有上海團結普瑞瑪公司、沈陽普瑞瑪公司、濟南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據(jù)美國激光工業(yè)應用權威雜志“Industrial Laser Solution”2000 報告統(tǒng)計：1999 年全世界共銷售的激光切割系統(tǒng)（主要是CO2激光切割系統(tǒng)）為3325 臺，共11.74 億美元。據(jù)不完全統(tǒng)計我國目前每年生產(chǎn)CO2激光切割機近100 臺，共1.5 億元人民幣。雖然我國激光切割的發(fā)展趨勢較快，但應用水平與發(fā)達國家相比差距較大。4.2 激光切割系統(tǒng)的銷售對象

[7]

CO2激光切割系統(tǒng)的購置著主要是兩類單位：一類是大中型制造企業(yè)，這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料，并且具有較強的經(jīng)濟和技術實力；另一類單位是加工站（國外稱Job Shop），加工站是專門對外承接激光加工業(yè)務的，自身無主導產(chǎn)品。它的存在 一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要；一方面在初期對推廣應用激光切割技術起到宣傳示范的作用。1999 年美國全國共有激光加工站2700 家，其中51%從事激光切割工作。八十年代我國激光加工站主要從事激光熱處理工作，九十年代后，激光切割及攻站逐步增加。在此基礎上隨著我國大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟實力的增強，越來越多的企業(yè)將采用激光切割技術。

從目前國內(nèi)應用情況分析，激光切割廣泛應用于12mm 厚的低碳鋼板;6mm 厚的不銹鋼板及；20mm厚的非金屬材料。對于三維空間曲線的切割，在汽車、航空工業(yè)中也開始獲得了應用。

4.3 目前適合采用激光切割的產(chǎn)品分類

[8]

第一類：從技術經(jīng)濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復雜，批量不大，一般厚度;12mm的低碳鋼、；6mm 厚的不銹鋼，以節(jié)省制造模具的成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。

第二類：裝飾、廣告、服務行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標記，車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

第三類：要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm 的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內(nèi)近年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵，在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm 寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能0.3mm，切割技術難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。國外除上述應用外，還在不斷擴展其應用領域。5 我國激光產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

我國激光制造技術的應用研究水平和應用規(guī)模，與發(fā)達國家相比，差距很大。在產(chǎn)業(yè)方面，一些中、高檔激光產(chǎn)品及其材料、元器件仍然停留在開發(fā)階段，或尚未形成規(guī)模，高檔、高智能、高自動化的激光產(chǎn)品比較缺乏。不少激光加工應用在我國仍是空白或剛起步，如激光微加工、特種材料加工、激光納米加工以及飛秒激光加工等。國內(nèi)工業(yè)激光企業(yè)的力量從技術、性能、資金、規(guī)模等比較弱小；企業(yè)的核心技術競爭力不足，“產(chǎn)品結構”趨同，以及缺少一些重大創(chuàng)新有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，是目前國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)存在著的一個較為嚴重的問題。中國加入WTO后，進口激光產(chǎn)品的價格降低，使國產(chǎn)激光產(chǎn)品的市場份額、價格和利潤受到嚴重威脅。由于海外公司的紛紛涌人，人才競爭局面更趨激烈

[9]

。在激光加工應用推廣方面也有不少困難，例如，我國制造業(yè)中的很大一部份是組裝業(yè)，以國內(nèi)現(xiàn)有的工業(yè)基礎很難對一些國外引進組裝機械中傳統(tǒng)工藝進行改造更新、采用諸如激光加工之類的新工 藝。激光加工是一門2l世紀發(fā)展極快的新制造技術，必將為我國傳統(tǒng)工業(yè)的技術改造，新興工業(yè)領域以及制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進的技術裝備。面對日益增長的巨大的激光加工應用市場和國際競爭新格局，中國的激光加工技術急需有一個大的突破，激光加工技術產(chǎn)業(yè)化急需有一個大的發(fā)展。這種狀況給國內(nèi)從事激光、激光加工技術設備研發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)帶來極好機遇和挑戰(zhàn)6 結論

激光由于其眾多的優(yōu)點，越來越受到人們的重視，因此大力發(fā)展激光產(chǎn)業(yè)，可以極大地帶動我國的生產(chǎn)力的進步，尤其是機械加工行業(yè)。伴隨著我國加入WT O, 中國潛在的巨大市場已向國外敞開, 國外激光廠商紛紛把目光聚焦于中國市場

[11][10]。

。中國激光產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷一個嬗變的過程，我們必須采取切實有效的措施促進本國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所以我們必須作好以下幾個方面的工作:（1）加強核心技術的培育。（2）加大人才的引進。（3）疏通融資渠道。（4）加強區(qū)域內(nèi)同行業(yè)的聯(lián)盟。參考文獻

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第五篇：激光原理與應用教案

激光原理與應用教案

一.緒論

本節(jié)課教學目標：

讓學生了解激光的歷史，激光形成及發(fā)展、理論體系的形成。

讓學生了解激光科學的分支及激光在軍事、信息技術、醫(yī)療等方面的應用；

本節(jié)課教學內(nèi)容：

1．激光的概念：

激

光——利用受激輻射的光放大。

LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2． 激光的發(fā)現(xiàn)：

最早在1917年——Einstein首次預言受激輻射激光，歷史上首先在微波波段實現(xiàn)量子放大（1953），1954年——C.H.Townes, I.P.Gorden, H.J.Zeiger 使用NH3分子射束實現(xiàn)Maser向更短波長進發(fā)——ammonia beam maser，1958年——A.L.Schawlow, C.H.Townes, A.M.PoxopoB提出將Maser原理推廣到光波段——laser，1960年——T.H.Maiman of Bell Lab 紅寶石 首次實現(xiàn)laser l=6943? 紅光（早期的名稱：萊塞、光量子振蕩器、光激射器 受激光，“激光”——錢學森在1963年提出。61年 中國（亞洲）第一臺激光器誕生在長春（長春光機所和光機學院），由王之江院士發(fā)明。

