激光原理课程设计高斯光速激光焊接分析

基于Matlab激光谐振腔模式模拟

激光原理课程设计

作者: 光电0905 唐世豪

——基于Matlab激光谐振腔模式模拟

一、原理分析

1.基本原理

在分析激光器工作原理的过程中，谐振腔中的模式分布占据着重要的意义。经典的研究激光谐振腔内激光模式分布及传播规律的方法是，运用菲涅耳—基尔霍夫衍射积分公式。其关系式如式（1）：

????′′ ?? ?? ??,?? =4?? ????,??????

???????

1+???????? ????′ (1)

式中，ρ为(x’,y’)与(x,y)连线的长度，θ为S面上点(x’,y’)处的法线和上述连线之间的夹角，ds’为S面上的面积元，k为波矢的模。 一般而言，腔长比镜面的线度大很多，(1+cosθ)/ρ 近似取为2/L。同时，假定腔面的线度a远大于波长，被积函数中的?????????不能简单的近似，我们只能根据不同几何形状的腔型来进行合理近似。于是，将公式（1）作用于开腔的两个镜面上的场分

激光原理课程设计

用MATLAB实现平行平面腔模的迭代法

一、设计目的

为了加深对激光原理中Fox-Li平行平面腔的迭代解法的理解，学习matlab的使用，锻炼运用数值方法解决专业问题的能力。

二、设计内容

2.1 Fox-Li平行平面腔的迭代解法

谐振腔是激光器必备条件之一，它使激光反复通过增益物质，从而实现光的自激振荡。在激光的发展史上最早提出的是平行平面腔，又称为F—P腔，它由两块平行平面反射镜组成，第一台红宝石激光器的谐振腔就是用它来做成的。

对于开放式光腔，镜面上稳态场分布的形成可以看成是光在两个界面间往返传播的结果。因此，两个界面上的场必然是互相关联的：一个镜面上的场可以视为由另一个镜面上的场所产生，于是求解镜面上稳态场的分布问题就归结为求解一个积分方程。

考虑在开腔中往返传播的一列波。设初始时刻在镜I上有某一个场分布u1，则当波在腔中经第一次渡越而到达镜II时，将在镜II上形成一个新的场分布

u2，场u2经第二次渡越后又将在镜I上形成一个新的场分布u3。每次渡越时，波都将因为衍射损失一部分能量，并引起能量分布变化，如此重复下去??由于衍射主要是发生在镜的边缘附近，因此在传播过程中，镜边缘附近的场将衰落得更快，经多次衍射后所形成的

激光焊接

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

我国的激光焊接处于世界先进水平，具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。 2013年10月，中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖--布鲁克奖。

激光焊接的技术原理

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

激光器分类

用于焊接的主要有两种激光, 即CO2 激光和Nd:YAG激光。CO2 激光和Nd: YAG激光都是肉眼不可见红外光。Nd: YAG激光产生的光束

激光焊接

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

我国的激光焊接处于世界先进水平，具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。 2013年10月，中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖--布鲁克奖。

激光焊接的技术原理

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

激光器分类

用于焊接的主要有两种激光, 即CO2 激光和Nd:YAG激光。CO2 激光和Nd: YAG激光都是肉眼不可见红外光。Nd: YAG激光产生的光束

关于激光焊接工艺相关知识

一、激光基本原理

1、LASER是什么意思

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)的英语开头字母

2、激光产生的原理

激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质，使介质内部原子的电子获得能量，受激而使电子运动轨道发生迁移，由低能态变为高能态。处于激发态的原子，受外界辐射感应，使处于激发态的原子跃迁到低能态，同时发出一束光；这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此时的光为受激辐射光。

为了得到高能量密度、高指向性的激光，必须要有封闭光线的谐振腔，使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡，进而提高光强，同时提高光的方向性。含有钕(ND)的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下，也能实现连续发振。YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称，具有优异的光学特性，是最佳的激光发振用结晶体。

3、激光的主要特长

a、单色性――激光不是已许多不同的光混一合而成的，它是最纯的单色光(波长、频率)

