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雷射加工技術與應用 班級:自控四甲 姓名:洪靖雯 學號:49512006 1 何謂雷射 “鐳射”一詞是“LASER”的意譯。LASER原是 Light amplification by stimulated emission of radiation取字頭組合而成的專門名詞，在我國 曾被翻譯成“萊塞”、“光激射器”、“光受 激輻射放大器”等。1964年，錢學森院士提議 取名為“激光”、香港稱“鐳射 ”、台灣稱 “雷射”，既反映了“受激輻射”的科學內涵， 又表明它是一種很強烈的新光源，貼切、傳神 而又簡潔，得到我國科學界的一致認同並沿用 至今。 2 性質: 是指窄幅頻率的光輻射線，透過受激輻射 放大和必要的反饋共振，產生垂直、單色、 相干的光束的過程及儀器。利用雷射束與 物質相互作用的特性對材料(包括金屬與 非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打 孔、微加工以及做為光源，識別物體等的 一門技術。 3 原理: 外加能量以電場、光子、化學等方式注入到一個能級系 統並為之吸收的話，會導致電子從低能級向高能級躍遷 （所謂受激吸收），當自發輻射產生的光子碰到這些因 外加能量而躍上高能級的電子時，這些高能級的電子會 因受誘導而遷到低能級並釋放出光子（所謂受激輻射）， 最後光的強度越來越大（即光線被放大了），而與一般 的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位、前進 方向。 要做到光放大，就要產生一個高能級電子比低能量級電 子數目多的環境，即群數反轉，這樣才有機會讓高能級 電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機釋放。 4 何謂 受激輻射: 電子的運動狀態可以分為不同 的能級，電子從高能級向低能級躍遷時， 會釋放出相應能量的電磁波（所謂自發輻 射）。一般的發光體中，這些電子釋放光 子的動作是隨機的，所釋放出的光子也沒 有相同的特性，例如鎢絲燈發出的光。 5 何謂 群數反轉: 為了達到光放大的作用，在高 能級必須有更多的電子，使得受激輻射發 生的機率更高。這個狀態稱為佔據逆轉。 出於這個原因，所以以光子激發的二級系 統是無法實作雷射的，所以雷射一般是以 透過三級系統和四級系統得到實作。 在三級系統中，電子受激躍遷到高能級後， 便很快轉為亞穩態。由此雷射媒介被激發 為高能態，佔據逆轉得到實作。 6 雷射產生器的三個基本要素： 「激發來源」（pumping source），把能量供給低能 級的電子，激發使其成為高能級電子，能量供給的方式 有電苛放電、光子、化學作用…。 「增益介質」（gain medium），被激發、釋放光子的 電子所在的物質，其物理特性會影響所產生雷射的波長 等特性。 「共振腔」（resonator），是兩面互相平行的鏡子， 一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來 回反射，目的是使被激發的光經過增益介質多次以得到 足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，雷射便從 半反射鏡發射出去。 7 雷射分類: 按工作狀態分 ◆連續雷射器 ◆脈衝雷射器 ★調Q（輸出脈寬可以達到奈秒級別） 1. 電光調Q 2. 聲光調Q 3. 染料調Q ★鎖模（輸出脈寬可以壓縮到飛秒級別） 8 按工作物質分 可以把雷射器分為液體雷射器、氣體雷射 器和固體雷射器等。而現在最常見的半導 體雷射器算是固體雷射器的一種。 9 氣體雷射器: 介質是氣體的雷射器，此種雷射器透過放電得到 激發。 氦氖雷射器：最重要的紅光放射源（632.8 nm ）。 二氧化碳雷射器：波長約10.6 μm （紅外線）， 重要的工業雷射。 一氧化碳雷射器：波長約 6-8 μm （紅外線）， 只在冷卻的條件下工作。 氮氣雷射器：337.1 nm (紫外線)。 10 氣體雷射器: 氬離子雷射器：具有多個波長，457.9 nm (8%), 476.5 nm (12%), 488.0 nm (20%), 496.5 nm (12%), 501.7 nm (5%), 514.5 nm (43%) （由藍 光到綠光）。 氦鎘雷射器：最重要的藍光(442nm) 和近紫外 雷射源(325nm)。 氪離子雷射器:具有多個波長，350.7nm; 356.4nm; 476.2nm; 482.5nm; 520.6nm; 530.9nm; 586.2nm; 647.1nm (最強); 676.4nm; 752.5nm; 799.3nm (從藍光到深紅光)。 11 氣體雷射器: 準分子雷射器：比如，KrF (248 nm), XeF (351-353 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F2 (157 nm) (均為紫外線)。 金屬蒸汽雷射器：比如銅蒸汽雷射器，波長介 於510.6-578.2 nm之間。 金屬鹵化物雷射器：比如溴化銅雷射器，波長 介於510.6-578.2 nm之間。 ★★化學激發雷射器是一種特殊的形式。