雷射加工原理與應用

1. 雷射加工原理與應用 班級：四技自控四甲 姓名:郭燿榮 學號:49512012 指導老師:蕭瑞陽 老師

2. 雷射的歷史 雷射(laser)是Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation的簡稱。雷射的觀念最早可訴溯及本世紀初，1905年愛因斯坦依據一般相對性理論首次提出光量子假說，開啟雷射的觀念探討，緊接在1917年愛因斯坦又提出受激輻射理論，加速了雷射理論的成熟。1960年美國休斯公司實驗室，梅曼（ Maiman ）工程師製造出全世界第一具紅寶石雷射，Maiman博士因而獲得了雷射之父的譽稱，其後數十年雷射的各項運用發展得極為快速，尤其是醫療用途最為成功。

3. 主要雷射的應用

5. 雷射光的特點 （1）高方向性（Directionality） （2）單色性（Monochromatity） （3）高相干性（Coherence）

6. （1）高方向性 意指雷射光有高度的指向性。普通的光源，如常見的燈泡、日光燈管等，其光發散角度都很大，即使光源本身有很高的強度，但向四面八方發散後，很快地就變弱了！可是，對雷射光，一般而言只有 1毫弧度的發散角，看起來就是一條相當平行的光束。而這一特徵，就成為雷射光應用在測距、準直、通訊等各方面的基礎了。 （2）單色性 一般光源，如太陽、白熾燈炮所發射出來的光線，乃是由許多不同頻率者所組成的，從牛頓以三稜鏡將太陽光散開成帶狀的彩色光譜即可得知。但雷射光的頻率組成範圍卻非常狹窄，以致從外觀看起來，雷射光束的顏色都非常地質純。同時，由於具有單色性，也形成了極佳的相干性。 （3）高相干性 所謂相干性，就是指一束光在時間與空間上關連的程度。相干程度的高低，決定是否能形成干涉。普通光源的相干性是極差的，所以是很難看到干涉現象的，而雷射光卻不然，它有高度的相干性，很容易就能得到干涉結果。也就因此推動了干涉量測的發展，及與干涉相關連的全像攝影術和光資訊處理了！

7. 重要雷射的種類 1.氣體雷射 2.液態雷射 3.固體雷射 4.半導體雷射

8. 氣體雷射 第一部問世的氣體雷射是氦氖雷射，它也是繼梅曼製成紅寶石雷射之後的第二部雷射。雷射的介質是氖，但是在氦氖混合氣中氦遠比氖多，才能使氖產生雷射作用。雖然雷射的功率不高，但是光束的品質最佳，最能示範雷射光以及光波的特性。 二氧化碳雷射是以放電方式激發的高功率雷射，目前商品化的已達萬瓦。這種雷射中的氣體，以氦及氮為主，介質氣體二氧化碳反而最少，原因是大量的氦和氮，才能幫助少量的二氧化碳進入群數反轉。二氧化碳雷射的效率，也就是輸出光功率和輸入電功率的比值可達15％，較氦氖雷射高約百倍。 惰性氣體是優秀的紫外線雷射介質，其種類有氟化氬、氟化氪、氟化氙、氯化氙等，都輸出紫外線，且效率可達1％。惰性氣體如氬、氪和氙等，在高電流放電時所產生的離子，是優秀的可見光雷射光源。氬離子和氪離子雷射，分別輸出紫、藍、天藍、綠和黃、橙、紅等波長的雷射。這些雷射以高輸入和輸出為特色，把這兩種氣體混合，雷射光看似白色但又可把各色光分離，在舞台效果方面甚受重用。

9. 氦氖雷射的能階 二氧化碳雷射的能階

10. 液態雷射 溶解在水或其他溶劑中的染料，在以光照激發後，得以成為雷射介質。每一種染料，在以適當的波長激發後，可以在某一範圍內調變它輸出的雷射波長，並且更換不同的染料及激發光源，雷射輸出波長可包含全部可見光及其附近的紫外線和紅外線，在基礎科學研究上極具價值。前述的離子雷射原本是染料雷射的最佳激發光源，現在又有倍頻的固態晶體雷射可取而代之。

11. 固體雷射 人造紅寶石中的鉻離子，是梅曼最先發現的雷射介質。他原本是研究以紅寶石強化微波，卻發現它可以強化深紅色的光波。紅寶石並不是優良的雷射介質，它的效率甚差，但因它是世上第一具雷射，其歷史價值相當重要。 寄居在釔鋁石榴石中的釹離子，是一種優良的雷射介質，稱為釹—釔鋁石榴石（Nd：YAG）雷射。起初研發這雷射時是以放電燈為激發光源，吸收光源中以810奈米為中心的紅外線，發出1.064微米的雷射光，效率約3％。現在以波長808奈米的半導體雷射為激發光源，總效率可達20％，是現有雷射中最優秀的。現在石榴石雷射的輸出可達數千瓦，成為極佳的工業用雷射。 寄居在藍寶石晶體中的鈦離子，經以綠色雷射光激發後，可發出波長可調範圍甚廣的雷射光。且時間甚短，是非常有用的光源。