激光科學技術發(fā)展的基礎學科——光譜學，物理光學，固體物理，物質(zhì)結構，無線電電子學。推動力——廣闊的應用領域：核聚變，加工，熱處理，通訊，測距，計量，醫(yī)療可調(diào)諧性和超短脈沖——高時間、空間分辨、能量分辨。

3．激光與普通光源的區(qū)別？

（1）良好的單色性。單色性指光源發(fā)射的光波長范圍很小，測距。（2）良好的方向性。激光的光束幾乎只沿著一個方向傳輸。測距，通信。（3）高亮度。激光功率集中在極小的空間范圍內(nèi)。切割，手術，軍事。（4）極好的相干性。各列波在很長的時間內(nèi)存在恒定的相位差。精確測距。4．激光的應用。

（1）信息科學領域。激光雷達，空間通信。

（2）醫(yī)學領域。激光穿心術，激光眼科手術，激光牙科手術。

（3）工業(yè)領域。激光切割，激光打孔，飛秒激光微加工，激光全息，激光電視。（4）能源方面。激光受控核聚變，神光裝置。

（5）軍事領域。低能和高能激光武器，太空武器等，激光測距。

5．激光器的組成

激光器由泵浦源，工作物質(zhì)和諧振腔組成。

由外界激勵源的激發(fā)在工作物質(zhì)的能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布是形成激光的內(nèi)在依據(jù)。光學諧振腔是形成激光的外部條件。

本節(jié)課教學手段與方法：

采用多媒體形式。播放了世界上第一臺激光器的發(fā)明電影短片，并采用豐富的圖片總結性地講述激光與普通光源的區(qū)別和激光廣泛的應用。

第一章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件

§1.光的波粒二象性

本節(jié)課教學目標：

讓學生光的本質(zhì)及光的經(jīng)典理論。

本節(jié)課教學內(nèi)容： 1．光波

電磁波理論雖然使光的波動說一度占領了光學領域，但19世紀末，實踐中遇到的光與物質(zhì)相互作用的許多 現(xiàn)象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發(fā)射、光電效應、光化學反應等。1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學說。愛因斯坦認為光子既是粒子、同時又是波。光在與物質(zhì)相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突出。光的這種粒子性和波動性相互對立又并存的性質(zhì)，叫做光的“波粒二象性”。

光波是一種電磁波，是E和B的振動和傳播。習慣上把電矢量叫做光矢量。光速、頻率和波長三者的關系

υ?c??υ???(???0)?2．單色平面波

波面——相位相同的空間各點構成的面

平波面——波面是彼此平行的平面,且在無吸收介質(zhì)中傳播時,波的振幅保持不變。

單色平波面——具有單一頻率的平面波。

實際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當△v＜＜v0時，就叫準單色波。

簡諧波——理想單色平面波

簡諧波方程： U?U0cos?(t??)?U0cos?(t?zc)

2?t2?zU?U0cos?(t?z)?U0cos(?)cT?3．光子

在真空中一個光子的能量為?，動量為P，則它們與光波頻率，波長之間的關系：

??hν?hν?h?h2??h?P?n0?n0??n0?kc?2??2?式中h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?S 本節(jié)課教學手段與方法：

采用多媒體形式。用豐富的圖片來說明光的經(jīng)典理論。

§2.原子的能級和輻射躍遷

本節(jié)課教學目標：

理解原子能級和簡并度、原子狀態(tài)的標記； 掌握玻爾茲曼分布、輻射躍遷和非輻射躍遷

本節(jié)課教學內(nèi)容：

1.原子中電子的狀態(tài)由下列四個量子數(shù)來確定

（1）主量子數(shù)n，n＝1，2，3，?代表電子運動區(qū)域的大小和它的總能量的主要部分。

(n（2）輔量子數(shù)l, l ?

0 ,1 ,2 ?

? 1)代表軌道的形狀和軌道角動量，這也同電子的能量有關。

（3）磁量子數(shù)（即軌道方向量子數(shù)）m=0，±1，±2，±l? 代表軌道在空間的可能取向，即軌道角動量在某一特殊方向的分量

（4）自旋量子數(shù)（即自旋方向量子數(shù)）ms= ±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動量在某一特殊方向的分量

2.電子具有的量子數(shù)不同，表示有不同的電子運動狀態(tài)

（1）電子的能級，依次用E0，E1，E2，? En表示（2）基態(tài)：原子處于最低的能級狀態(tài)

（3）激發(fā)態(tài)：能量高于基態(tài)的其它能級狀態(tài)

