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激光技術

激光技術

激光技術

激光是20世紀60年代的新光源.由於激光具有方向性好、亮度高、單色性好等特點而得到廣泛應用.激光加工是激光應用最有發展前途的領域之一_現在已開發出20多種激光加工技術.

基本信息激光具有單色性好、方向性強、亮度高等特點.現已發現的激光工作物質有幾千種_波長范圍從軟X射線到遠紅外. 激光技術的核心是激光器_激光器的種類很多_可按工作物質、激勵方式、運轉方式、工作波長等不同方法分類.根據不同的使用要求_采取一些專門的技術提高輸出激光的光束質量和單項技術指標_比較廣泛應用的單元技術有共振腔設計與選模、倍頻、調諧、Q開關、鎖模、穩頻和放大技術等.

為了滿足軍事應用的需要_主要發展了以下5項激光技術:①激光測距技術.它是在軍事上最先得到實際應用的激光技術.20世紀60年代末_激光測距儀開始裝備部隊_現已研制生產出多種類型_大都采用钇鋁石榴石激光器_測距精度為±5米左右.由於它能迅速准確地測出目標距離_廣泛用於偵察測量和武器火控系統.②激光制導技術.激光制導武器精度高、結構比較簡單、不易受電磁干擾_在精確制導武器中占有重要地位.70年代初_美國研制的激光制導航空炸彈在越南戰場首次使用.80年代以來_激光制導導彈和激光制導炮彈的生產和裝備數量也日漸增多.③激光通信技術.激光通信容量大、保密性好、抗電磁干擾能力強.光纖通信已成為通信系統的發展重點.機載、星載的激光通信系統和對潛艇的激光通信系統也在研究發展中.④強激光技術.用高功率激光器制成的戰術激光武器_可使人眼致盲和使光電探測器失效.利用高能激光束可能摧毀飛機、導彈、衛星等軍事目標.用於致盲、防空等的戰術激光武器_已接近實用階段.用於反衛星、反洲際彈道導彈的戰略激光武器_尚處於探索階段.⑤激光模擬訓練技術.用激光模擬器材進行軍事訓練和作戰演習_不消耗彈藥_訓練安全_效果逼真.現已研制生產了多種激光模擬訓練系統_在各種武器的射擊訓練和作戰演習中廣泛應用.此外_激光核聚變研究取得了重要進展_激光分離同位素進入試生產階段_激光引信、激光陀螺已得到實際應用.

激光激光原理:

激光英文全名為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). 於1960年面世_是一種因刺激產生輻射而強化的光.

科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或原子易受激發的物質_使其原子的電子達到受激發的高能量狀態_當這些電子要回復到平靜的低能量狀態時_原子就會射出光子_以放出多余的能量;而接著_這些被放出的光子又會撞擊其它原子_激發更多的原子產生光子_引發一連串的「連鎖反應」_並且都朝同一個方前進_形成強烈而且集中朝向某個方向的光;因此強的激光甚至可用作切割鋼板!

激光的特性:

激光被廣泛應用是因為它的特性.激光幾乎是一種單色光波_頻率范圍極窄_又可在一個狹小的方向內集中高能量_因此利用聚焦後的激光束可以對各種材料進行打孔.以紅寶石激光器為例_它輸出脈沖的總能量不夠煮熟一個雞蛋_但卻能在3毫米的鋼板上 出一個小孔.激光擁有上述特性_並不是因為它有與別不同的光能_而是它的功率密度十分高_這就是激光被廣泛應用的原因.

激光有以下三大特性:

單色波長

同調性

平行光束

激光的應用激光加工技術:

激光的空間控制性和時間控制性很好_對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大_特別適用於自動化加工.激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備_已成為企業實行適時生產的關鍵技術_為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景.

熱加工和冷加工均可應用在金屬和非金屬材料_進行切割_打孔_刻槽_標記等.熱加工金屬材料進行焊接_表面處理_生產合金_切割均極有利.冷加工則對光化學沉積_激光快速成形技術_激光刻蝕_摻染和氧化都很合適.

激光快速成型:

用激光制造模型時用的材料是液態光敏樹脂_ 它在吸收了紫外波段的激光能量後便發生凝固_ 變化成固體材料.把要制造的模型編成程序_ 輸入到計算機.激光器輸出來的激光束由計算機控制光路系統_使它在模型材料上掃描刻劃_ 在激光束所到之處_ 原先是液態的材料凝固起來.激光束在計算機的指揮下作完掃描刻劃_ 將光敏聚合材料逐層固化_精確堆積成樣件_造出模型.所以_ 用這個辦法制造模型_ 速度快_ 造出來的模型又精致.該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛應用.

