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1、激 光 原 理 与应用,佘 宇 18688608724,世界上的第一台激光器：1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。,激光定义：受激辐射光放大。激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER leiz 的音译，是取自英文 Light Amplification by S
2、timulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。,激光产生原理,激光产生理论介绍:激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到 与此能量相对应的较高能级。,自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子 的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向 低能级基态（E1
3、）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。,受激辐射（激光）:当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。,粒子数反转 要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的 粒子数，这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，实现粒子数反 转是产生激光的必要条件。,晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离子数反转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石（Nd:Y
4、AG）YAG激光晶体。谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向的光加以抑制。激发源：要是工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电激励式，化学式。,固体工作物质：红宝石、Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、含镱光纤芯等。气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体；液体工作物质：染料、无机溶液、稀土金属离子溶液。,工作物质被激励后能发生粒子数反转的活性物质,激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源,光激励
5、：光源来照射工作介质（闪光灯、LD）；电激励：用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子；化学激励：应用化学反应方法；热激励：超音速绝热膨胀法；,激光器内部机构,激光器内部机构,晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）；全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度；半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%；Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束；功率计：量测输出的激光能量大小；Shutter：控制激光输出的一个开关。,激光器内部结构,平面反射镜，球面反射镜,前反镜、后反镜,激光系统的光学谐
6、振腔由前反镜和后反镜镜共同组成，使激光得以震荡放大。前反镜：20%透光率，80%反射率；后反镜：100%反射率我们使用的是平行平面腔，就是说前反镜和后反镜都是平面镜，并镜面平行，使光发生振荡。平行平面腔的优点是制作简单、方便。缺点是易偏移，稳定性差。,激光器内部分解图,Q-Switch,晶体腔,半反镜,光纤耦合器,激光器内部分解图,Q-Switch,晶体腔,半反镜,光纤耦合器,f-透镜,f-透镜(平面场镜)：是一组结合的凸面镜，聚焦的同时，还有修正焦平面的作用,LINOS 聚焦镜头,Nd：YAG激光棒,Nd：YAG（掺钕的钇铝石榴石）是目前最常用的一类固体激光器。YAG是一种立方结构晶体，质地