3.玻爾茲曼分布

現(xiàn)考慮由n0個相同原子(分子或離子)組成的系統(tǒng)，在熱平衡條件下，原子數(shù)按能級分布服從波爾茲曼定律

ni?gie?Ei kT

?nmgm?enngn(Em?En)kT分別處于Em和En能級上的原子數(shù)nm和nn必然滿足下一關系

4．輻射躍遷和非輻射躍遷

（1）輻射躍遷：發(fā)射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現(xiàn)象

（2）非輻射躍遷：原子在不同能級躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量。

本節(jié)課教學手段與方法：

采用多媒體形式。

先復習原子的四個量子數(shù)，再對簡并、簡并度進行定義。闡明在熱平衡情況下，處于高能態(tài)的粒子數(shù)總是小于處于低能態(tài)的粒子數(shù)的這一規(guī)律。最后介紹原子的輻射躍遷和非輻射躍遷。

§3.光的受激輻射

本節(jié)課教學目標：

了解光與物質(zhì)的相互作用，掌握這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎，根據(jù)光與物質(zhì)的相互作用物理模型分析空腔黑體的熱平衡過程，從而導出愛因斯坦三系數(shù)之間的關系。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、經(jīng)典的輻射理論引用偶極子的概念，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律；

二、黑體熱輻射的實驗現(xiàn)象；

三、光和物質(zhì)的相互作用（重點、難點）

1.愛因斯坦粒子模型——粒子只有間距為hv=E2－E1(E2＞E1)的二個能級,且它們符合輻射躍遷選擇定則。

2.光頻電磁場與物質(zhì)的三種相互作用過程——(1).自發(fā)發(fā)射、(2).受激輻射、(3).受激吸收以及各個過程的特點、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義；

四、愛因斯坦三系數(shù)的相互關系的推導，五、自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計算（重點）

討論: 創(chuàng)造條件，增大受激輻射程度的方法。

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

先介紹經(jīng)典的輻射理論，反映了光的發(fā)射和吸收過程的規(guī)律、再介紹黑體熱輻射，重點介紹光和物質(zhì)的相互作用過程、愛因斯坦粒子模型，講解清楚電磁場與物質(zhì)的三種相互作用過程的特點、系數(shù)、各系數(shù)的物理意義。最后導出自發(fā)輻射功率與受激輻射功率的計算和比較，引導學生討論創(chuàng)造怎樣的條件，可增大受激輻射程度，達到激光的目的。

§4.光譜線增寬

本節(jié)課教學目標：

了解光譜線型對光與物質(zhì)的作用的影響，分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據(jù)不同的物理過程求出g(ν,ν。)的具體函數(shù)形式。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、光譜線，線型和光譜線寬度

1．原子輻射的波不是單色的，而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。

2.就每一條光譜線而言，在有限寬度的頻率范圍內(nèi)，光強的相對強度也不一樣。

二、自然增寬（重點）

1.經(jīng)典理論——描述原子內(nèi)部電子的運動,其物理模型就是按簡諧振動或阻尼振動規(guī)律運動的電偶極子,稱為簡諧振子。

2．衰減振動不是簡諧振動，因此原子輻射的波不是單色的，譜線具有有限寬度。

3．自然增寬: 作為電偶極子看待的原子作衰減振動而造成的譜線增寬。

?νN2?fN(ν)?

4．自然增寬的譜線型函數(shù)：（難點）

(ν?ν0)2?(?νN2)2

5.量子解釋——測不準關系，對原子的能級來說，時間的不確定值就是原子的平均壽命，則能級有一定寬度。

三、碰撞增寬（重點）

1．自然增寬是假設原子彼此孤立并且靜止不動所造成的譜線增寬。而碰撞增寬是考慮了發(fā)光原子間的相互作用造成的，碰撞使原子發(fā)光中斷或光波位相發(fā)生突變，即使發(fā)光波列縮短。fc(ν)?2．碰撞增寬的譜線型函數(shù)：

四、多普勒增寬

多普勒增寬——光源與接收器相對運動引起的頻移導致的譜線增寬。

?νc2?(ν?ν0)2?(?νc2)2本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

先介紹原子在發(fā)輻射過程中，各種因素的影響,自發(fā)輻射并不是單色的,而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內(nèi)。引入譜線加寬的概念。定義線型函數(shù)為

f(?)?I(?)?I0I(?)?I(?)d?再分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據(jù)不同的物理過程求出f（ν）的具體函數(shù)形式。

§5.激光形成的條件

本節(jié)課教學目標：

掌握產(chǎn)生激光的基本條件 ——激發(fā)射占優(yōu)勢、產(chǎn)生激光必須具備的三個條件；

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、介質(zhì)中光的受激輻射放大（重點、難點）

1.要能形成激光，首先必須使介質(zhì)中的受激輻射大于受激吸收。

2.光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律

3.介質(zhì)中產(chǎn)生受激光放大的條件、增益介質(zhì)與增益系數(shù)。

二、光學諧振腔和閾值條件

1.滿足了以上兩個條件后，還要采取什么措施使受激輻射成為增益介質(zhì)中的主要發(fā)光過程，而不是自發(fā)輻射？

2.要使受激輻射幾率遠大于自發(fā)輻射幾率，3.光學諧振腔的作用；

4．產(chǎn)生激光必須具備的條件（重點）

（1）激勵能源——把介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去

（2）增益介質(zhì)——能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉分布狀態(tài)

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

介紹光放大的條件——集居數(shù)反轉。一定的條件下物質(zhì)的光吸收可以轉化為自己的對立面——光放大；引進光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線；再介紹自激振蕩概念，以及激光器應包括光放大器和光諧振腔兩部分，最后導出產(chǎn)生激光必須具備的條件。