12. 釔鋁石榴石中釹離子的能階 紅寶石中鉻離子的能階

13. 半導體雷射 正（P）型與負（N）型半導體接觸時，在接觸面附近會形成空乏區。若對P型和N型側各施以正和負偏壓，則可驅趕電洞和電子進入空乏區，電洞和電子的結合會釋出能量並導通電流。因為電子和電洞分居高和低能級，偏壓就能在空乏區造成群數反轉。如果能級間差距夠大且電子和電洞移動夠快，就足以產生雷射作用。砷化鎵系列或三五族半導體，在摻入雜質後可成為P型或N型的半導體，二者接觸後的空乏區在施以偏壓後可發出波長840 奈米一帶的雷射光。半導體雷射本身甚小，在封裝後也僅及米粒的體積，輸出功率也不高。若把一群半導體製成雷射陣列，體積雖仍然很小但輸出甚高，可用以激發石榴石雷射，甚至有工業上的用途。

14. 雷射控制技術 1.調Q技術 2.鎖模技術

15. 調Q技術 調Q技術也叫Q開關技術，是一種獲得高峰值功率、窄脈寬雷射脈衝的技術，可將雷射脈寬壓縮至奈秒量級（峰值功率達106 W以上）。 通常，將這種高峰值功率的窄脈衝叫做巨脈衝。

16. 調Q的基本理論 1.脈衝固體雷射器輸出的弛豫振盪 光源越強，尖峰脈衝個數越多，但其包絡的峰值增加並不多。將這種現象叫做雷射器輸出的弛豫振盪（或尖峰振盪）。弛豫振盪形成的主要原因是：隨著光源的作用，雷射器達到其振盪閾值產生雷射振盪，腔內光子數密度上升，輸出雷射。隨著雷射的發射，上能階粒子數被大量消耗，使反轉粒子數密度下降，到低於閾值時，雷射發射停止。在脈衝形成的過程中，雷射器的閾值始終保持不變，是產生弛豫振盪最根本的原因。

17. 2.共振腔的品質因素Q 在電子技術中，用Q值來描述一個共振回路品質的高低。在雷射技術中，用Q值來描述一個共振腔的品質，稱其為共振腔的品質因數。 3.調Q的基本原理 將器件的閾值調低，那麼累積在上能階的大量粒子，便雪崩式地躍遷到雷射下能階，在極短的時間內將儲存的能量釋放出來，而獲得峰值功率極高的雷射脈衝輸出。

18. 4.調Q雷射器的兩種儲能方式 調Q雷射器可以分為工作物質儲能調Q和共振腔儲能調Q兩類。 1.工作物質儲能調Q 工作物質儲能調Q，也叫脈衝反射式調Q，簡稱PRM法(Pulse Reflection Model)。 (1)工作過程 脈衝激發的調Q過程。圖中，Wp為激發速率，Δni為Q值階躍變化時的反轉粒子數密度，Δnt為閾值反轉粒子數密度，Δnf為振盪終止時工作物質殘留的反轉粒子數密度，為腔內的光子數密度。連續激發高重複率調Q過程。

21. (2)工作物質儲能調Q的特點 在雷射振盪終止時，工作物質中殘留了一部份反轉粒子數Δnf，即工作物質中的儲能。 2.共振腔儲能調Q 共振腔儲能調Q，也叫脈衝透射式調Q，簡稱PTM法(Pulse Transmission Model)。能量以光子的形式儲存在共振腔中，當腔內光子數密度達到最大值時，瞬間將腔內能量全部輸出，因而也叫做腔倒空法。

23. 鎖模技術基本概念 在一般自由運轉的雷射輸出中，總會存在多值縱模的振盪(除了嚴格的均勻加寬雷射是單縱模輸出外)。這些縱模都位於雷射激發介質的增益曲線內。各縱模頻率間距為c/2d(其中d為腔長，c為光速，設腔內折射率為1)。這些縱模是互相相位無關的，振幅亦不等的。因此它們之間不會有同調"干涉"現象出現。

24. 鎖模的主要方法 按照鎖模的工作機制，實現鎖模的方法分為主動鎖模、被動鎖模、同步激發鎖模、自鎖模及碰撞鎖模等多種形式。 一、主動鎖模 主動鎖模採用週期性調制諧腔參數的方法。在共振腔中插入一個受外界訊號控制的調制器，用一定的調制頻率週期性地改變腔內振盪模的振幅或相位。當選擇調制頻率等於縱模間隔時，對各個模的調制會產生邊頻，邊頻又與兩個相鄰縱模的頻率相一致，由此引起模之間的相互作用。主動鎖模的實現多採用聲光或電光調制器。

25. 2.被動鎖模 被動鎖模是將可飽和吸收體放在共振腔內加以實現的。其原理主要是利用可飽和吸收體的非線性吸收效應。當腔內的光強度達到一定值時，可飽和吸收體對光的吸收達到飽和，透過率變為100%。有機染料是一種很合適的可飽和吸收體。

