激光加工基本原理-wenkub
2023-07-12 05:33:30 本頁面
【正文】 8STK8x100x210610021085x8氪燈泵浦系統(tǒng)工作在低電壓、大電流狀態(tài)，對(duì)供電系統(tǒng)的要求是：電源與燈的伏安特性要匹配，氪燈的輸出功率由電流強(qiáng)度決定，燈在穩(wěn)定工作中的動(dòng)態(tài)電阻很小，燈電壓的微小變化都會(huì)引起等電流的大幅變化，因此要求電源有穩(wěn)流措施，應(yīng)為電流源，泵浦系統(tǒng)要求一定的電流調(diào)節(jié)范圍，當(dāng)電流調(diào)至最小值(休眠電流)時(shí)能保持弧光放電的穩(wěn)定性，~2%的范圍內(nèi)。表46 STLDP系列脈沖激光電源型號(hào)STLDP1STLDP2STLDP3STLDP4最大輸出電功率(kW)5544輸出電流范圍 (A)100600100600100600100600脈沖寬度 (ms)脈沖重復(fù)率(Hz)電源輸入380VAC380VAC380VAC380VAC外形尺寸 (mm)480x202x600（2）連續(xù)氪弧光燈泵浦系統(tǒng)。表45列出了脈沖氙燈的主要尺寸規(guī)格。惰性氣體放電燈泵浦系統(tǒng)是常規(guī)固體激光器最為廣泛使用的泵浦光源，主要分為用于脈沖工作方式的氙（Xe）燈和用于連續(xù)工作方式的氪（Kr）燈，隨著二極管激光器（LD）技術(shù)和制造工藝的成熟，采用激光二極管做為泵浦源，正成為固體激光器泵浦系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。表44 三種固體激光器的常用參數(shù)類型波長(zhǎng)/mm工作方式激光功率或脈沖能量脈沖寬度/ns發(fā)散角/mrad效率/%紅寶石脈沖100～1000J/脈沖(TEMmn)1J/脈沖(TEM00)108～109W102J/脈沖1～101～321095～101YAG連續(xù)脈沖Q開關(guān)2100W(TEMmn)20W(TEM00)1～500J/脈沖5J/脈沖(TEM00)5103J(TEM00)1103J108～109W(37～350)103J8105J(TEM00)10W(TEM00)～20(3～20)105(～1)10510510～20～25～2035～201～101～3釹玻璃脈沖Q開關(guān)鎖模500J51010W(100J/脈沖)1013W～1010101～10～2 泵浦系統(tǒng)包括泵浦光源和聚光腔。但其熱導(dǎo)率較低，故只能在脈沖狀態(tài)下工作。表43 固體激光器特點(diǎn)比較固體激光器特點(diǎn)紅寶石激光器屬于三能級(jí)系統(tǒng)，機(jī)械強(qiáng)度大，能承受高功率密度，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，可獲得大能量輸出，尤其是大能量單模輸出。固體激光器的這些優(yōu)越性使得其在激光打孔、焊接、表面工程和半導(dǎo)體加工技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于大多數(shù)材料，激光波長(zhǎng)越短，吸收系數(shù)越大，在加工工件時(shí)，固體激光器所需的平均功率比用CO2激光器的要小。在此，對(duì)幾種主要激光器進(jìn)行介紹。諧振腔由放置在激光工作物質(zhì)兩邊的兩個(gè)反射鏡組成，其中之一是全反射鏡，另一個(gè)作為輸出鏡用，是部分反射、部分透射的半反射鏡。泵浦源泵浦源的作用是對(duì)激光工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了形成穩(wěn)定的激光，首先必須要有能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)光粒子——激活粒子。這樣，在一個(gè)入射光子的作用下，可引起大量發(fā)光粒子產(chǎn)生受激輻射，并產(chǎn)生大量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同的光子。受激吸收處于低能態(tài)E1的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用(激勵(lì))下，吸收一個(gè)能量為的光子并向E2能態(tài)躍遷，這一過程稱為受激吸收躍遷，如圖12所示。其他激光加工激光加工在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用有激光清洗、激光復(fù)合加工、激光拋光等。激光材料改性激光材料改性主要有激光熱處理、激光強(qiáng)化、激光涂覆、激光合金化和激光非晶化、微晶化等?？梢酝高^透明介質(zhì)對(duì)密封容器內(nèi)的工件進(jìn)行加工。并且通過調(diào)節(jié)外光路系統(tǒng)改變光束的方向，與數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人進(jìn)行連接，構(gòu)成各種加工系統(tǒng)，可對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工。