第二章 激光器的工作原理

§1.光學諧振腔結構與穩(wěn)定性

本節(jié)課教學目標：

了解光學諧振腔的作用，它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，進行激光器件的設計和裝調(diào)的基礎，也是研究和掌握激光本技術和應用的基礎。根據(jù)幾何偏折損耗的高低．開放式 光腔可以分為穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、光學諧振腔結構與穩(wěn)定性 1．光腔的作用 2．光腔的構成和分類

二、腔 —— 開放式共軸球面光學諧振腔的構成（重點）

三、腔按幾何損耗(幾何反射逸出)的分類:

四、共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件

五、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖及其分類（重點）

六、穩(wěn)定圖: 穩(wěn)定條件的圖示

七、定圖的應用（重點、難點）

例(a)要制作一個腔長L＝60cm的對稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？

(b)穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑R1＝4L，求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧產(chǎn)生激光的必要條件，引進對光腔問題的研究在激光技術中具有重要的理論和實踐意義。再介紹開放式共軸球面光學諧振腔的構成，并根據(jù)光腔按幾何損耗進行分類以及光腔穩(wěn)定條件、軸球面諧振腔的穩(wěn)定圖。重點介紹對稱共焦腔是最重要和最具有代表性的一種穩(wěn)定腔。最后用圖直觀地表示穩(wěn)定條件——穩(wěn)定圖及穩(wěn)定圖的應用。

§2.速率方程組與粒子數(shù)反轉

本節(jié)課教學目標：

掌握速率方程方法以及速率方程的求解步驟，通過求解速率方程組，了解可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的幾種量子系統(tǒng)。從而知道在光頻區(qū), 二能級系統(tǒng)不可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；而三能級系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，但因為下能級為基態(tài)，極易積累粒子，對抽運的要求很高，所以不易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；而四能級系統(tǒng)的下能級不是基態(tài)，故閾值抽運強度比三能級系統(tǒng)小，有時甚至可以小3～4個數(shù)量級，所以四能級系統(tǒng)較容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。

本節(jié)課教學內(nèi)容： 一、二能級三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)（重點）

畫出各能級系統(tǒng)能級圖、列出各能級系統(tǒng)能的速率方程組，求解速率方程組，從

而得到數(shù)學解和物理解；分析各能級系統(tǒng)的數(shù)學解和物理解，得出結論——二能級系統(tǒng)

不可能產(chǎn)生激光，而四能級系統(tǒng)產(chǎn)生激光要比三能級系統(tǒng)容易得多。

二、考慮譜線增寬再討論以上情況。（重點）

三、穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉分布

四、小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉分布

1．小信號粒子數(shù)密度反轉分布

2．小信號粒子數(shù)反轉的物理條件

五、均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉分布（難點）

六、均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉分布的飽和效應（難點）

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的兩個必要條件，引入速率方程方法，求解速率方程組，分析粒子系統(tǒng)能否實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的數(shù)學解，確定粒子數(shù)反轉的物理條件。進一步討論穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉分布，導出小信號粒子數(shù)反轉的物理條件，再研究均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉分布△n，討論△n與各種因素的關系，引出△n飽和效應的概念、飽和原因。最后導出飽和光強(飽和參量)Is 的物理意義。

§3.均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和

本節(jié)課教學目標：

從速率方程出發(fā)導出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為，導出的增益系數(shù)表示式。從而得到結果——在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當某一頻率(ν

1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數(shù)。其結果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。

本節(jié)課教學內(nèi)容

一、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)

二、增寬飽和：在抽運速率一定的條件下，當入射光的光強很弱時，增益系數(shù)是一個常數(shù)；當入射光的光強增大到一定程度后，增益系數(shù)隨光強的增大而減小。

三、對增益飽和分幾種情況討論（重點）

例.He-Ne激光器中，Ne原子數(shù)密度n0＝n1+n2＝l012 cm-3，1/f(?)＝15×109 s-1，λ＝0.6328?m，＝10-7s，g2＝3，g1＝5，又知E2、E1能級數(shù)密度之比為4，求此介質(zhì)的增益系數(shù)G值。

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

從速率方程出發(fā)導出激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)表示式,分析影響增益系數(shù)的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為。讓學生明確：在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當某一頻率(ν1)的受激輻射消耗了激發(fā)態(tài)的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數(shù)。其結果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。

§4.非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和

本節(jié)課教學目標：

因為具有均勻加寬譜線和具有非均勻加寬譜線的工作物質(zhì)的增益飽和行為有很大差別,由它們所構成的激光器的工作特性也有很大不同,因此將分別予以討論。所以必須掌握非均勻增寬介質(zhì)的特點，即不同發(fā)光粒子只對光源光譜線的相應部分有貢獻。從而導出的增益系數(shù)表示式以及反轉粒子數(shù)—— 燒孔效應。分析可以得到：光波I 使均勻增寬型介質(zhì)對各種頻率的光波的增益系數(shù)都下降同樣的倍數(shù)；而對非均勻增寬型介質(zhì)它只能引起某個范圍內(nèi)的光波的增益系數(shù)下降，并且下降的倍數(shù)不同。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和

1．由于介質(zhì)內(nèi)的粒子在作紊亂的熱運動，粒子運動的速度沿腔軸方向的分量滿足麥克斯韋速度分布律。

2．因為在非均勻增寬工作物質(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉粒子數(shù)密度△n0 按頻率v有一個分布.二、增益系數(shù)的計算（重點、難點）