26. 3.同步激發鎖模 用一台主動鎖模雷射器的脈衝序列作為種子脈衝去激發另一臺雷射器使其實現鎖模，稱之為同步激發鎖模。優點在於週期性激發時，可以獲得比激發脈衝寬度窄得多的脈衝。

27. 4.自鎖模 當工作物質自身的非線性效應，已能夠保持各個振盪縱模頻率的等間隔分佈，且彼此之間有確定的初相位關係，不需要在共振腔內插入任何調制元件即可實現鎖模，稱之為自鎖模。 典型的自鎖模雷射器——摻鈦藍寶石雷射器。

29. 雷射加工特色 1.適用於微細加工、切斷、熔接、表面處理。 2.可加工金屬、非金屬、複合材料等幾乎所有種類 的材料，也容易加工高融點材料或高硬度材料。 3.藉光路變換或光束分割，可同時或時間分割進行不同場所的加工。可在大氣中、真空中加工。 4.無加工反力施加於加工中的被加工物，容易設定被加 工物的位置，可行尺寸精度高而形狀複雜的加工。 5.適於利用微電腦等電腦控制（CNC）使加工自動化。

30. 雷射加工的缺點 1.需開發使加工部門週邊之熱影響成最小限度的加工施行技術。 2.因是新加工技術，實用的加工資料不足，加工可靠性的確立需一段時間。 3.裝置價格比傳統加工裝置價格高。

31. 雷射加工的種類 1.雷射修整 2.切斷 3.熔接 4.表面處理

32. 雷射修整 製造微小電子零件或回路時，在最終工程、印刷、濺散形成於機板上的電阻膜或電容器膜要有若干修正，調整零件或回路的性能，稱為修整。以往用噴砂法或陽極氧化法。現在，水晶振動子的修整工程以雷射修整法為主流。 其有幾點優點： 1.可高速微量除去所有材料。 2.可高調整精度。 3.除去部分的位置精度可設定±10μm以內，可調整微小積體電路。 4.為乾製程，工程簡單，可縮短時間。 5.無電氣接觸，可使回路或動作狀態而調整。 唯一缺點是裝置價格高。

33. 雷射切斷 利用高功率密度的雷射光束掃描材料表面，在極短時間內將材料加熱到數千至上萬攝氏度，使材料熔化或汽化，再用高壓氣體將熔化或汽化物質從切縫中吹走，達到切割材料之目的。

34. 雷射切割機

35. 雷射切斷的特色 • 1.切斷的尺寸精度不因材料硬度而變，易得0.1mm的精度。 • 2.可切斷陶瓷等高融點材料。 • 3.切斷寬度小(0.1~0.2mm)，切斷面平滑。 • 4.加工精度高，可有效活用材料，不浪費。 • 5.藉電腦控制可高速高精度切斷複雜的圖形，也可立即順應切斷形狀的變更。

36. 雷射熔接 很多YAG雷射和低輸出的CO₂ 雷射用於電子零件或薄板零件材的熔接，最近日本開發輸出數kW以上的工業用CO₂ 雷射，雷射熔接已實用於汽車工業、重工業、製鐵業等。

37. 焊接機雷射系統

38. 雷射熔接的特色 • 1.熔珠寬度窄，熔入度深。 • 2.熱影響層薄，熔接部的機械性強度與母材強度同等。 • 3.入熱少，熱變形小，可行尺寸精度高的加工。 • 4.可彈性、迅速順應材質或版厚的變更。 • 5.可行異種金屬的熔接。

39. 表面處理 • 1.淬火 • 2.合金化 • 3.釉化

40. 淬火 雷射淬火是高速掃瞄高功率密度的雷射光，把材料表面急加熱，藉材料的自己冷卻，在表面下形成深約1mm的硬化層，獲得材料的耐磨耗性，特色: 1.可只選擇淬火必要部份。 2.全入熱少，形狀的熱變形少。 3.不需冷卻用水或油。

41. 合金化 • 雷射合金化處理是在鐵鋼等低價格零件才表面添加合金化所必要的材料，照射雷射光，把表面加熱、熔融，在構件材表面形成任意合金層，改善構件材的耐蝕性、耐磨耗性、耐氧化性等。因金屬表面急速熔融和固化，可得均勻而組織微細、偏析少的優秀合金層。在雷射合金化楚哩，零件材局部合金化，構件材的形狀變形外，因而可在預先加工或鎖定形狀的零件施行局部的合金化處理，細修工程的研磨加工可只0.2mm。汽車工業正檢討利用雷射光對灰口鑄鐵製閥座以Stellite(鈷鉻鎢)合金施行局部合金化技術。

42. 釉化 • 雷射釉化是對材料表面照射106~108W/c㎡的高功率密度雷射光，把數+μm的熔融層急冷，行成非晶質層，獲得硬質，高耐蝕性表面。釉化需控制照射條件，使雷射照射後的冷卻速度常達到106℃/s以上。