激光切割:

激光切割技術廣泛應用於金屬和非金屬材料的加工中_可大大減少加工時間_降低加工成本_提高工件質量.脈沖激光適用於金屬材料_連續激光適用於非金屬材料_後者是激光切割技術的重要應用領域.但激光在工業領域中的應用是有局限和缺點的_比如用激光來切割食物和膠合板就不成功_食物被切開的同時也被灼燒了_而切割膠合板在經濟上還遠不合化算.

隨著激光產業的飛速發展_相關的激光技術與激光產品也日趨成熟.在激光切割機領域_目前呈現出YAG固體激光切割機、CO2激光切割機雙足鼎力_光纖激光切割機後來居上的局勢.

YAG固體激光切割機具有價格低、穩定性好的特點_但能量效率低一般<3%_目前產品的輸出功率大多在600W以下_由於輸出能量小_主要用於打孔和點焊及薄板的切割.它的綠色的激光束可在脈沖或連續波的情況下應用_具有波長短、聚光性好適於精密加工特別是在脈沖下進行孔加工最為有效_也可用於切削、焊接和光刻等.YAG固體激光切割機激光器的波長不易被非金屬吸收_故不能切割非金屬材料_且YAG固體激光切割機需要解決的是提高電源的穩定性和壽命_即要研制大容量、長壽命的光泵激勵光源_如采用半導體光泵可使能量效率大幅度地增長.  

CO2激光切割機_可以穩定切割20mm以內的碳鋼_10mm以內的不銹鋼_8mm以下的鋁合金.CO2激光器的波長為10.6um_比較容易被非金屬吸收_可以高質量地切割木材、亞克力、PP、有機玻璃等非金屬材料_但是CO2激光的光電轉化率只有10%左右.CO2激光切割機在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴_用以提高切割速度和切口的平整光潔.為了提高電源的穩定性和壽命_對於CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩定性.根據國際安全標准_激光危害等級分4級_CO2激光屬於危害最小的一級.

光纖激光切割機由於它可以通過光纖傳輸_柔性化程度空前提高_故障點少_維護方便_速度奇快_所以在切割4mm以內薄板時光纖切割機有著很大的優勢_;但是受固體激光波長的影響它在切割厚板時質量較差.光纖激光器激光切割機的波長為1.06um_不易被非金屬吸收_故不能切割非金屬材料.光纖激光的光電轉化率高達25%以上_在電費消耗、配套冷卻系統等方面光纖激光的優勢相當明顯.根據國際安全標准_激光危害等級分4級_光纖激光由於波長短對人體由於是眼睛的傷害大_屬於危害最大的一級_出於安全考慮_光纖激光加工需要全封閉的環境.光纖激光切割機作為一種新興的激光技術_普及程度遠遠不如CO2激光切割機.

激光焊接

激光束照射在材料上_ 會把它加熱至融熔_ 使對接在一起的組件接合在一起_ 即是焊接.激光焊接_用比切割金屬時功率較小的激光束_使材料熔化而不使其氣化_在冷卻後成為一塊連續的固體結構.激光焊接技術具有溶池淨化效應_能純淨焊縫金屬_適用於相同和不同金屬材料間的焊接.由於激光能量密度高_對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利.因為用激光焊接是不需要任何焊料的_所以排除了焊接組件受污染的可能;

其次_ 激光束可被光學系統聚成直徑很細的光束_ 換言之_ 激光可以作成非常精細的 焊槍_ 做精密焊接工作;還有激光焊接與組件不會直接接觸_ 亦即這是非接觸式的焊接_ 因而材料質地脆弱也不打緊_ 還可以對遠離我們身邊的組件作焊接_ 也可以把放置在真空室內的組件焊接起來.因為激光焊接有這些特點_ 所以它在微電子工業中尤其受歡迎.