在實(shí)際熱處理、切割、焊接過程中，加工工件基本沒有變形。聚焦激光束具有106～1012W/cm2高功率密度，可以進(jìn)行高速焊接和高速切割。激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、增材加工及微加工等的一門加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光、機(jī)電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為激光加工系統(tǒng)和激光加工工藝。利用光的無慣性，在高速焊接或切割中可急停和快速啟動(dòng)。正是激光加工的這一特點(diǎn)，它已被成功地應(yīng)用于局部熱處理和顯像管焊接中。激光加工不受電磁干擾，可以在大氣環(huán)境中進(jìn)行加工。加工高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的金屬及非金屬材料。激光微細(xì)加工激光的微細(xì)加工起源于半導(dǎo)體制造工藝，是指加工尺寸約在微米級(jí)范圍的加工方式。 激光產(chǎn)生的基本原理 光的吸收和釋放激光的光吸收和釋放原理如表41所示。受激輻射受激吸收躍遷的反過程就是受激輻射躍遷。這種現(xiàn)象稱受激輻射光放大。它們可以是分子、原子或離子。不同的激光工作物質(zhì)往往采用不同的泵浦源。[1] 激光器系統(tǒng)激光器按工作物質(zhì)的不同可以分為：固體，氣體，液體，光纖及半導(dǎo)體激光器等。 固體激光器固體激光器以其獨(dú)特的優(yōu)越性在材料加工中獲得廣泛的應(yīng)用，固體激光器的優(yōu)點(diǎn)是：1）輸出光波波長(zhǎng)較短。2）固體激光器輸出較易使用普通光學(xué)元件傳遞。固體激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖41所示，它主要由激光工作物質(zhì)、泵浦光源、聚光腔、光學(xué)諧振腔等部分組成。但其閾值較高，輸出性能受溫度變化明顯，不宜作連續(xù)及高重復(fù)率運(yùn)行，只能做低重復(fù)率脈沖器件。目前Nd：YAG是實(shí)用化固體激光器件中主要使用的激光工作物質(zhì)。在固體激光器中，激光物質(zhì)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是通過光泵的抽運(yùn)實(shí)現(xiàn)的。（1）脈沖氙閃光燈泵浦系統(tǒng)。表45 STX系列激光氙燈型號(hào)內(nèi)徑φ1(mm）弧長(zhǎng)L2(mm)總長(zhǎng)OVL(mm)外徑φ2(mm)電極φxL4(mm)STX5x75x14047514053x5STX7x70x15057015074x5STX7x100x210510021074x8STX7x100x186510018674x8STX8x90x22069022085x8STX8x100x230610023085x8STX8x100x250610025085x8STX8x100x288610028885x10STX8x120x240612024085x8STX8x120x260612026085x8STX8x140x280614028085x8STX8x150x297615029785x10STX9x130x264713026496x8STX9x280x390728039096x8STX10x45x12584512510脈沖固體激光器電源系統(tǒng)的主回路原理圖見圖42，電源電路包括充電電路、儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)、放電電路、觸發(fā)及預(yù)燃電路、控制電路等。氪比氙的線狀光譜能更好地與Nd：YAG的吸收譜相匹配，因此，氪弧燈是連續(xù)工作高功率激光器常用的泵浦光源。電源系統(tǒng)框圖見圖43。15%177。15%允許工作環(huán)境溫度0～50℃0～50℃0～50℃0～50℃0～50℃工作環(huán)境濕度范圍≦90%≦90%≦90%≦90%≦90%對(duì)交流電源要求380V，6KVA380V，9KVA380V，11KVA220V，6KVA220V，9KVA（3）激光二極管泵浦系統(tǒng)。連續(xù)工作的激光二極管壽命超過104h、脈沖工作在109次以上，而惰性氣體泵浦燈只有200h和107次。目前，用作泵浦源的二極管的發(fā)射波長(zhǎng)已從770～990nm向紅外900～1000nm和可見光630～680nm擴(kuò)展，多種固體激光工作物質(zhì)都可以用二極管泵浦。目前很多激光器公司生產(chǎn)出LD泵浦固體激光器系統(tǒng)，如Rofin公司的DP系列固體激光器，采用半導(dǎo)體泵浦系統(tǒng)，主要應(yīng)用
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