激光焊接基础知识.docx

米亚奇公司
Nd(钕):YAG激光器激光焊接指南
米亚奇公司2003年版
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目录

介绍
激光产生的原理
Nd:YAG激光的介质
泵浦源
谐振器
激光安全






















激光基础
介绍
“激光”一词是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射而放大的光)的缩写,激光器的要素有:


3全反射镜


Nd:YAG激光器有两种类型,连续波的和脉冲波的,正如它们的名字所指,连续激光的波形要么是开,要么是关,但脉冲激光只用部分脉冲完成焊接。脉冲激光利用峰值功率进行焊接,反之连续激光使用的是平均功率,这使得脉冲激光只用很小的能量就能实现焊接,并形成了更小的热影响区,脉冲激光焊提供了无与伦比的点焊性能和极低的焊接热输入,米亚奇的就是脉冲激光焊机。
激光产生的原理
激光本质上是分三步产生的,发生几乎是瞬间的。
泵浦源给介质提供能量,将介质内部原子激活,使得带电原子暂时被激发到高能级,处在此活跃级的带电原子是不稳定的,于是跃迁到低能级,在这个过程中,从泵浦源吸收能量的电子释放多余的能量并辐射出一个光子,这个过程叫做自发辐射,通过这种方式产生的光子是激光的种子。
光子自发传播并最终撞击到别的处于高能级的电子,由于光速极快,处在激发态的原子的密度很大,所以这个过程是极其短暂的,入射光子将电子从高能级激发到低能级并产生另一个光子,这两个光子是相干的,这意味着它们相位相同,波长相同,传播方向相同,这个过程叫做
受激辐射。
光子传播方向是不定的,然而一些沿着介质传播的光子撞击共振器的反射镜,又通过介质反射回来,共振反射镜决定了受激辐射的优先扩大方向,为了使这个扩大发生,那处在活跃态能级的原子数量必须远大于处在低能级原子的数量,这种大量处在活跃能级的“粒子数反转“是产生激光的必需条件。
谐振器
泵浦能量
电子
两个激光光子
基态
活跃态
泵浦能量
电子
激光光子
基态
活跃态
图B: 激光产生的三个阶段的简化图示,包括:(1)自发辐射(2)受激辐射(3)放大
Nd:YAG激光介质
Nd:YAG激光焊接者所用的激光棒是一种合成的钇铝石榴石晶体,主体材料是含有一小部分钕的YAG材料,一种活性元素,在钇离子中加入钕离子叫做掺杂,通常的掺杂比例约为1,%,选择最佳的激光效果和防止过度应变的晶体为掺杂时机,因为Nd3+离子体积大于Y3 +离子,YAG晶体是激光材料Nd3+的理想主体材料,硬度高,稳定,光性均匀的,并具有良好的导热性,允许激光在高平均功率水平工作,钕是一种很好的激光材料,因为它能产生比任何其他掺杂元素都要高的功率,激光棒的功率和光学性能决定了它的尺寸,
由于晶体质量和热管理,激光棒的最大尺寸限制在了长度200mm和直径15mm。
泵浦源
使活跃的介质产生激光,需要输入外部能量或泵浦源,泵浦源的选择取决于激光介质的类型和激光的类型,Nd:YAG晶体是一种固态激光器,即介质是固态晶体,并用光的能量作为泵浦源,光能是由脉冲激光焊机闪光灯提供的。
谐振器
谐振腔的设计对激光束的发射质量和空间功率分布有着重要的影响,最常用的谐振器设计成由两个球形或平面反射镜面对面,光束的传播特性是由反射镜的曲率和它们之间的距离决定的,光镜的曲率和间距的优化需要复杂的分析,这是因为激光棒中产生激光的过程中的热效应将其更加复杂化了,当激光吸收泵浦能量时,激光棒就被加热。如果泵浦能量的频率超过晶体的热弛豫时间,晶体的温度就会升高,这导致在激光棒晶体温度梯度引起的热透镜效应,使晶体作为透镜的衍射的激光功率的降低,这个过程