激光切割理论及切割机工作原理简.ppt

激光切割理论及切割机工作原理
激光原理及切割应用介绍
激光原理
激光即Light Amplification by the Stimulated
Emission of Radiation,意思为「是一种因刺激产生辐
射而强化放大的光。」缩写为LASER,激光的英文全名已
完全表达了制造激光的主要过程。
在日常生活中上激光的运用日益普遍,例如常用的激光
指示器与用来读取光盘资料的光驱(如蓝光)等等。
在工业上,激光常用于微细加工与精密量测两大类。
在军事上,应用在拦截导弹及瘫痪卫星的远程武器。
甚至广泛应用医学上。现在激光已成为各行各业中的重要
装置,用途那么广泛,究竟它是如何产生的呢?以下我们
将会阐释激光的基本原理。
2
要了解激光的基本原理,必须先了解原子的构造。
原子由原子核与在周围绕转的电子构成,电子在一定的轨
道绕转,各轨道各有一定的能量,离原子愈远的轨道能阶
愈高。下图为碳原子构成示意图。
3
量子理论提出物质与辐射的作用有三个基本的跃迁过程:
(a):电子吸收光子从低能阶跃迁到高能阶。
(b):电子自发地释放光子从高能阶跃迁到较低
能阶。
(c):光子射入诱发电子从高能阶跃迁到低能阶
,并释放光子。入射光子与释放的光子有
相同的特微,即它们的频率、相偏极方向
和传播方向均为一致, 即为激光。
4
激光的发射原理
在平衡状态下,原子的受激态大约只能维持极短时间,
而且大部分的原子都在稳定的基态,只有少数的原子在受
激态,所以不容易造成连锁反应。如果在外来能量激发下
,使物质中大部分的原子都处于高能阶数,此时在高低能
阶的数目分布称粒数分布倒反(population inversion)(
或译群数反转),它是产生激光必备之条件。此时少量的
光子就能够藉受激辐射的连锁反应来产生激光了。
5
产生激光具备下列三要素:
:即受激发后能生粒数分布倒反的现象。不同的介质,其输出光的波长亦不同,所以常以介质来命名,例如用红宝石做为介质,就产生红宝石激光。介质可以是固体(红宝石激光),液体(染料激光),或气体(二氧化碳激光、准分子激光)。激光介质不同,发出来的光颜色也不同,也有不同的特性及应用。
:激发装置是指将某种造型之能量加入介质,使其激发至高能阶的数目大增,并产生粒数分布倒反的装置。通常激发有放电激发法、光激发法、电流激发法、化学激发和其他激发法。
:在介质两端加同光轴的反射镜,称为共振腔,前面是半反射镜片,而后面是全反射镜片。作用是让激光在共振腔内来回反射,使被激发的光经过介质多次激发得到足够的放大,当放大到可以穿透半反射镜时,激光便从半反射镜发射出去。
6
激光是通过受激辐射产生,其特性有四个特点:
高亮度性:激光是具有相当平行的光,具有低发散性,所以在光轴上单位面积上会高度的集中能量,就会造成很亮的效果,所以激光是具有高亮度的光源特性。
高方向性:激光是相当平行具有低发散性有高度指向性,能把能量高度地集中起来,因此就有很大的威力。任何光源射出光束在传播时均会有扩散的现象,向四面八方发散后,会迅速变弱。激光利用高方向性,可以应用在通讯、测量。
单色性:激光是由单一波长、频率,具有相同特微的光子组成,以致从外观看起来,激光光束的颜色都非常地质纯具有单色性。
高相干性:激光组成光子都有相同的波长、频率,所以将其叠加起来便产生高度的相干性。普通光源由许多不同频率者所组成所以相干性极差。激光的高相干性能形成干涉现象,进而发展运用了干涉现象的高精度量测。
7
激光应用
激光是20世纪的新光源,其具有各项特点得到广泛应用
,现在已开发多种应用激光的技术,如激光能源和激光冷
却。激光加工更是激光应用中最有发展前景的领域之一。
激光的空间和时间控制性很好,对加工物件的材质、形
状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用自动化加
工。激光加工系统与电脑数控技术相结合更可构成高效自
动化加工设备,更有效发展出优质、高效率和低成本的加
工生产环境。
激光加工应用可约略区分热加工和冷加工,热加工有切
割、打孔、刻槽、标记、焊接、表面处理均极有利。在冷
加工则对光化学沉积,激光快速成形技术,激光刻蚀,掺
染和氧化都很合适。其激光加工均可应用在金属和非金属
材料上。以下主要说明激光切割的应用领域。
8
激光切割原理
激光切割是一种高能量密度可控性好的无接触加工。
激光切割是利用激光器所发出的激光束,经聚焦透镜聚
焦,将激光能量聚集在极小的焦点光斑处,使焦点处激
光功率密度可高达106~109W/cm2。
材料处于焦点受到高功率密度的激光光斑照射后,会产
生10000°C 以上的局部高温,使材料瞬间熔化甚至汽化
,进而利