7、很硬、光学质量好、热导率高。用三价钕代替了晶体中部分的三价钇，因此称为掺钕的钇铝石榴石。,泵浦灯,氙灯为惰性气体放电灯，我们使用的灯的形状多为直管形。其结构一般都是由电极、灯管和充入的氙（Xe）气体组成。电极是用高熔点、高电子发射率，又不易溅射的金属材料制成。灯管用机械强度高、耐高温、透光性好的石英玻璃制成。灯管内充入氙气。,扩束系统扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件，也称准直镜，通常由共焦的两个透镜:一个负（凹）透镜和正（凸）透镜组成；光束直径增大，远场发散角将会减小。这就是扩大光束的优点所在。另外，小的发散能够使高斯光束聚焦得更好外光路可配置4倍扩束系统，保证光束的准直性。,光
8、束准直系统,光束准直系统,扩束镜结构,LINOS 扩束镜 2*-8*,振镜扫描聚焦系统其工作原理是将激光束入射到扫描镜上，用计算机控制扫描镜的反射角度来达到激光束的偏转，从而使激光聚焦点沿与玻璃边沿平行方向扫描输出激光，将表面膜层清除；振镜是一种矢量扫描器件，将软件内的矢量图形转化才激光的运动，它是一种特殊的摆动电机,基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,不能象普通电机一样旋转,只能偏转,偏转角15；扫描器的直线扫描速度最大可达7000mm/s。通过调节振镜头的上下位置调节激光光斑直径大小。,振镜,振镜：分X、Y两组，分别负责焦平面上X、Y轴方向的运动每组包含全反射的镜片，伺服
9、电机和驱动板。振镜所用电源为28V15V电源。,振镜,全反射的镜片驱动板伺服电机,Q与调Q,连续光功率较弱，许多情况下需要我们增强打标功率，脉冲激光我们可以把Q驱比喻为拦河坝的大闸，Q驱有高频信号提供给Q头的时候，相当于闸门放下，无水流通过，存储水量，水位上升（即锁光）。当Q驱撤消高频信号的时候，即闸门打开，存储的大量能量释放。存储的能量在短时间内释放，产生的能量级是调Q前的千倍甚至万倍以上。重复锁光、释放这个过程，使我们能得到激光器连续输出的巨能量脉冲。而重复这个过程的周期足够短，使我们直观得到调Q后的激光是不间断的,作用：为了能够得到高能量的脉冲激光原理：通过某种方法使谐振腔的损耗（Q值）
10、按照规定程序变化结构：1、电光 2、声光 3、被动调Q（染料）原理：（声光调Q）在石英晶体的电极间加一高频电流信号，使晶体内部产生音频振动，使晶格发生振荡，按设定的规律使激光阻断或通过，以得到一定频率的经调制的脉冲光。,Q开关,附图（Q、RF信号及激光输出）,声光介质主要采用熔融石英、玻璃、钼酸铅等。换能器常采用石英、铌酸锂等晶体制成。吸声材料常用铅橡胶或玻璃棉等。把声光Q开关器件插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中，使折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有2角的偏离(如当超声频率在2
11、050MHz范围时，石英对1.06m的光波的衍射角为0.30 0.50)，这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。,附图(驱动Q头）,首脉冲压缩,首重点现象：打标的第一个点因打标前Q头一直处于锁光状态，存储了大量的能量，在打标释放的时候第一个点出现能量过重的现象，首脉冲压缩即是对此现象进行改进的一个功能。实现首脉冲压缩的方法之一是释放前逐渐降低锁光能量，即逐渐减小高频信号幅值。,附
12、图(首脉冲压缩）,Q驱的调制方式分类,Q开关,主动调制式Q,机械转镜Q驱,被动调制式Q,电光Q驱,声光Q驱,染料式,色心晶体,光斑,Beam Shaping（激光束形状）一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。加装Beam Shaping 的镜组，激光的Beam Profile由高斯光（Gaussian）改为Top Hat，制程速度可提高2-4倍以上。,高重叠率High overlap1.低速度Low speed(tact time)2.高能量High energy(maybe res
13、ult in damage)低重叠率Low overlap1.高速度High speed(tact time)2.低能量Low energy(maybe film isnt deleted clearly),0%,50%,d,重叠率计算Overlap,半导体泵浦激光器介绍端面泵浦侧面泵浦,半导体泵浦,Q-SW,YVO4 crystal,Pumping LD,Fiber for pumping light,Pumping LD,Q-SW,端泵浦,侧面泵浦,1064nm,1064nm,YAG,端面泵浦,侧面泵浦,应用范围,端面泵浦 红外激光、绿激光、紫外激光,紫外加工优势,加工原理方面-紫外加工精