激發 透過媒介中的化學反應來進行。媒介是一次性 的，使用後就被消耗掉了。對於高功率的條件 及軍事領域是非常理想的。 12 固體雷射器: 介質是固體的雷射器，此種工作物質透過 燈、半導體雷射器陣列、其他雷射器光照 幫浦得到激發。熱透鏡效應是大多數固體 雷射器的一項缺陷。 13 固體雷射器: 紅寶石雷射器：世界上第一台雷射器,1960年7月7日， 美國青年科學家梅曼宣布世界上第一台雷射器由誕生， 這台雷射器就是紅寶石雷射器。 Nd: YAG(摻釹釔鋁石榴石)：最常用的固體雷射器，工 作波長一般為1064nm 。 Nd:YVO4(摻釹釩酸釔)：低功率應用最廣泛的固體雷射 器，工作波長一般為1064nm,可以透過KTP,LBO非線性 晶體倍頻後產生532nm的雷射器。 Yb: YAG(摻鐿釔鋁石榴石)：適用於高功率輸出，這種 材料的碟片雷射器在雷射工業加工領域有很強優勢。 鈦藍寶石雷射器：具有較寬的波長調節範圍（670nm～ 1200nm） 14 技術方法: 雷射焊接 雷射切割 雷射打標 雷射打孔 雷射熱處理 雷射快速成型 雷射塗敷 15 雷射焊接︰ ◆電弧焊（氬弧焊、手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體 保護電弧焊、等離子弧焊、氣體保護焊） ◆電阻焊 ◆高能束焊（電子束焊、鐳射焊） ◆釺焊 ◆以電阻熱為能源：電渣焊、高頻焊 ； ◆以化學能為焊接能源：氣焊、氣壓焊、爆炸焊； ◆以機械能為焊接能源：摩擦焊、冷壓焊、超聲 波焊、擴散焊 16 雷射焊接用於: 汽車車身濃薄板、汽車零件、鋰電池、心 臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各 種不允許焊接污染和變形的器件。 目前使用的鐳射器有YAG鐳射器、 CO2 雷射器和半導體幫浦雷射器。 17 雷射焊接的特色: 1、速度快、深度大、變形小。 2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，例如，雷射通過電磁場， 光束不會偏移；雷射在真空、空氣及某種氣體環境中均能施 焊，並能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。 3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，並能對異性材料施焊，效果 良好。 4、雷射聚焦後，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可 達5：1，最高可達10：1。 5、可進行微型焊接。雷射光束經聚焦後可獲得很小的光點，且 能精確定位。 6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大 的靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG雷射加工技術中採用了 光纖傳輸技術，使雷射焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應 用。 7、雷射光束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時 加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。 18 雷射切割︰ 常用於汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模 業、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸 片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件 用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍 亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英 玻璃、矽橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、太空 飛行工業使用的鈦合金等等。 使用雷射器有YAG雷射器和CO2雷射器。 19 雷射切割的特色: 1. 雷射切割的切縫窄，工件變形小 2. 雷射切割是一種高能量、密度可控性好 的無接觸加工 3. 雷射切割具有廣泛的適應性和靈活性 20 雷射打標︰ 雷射掩膜打標、雷射振鏡打標等在各種材 料和幾乎所有行業均得到廣泛應用。 目前使用的雷射器有YAG雷射器、CO2雷 射器和半導體幫浦雷射器。 21 雷射打標的特色: 1、可對絕大多數金屬或非金屬材料進行加工。 2、雷射是以非機械式的“刀具”進行加工，對材料不產生 機械擠壓或機械應力，無“刀具”磨損，無毒，很少造成 環境污染。 3、雷射束很細，使被加工材料的消耗很小。 4、加工時，不會受電場和磁場的干擾。 5、操作簡單，使用微機數控技術能實現自動化加工。 6、使用精密工作臺能進行精細微加工。 7、可使用顯微鏡或攝像系統，能對被加工表面狀況進行觀 察或監控。 8、可以利用稜鏡、反射鏡系統（對於YAG雷射器還能用光 纖導光系統）將光束聚集到工件的內表面或傾斜表面上進 行加工。 