b、方向性――激光传播时基本不向外扩散。

c、相干性――激光的位相(波

课程设计

题目：谐振腔的稳定性分析和自再现高斯光束计算 姓名： 学号： 指导老师：

时间：

电子科技大学光电信息学院

任务一：

如图A所示的谐振腔，用Matlab程序计算光线在腔内的轨迹，演示腔的稳定和不稳定时光线在腔内往返次数增加时光线轨迹。初始光线任意选择。

L=700mm R1=500mR2=600m

图A 两球面镜组成的谐振腔

实现方法：

首先利用列阵??描述任光线的坐标，而用传输矩阵Ti???Ci???示：

?rn???=??n?n?r??AiBi??描述光线经过一段Di?空间后所引起的坐标变换。假设光线在腔内经n次往返时其参数的变换关系以矩阵的形式表

?i?1?r1?Ti?? ??1? 用 计算出光线的路径。

如此循环得到腔内的光线轨迹。

实现程序：

见

塑料的激光焊接

摘要:塑料激光焊接的特点与金属材料的激光焊接有较大的不同。本文论述了塑料激光焊接的基本原理、所用的激光设备，焊接工艺以及塑料激光焊接在工业生产中的应用。塑料激光焊接的工艺涉及焊接吸收剂、激光波长、被焊材料的特性和要求、加工系统控制软件等等。

关键词：塑料 激光焊接 工艺 应用

一、前言

自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光用来进行金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控控制，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料，等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。

随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷

激光在科学技术前沿问题中的应用

通过一个学期对《激光原理及应用》的学习，使我对激光这一物理分支学科有了更加深入的了解，从光的本性到激光的工作原理，再到激光的输出特性及基本技术，理论结合应用。激光在日常的生产生活中的作用日益增加。

根据课本中最后一章得内容和自己的总结对激光在科学技术前沿问题中的应用做一个归纳。其中包含课本中的知识，以及我自己对知识的看法，还有激光在生活中的应用。

一．激光核聚变 1受控核聚变 *为什么选择核聚变？

核聚变有突出的优点，低原子序数的元素通过聚变反应为更高序数的元素，反应中损失的质量转化成能量放出，提高能量效率比裂变更高。

1）发展聚变能应用是替代化石类燃料与裂变能，推动人类文明发展的理想途径。

2）聚变时，参加反应的原子核都带正电，彼此之间互相排斥。粒子必须具有极高的动能，才能克服这种排斥作用，彼此接近到足以发生反应的程度。

2磁力约束和惯性约束方法 1）

利用核聚变提取能量有两个条件：一是保证充分的反应

1

时间；二是约束高温等离子体。

2）

目前比较实用的能达到劳森条件的装置有两大类。一是利用一定的强磁场将高温等离子体进行约束和压缩，使

之达到劳森判据，即所谓的―磁力约束方法‖（magnetic

大族激光焊接工艺

1.激光焊接概述

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，大族激光激光焊接机主要分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两种。脉冲激光主要用于1 m m厚度以内薄壁金属材料的点焊和缝焊，其焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，再通过热传导向材料内部扩散，通过控制激光脉冲的波形，宽度，峰值功率和重复频率等参数，使工件之间形成良好的连接。在3 C产品外壳、锂电池，电子元器件、模具补焊等行业有着大量的应用。脉冲激光焊接最大的优点是工件整体很小，热影响范围小，工件变形小。连续激光焊接大部分都是高功率激光器，功率在5 0 0瓦以上，一般1 m m以上的板材都应该使用这种激光器。其焊接机理是基于小孔效应的深熔焊，深宽比大，可达到5︰1以上，焊接速度快，热变形小。在机械、汽车、船舶等行业有着广泛的应用。还有一部分小功率连续激光器，功率在几十到几百瓦之间，它们在塑料焊接及激光钎焊这些行业使用得比较多

2.激光器工作原理：

2.1 YAG激光器的工作原理：

激光电源首先把脉冲氙灯点着，通过激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率，一定脉宽的光波，该光波经过聚光腔辐射到Nd 3+：YAG激光晶体上，激发Nd 3+:YAG激光晶体发光，再经过激光谐振腔谐振

《激光原理》习题解答第一章习题解答

1 为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM，它的单色性??解答：设相干时间为?，则相干长度为光速与相干时间的乘积，即

?0应为多少？

Lc???c

根据相干时间和谱线宽度的关系

???c1??cLc

又因为

???0??????0??，?0??0，?0?632.8nm

由以上各关系及数据可以得到如下形式： 单色性=

?0??0=

?0632.8nm?6.328?10?10 =12Lc1?10nm?3000MHZ输出1瓦连续功率，问每秒钟

解答完毕。

2 如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm和?从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少。

解答：功率是单位时间内输出的能量，因此，我们设在dt时间内输出的能量为dE，则 功率=dE/dt

激光或微波激射器输出的能量就是电磁波与普朗克常数的乘积，即

dE?nh?，其中n为dt时间内输出的光子数目，这些光子数就等于腔内处在高能级的激发粒子在dt时间辐射跃迁到低能级的数目（能级间的频率为ν）。

由以上分析可以得到如下的形式：

n?dE功率?dt? h?h?每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：

n功率1?Js?每秒钟发射的光子数?N???s?1