14、度高于红外和绿光 由于UV 激光的短波长和高光子能量特点,其聚焦光斑可以更小,同时高能量UV 光子直接破坏材料的分子键,相对于红外激光的“热熔”过程,UV 激光加工时是“冷蚀”效应,这使得加工的尺寸可以更小,加工的精度得到提高,热影响区较小,热影响区较大,紫外光,可见光,红外光,不同波长的激光加工效果图,355nm激光加工,1064nm激光加工,10.6 m激光加工,电光转换效率:,光纤激光器的光光转换效率通常为70-80%，而泵浦YAG仅约为4%，半导体泵浦YAG和盘形激光器约为40%。,激光冷却系统,冷水机系统原理 制冷系统原理 恒温冷水机的制冷系统原理图：,恒温冷水机制冷系统工作原理,制
15、冷剂的流动方向：制冷时 压缩机冷凝器干燥过滤器 电子膨胀阀 板式换热器 压缩机，如此往复循环不制冷时 压缩机能量调节阀板式换热器 压缩机，如此往复循环注意：制冷管路上的阀门都是有方向性的，要注意阀体上的相关标注或说明,恒温冷水机制冷系统工作原理,部件的作用及工作过程压缩机：制冷剂在制冷系统里流动的动力源泉，把低温低压的制冷剂压缩成高温高压的制冷剂。制冷系统启动后，不管制冷与否，压缩机都是一直运转的（包括风机）。冷凝器及轴流风机：把制冷剂所吸收冷却水的热量散发在环境当中。散发的热量越多，说明吸收制冷剂冷却水的热量越多，冷却水的温度就会越低。一定要保证冷水机的散热情况良好。过滤器/干燥过滤器：在系
16、统初运行的时候，过滤掉焊接产生的氧化皮或者制冷剂中的水份。电子膨胀阀：在制冷系统中起到对制冷剂开关和节流的作用。电子膨胀阀里面有一阀芯，当线圈得电产生磁场力，阀芯往上吸，电子膨胀阀打开；当线圈失电磁场力消失，阀芯由弹簧及重力的作用往下掉，电子膨胀阀关闭。能量调节阀：当电子膨胀阀关闭后，能量调节阀自动打开；当电子膨胀阀打开后，能量调节阀自动关闭。以保证制冷系统的正常循环。板式换热器：制冷系统的蒸发器，冷水机制冷的地方。液态的制冷剂吸收冷却水的热量变成的气态，温度较高的冷却水热量给制冷剂吸收后，变成温度较低的冷却水后回到水箱。注意：一般情况下，制冷剂由下进上出，冷却水由上进下出，形成交叉对流，换热
17、效果更好。工艺检修阀：一般在制冷系统的低压侧。连上复合压力表后可以检测制冷系统的低压压力。或者是对制冷系统添加或排放制冷剂都是这个阀门。,水路系统原理 恒温冷水机与非恒温冷水机水路系统相同，系统原理如下所示：,冷水机水路系统工作原理,部件的作用及工作过程水泵：把冷却水从水箱里泵出来，从而形成有一定压力及流速的冷却水。水箱上的过滤器要定期清理，以免影响水泵的进水。过滤器：过滤掉冷却水中的杂质，以保证流向激光器的水质符合激光器的要求。注意，过滤器上的进、出水有方向性。请留意过滤器瓶上的标识。出、回水接头：在是冷水机与激光器的连接接头。连接接头主要有宝塔式（灯泵浦冷水机）、快速接头式（红外冷水机、C
18、O2冷水机）以及压接式（最新的CE冷水机，配DRACO激光器使用）。板式换热器：冷却水被冷却的地方。冷却水经过激光器后，温度升高，回到冷水机后首先经过板式换热器，把温度降下来后，变成温度较低的冷却水再回到水箱。注意：一般情况下，制冷剂由下进上出，冷却水由上进下出，形成交叉对流，换热效果更好。流量开关：检测冷却水的循环流量。当流量过小时（低于其动作值）发出报警信号，以保护冷水机制冷系统以及激光器的正常工作。请勿短接流量开关来使用。液位开关：检测水箱的水位。当水位过低时发出报警信号，以保护冷水机制冷系统以及激光器的正常工作。请勿短接液位开关来使用。水箱：储存冷却水的容器，冷却水温度的检测点。目前冷
19、水机上有塑料以及不锈钢的水箱，将来会全面使用塑料的水箱。水箱的作用：1.保证了水泵的进水量2.能稳定冷却水的温度，使其温度波动不大。,发展：通用化：不再按激光器类型来区分冷水机，冷水机只按制冷量来分类。目前由于激光器对水质的要求不一，导致冷水机有多种型号，将来我们会从选型设计上做成统一的。产品系列化：冷水做系列化的设计，冷水机的外观结构基本一样，只是颜色不一样而已。这样不但可以提高物料的利用率降低生产成本，而且更有利于日后使用和维修。相同的原理，不同的大小而已！人性化：更多的保护措施，更全面报警信号提示，无论是使用还是维修，都一样得心应手。能量调节阀旁通+电子膨胀阀节流+PID控制器优点：控温
