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1.前言

任何物質均是由分子、原子組成，進一步分析，在原子里存在電子、質子、中子等微粒子，電子繞原子核轉動距離的不同，可以把原子分成不同的能級。通常把原子處在最低的能級狀態(tài)稱為基態(tài)；能級比基態(tài)高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子，在沒有外界信號作用下，自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時產生的光輻射，稱之為自發(fā)輻射。原處于高能級E2的粒子，受到外界能量為（如光照射）的光子的激勵，發(fā)出與入射光子相同的一個光子而躍遷到低能級E1其輻射出的光子頻率由兩個能級間的能量差來決定，即hν=E2 －E1

原子獲得能量后處于不穩(wěn)定狀態(tài)（也就是激發(fā)狀態(tài)），它會以光子的形式把能量發(fā)射出去。這種通過受激輻射光擴大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）就是激光名字的由來，激光，就是被引誘（激發(fā)）出來的光子隊列，光學特性一樣，步調極其一致。

2.激光產生

光的受激輻射的放大條件，①激勵能源——把介質中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去；②增益介質——能在外界激勵能源的作用下輻射光子狀態(tài)。

光是受根據受激物質的不同可分為固體激光、氣體激光。

YAG激光：固體激光，又稱Nd.YAG ，來自(Neodymium-doped YttriumAluminiumGarnet; Nd：Y3Al5O12)或中文稱之為摻釹的雜釔鋁石榴石晶體，可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光，發(fā)射之激光為紅外線波長 1.064μm。

光纖激光：固體激光，（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖（SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維）作為增益介質的激光器，按激光輸出波長的波段分類為S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)

CO2激光：氣體激光，CO2激光器中，主要的工作物質由CO，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體，放電時，放電管中的混合氣體內的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到激發(fā)的氮分子便和CO分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉發(fā)出激光

碟片激光 ： 固體激光 ，(Disk Laser)，又稱圓盤激光器，它與傳統(tǒng)的固體激光器的本質區(qū)別在于激光工作物質的形狀。將傳統(tǒng)的固體激光器的棒狀晶體改為碟片晶體，這一創(chuàng)新理念將固體激光器推向了一個新時代。碟片激光器以其極佳的光束質量和轉換效率在工業(yè)制造業(yè)中得到了日益廣泛的應用。

半導體激光器：(Diode Laser)以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質的能帶與雜質（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數反轉，當處于粒子數反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產生受激發(fā)射作用，常用工作物質有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)

(１)單色性　激光具有其他光源的光所難以達到的、極高的單色性。

(２)方向性　激光束的方向性好，即光線的發(fā)散度小。

(３)相干性　相干性是區(qū)別激光與普通光源的重要特性。

(４)能量密度高　激光束也和其他光束一樣，可以通過凸鏡或金屬反射鏡加以聚焦。

3.激光的比較

最大輸出功率方面：

1）光纖激光器達到50kw,

2）YAG固體激光器為6kw，

3）CO2激光器達到20kw,

4）碟片激光器達到8kw。

使用比較：

1）YAG激光器輸出的波長為1.06um，恰好比CO2激光波長10.06μｍ小一個數量級，因而使其與金屬的偶合效率高、加工性能良好（一臺800W YAG激光器的有效功率相當于3KW CO2激光功率）；

2）YAG激光器能與光纖偶合，借助時間分割和功率分割多路系統(tǒng)能方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠程距離工位，便于激光加工實現(xiàn)柔性化；

3）YAG激光器能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作，其脈沖輸出可通過調Q和鎖模技術獲得短脈沖及超短脈沖，從而使其加工范圍比CO2激光更大；

4）YAG激光器結構緊湊、重量輕、使用簡便可靠、維修要求較低，故其應用前景看好。

光纖激光器的優(yōu)勢：

1）光纖激光切割機光電轉換率高，綜合電光效率高達20%以上，能夠大幅度地節(jié)約運行成本；

2）光纖激光器具有免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點；

3）光纖激光器使用壽命長，而且維護比較簡單；

4）結構簡單、體積占地面積小。

光纖激光器的缺點：

1）相位穩(wěn)定性不容易做好；

2）不能切割非金屬材料和厚板金屬。

BPP（4/5Kw）方面：Beam Parameter Product (光束參數乘積遠場發(fā)散角半角×近場

光束半徑)

1）光纖激光器小于2.5，

2）YAG固體激光器為25左右，

3）CO2激光器達到6，

4）碟片激光器為8左右。

半導體泵浦壽命方面：

1）光纖激光器可連續(xù)工作10萬小時以上；

2）YAG固體激光器可工作1000小時左右；

3）CO2激光器預計在5萬小時左右；

4）碟片激光器壽命大約為1萬小時左右。

維護和操作費用/小時（4/5Kw)方面：

1）光纖激光器每小時￥2、

2）YAG固體激光器每小時￥35、

3）CO2激光器每小時￥20、

4）碟片激光器每小時￥8、

光纖激光是近幾年來得到快速發(fā)展的固體激光器，其激光器結構獨特并且創(chuàng)新。輸出激光功率達25kW以上的高質量光束。因結構緊湊、維護簡單、運行可靠，已表現(xiàn)出良好的應用勢頭，在相當多的領域正在逐步替代傳統(tǒng)的Nd:YAG激光和CO2激光器。

4. 應用

１)切割速度快，熱影響區(qū)小，工件被切部位的熱影響層的深度為０.０５～０.１ｍｍ，因而熱畸變形小。

２)割縫窄，一般為０.１～１ｍｍ，割縫質量好，切口邊緣平滑，無塌邊，無切割殘渣。

３)切邊無機械應力，工件變形極小。

４)無刀具磨損，沒有接觸能量損耗，也不需更換刀具，切割過程易于實現(xiàn)自動控制。

５)激光束聚焦后功率密度高，能夠切割各種材料，如高熔點材料、硬脆材料等。

６)可在大氣中或任意氣體環(huán)境中進行切割，不需真空裝置。

LBW: laser beam welding

１)激光能量密度高，這對高熔點、高熱導率材料的焊接特別有利。

２)焊縫深寬比大，比能小，熱影響區(qū)小，焊件變形小，故特別適于精密、熱敏感部件的焊接，?？梢悦馊ズ负蟪C形、加工工藝。

３)一般不加填充金屬。

４)激光可透過透明體進行焊接，以防雜質污染和腐蝕，適用于真空儀器元件的焊接。

５)焊接系統(tǒng)具有高度的柔性，易于實現(xiàn)自動化。