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1.前言

任何物質(zhì)均是由分子、原子組成，進(jìn)一步分析，在原子里存在電子、質(zhì)子、中子等微粒子，電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)距離的不同，可以把原子分成不同的能級(jí)。通常把原子處在最低的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)；能級(jí)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(hào)作用下，自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時(shí)產(chǎn)生的光輻射，稱之為自發(fā)輻射。原處于高能級(jí)E2的粒子，受到外界能量為（如光照射）的光子的激勵(lì)，發(fā)出與入射光子相同的一個(gè)光子而躍遷到低能級(jí)E1其輻射出的光子頻率由兩個(gè)能級(jí)間的能量差來(lái)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(huì)以光子的形式把能量發(fā)射出去。這種通過(guò)受激輻射光擴(kuò)大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）就是激光名字的由來(lái)，激光，就是被引誘（激發(fā)）出來(lái)的光子隊(duì)列，光學(xué)特性一樣，步調(diào)極其一致。

2.激光產(chǎn)生

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

光是受根據(jù)受激物質(zhì)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(lái)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(zhǎng) 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(zhì)材料拉成的玻璃實(shí)體纖維）作為增益介質(zhì)的激光器，按激光輸出波長(zhǎng)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(zhì)由CO，氮?dú)?，氦氣三種氣體組成。其中CO是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體，放電時(shí)，放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來(lái)。這時(shí)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(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(zhì)區(qū)別在于激光工作物質(zhì)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(gè)新時(shí)代。碟片激光器以其極佳的光束質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率在工業(yè)制造業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體激光器：(Diode Laser)以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生激光的器件。其工作原理是通過(guò)一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用，常用工作物質(zhì)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(dá)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(guò)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(dá)到50kw,

2）YAG固體激光器為6kw，

3）CO2激光器達(dá)到20kw,

4）碟片激光器達(dá)到8kw。

使用比較：

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

2）YAG激光器能與光纖偶合，借助時(shí)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(gè)工位或遠(yuǎn)程距離工位，便于激光加工實(shí)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(guò)調(diào)Q和鎖模技術(shù)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(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、使用簡(jiǎn)便可靠、維修要求較低，故其應(yīng)用前景看好。

光纖激光器的優(yōu)勢(shì)：

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

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

3）光纖激光器使用壽命長(zhǎng)，而且維護(hù)比較簡(jiǎn)單；

4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積占地面積小。

光纖激光器的缺點(diǎn)：

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(shù)乘積遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角半角×近場(chǎng)

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(dá)到6，

4）碟片激光器為8左右。

半導(dǎo)體泵浦壽命方面：

1）光纖激光器可連續(xù)工作10萬(wàn)小時(shí)以上；

2）YAG固體激光器可工作1000小時(shí)左右；

3）CO2激光器預(yù)計(jì)在5萬(wàn)小時(shí)左右；

4）碟片激光器壽命大約為1萬(wàn)小時(shí)左右。

維護(hù)和操作費(fèi)用/小時(shí)（4/5Kw)方面：

1）光纖激光器每小時(shí)￥2、

2）YAG固體激光器每小時(shí)￥35、

3）CO2激光器每小時(shí)￥20、

4）碟片激光器每小時(shí)￥8、

光纖激光是近幾年來(lái)得到快速發(fā)展的固體激光器，其激光器結(jié)構(gòu)獨(dú)特并且創(chuàng)新。輸出激光功率達(dá)25kW以上的高質(zhì)量光束。因結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，已表現(xiàn)出良好的應(yīng)用勢(shì)頭，在相當(dāng)多的領(lǐng)域正在逐步替代傳統(tǒng)的Nd:YAG激光和CO2激光器。

4. 應(yīng)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(zhì)量好，切口邊緣平滑，無(wú)塌邊，無(wú)切割殘?jiān)?/span>

３)切邊無(wú)機(jī)械應(yīng)力，工件變形極小。

４)無(wú)刀具磨損，沒有接觸能量損耗，也不需更換刀具，切割過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(diǎn)材料、硬脆材料等。

６)可在大氣中或任意氣體環(huán)境中進(jìn)行切割，不需真空裝置。

LBW: laser beam welding

１)激光能量密度高，這對(duì)高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)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，常可以免去焊后矯形、加工工藝。

３)一般不加填充金屬。

４)激光可透過(guò)透明體進(jìn)行焊接，以防雜質(zhì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。