激光雕刻:

用激光雕刻刀作雕刻_ 比用普通雕刻刀更方便_ 更迅速.用普通雕刻刀在堅硬的材料上_ 比如在花岡 、鋼板上作雕刻_ 或者是在一些比較柔軟的材料_ 比如皮革上作雕刻_ 就比較吃力_ 刻一幅圖案要花比較長的時間.如果使用激光雕刻則不同_ 因為它是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射_使表層材料氣化或發生顏色變化的化學反應_從而留下永久性標記的一種雕刻方法.它根本就沒有和材料接觸_ 材料硬或者柔軟_ 並不妨礙 雕刻 的速度.所以激光雕刻技術是激光加工最大的應用領域之一. 用這種雕刻刀作雕刻不管在堅硬的材料_ 或者是在柔軟的材料上雕刻_ 刻劃的速度一樣.倘若與計算機相配合_ 控制激光束移動_ 雕刻工作還可以自動化.把要雕刻的圖案放在光電掃描儀上_ 掃描儀輸出的訊號經過計算機處理後_ 用來控制激光束的動作_ 就可以自動地在木板上_ 玻璃上_ 皮革上按照我們的圖樣雕刻出來.同時_ 聚焦起來的激光束很細_ 相當於非常靈巧的雕刻刀_ 雕刻的線條細_ 圖案上的細節也能夠給雕刻出來.激光雕刻可以打出各種文字、符號和圖案等_字符大小可以從毫米到微米量級_這對產品的防偽有特殊的意義.激光雕刻是近年巳發展至可實現亞微米雕刻_已廣泛用於微電子工業和生物工程.

激光打孔:

在組件上開個小孔是件很常見的事.但是_ 如果要求在堅硬的材料上_ 例如在硬質合金上打大量0.1毫米到幾微米直徑的小孔.用普通的機械加工工具恐怕是不容易辦到_ 即使能夠做到_ 加工成本也會很高. 激光有很好的同調性_ 用光學系統可以把它聚焦成直徑很微少的光點(小於一微米)_ 這相當於用來 孔的 微型 頭.其次_ 激光的亮度很高_ 在聚焦的焦點上的激光能量密度(平均每平方米面積上的能量)會很高_ 普通一台激光器輸出的激光_ 產生的能量就可以高達109 焦耳/厘米2_ 足以讓材料熔化並氣化_ 在材料上留下一個小孔_ 就像是 頭 出來的.但是_激光 出的孔是圓錐形的_而不是機械 孔的圓柱形_這在有些地方是很不方便的.

激光蝕刻:

激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成本_可加工0.125~1微米寬的線_非常適合於超大規模集成電路的制造.

激光的發展激光手術:

激光能產生高能量 聚焦精確的單色光 具有一定的穿透力 作用於人體組織時能在局部產生高熱量.激光手術就是利用激光的這一特點 去除或破壞目標組織 達到治療的目的.主要包括激光切割和激光換膚.

激光武器:

激光武器有它的獨特性_令它被廣泛應用於防空_反坦克_轟炸機自衛等軍事用途.激光之所以能成為威力強大的武器_是因為它有三個層次的破壞能力:

1.燒蝕效應 跟激光熱加工原理一樣_當高能激光束射到目標時_激光的能量會被目標的材料吸收_轉化為熱能.這些熱能足以令目標部分或完全穿孔_斷裂_熔化_蒸發_甚至產生爆炸.

2.激波效應 如目標材料被氣化_目標材料會在極短時間內產生反沖作用_形成壓縮波使材料表面層裂碎開_碎片向外飛時造成進一步破壞.

3.輻射效應 目標材料氣化的同時會形成等離子體雲_能產生輻射紫外線及X光線_使目標內部的電子零件被破壞.

激光能源:

激光還可應用於核能發電上.世界上現在建成的核發電站使用的核燃料是鈾_ 使用氚核燃料的研究尚未成功.從研究所得_ 氚核燃料比鈾核燃料更加 耐燒_ 1公斤氚核燃料燃燒產生的能量比鈾核燃料高3倍多.更有吸引力的是氚核燃料在地球上的貯量大.1公斤海水中含有0.03克氚_ 地球上的海洋中就裝有1021 公斤海水;或者說_ 地球的海洋中就貯藏有1017 公斤氚_ 把它開發出來做燃料_ 就相當於給我們提供了10萬億億(1017) 噸煤_ 足夠人類用上幾億年_ 既然氚核燃料這麼好.為甚麼現在還不用?.問題就在於把它點火燃燒不是一件容易做到的事.劃一根火柴燃燒的溫度就可以把紙片_ 汽油點著火_ 要讓這種核燃料著火_ 則需要億度的高溫.激光是目前較有可能達到這個點火溫度的技術.

關鍵詞:機器人焊接