20、精度高，达到0.1oC 电子膨胀阀开关寿命长，达到80百万次，理论可工作15年 不制冷时，可对冷却水进行加热，加快升温速度,激光的应用,一 激光的特性,方向性好 亮度高 单色性好 相干性好,方向性好,单色性好,高亮度,激光的应用,由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用,激光的主要应用,测距，生活中，农业，加工，医疗，通信，舞台与唱片，科学研究，军事,激光测距,1969年7月，美国“阿波罗”飞船登月时，宇航员在月球上安放了一组反射器，然后从地球上向反射器发射激光脉冲，激光脉冲就会被反射器反射回来。科学家通过激光脉冲往返月地所用的时间，就计算出了地球到月球之
21、间的平均距离：38 4401千米。,激光在军事上最先得到实际应用的是激光测距技术。20世纪60年代末，激光测距仪开始装备部队。由于它能迅速准确地测出目标距离，广泛用于侦察测量和武器火控系统,激光在生活中的应用,激光打印机,激光教鞭,激光打印机,无论是黑白激光打印机还是彩色激光打印机，其基本工作原理是相同的，它们都采用了类似复印机的静电照相技术，将打印内容转变为感光鼓上的以像素点为单位的点阵位图图像，再转印到打印纸上形成打印内容。与复印机惟一不同的是光源，复印机采用的是普通白色光源，而激光打印机则采用的是激光束。,激光在农业上的应用,用激光照射玉米种子能增产 俄罗斯科学院科学家利用红色激光照射玉
22、米种子，结果每株玉米的果穗比未照射激光的重100多克，因而提高了玉米的产量。专家们认为，由于激光的颜色、照射时间、强度和方向都很容易调整控制，因此，这是一种很有发展前途的提高农作物产量的育种方法。,用激光照射种子可防作物病虫害 哈萨克斯坦的农业专家研究出一种预防农作物病虫害的新技术：在播种前12个星期，不用化学药剂，而是利用激光对作物种子进行照射，使种子消毒和灭菌，从而达到预防病虫害的目的。这项技术在实践中取得了良好的效果。,激光在加工业上的应用,钻孔、切割、焊接以及淬火等，是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后，在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外，激光还
23、能加工许多非金属材料。,激光钻孔的原理 利用激光束聚集使金属表面焦点温度迅速上升。当热量尚未发散之前，光束就烧熔金属，直至汽化，留下一个个小孔。激光钻孔不受加工材料的硬度和脆性的限制，而且钻孔速度异常快。,如果需要在金属薄板上钻出几百个连人眼都难以察觉出来的微孔，用电动钻孔机显然是不能胜任的，但用激光钻孔机却能在12秒钟内全部完成。如果用放大镜对这些微孔作一番细查的话，可发现微孔面十分整齐光洁。,激光钻孔还可用来加工手表钻石 它每秒钟可钻 2030个孔，比机械加工效率高几百倍，而且质量高。同时，激光钻孔与下面我们就要讲到的激光切割一样，加工过程是非接触式的，即不像机械加工那样靠钢钻头逐渐钻透金
24、属材料。因此，激光操作可以在自动化连续加工，或者在超净、真空的特殊环境中发挥作用。,激光切割机 切割金属材料：只要移动工件或者移动激光束，使钻出的孔洞连边成线，就自然能将材料切割下来了。而且，不论是什么样的材料，如钢板、陶瓷、塑料、化纤、木材等，激光都如一柄削铁如泥，削木如灰的光剑，而且，切割的边缘非常光洁。,激光核聚变,时至今日，这个项目已经演变成21世纪人类最宏大的一场科学活动。如果一切顺利的话，它将一劳永逸地解决人类的能源危机。这就是ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)，全称“国际热核实验反应堆”，它要在地球上制造出
25、人造太阳，消耗50兆瓦的能量，却会输出达到500兆瓦的动力，所需要的仅仅是宇宙中蕴藏丰富的物质：氢。今年早些时候，实验室主任接受CBS“60分钟”节目采访时表示，NIF的目标是创造“清洁、取之不尽的能源”。他说这将使美国从温室气体排放的困境和对中东石油的依赖中解脱出来，而这种技术的商业化可能在10年之内开始。不管怎样，ITER能够检验核聚变是否可行，但它不能证明核聚变是否能商业化运行。而我们有很多理由说明后者的不可行，最简单的理由就是聚变过程中的辐射强度非常高，能损坏像钢这样的普通物质，因此核聚变电站需要采用一些目前还没有的新材料，才能抵挡等离子体长达数年的轰击，不然反应堆就需要经常停机检修。