方法:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。

三、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉分布

四、反轉粒子數(shù)燒孔效應（重點）

五、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧非均勻增寬特點——不同發(fā)光粒子只對光源光譜線的相應部分有貢獻。分析影響增益系數(shù)以及粒子數(shù)反轉分布的各種因素,讓學生明確：因為在非均勻增寬工作物質(zhì)中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉粒子數(shù)密度n0 按頻率v有一個分布.著重講解非均勻增寬增益系數(shù)的計算，方法是:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。再介紹非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉分布、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和。引進—— 燒孔效應的概念。讓學生了解到(燒孔面積)常用來估算輸出激光功率。§5.激光器的損耗與閾值條件

本節(jié)課教學目標：

如果諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)的某對能級處于集居數(shù)反轉狀態(tài),則頻率處在它的譜線寬度內(nèi)的微弱光信號會因增益而不斷增強。另一方面,諧振腔中存在的各種損耗,又使光信號不斷衰減。能否產(chǎn)生振蕩,取決于增益與損耗的大小。本節(jié)由增益飽和效應出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強,推導激光器自激振蕩的閾值條件。并在此基礎上給出粗略估算輸出功率的方法。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、損耗

1．內(nèi)部損耗——增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。2．鏡面損耗

二、激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程（重點）

三、閾值條件

四、對介質(zhì)能級選取的討論

例：實驗測得He-Ne激光器以波長 λ＝0.6328?工作時的小訊號增益系數(shù)為G0＝3?10－4/d(cm-1)，d為腔內(nèi)毛細管內(nèi)徑(cm)。以非均勻增寬計算腔內(nèi)光強I＝50W／cm2的增益系數(shù)G(設飽和光強Is＝30W／cm2時，d＝1mm)，并問這時為保持振蕩穩(wěn)定，兩反射鏡的反射率(設r1＝r2，腔長0.1m)最小為多少(除透射損耗外，腔內(nèi)其它損耗的損耗率a內(nèi)＝9?10－4cm-1)?又設光斑面積A＝0.11mm2，透射系數(shù)t＝0.008，鏡面一端輸出，求這時輸出功率為多少毫瓦。

本節(jié)課教學手段與方法：

采用多媒體形式。

先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵能源3.光學諧振腔再討論對光學諧振腔, 要獲得光自激振蕩, 須令光在腔內(nèi)來回一次所獲增益,至少可補償傳播中的損耗.，研究諧振腔的損耗與閾值條件。通過研究激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強的過程，推導出形成激光所要求的增益系數(shù)的條件、激勵能源對介質(zhì)粒子的抽運一定要滿足的條件，然后對介質(zhì)能級選取進行討論，并通過例題加深學生對這些問題的認識。

第三章 激光器的輸出特性

§1.光學諧振腔的衍射理論

本節(jié)課教學目標：

本節(jié)將討論光腔模式問題。模式問題在激光技術中具有重要的理論和實踐意義。它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，自再現(xiàn)模的求解是諧振腔衍射理論的重要部分，自再現(xiàn)模積分的數(shù)學基礎是菲涅耳——基爾霍夫衍射積分公式，我們的目的是弄清楚激光模式的基本特征及其與腔的結構之間的具體依賴關系。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、惠更斯-基爾霍夫衍射公式

二、光學諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程（重點）

1．自再現(xiàn)模概念

2．腔與模的一般聯(lián)系

3．橫模的形成

4．孔闌傳輸線、自再現(xiàn)模(橫模)的形成過程

三、菲涅耳-基爾霍夫衍射積分（重點、難點）

首先要解決的一個問題是,如果已知某一鏡面上的場分布u1(x?，y?),如何求出在衍射的作用下經(jīng)腔內(nèi)一次渡越而在另一個鏡面上生成的場u2(x,y)。' 這里,(x?,y?)、(x,y)分別衰示兩個鏡面上場點的坐標。知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布。

四、積分方程解的物理意義（重點）

五、光學諧振腔諧振頻率和激光縱模

1．諧振條件、駐波和激光縱模 2．縱模頻率間隔

3．選縱模

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧 ——產(chǎn)生激光的三個必要條件：1.工作物質(zhì) 2.激勵能源3.光學諧振腔再從研究諧振腔的衍射理論開始,為了形象地理解開腔中自再現(xiàn)模的形成過程,我們用波在孔闌傳輸線中的行進,模擬它在平面開腔中的往復反射。這種孔闌傳輸線由一系列同軸的孔徑構成,這些孔徑開在平行放置著的無限大完全吸收屏上,相鄰兩個孔徑間的距離等于腔長,孔徑大小等于鏡的大小。當模擬對稱開腔時,所有孔徑的大小和形狀都應相同。

光學中著名的惠更斯-菲涅耳原理是從理論上分析衍射問題的基礎,因而' 也必然是開腔模式問題的理論基礎。該原理的嚴格數(shù)學表述是所謂菲涅耳.基爾霍夫衍'射積分,它可以從普遍的電磁場理論推導出來。該積分公式表明,如果知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布

§2.對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布

本節(jié)課教學目標：

敘述開腔模的物理概念, 應用惠更斯-菲涅耳原理是從理論上定量討論衍射問題。介紹平面腔模的迭代解法，求解對稱共焦腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。以方型鏡面的對稱共焦腔為例，求解方程：

