激光原理及特性

01什么是激光？

—能級：物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構(gòu)成。電子圍繞著原子核運(yùn)動。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會處于一些固定的“能級”，不同的能級對應(yīng)于不同的電子能量，離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道（也是最近原了核的軌道）最多只可容納2個電了，較高的軌道上則可容納8個電子等等。

—躍遷：電子可以通過吸收或釋放能量從一個能級躍遷到另一個能級。例如當(dāng)電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能級躍遷至一個較高的能級。同樣地，一個位于高能級的電子也會通過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能級。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。

02 激光產(chǎn)生的原理

—受激吸收

受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。電子可通過吸收光子從低能級躍遷到高能級。

—受激輻射

受激輻射是指處于高能級的電子在光子的“刺激”或者“感應(yīng)”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率,相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光了變?yōu)閮蓚�相同的光了。這意味著光被加強(qiáng)了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。

—自發(fā)輻射

是指高能級的電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級，并在躍遷時產(chǎn)生光(電磁波)輻射，輻射光子能量為U=E2-E1,即兩個能級之間的能量差。

03 激光產(chǎn)生的條件

—激光工作介質(zhì)

激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。

—激勵源

為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學(xué)激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。

—諧振腔

有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用。還需要將輻射的光進(jìn)行放大，于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所渭光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達(dá)到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達(dá)到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經(jīng)過放大了的激光；而被反射回工作介質(zhì)的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，直到能量達(dá)到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。

04 什么是泵浦燈？

氙燈為惰性氣體放電燈，我們使用的燈的形狀多為直管形。其結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氙(Xe)氣體組成。電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成。燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙氣。

05 什么是Nd YAG激光棒？

Nd:YAG(摻釹的釔鋁石榴石)是目前最常用的一類固體激光器YAG是一種立方結(jié)構(gòu)晶體，質(zhì)地很硬、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高。用三價釹代替了晶體中部分的三價釔，因此稱為摻釹的釔鋁石榴石。

06 激光特點(diǎn)

—相干性好

普通光源上不同點(diǎn)發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂無章的，經(jīng)過透鏡后也不可能會聚在一點(diǎn)上。激光與普通光相比則大不相同。因?yàn)樗�的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起來,這就叫相干性高。

—方向性強(qiáng)

激光的方向性比現(xiàn)在所有的其他光源都好得多，它幾乎是一束平行線。如果把激光發(fā)射到月球上去，歷經(jīng)38.4萬公里的路程后，也只有一個直徑為2km左右的光斑。

—單色性好

受激輻射光（激光）是原子在發(fā)生受激輻射時釋放出來的光，其頻率組成范圍非常狹窄，通俗一點(diǎn)講，就是受激輻射光單色性非常好，激光的“顏色”非常的純（不同顏色，實(shí)際就是不同頻率)。激光的單色性是實(shí)現(xiàn)激光加工的重要因素。

—亮度高

激光焊接原理及特性

01 激光焊接原理

激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功率密度等特性進(jìn)行工作，通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時間內(nèi)使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。

02 激光焊接優(yōu)勢

與其它焊接方式相比，激光焊接具有以下特性：

1.能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊縫深寬比大。

2.熱輸入量小，熱影響區(qū)小，工件殘余應(yīng)力和變形小。

3.非接觸式焊接，光纖傳輸，可達(dá)性較好，自動化程度高。

4.接頭設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省原材料。

5.焊接能量可精確控制，焊接效果穩(wěn)定，焊接外觀好。

03 金屬材料的激光焊接工藝

1.不銹鋼使用普通方波即可獲得良好的焊接效果。

2.設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時，盡量使焊點(diǎn)遠(yuǎn)離非金屬物質(zhì)。

3.為滿足強(qiáng)度及外觀要求，應(yīng)盡量預(yù)留足夠的焊接區(qū)域及工件厚度。

4.焊接時應(yīng)保證工件的清潔度及環(huán)境的干燥度。

1.鋁合金材料反光率很高，焊接時需要較高的激光峰值。

2.脈沖點(diǎn)焊時易產(chǎn)生裂紋，影響焊接強(qiáng)度。

3.材料成份容易產(chǎn)生飛濺，應(yīng)選擇較好的原材料。

4.一般使用大光斑和長脈寬可以取得較好的焊接效果。

1.銅材料反光率相比鋁合金更高，焊接微光峰值更高，激光頭需傾斜一定角度。

2.針對一些銅合金，如黃銅、白銅等，受合金元素影響，焊接難度較大，焊接時需注意工藝參數(shù)的選擇。

激光焊接常見缺陷及應(yīng)對措施

激光焊接時工藝參數(shù)不正確，措施不良，往往會導(dǎo)致一些焊接缺陷的產(chǎn)生:

1.焊點(diǎn)表面飛濺

2.內(nèi)部焊接氣孔

3.出現(xiàn)焊接裂紋

4.產(chǎn)生焊接變形

01 焊點(diǎn)表面飛濺

激光焊接時產(chǎn)生飛濺的主要原因是激光功率密度過高，工件在短時間內(nèi)吸收了較多的激光能量，材料嚴(yán)重氣化，熔池反應(yīng)劇烈形成焊接飛濺，飛濺不僅影響工件的外觀和裝配精度，更會影響焊接強(qiáng)度，造成產(chǎn)品不良。

02 形成原因是什么？怎么防治？

引起飛濺具體原因，可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1.微光峰值功率過高，形成焊接飛濺。

2.焊接波形不合適，對高反射率材料未使用合適波形焊接。

3.材料成份偏析，造成局部吸收率提高，形成焊接飛濺。

4.工件表面有污物或非金屬物質(zhì)，造成吸收率提高，形成焊接飛濺。

5.兩工件之間或工件底部有低熔點(diǎn)物質(zhì)，焊接時形成大量氣體，造成飛濺。

6.焊接部位形成中空的封閉空間，焊接時空間內(nèi)的空氣受熱膨脹形成飛濺。

一般從以下幾個方面來改善焊接效果，防止焊接飛濺：

1.優(yōu)化焊接焊接工藝參數(shù)，如降低峰值功率或使用尖峰波。

2.選用合格優(yōu)質(zhì)的原材料。

3.加強(qiáng)焊前清洗，祛除油污雜質(zhì)。

4.合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)。

03 焊點(diǎn)內(nèi)部氣孔

氣孔是激光焊接中最常見的缺陷，激光焊接熱循環(huán)快，熔池存在的時間短造成焊接時形成的氣體來不及從熔池中溢出，從而形成焊接氣孔。

微光焊接時常見的氣孔一般可以分為以下幾類：氫氣孔；一氧化碳?xì)饪�；小孔坍塌氣孔�?/p>

04 焊接裂紋

激光焊接時裂紋危害很大，嚴(yán)重影響工件的焊接強(qiáng)度，降低工件的使用壽命，因此預(yù)防裂紋有重要意義，激光焊接加熱冷卻時間快，加大了材料產(chǎn)生裂紋的幾率必須采取一定措施加以改善。

激光焊接主要生成的是熱裂紋，在焊接鋁合金和高碳高合金鋼時常常產(chǎn)生裂紋，預(yù)防措施如下：

1.焊接某些牌號的鋁合金或高碳高合金鋼時，由于材料脆硬傾向大，在波形上需增加預(yù)熱跟緩冷波段，以減少裂紋傾向或降低開裂程度，增加焊接強(qiáng)度。

2.在焊接接頭選擇設(shè)計(jì)時，盡量減少焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，降低焊接時的裂紋傾向。

3.選擇合適的焊接材料，在同等性能的情況下，盡量選用裂紋傾向小的材料。

05 焊接變形

在焊接薄板大幅面多焊點(diǎn)時，往往易產(chǎn)生焊接變形，影響后期工件裝配精度和使用性能，焊接時一種局部加熱的材料加工方式，焊接變形形成的原因是工件各部分焊接熱輸入不均勻，熱脹冷縮不一致造成焊接變形，因此需要從變形產(chǎn)生的原因加以預(yù)防或改善：

1.優(yōu)化工藝參數(shù)，減少熱輸入量，如增加激光峰值，減小焊接脈寬，在不影響焊接表面質(zhì)量的前提下可有效減小焊接變形量。

2.降低焊接速度和平率，使單位時間內(nèi)輸入工件的熱量減小，則焊接變形量隨之減小。

3.優(yōu)化焊接順序，使工件各部分受熱均勻，也是減小焊接變形的一種有效方法。

轉(zhuǎn)自：億升激光

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