26、再者，燃料氚的来源也成问题，发电站必须自行制备，比如利用反应堆本身的核反应过程来制造氚。有人认为，建造一台基于ITER技术的反应堆，最大的障碍在于该装置极端的复杂性。那些特殊的加热系统和自制部件可能在实验中运行良好，但作为电站需要的是简单、易维护，英国原子能管理局负责人史蒂夫 考利说：“无法想象一台到处叮叮咣咣的机器怎么能日复一日稳定工作。”因此，在并网发电之前，还必须建造第二代的验证性反应堆，不用说，同样造价不菲。考虑到目前ITER跌跌撞撞的前进脚步，在本世纪中叶之前，估计什么也运行不起来。,实现核聚变 需超高温、超高压两个条件 迄今为止有两种方案可能实现人工驾驭的核聚变。第一种是“磁约束核
27、聚变”。磁约束的难点在于受强大磁场约束的等离子体依然不易被约束，它们很易逃逸（泄漏）或常常变得不稳定。有我国参与、七国联合建设的国际热核聚变实验堆（ITER）的科学家们正在加紧研究解决之道，为最终实现磁约束可控核聚变而努力。第二种称作“惯性约束核聚变”，那是瞬间将一个含有聚变物质氘和氚的微型燃料靶丸加热至超高温度，并同时对它施以极大压力，将靶丸物质高度压缩而导致“点火”引发核聚变的过程。利弗莫尔实验室建设世界上最强大的激光器研究核聚变的计划 美国国家点火装置(NIF),这是激光NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。,高能激光（能产生约5500 oC
28、的高温）把大块硬质材料焊接在一起,激光在医学上的应用,应用于眼科 激光主要是用来治疗视网膜剥离。视网膜剥离是一种很棘手的疾病，患者的视网膜与眼球内壁脱开，无法产生视觉。在激光没有问世之前，病人恐怕难免失明的苦难。现在，医生可以用激光器对准病人眼底，使激光器发射出一束激光，通过加热使视网膜重新与眼球内壁合在一起。整个过程要不了几分钟，激光束就像焊枪一样，将病人的视网膜焊接好了。,用脉冲的染料激光（波长585nm）处理皮肤色素沉着,应用于牙科 激光可以代替牙钻。用激光治牙，病人几乎没有不舒服的感觉，而且只要不发炎，一次治疗就能解决问题。牙科激光器是激光器中的小弟弟，它的功率很小，只有3瓦，相当于一
29、支节能灯，几乎不产生热量。它的发射端实际上是像头发丝那么细的光导纤维。,用激光刀给病人的心脏、肝脏、胃等重要内脏动手术(微创手术)，要靠医生手中的一件宝贝-激光纤维内窥镜。它是医生用来插到人体内直接观察器官的光学装置，用光导纤维做成的内窥镜又软、又细、又能弯曲，当它插入病人胃里时，不会有痛苦。激光纤维内窥镜一方面可用来检查病人的脏器是否有病变，还可以将激光能量输入体内脏器中，作切除手术，。而且，用激光刀切割，伤口能自动止血，不需要结扎出血点，大大缩短了手术时间，伤口愈合快。,激光是外科医生的一把 神奇的“手术刀”,激光通信,利用激光来有效地传送信息，叫做激光通信。激光通信是近期发展起来的一种先
30、进的现代通信技术，其特点是通信容量大，保密性好，抗干扰性强，通信质量高。激光通信的方式主要有两种，一是“有线”的光纤通信，二是“无线”的大气激光通信。这两种通信方式都具有极高的保密性。,由美国宇航局埃姆斯研究中心负责主管的“月球大气与尘埃环境探测器”(LADEE)上搭载了一台空间激光通信实验载荷，名为“月球激光通讯演示”(LLCD)。,2017年或推出最快星际互联网LADEE搭载了月球激光通信终端(LLCD)，该仪器创下622Mbps的数据下载速率，20 Mbps的数据上传速率。相比较而言，旧金山WEIRD公司网络只有75 Mbps下载速率和50 Mbps的上传速率。过去NASA与月球探测器之
31、间的通信速率比LLCD提供的速度慢五倍。NASA一直使用无线电波与在太阳系执行任务的飞船进行通信。探测器离地球越远，传输信号耗能越多，地球上的接收器越大。比如NASA离地球最远的探测器航海家1号(Voyager 1)，靠一个接近70米长的天线来接受信号。而LLCD则依靠三个在新墨西哥州、加利福尼亚州和西班牙的地面终端来传递信号。,金属3D打印,埃姆斯国家实验室材料制备中心（MPC）对金属的研究开发业界知名的，在2013年1月份，美国能源部宣布在该实验室设立重要材料研究所（CMI），主要目的是解决维护美国能源安全所需的稀土金属和其他材料短缺的问题。美国金属加工技术国家中心专业研究范围包括金属的浇
32、铸、半固态、成型、焊接和粉末冶金，其中粉末冶金等静压技术的研究处于前沿。“钛合金在航空航天领域用得比较多，现在可以用激光以及电子束加工成型，这些金属加工技术是这几年才兴起来的。”前述南洋理工大学研究员向记者表示。而这位研究员提到的用激光和电子束加工成型的技术正是近年来炒得火热的3D打印，也叫做增材制造。作为科技强国，美国在这方面自然不甘人后，2012年10月，美国在俄亥俄州扬斯顿成立了首个世界前沿的国家增材制造创新研究所（NAMII）。目前，钛合金粉末就达到了每公斤8000元。”史玉升以3D打印里最贵的材料钛合金粉为例介绍，如果能成功，就连乙烯粉末也会坐上“直升机”，身价可以从之前的每公斤10