?mnumn(x,y)???K(x,y,x',y')umm(x',y')ds'得出一系列本征函數(shù),它們描述共焦腔鏡面上場的振幅和相位分布,同時得出一系列相應的本征值,它們決定模的相移和損耗。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、共焦腔鏡面上的場分布（重點、難點）

1．方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解

2．鏡面上自再現(xiàn)模場的特征： TEMmn模在鏡面上振幅分布的特點取決于厄米多項式與高斯函數(shù)的乘積。厄米多項式的零點決定場的節(jié)線，厄米多項式的正負交替的變化與高斯函數(shù)隨著x、y的增大而單調(diào)下降的特征決定著場分布的外形輪廓。

二、共焦腔中的行波場與腔內(nèi)外的光場分布（重點）

腔內(nèi)的光場可以通過基爾霍夫衍射公式計算,由鏡面M1上的場分布在腔內(nèi)造成的行波求得。腔外的光場則就是腔內(nèi)沿一個方向傳播的行波透過鏡面的部分。即行波函數(shù)乘以鏡面的透射率t。

上式是共焦腔模式理論的最基本的結果。

?22??22??umn?x,y,z??CmnHm??xH??1??2w?n?1??2wss????2x2?y2? exp???1??2?w2??exp??i??x,y,z??s???y????本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式。

前面已經(jīng)敘述了開腔模的物理概念,先回顧自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義、建立激光模式的概念。再求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。讓學生了解到解積分方程問題就是要求出一些本征值與本征函數(shù)。它們決定著開腔自再現(xiàn)模的全部特征,包括場分布及傳輸特性，并以符號TEMmn表示共焦腔自再現(xiàn)模。共焦腔反射鏡面本身構成光場的一個等相位面。

§3.高斯光束的傳播特性，穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性

本節(jié)課教學目標：

1.在求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布的基礎 上，研究高斯光束的傳播特性。

2． 共焦腔模式理論不僅能定量說明共焦腔震蕩模本身的特性，更重要的是它能夠被推廣到一般穩(wěn)定球面腔系統(tǒng)。本節(jié)將證明：任何一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價，而任何一個球面腔唯一地等價于一個共焦腔。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、高斯光束的振幅和強度分布（重點）

1．基橫模TEM00的場振幅U00和強度I00分布分別為：

2．光斑半徑

3．模體積

二、高斯光束的相位分布（共焦場的等相位面的分布圖）

三、高斯光束的遠場發(fā)散角

四、高斯光束的高亮度

五、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性（重點、難點）

1．穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔

2．穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式

1.先回顧求解對稱開腔中的自再現(xiàn)模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布，再研究高斯光束的傳播特性。引導學生了解到高斯光束與普通光束有著很大的區(qū)別，因此研究高斯光束在空間的傳輸規(guī)律．以及光學系統(tǒng)對高斯光束的變換規(guī)律，就成為激光的理論和實際應用中的重要問題。

2.共焦腔模式理論不僅能定量地說明共焦腔振蕩模本身的特征,更重要的是,它能被推廣到整個穩(wěn)定球面腔系統(tǒng),這一推廣是諧振腔理論中的一個重大進展。任何一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價。而任何一個穩(wěn)定球面腔唯一地等價于→個共焦腔。這里所說的“等價”,就是指它們具有相同的行波場。這種等價性深刻地揭示出各種穩(wěn)定腔(共焦腔也是其中的一種)之間的內(nèi)在聯(lián)系,它使得我們可以利用共焦腔模式理論的研究結果來解析地表述一般穩(wěn)定球面腔模的特征。

§4.激光器的輸出功率，激光器的線寬極限

本節(jié)課教學目標：

1由于激活介質(zhì)中的光放大作用、諧振腔內(nèi)損耗系數(shù)的不均勻分布以及駐波效應和光波場的橫向高斯分布,腔內(nèi)光強是不均勻的。精確計算腔內(nèi)各點光強是個復雜的問題。本節(jié)由增益飽和效應出發(fā)估算穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強,并在此基礎上給出粗略估算輸出功率的方法。

2．激光線寬及頻率牽引也是激光器的要特性

線寬是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的,因而是無法排除的,所以稱它為線寬極限。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率

1．穩(wěn)定出光時激光器內(nèi)諸參數(shù)的表達式

2．激光器的輸出功率

二、非均勻增寬介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和（重點、難點）

三、非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率

四、激光器的線寬極限

1．造成線寬的原因

2．激光線寬與激光器輸出功率成反比

輸出功率越大,線寬就越窄。這是因為輸出功率增大就意味著腔內(nèi)相干光子數(shù)增多,受激輻射比自發(fā)輻射占更大優(yōu)勢,因而線寬變窄。減小損耗和增加腔長也可使線寬變窄。例如半導體激光器由于腔長只有數(shù)百微米而具有較寬的激光線寬。若將它與一外反射鏡構成外腔半導體激光器則可使線寬顯著減小。P?AIout12LG0?t1IsA(?1)2a1?t1本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式