9、能標記條碼、數位、字元、圖案、二維碼等標誌。 22 雷射打孔︰ 國內目前比較成熟的雷射打孔的應用是在人造金剛 石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘錶和儀表的寶石 軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。 主要應用在航空太空飛行、汽車製造、電子儀表、 化工等行業。 目前使用的雷射器多以YAG雷射器、CO2雷射器為 主，也有一些準分子雷射器、同位素雷射器和半導 體幫浦雷射器。 ★★雷射光束打孔機一般由固體雷射器、電氣系統、 光學系統和三座標移動工作臺等四大部分組成。 23 雷射熱處理︰ 汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活 塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理， 同時在航空太空飛行、機床行業和其它機 械行業也應用廣泛。我國的雷射熱處理應 用遠比國外廣泛得多。 目前使用的雷射器多以YAG雷射器，CO2 雷射器為主。 24 雷射快速成型︰ 雷射加工技術和計算機數控技術及柔性製 造技術相結合而形成。多用于模具和模型 行業。 目前使用的雷射器多以YAG雷射器、CO2 雷射器為主。 25 雷射塗敷︰ 在航空太空飛行、模具及機電行業應用廣 泛。 目前使用的雷射器多以大功率YAG雷射器、 CO2雷射器為主。 26 雷射對於加工市場的優勢: ①由於它是無接觸加工，並且高能量雷射光束的能量及其移 動速度均可調，因此可以實現多種加工的目的。 ②它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、 高脆性、及高熔點的材料。 ③雷射加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用於工 件。 ④雷射加工過程中，雷射光束能量密度高，加工速度快，並 且是局部加工，對非雷射照射部位沒有影響或影響極小。 因此，其熱影響區小，工件熱變形小，後續加工量小。 ⑤它可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。 ⑥由於雷射光束易於導向、聚集實現作各方向變換，極易與 數控系統配合，對複雜工件進行加工，因此是一種極為靈 活的加工方法。 ⑦使用雷射加工，生產效率高，品質可靠，經濟效益好。 27 補充 28 二氧化碳雷射加工 目的: 高功率雷射是國內目前 CO2 雷射加工設 備的主流，其加工對象非常廣，例如，電腦、 電氣機殼的板金切割、機器零組件切割、木刀 模業、汽車板金切割、特殊材料切割 (電子機件 銅板、金屬板、合金板、電木板、壓克力、矽 橡膠等) 之切割加工。 由於光電產業蓬勃，CO2 雷射加工技術已逐漸 用在光電產品上，例如石英切割、電路板鑽孔、 耐熱玻璃與晶體切割等。近來，光電產業中的 LCD 液晶面板需求大增，而 CO2 雷射切割技 術已被預言為下一世代面板切割製作主流。 29 二氧化碳雷射加工 特色: 加工速度快 加工品質一致 加工尺寸範圍廣 改善傳統繁雜加工製程 應用: 玻璃、陶瓷等硬脆材料加工 塑膠射出元件下料製程 特殊外形加工 30 準分子雷射微加工技術 特性: 準分子雷射微加工是運用紫外波段 的短波長脈衝雷射，將高分子材料內部電 子激發，造成瞬間的離子化及材料的分解， 準分子雷射幾乎對所有的有機高分子材料， 都會造成中度或高度比率的吸收。 31 準分子雷射微加工技術 應用領域: 微結構及特殊曲面微結構 微透鏡陣列、柱狀透鏡與導電玻璃絕緣處 理等 32 分享 1960年5月16日，美國加利福尼亞州休斯 實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為 0.6943微米的雷射，這是人類有史以來獲 得的第一束雷射，梅曼因而也成為世界上 第一個將雷射引入實用領域的科學家。 33 分享 1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台雷射器 由誕生，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈 管，來刺激紅寶石。由於紅寶石其實在物理上 只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受 到刺激時，就會發出一種紅光。在一塊表面鍍 上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔，使紅光可 以從這個孔溢位，從而產生一條相當集中的纖 細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到 比太陽表面還高的溫度。 34 分享 2000年代，雷射的非線性得到利用，來 製造X射線脈衝（來跟蹤原子內部的過 程）；另一方面，藍光和紫外線雷射二極 體已經開始進入市場。 在2009年，中國研製出一種名為氟代硼 鈹酸鉀(KBBF)的晶體，可用於激發深紫 外線雷射，一旦成功應用，可令每片光碟 的容量超過1TB，亦使半導體上可儲存的 電路密度大幅提高。 35