33、元升至300元。为国产大飞机C919制造中央翼缘条，是3D打印技术在航空领域应用的典型。中央翼缘条长达3米，是大型钛合金结构件，作为机翼的关键部件，以我国现有制造能力无法满足需求，如果向国外采购，势必影响大飞机的国产化率。西工大与中国商用飞机有限公司合作，应用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题。,激光全息存储,激光光盘是一种先进的录像和记录信息的产品。光盘记录信息不但质量高，而且容量非常大，光盘的一面就能够存储6.25亿个汉字。如果一本书10万字（约180页）的话，那么它就能存储6250本书的信息量，一张光盘就相当于一个小型图书馆。广东商学院图书馆馆臧300万册，约需24
34、0张光盘。,激光全息存储的优点,信息存储容量大-可达1Tb/cm3 记录速度快 记录信息不易丢失-寿命可达数百年 便于长期保存-每一碎片都包含完整信息 便于拷贝、复制,激光在军事上的应用 激光武器,激光武器的优点,无需进行弹道计算 无后座 操作简便，机动灵活，使用范围广无放射性污染，性价比高,激光枪,激光制导,宝石路系列激光制导炸弹，是美国于60年代中期，在MK80系列标准炸弹基础上加装激光制导系统和弹翼而发展成的一种精确打击武器，已发展了三代。目前，已经形成系列化装备，是美国空军对地攻击的重要力量。台湾引进的主要有GBU-10E/B（908公斤）、GBU-12B/B（454公斤）、GBU-1
35、2D/B、E/B（227公斤）等，属宝石路第二代。性能特点：1、可在较远的距离上投放，载机生存率高。2、命中精度高，极大地提高了有效载荷比。3、可攻击多种目标。4、价格低廉，成本效益比高于普通炸弹50倍。5、需目标照射保障，载机无法在抛投后迅速脱离。越南战争中，美军大量使用了刚刚研制成功的型弹，共投掷25000余颗，命中率在60%以上。1986年美利冲突中，美国出动FB-111战斗/轰炸机与海军舰载机配合作战，使用激光制导炸弹成功地袭击了班加西、第黎波里的预定目标，附加损失较小。海湾战争中，激光制导炸弹是美军空对地攻击的重要武器，美军共投掷9300余颗，计6000多吨，命中率达85%以上，为瘫
36、痪伊军防空体系，杀伤消耗其有生力量起到了重要作用科索沃战争中，美军大量使用了激光制导炸弹，其中钻地型GBU-28在摧毁南坚固设施中发挥了重要作用。,激光制导,舰载激光武器,美国导弹防御局2010年2月12号宣布，美国在11号使用机载大功率激光武器成功击落两枚正在升空阶段的弹道导弹。这是美军定向能武器首次成功拦截导弹。美国最新核动力航母CVN-78“福特”号下水。“福特”号堪称目前世界上最先进的航母，也是美国海军最新一代的核动力航母新研制的舰载激光防御系统，可快速拦截来袭导弹。武器级战术激光器也取得重大进展，研制出世界上首台可用于实战的“火力打击”固体激光器，每个模块能提供15千瓦的激光能量，通
37、过多个模块组合可提供更高的能量。,机载激光武器,激光用于科学研究 激光冷却,美籍华人、美国能源部长朱棣文与他的伙伴发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得1997年诺贝尔物理学奖,激光制冷,从20世纪七、八十年代几十年以来，一种叫做多普勒冷却的技术一直在用激光冷却材料，利用光子使原子减速。能量从原子到光子的转换能使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度弱。但是只是在极小的尺寸上才能作到这一点。激光为什么能制冷呢？原来，物体的原子总是在不停地做无规则运动，这实际上就是表示物体温度高低的热运动，即原子运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度。激光制冷的原理
38、就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度。物体原子运动的速度通常在约每秒500米左右。长期以来，科学家一直在寻找使原子相对静止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光，从各个方面对原子进行照射，使原子陷于光子海洋中，运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”。在试验中，被“粘”住的原子可以降到几乎接近绝对零度的低温。,饮用水检测,为保持饮用水清洁，自来水厂的工程师需要不断对水质进行各种检测，既费时又耗力。现在，德国科研人员利用激光技术，推出了一种饮用水快速检测法，仅需几分钟就可得出检验结果。德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所日前发表研究公报称，一种特殊的红外线
