什么是高能激光

自1960年梅曼（Maiman）发明世界第一台红宝石激光器以来，激光技术获得了突飞猛进的发展，在工业、科学研究、国防等方面获得了广泛应用。随着激光功率的提高，其工业应用范围也随之增大。

我们常说的高能激光要满足“三高”——高能、高光束质量、高效率，而且高能激光不仅仅是激光器的输出能量高，还要有相当高的功率。能量是可以用时间来积累的，而激光要能完成零件加工，在需要足够的能量密度的同时还要一定的功率密度。通常认为高能激光器输出的激光平均功率应大于10kW，持续时间达数秒，激光能量在数万焦以上。

联合光科官网：“联合光科→技术中心→激光”目录下可以查阅关于激光的理论知识，包括激光产生的原理、各类激光器结构、激光锁模技术、激光放大技术等多种激光技术：激光、光谐振腔、光放大、光脉冲。

这里不再赘述，重点来介绍能激光的种类和特点，已发展和正在发展的高能激光器包括但不限于下表：

高能激光在焊接领域的应用

激光焊接是把激光作为加热源，利用激光的高能量密度这个特点，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊接处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

激光焊接系统的构成

激光焊接系统一般由激光器、光学系统、激光加工机床、保护气输送系统、控制与检测系统组成。激光器和光学系统是激光焊接系统的核心。

激光焊接组成结构示意图

激光焊接要求激光器应具有较高的额定输出功率，较宽的功率调节范围，功率缓升缓降能力，工作稳定、可靠以保证焊接质量，可用于焊接的激光器有CO2激光器、YAG激光器、LD泵浦固体激光器和半导体激光器。

光学系统主要用于控制光束质量，包括扩束系统、光束传输系统、聚焦系统。光学系统包含了多种高损伤阈值、高精度的球面镜、非球面镜、平面镜等多种透镜和反射镜。

激光焊接设备中的扩束系统采用的是多倍激光扩束镜，如2.5倍扩束镜，扩束镜通过将主光路输出的激光束进行准直、扩束后，可将原有的输出激光光斑扩大至原来的2.5倍，使光束模式更好；

经过扩束准直后的激光光束先经过导光反射镜，被反射到加工平台，再由聚焦镜片将激光束聚焦到能量最为集中的精细光束，从而瞬间达到理想的能量密度，进行焊接加工。

·激光焊接发生的反应

激光焊接实质上是非透明材料与激光束相互作用的过程。从宏观的角度上看，整个过程表现为融化、吸收、气化和反射；而微观上看则是一个量子过程。将焊接根据机理进行分类可以分为热传导焊接和激光深熔焊。

当聚焦后的激光密度小于104~105 W/cm2时为激光热传导焊。当激光辐射到焊接材料上时，一部分激光被焊接材料所吸收并将其转化为热能量，以热传递的形式通过材料，融化焊缝并最终将焊件焊接在一起。热传导焊接的特点在于它的熔深浅和焊接速度慢，只熔化工件表面。

当聚焦后的功率密度大于106~107 W/cm2时称为激光深烙焊。大功率激光会使金属表面受到高热，瞬间产生的高温使材料表面金属发生气化而形成小孔，使得金属表面下形成孔洞，称之为匙孔，由于匙孔的形状呈细长，所以激光会在匙孔内壁发生多次反射，并被吸收，因为使得熔深增加，激光停止后，匙孔周围的溶液回流、冷却后工件便连接在一起。其特点是焊接速度快、深宽比大。

高能激光在打标领域的应用

激光打标是激光在不同物体表面进行高精度标刻的技术，主要是利用高能量密度的激光照射到物体表面，通过光能导致表层物质发生化学物理变化，或灼烧掉部分物质，使物体表面形成凹槽。

·激光打标系统的构成

激光打标系统主要有激光器、光束控制系统。

激光打标机实物图

常见的激光打标机主要分为四种，分别是：紫外打标机、光纤激光打标机、二氧化碳激光打标机和半导体激光打标机。

光束控制系统主要包括激光振镜扫描系统和聚焦系统。激光振镜扫描系统分为X方向扫描系统和Y方向扫描系统，由伺服电机带动固定其上的激光反射镜片运动，每个伺服电机分别由计算机发出数字信号控制，从而控制激光的扫描路径，便能够在物体表面刻画出不同的图案。聚焦系统的作用是将激光束聚焦于一点，主要采用场镜即f-θ镜头，不同的f-θ镜头的焦距不同，打标效果和范围也不一样。

激光打标机系统工作原理示意图

·激光打标发生的反应

激光打标实质也是材料与激光相互作用的过程。这种相互作用的原理主要有“热加工”和“冷加工”两种。

“热加工”的作用效果和激光焊接过程相似，高功率激光束照射在被加工材料表面，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面温度上升，产生熔融、烧灼、蒸发等现象。

“冷加工”是具有高负荷能量的紫外光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，致使材料发生非热过程破坏，打标过程不会产生热损伤副作用，因此，对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。

激光光学元件

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（编辑：中国机器视觉网 姜楠）