特种加工技术 课件9

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第五章 激光加工 第一节 激光加工的原理和特点 第二节 激光加工的设备 第三节 激光加工工艺及应用

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在2200多年前，古罗马帝国派强大的海 军在马塞拉斯率领下，乘战舰攻打地中海西 西里岛东部的希腊名城叙拉古。小小的叙拉 古难敌来势汹汹的古罗马大军，舰队浩浩荡 荡来攻城了，国王和百姓都着了慌。当时年 已70多岁的希腊著名物理学家阿基米德也在 岛上，他发动全城的妇女拿着自己锃亮的铜 镜来到海岸边。烈日当空，不计其数的妇女 按照阿基米德的要求，都把镜子的反射光投 到了船帆上。没用多时，舰船起火，罗马人 大败而归。

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对于阿基米德利用阳光摧毁敌舰这个传说， 其后许多科学家进行了验证，1747年，法国 哲学家布韦利用154面反射镜集中阳光，使 77米外的木炭和硫磺等易燃物冒起了熊熊火 焰。 1973年，希腊科学家萨卡斯模仿阿基米 德的方法做了实验。在一个晴朗的日子，他 使用的不是梳妆镜，而是金光锃亮的金属盾 牌，70面盾牌反射的太阳光，不一会儿使50 米外的一艘45米长的木船起火了。

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今天，如果你来到今天的西西里岛， 你会看到那火烧战船的地方出现了一片玻璃 镜的海洋。在巨大的广场上，立着180面大 玻璃镜，镜面的总面积共有6200多平方米。 这些镜子反射的阳光都会自动汇聚到广场中 心的中央塔,中央塔有55米高。有趣的是， 太阳东升西落，180面玻璃镜会自动地左旋 右转，始终把反射光集中到中央塔上。这里 并没有叙拉古的妇女去操纵镜子，左右转动 的是电脑指挥的自动化系统。

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这些镜子反射阳光当然不是为了火烧 战船。这是1980年建成的一座太阳能电站， 它位于西西里岛卡塔尼亚省的阿德拉诺镇， 由欧洲共同体九国共同投资建造。由于这座 太阳能发电站完全是利用镜面取得太阳能的， 所以叫叫“塔式镜板型发电站”。180面镜 子反射的太阳光集中射到中央塔的接受器上， 接受器吸收太阳送来的热，加热锅炉里的水， 使它成为温度500℃、压强64个大气压的高 温高压蒸汽，这股蒸汽喷出以后便推动涡轮 发电，它的发电能力有1000千瓦。

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一直从事太阳能利用的法国科学家特朗 比为了增加太阳能的温度，在1947年成功地 把军用控照灯用的反射镜用在太阳能炉上， 并于1952年在蒙特路易的比利牛斯山上建立 了世界范围第一个功率达75千瓦的大型太阳 能冶炼炉。70年代，他又在距蒙特路易市的 奥代罗镇建了一个功率达1000千瓦的太阳能 炉，它像一座多屋大楼，整个北面是一个直 径50米的大型抛物面聚光镜，对面小山上竖 立着好几十个反射击队镜，聚光镜聚集的太 阳光可以产生高达3500℃的高温，每

天可以 生产约2.5吨比一般电炉或电弧炉熔炼度还高 的锆，当地人自豪地称奥代罗为“太阳城”。

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第一节 激光加工的原理和特点 LASER,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation一、激光的产生原理 二、激光的特性 三、激光加工的原理和特点

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一、激光的产生原理

(一)光的物理概念及原子的发光过程 (二)激光的产生

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(一)光的物理概念及原子的发光过程 1. 光的物理概念 光具有波粒二相性

c E h

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2. 原子的发光 基态 电子轨道 高能级 激发态 高能态 跃迁 E n E1 h 自发辐射 受激辐射 E 2 E1 h 有些原子或离子的高能级或次高能级有 较长的寿命，这种寿命较长的较高能级称为 亚稳态能级。

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(二)激光的产生 某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子 能量激发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级 (亚稳态)的原子(或粒子)数目大于处于低能级 (基态)的原子数目，这种现象，称为“粒子数翻 转”。在粒子数翻转的状态下，如果有一束光子照射 该物体，而光子的能量恰好等于这两个能级相对应的 能量差，这是就能产生受激辐射，输出大量的光能。 人工晶体红宝石 氧化铝 0.05%氧化铬 正铬离子 脉冲 氙灯 E1 En E2

E 2 E1 h

受激辐射跃迁 雪崩式连锁反应

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二、激光的特性 激光具有一般光的共性：反射、折射、绕射

以及光的干涉等。 普通光源的发光是以自发辐射为主，基本上 是无秩序地、相互独立地产生发射的，发出 的光波无论方向、相位或者偏振状态都是不 同的。而激光则不同，它的光发射以受激辐 射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、 相互关联地产生光发射的，发出的光波具有 相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关 系。

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(一)强度高 空间和时间上的亮度集中 (二)单色性好 中心波长 0 、谱线宽 (三)相干性好 光源的相干性可以用相干时间或相干长度来度量。相干 时间是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最 大间隔时间。在这个最大的时间间隔内光所走的路程就 20 是相干长度， L (四)方向性好 光束的方向性是用光束的发散角来表征的。普通光 源由于各个发光中心是独立地发光，而且各具有不同的 方向，所以发射的光束是很发散的。激光则不同，它的 各个发光中心是相互关联地定向发射，可以把激光束压 缩在很小的立体角内。