39、激光器可以对自来水厂的饮用水样本进行自动分析。这种激光器的体积仅为鞋盒大小，其工作原理是，每种化合物分子都有特定的吸收光谱，用红外线激光照射水样本并分析其吸收光谱就可以确认化合物的种类。这套红外线激光器已在德国黑森林地区的金齐希河自来水厂进行试用。在六周的时间里，这套仪器每隔三分钟就会对饮用水样品进行自动检测，共进行了约21万次检测，结果非常精确。除对饮用水进行日常检验分析外，这套仪器还能快速检验出水中的危险物质，这将有助于政府部门对水污染事件作出快速反应。,激光加工蓝宝石,当加工易碎材料时，避免产生小裂缝是经常要遇到的挑战，这些小裂缝会削弱零部件的强度。产生裂缝的一个原因是过度的热量进入了零
40、部件。热量导致材料膨胀，加快了裂缝的生成。适当的加工策略可以防止小裂纹的形成。这其中就包括精准定义加工参数，如脉冲能量、脉冲重叠度、重复频率、焦点直径和激光加工次数。最佳工作点取决于材料、加工形状、加工时间和质量的要求，并通过应验试验加以确认。位于德国南部Ditizingen的Trumpf公司和德国西部 Aachen的Fraunhofer激光技术研究所开展联合研究，发展了优化激光加工脆性材料效果的理论基础。,使用皮秒激光器切割玻璃,思考题,激光在日常生活中有哪些应用？,激光安全,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 激光对视觉的伤害是激光产品最大的潜在危害,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的
41、危害 不同激光波长对眼睛的伤害 a)可见光激光:眼屈光介质(角膜、房水、晶状体）对可见光谱（400nm-700nm)的激光透过率很高，吸收率低。造成眼底视网膜和脉络膜损伤。b)近红外、远红外激光：1064nm激光（YAG、Nd玻璃）能量一半损伤屈光介质，一半损伤视网膜。10600nm辐射（C02激光）可完全被角膜吸收。c)紫外激光：眼屈光介质透过率随波长变短迅速下降，被角膜吸收，引起角膜炎和结膜炎。,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 瞳孔大小及损害程度：a)缩小的瞳孔可以减少进入眼底的激光量。b)瞳孔越大进入眼内的激光量越大，眼底损伤程度越重，越不可逆转。c)在光线较暗的室内，瞳孔散开就
42、大，在这样的环境中调试，使用激光器者，必须慎重保护眼睛。因此时眼睛的瞳孔处于最大状态，进光量虽少，也最容易伤害眼睛视网膜。缩小的瞳孔，除能减少进光量而外，瞳孔外的激光量可被虹膜吸收、而将热量由虹膜的微血管扩散转移。d)一般人的眼睛在暗的环境时，瞳孔直径为78mm，在可见的强光下可以缩小到只有1.5mm，通常在白天瞳孔直径约23mm。因而，最大瞳孔与最小瞳孔之间的透光面积相差20倍以上。,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 激光入射角与眼伤害关系：激光不与视轴同步，偏离角度越大，视网膜的损伤越轻，虹膜可挡住偏离的激光而不会进入眼底。由于黄斑部位中央凹在视觉功能中起的作用极重要，而且这部位又最
43、容易受损伤，所以直视激光束的危险程度要比偏离视轴一个角度射入眼睛的危险程度大很多，必须绝对避免。,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 眼底色素含量多少与受到激光伤害程度有特定关系：色素组织极容易吸收激光能量，故色素含量多少直接影响到激光对视网膜的损伤程度。机体肤色深浅与眼底色素呈正相关联系，皮肤色重者，其眼底所含的色素数量也多；皮肤色白者，眼底含色素数量相对较少。,-激光辐射的危害,激光辐射对皮肤的危害 激光剂量与皮肤损害程度的关系：a)激光损伤皮肤的机理主要是激光的热作用。b)照射皮肤时使用的激光功率密度（或能量密度）越大，则皮肤受到的损伤越大，二者呈正相关比例。c)皮肤吸收超过安全阈值
44、的激光能量后，受照部位的皮肤将随剂量的增大而依次出现热致红斑、水泡、凝固及热致炭化、沸腾，燃烧及热致汽化。d)皮肤对10.6m波长红外激光吸收率很高，透过率很低，皮肤对CO2激光产生强烈吸收，使皮肤的局部温度快速升高，极容易造成损害。,激光安全等级,-激光产品的分类,1类激光:其连续波功率很小，只达微瓦或亚微瓦级，正常运行条件下不会产生危害，一般不必采取防范措施。例如:激光打印机等。,-激光产品的分类,2类激光：功率为（0.1-1）mW，仍属小功率范围，可以用肉眼观察。其输出剂量不超过1类激光源的最大允许辐射剂量，虽不是绝对安全的，但眼睛对这类激光源看久了会自动生厌（眨眼）而自我保护。例如:游