講解讓學生明白：1激光器在外界激發(fā)作用很弱時,激活介質(zhì)的小信號增益系數(shù)小于閾值增益系數(shù),激光器無輸出。如果外界激發(fā)作用增強到小信號增益系數(shù)超過閾值增益系數(shù),腔內(nèi)光強便會不斷增大.但是腔內(nèi)光強不會無限制地增加下去,因為當光強越強,消耗的反轉粒子數(shù)便越多,由于激活介質(zhì)的增益飽和作用而使增益系數(shù)下降.只要增益系數(shù)尚未降至閾值,上述過程就會繼續(xù)下去,即光強繼續(xù)增大,增益系數(shù)繼續(xù)下降.直到增益系數(shù)下降到閾值時,增益與損耗達到平衡,光強不在增大,這時,激光器建立起了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。2因此激光器的凈損耗以及單縱模的線寬似乎應等于零,但這只是對激光器內(nèi)物理過程的一種理想化的近似描述。這種理想情況的物理圖像是:腔內(nèi)的受激輻射能量補充了損耗的能量,且由于受激輻射產(chǎn)生的光波與原來的光波具有相同的相位,二者相干疊加使腔內(nèi)光波的振幅始終保持恒定,因而輸出激光在理想情況下為一無限長的波列,其線寬應等于零。這一矛盾的原因是,我們在分析激光器振蕩過程時,忽略了自發(fā)輻射的存在,而實際上自發(fā)輻射是始終存在的。由于和受激輻射相比自發(fā)輻射的貢獻極其微弱,因而在討論閾值及輸出功率等問題時可以忽略不計;但在考慮線寬問題時卻必須考慮自發(fā)輻射的影響。

第四章 激光的基本技術

§1.激光器輸出的選模

本節(jié)課教學目標：

從一臺簡單激光器出射的激光束,其性能往往不能滿足應用的需要,為了改善激光器輸出光的時間相性或空間相干性,發(fā)展了模式選擇。本節(jié)介紹如何設計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出的原理

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、激光單縱模的選取

1．均勻增寬型譜線的縱模競爭

2．非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩

3．單縱模的選取

二、激光單橫模的選取

1．衍射損耗和菲涅耳數(shù)

2．衍射損耗曲線

3．光闌法選取單橫模

4．聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠鏡法選橫模

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式

講解讓學生明白：1.激光的優(yōu)點在于它具有良好的方向性、單色性和相干性。理想激光器的輸出光束應只具有一個模式,然而若不采取選模措施,多數(shù)激光器的工作狀態(tài)往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強分布不均勻,光束發(fā)散角較大。含有多縱模及多橫模的激光束單色性及相干性差。激光準直、激光加工、非線性光學研究、激光中遠程測距等應用均需基橫模激光束。而在精密干涉計量、光通信及大面積全息照相等應用中不僅要求激光是單橫模的,同時要求光束僅含有一個縱模。因此,如何設計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個重要課題。然后介紹實現(xiàn)橫模選擇的幾種具體方法、如何在特定躍遷譜線寬度范圍內(nèi)獲得單縱模振蕩的方法。

§2.激光調(diào)Q技術，激光鎖模技術

本節(jié)課教學目標：

本節(jié)討論了用調(diào)Q技術壓縮激光脈沖寬度以獲得高功率脈沖的方法。為了得到更窄的脈沖,還可以利用鎖模技術對激光束進行特殊的調(diào)制,使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關系,從而使各個模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模激光脈沖寬度可達10-11~10-14s,相應的具有很高的峰值功率。本節(jié)還對鎖模激光器工作原理作簡單介紹。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、激光調(diào) Q 技術

1激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q

2調(diào) Q原理（重點）

調(diào)Q 激光器的基本原理:就是通過某種方法使諧振腔的損耗值按規(guī)定的程序變化,從而壓縮光脈沖的寬度,大大提高輸出峰值功率。調(diào)Q 的基本過程:在泵浦開始時,使諧振腔的損耗增大, Q 值降低,此時器件振蕩閾值變高,振蕩不能形成,上能級反轉粒子數(shù)密度便有可能大量積累.當積累到最大值(飽和值)時,突然使諧振腔的損耗變小, Q 值突增,這時器件振蕩閾值突然變低,激光器振蕩迅速建立,腔內(nèi)象雪崩一樣以極快的速度建立起極強的振蕩,在短時間內(nèi)反轉粒子數(shù)大量被消耗,轉變?yōu)榍粌?nèi)的光能量,同時輸出一個極強的激光脈沖。

3電光調(diào) Q

4聲光調(diào) Q

5染料調(diào)Q

二、激光鎖模技術

鎖模是進一步對激光進行特殊的調(diào)制。技術上利用多縱模輸出的激光束，經(jīng)過特殊的調(diào)制，使其各個縱模之間有了確定的位相關系。

1主動鎖模

2被動鎖模 本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式 通過討論讓學生明白：

為了得到高的峰值功率和窄的單個脈沖,采用了Q調(diào)制技術,它的基本原理是通過某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)按照規(guī)定的程序變化,在泵浦激勵剛開始時,先使光腔具有高損耗δH,激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩,于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較高的水平。然后在適當?shù)臅r刻,使腔的損耗突然降低到δ,閾值也隨之突然降低,此時反轉集居數(shù)大大超過閾值,受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內(nèi),上能級儲存的大部分粒子的能量轉變?yōu)榧す饽芰?在輸出端有一個強的激光巨脈沖輸出。普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在ms級,峰值功率也只有幾十kW.調(diào) Q 激光器,光脈沖的寬度可以壓到ns級,峰值功率也已達到MW.而鎖模是進一步對激光進行特殊的調(diào)制。