45、 戏 用 激 光 枪、激 光 棒 及 条 码 扫 描 器等。,-激光产品的分类,3A类激光：其连续波输出功率达（1-5）mW，通常应加防护措施，其工作区及激光源本身均应挂相应的警告标记，另外，利用光学仪器直视这类激光源会对眼睛带来危害，也应加强防护。例如:激 光 棒 及 直 线 校 准 仪 器。,-激光产品的分类,3B类激光：其输出功率为（5-500）mW，直接靠近这类激光源会对身体有危害；通过漫反射器观看这类激光源，距离在150mm以上。观看时间短于10s则是安全的。此类激光源应设警告标记。例如:用 于 物 理 治 疗 的 激 光 治疗仪等。,-激光产品的分类,4类激光：激光输出功率在0.5
46、W以上，即使通过漫反射也有可能引起危害，会灼伤皮肤，引燃可燃物。用户操作这类激光源时应特别小心。这类激光源应配备明显的警告标记。例如:大功率激光表演机、激光工业加工机等。,激光模式,激光模式,M2 与焦点焦深的关系,材料对激光的吸收会产生各种效应：加热、融化、气化、等离子体等等 这些效应取决于激光的特性，和材料的物理性质，激光：能量密度、波长、入射角度、偏振、照射时间、空间、和时间相干性等 材料：激光吸收率、导热率、比热容、密度、潜热等材料对激光的吸收通常用布格定律来描述，激光的功率密度在材料内部是递减的。,激光的吸收率,激光的吸收率,波长与激光反射率的关系在红外线波段，所有金属的反射率都高，
47、波长大于5m 的光谱段内，反射率取决于电导率。在远红外线段高导电金属拥有最高的反射率,激光的吸收率,激光反射率-时间-温度的关系,温度增加电子运动加剧则吸收率增加在金属的熔点处 液态金属材料的吸收率有一个台阶式的增加材料接近熔点时吸收率接近40%-50%，接近沸点时吸收率达到90%，金属温度升高，电子和晶格碰撞时间减小，反射率降低。10.6m 常温下铝的反射率为98.6%沸点时铝的反射率为91%-96%,激光的吸收率,金属表面粗糙度对激光吸收的影响,火山口的形成：激光打孔时，并不是所有的材料都被气化蒸发，在靶材上形成孔洞时，蒸气积聚的压力导致液态金属流动而形成了火山口的形状。将熔化的一些液态材
48、料携带到火山口边沿，这种对流体冲击在火山口的边沿，使未气化的熔化材料发生喷溅现象。,在脉冲激光的作用的早期，大部分材料呈气化去除，但在 几百微妙后，90%的材料为液态去除。,瞬间光能转化为热能，作用的时间小于10-13 s等离子体体产生：当足够高的功率密度的激光照射在材料表面是，材料表面发生气化，此时金属蒸气与激光相互作用，吸收能量会导致电离。等离子体屏蔽效应:激光作用于靶材表面产生蒸气，蒸气继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶材表面产生高温高密度的等离子体，等离子体向外继续膨胀，在膨胀过程中等离子体继续吸收入射光，无形中等离子体阻止了激光到达靶材上面，切断了激光与靶材的能量耦合.,吸收率、
49、反射率与激光能量的关系,等离子体吸收能量后再辐射出金属易吸收的短波光子，以及等离子体的热传导和受等离子体压力作用而被迫返回表面的蒸汽压力。由于等离子体的强化吸收效应，材料对CO2激光的吸收效率可以达到入射激光功率的30%-50%,焊缝熔深与激光能量密度的关系,碟片激光器,德国通快集团TruDisk系列碟片式激光器 高质量、电源独立的光束高效率 可用性高 功率 1 至 16 kW 紧凑的设备结构 各个组件更换方便、快捷 具备所有光纤直径，即插即用 光束质量 2 至 25 mm*mrad,冗余量大和所有组件一样，TruDisk 系列激光器的泵模块也具有很高的使用寿命。但是如果其中一个模块失灵，则泵
50、二极管就将其取代。剩余模块的功率自动提高，从而在工件上不会产生功率损失。您可以有计划地、在不中断生产的情况下更换失灵的泵模块，只需用手操作几下，几分钟内就可以完成。即插即用：通快集团的薄片激光器采用模块化结构。个别组件用户可以在现场很方便地快速更换。所有组件使用寿命长，已经相互完成最佳匹配。光束导向装置装在一个外壳内。您可以在 TruDisk 激光器上最多连接六条光纤，甚至即使在其他输出端进行作业，也可以将光纤转接。而且也可以在现场提高激光功率和增加输出端数量。,超短脉冲碟片激光器,斯图加特大学激光工具研究所（IFSW）牵头，研发是使每个目标碟片激光器达到几百瓦的中等功率。该项目需要发展两个超