第五章 典型激光器介紹

§1.固體激光器

本節(jié)課教學目標：

一般固體激光器是指沒有調(diào)Q、倍頻、鎖模等特殊功能的固體激光器,它是固體激光器的最基本組成形式。本節(jié)重點討論固體激光器的共同部分,即討論固體工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、冷卻與濾光以及連續(xù)和長脈沖固體激光器的闕值、激光輸出能量(功率)和效率。在泵浦系統(tǒng)中著重討論當前最常用的燈泵浦系統(tǒng)和時可國內(nèi)外重點發(fā)展的激光二極管泵浦系統(tǒng)。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、固體激光器的基本結構與工作物質(zhì)（重點）

固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構成的。

紅寶石激光器屬于三能級系統(tǒng)，紅寶石激光器的優(yōu)點和主要缺點。

二、固體激光器的泵浦系統(tǒng)

固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。

三、固體激光器的輸出特性

固體激光器的激光脈沖特性

四、新型固體激光器

1.半導體激光器泵浦的固體激光器

2.可調(diào)諧固體激光器

3.高功率固體激光器

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式 通過討論讓學生明白：

紅寶石突出的缺點是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。但具有很多優(yōu)點,如:機械強度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達上千焦耳。單級調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進行了測距試驗)。多級放大器件的輸出峰值功率已達數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻比較大的一種晶體。

§2.氣體激光器

本節(jié)課教學目標：

本節(jié)重點討論He-Ne激光器的結構和激發(fā)機理、輸出特性、CO2激光器的結構和激發(fā)過程 Ar＋激光器的結構、Ar＋激光器的工作持性。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、氦-氖(He-Ne)激光器

1.He-Ne激光器的結構和激發(fā)機理

2.He-Ne激光器的輸出特性二、二氧化碳激光器

1.CO2激光器的結構和激發(fā)過程

2．CO2激光器的輸出特性

三、Ar+離子激光器

1.Ar＋激光器的結構

2.Ar＋激光器的激發(fā)機理

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式

通過討論讓學生明白：與其他種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點是輸出光束的質(zhì)量好（單色性、相干性、光束方向性和穩(wěn)定性等）。

§3.染料激光器，半導體激光器，其他激光器

本節(jié)課教學目標：

本節(jié)重點討論染料激光器、半導體激光器的結構和激發(fā)機理、輸出特性、工作持性等。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、染料激光器的激發(fā)機理

1.染料分子能級

2.染料分子的光輻射過程

3.染料分子的三重態(tài)“陷阱”

二、染料激光器的泵浦

1.閃光燈脈沖泵浦

2.激光脈沖泵浦

三、染料激光器的調(diào)諧

四、半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件

五、PN結和粒子數(shù)反轉

六、半導體激光器的工作原理和閾值條件

七、同質(zhì)結和異質(zhì)結半導體激光器

八、準分子激光器 本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式

通過討論讓學生明白各種激光器的特點及優(yōu)缺點。

激光在信息技術中的應用

本節(jié)課教學目標：

激光在信息領域的應用，包括以激光為信息載體，將聲音、圖象、數(shù)據(jù)等各種信息通過激光傳送出去，或者通過激光將信息存儲在光學存儲器里，以及通過激光將信息打印或顯示出來，等等。本節(jié)介紹激光通信、激光顯示、激光存儲等領域的技術和應用，讓學生了解到激光在上述各方面應用的新思想、新概念、新技術、新進展。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

一、光纖通信系統(tǒng)中的激光器和放大器

1．半導體激光器 2．光纖激光器 3．光放大器

二、激光全息三維顯示

1．全息術的歷史回顧

2．激光全息術的基本原理和分類

3．白光再現(xiàn)的全息三維顯示 4．計算全息圖

5．計算全息三維顯示的優(yōu)點

三、激光存儲技術

1．激光存儲的基本原理、分類及特點

2．激光光盤存儲

3．激光體全息光存儲

4．激光存儲技術的新進展

四、激光掃描和激光打印機

1．激光掃描

2．激光打印機

本節(jié)課教學手段：

采用多媒體形式

通過學習讓學生了解到激光在上述各方面應用的新思想、新概念、新技術、新進展。

復習課

本節(jié)課教學目標：

系統(tǒng)復習本學期所學習的內(nèi)容，幫助學生總結本課程的重點、難點及解決問題的辦法。讓學生了解到：在光信息科學與技術知識體系中，激光在信息產(chǎn)生、獲取和處理中均起到重要作用。

本節(jié)課教學內(nèi)容：

重點：輻射半經(jīng)典理論、光譜線形及加寬機制、增益飽和、閾值條件、連續(xù)激光器的穩(wěn)態(tài)建立、諧振腔的穩(wěn)定條件、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性、等價共焦腔、調(diào)Q及鎖模技術原理

難點：增益飽和、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性

解決辦法：針對教學內(nèi)容中的重點和難點內(nèi)容，采取重點復習，認真閱讀教科書，通過比較多樣化解題方式，并借助上課時發(fā)下去的多媒體課件的直觀化，真正理解和掌握重點、難點內(nèi)容，握激光器運轉的基本物理原理及激光應用技術的理論基礎。為后續(xù)專業(yè)課程的進一步學習奠定基礎，為今后在光電子學及相關的電子信息科學等領域從事學術研究和教學工作奠定扎實的理論基礎。

本節(jié)課教學手段：

借助多媒體課件的直觀化，使學生真正理解和掌握重點、難點內(nèi)容。