制造用激光光束質(zhì)量、傳輸質(zhì)量與聚焦質(zhì)量

前言

目前激光制造技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，以及新型制造用激光器不斷涌現(xiàn)，使得如何加深激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)馐|(zhì)量的認(rèn)識和理解顯得尤為重要。本書的作者左鐵釧教授1992年回國以來，一直關(guān)注激光光束質(zhì)量的研究，她認(rèn)為光束質(zhì)量的優(yōu)劣是制造用激光器發(fā)展的重要指標(biāo)和追求。她對激光光束質(zhì)量的重視完全基于對努力推動我國激光制造事業(yè)發(fā)展的熱情。本書對制造用大功率激光光束質(zhì)量的評價和測量做出了系統(tǒng)的論述，通過分析光束質(zhì)量與大功率激光傳輸和聚焦的關(guān)系，體現(xiàn)了光束質(zhì)量對激光器發(fā)展的決定性作用，及其對激光加工過程的重要影響。全書結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)容深入淺出，物理概念清晰，反映了作者對激光制造技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的獨(dú)特觀點(diǎn)，具有積極的理論意義和對工程實(shí)際的指導(dǎo)意義。本書對從事激光技術(shù)領(lǐng)域的科技人員和工程技術(shù)人員，以及光學(xué)、光學(xué)工程專業(yè)的本科生和研究生是一本十分有益的參考書。相信本書的出版有助于激光技術(shù)領(lǐng)域科技工作者之間的切磋與交流，我愿熱忱向讀者推薦。

內(nèi)容概要

本書面向大功率激光在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用，以激光光束質(zhì)量為主線，闡述了光束質(zhì)量對激光制造過程貫穿始終的重要影響。    本書主要闡述了工業(yè)制造用激光器光束質(zhì)量的評價和測量方法及其通過傳輸和聚焦對激光加工過程的影響。書中提出了用光束聚焦特征參數(shù)值作為評價激光光束質(zhì)量的參數(shù)，介紹了光束質(zhì)量和光束傳輸、聚焦特性之間的關(guān)系，描述了光束質(zhì)量對激光加工過程的影響。實(shí)際上，光束質(zhì)量的最大意義就在于它體現(xiàn)了激光束的可傳輸和聚焦能力。本書最后介紹了激光加工過程質(zhì)量監(jiān)測。    本書可作為高等院校光學(xué)、光學(xué)工程專業(yè)參考書，可供從事激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的科技工作者、教師、研究生或高年級學(xué)生參考。

書籍目錄

總序序言前言第1章  概論  1.1  光束質(zhì)量決定了激光制造應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展  1.2  光束質(zhì)量標(biāo)志了激光制造系統(tǒng)技術(shù)的水平  參考文獻(xiàn)第2章  光束質(zhì)量評價  2.1  激光場的描述    2.1.1  光束束寬    2.1.2  光束直徑    2.1.3  光束半徑    2.1.4  束腰直徑    2.1.5  束腰半徑    2.1.6  束散角和束散半角    2.1.7  光束模式    2.1.8  Rayleigh長度  2.2  評價激光光束質(zhì)量的參數(shù)    2.2.1  光束聚焦特征參數(shù)值K1    2.2.2  M2因子    2.2.3  光束遠(yuǎn)場發(fā)散角    2.2.4  亮度    2.2.5  等效光束質(zhì)量因子M2    2.2.6  光束衍射極限倍數(shù)因子    2.2.7  Strehl比    2.2.8  BQ值    2.2.9  模式純度    2.2.10  空間相干性或相干度  2.3  用Kf值評價激光光束質(zhì)量    2.3.1  用M2因子評價激光光束質(zhì)量    2.3.2  用Kf值評價激光光束質(zhì)量  2.4  影響激光光束質(zhì)量的因素    2.4.1  增益介質(zhì)對光束質(zhì)量的影響    2.4.2  諧振腔對光束質(zhì)量的影響    2.4.3  光束控制系統(tǒng)對光束質(zhì)量的影響  參考文獻(xiàn)第3章  激光光束質(zhì)量的測量  3.1  激光光束質(zhì)量的測量方法    3.1.1  激光束模式鑒別方法    3.1.2  激光輻射束散角測量方法    3.1.3  激光輻射光束直徑測量方法  3.2  大功率激光光束光斑質(zhì)量診斷儀    3.2.1  工作原理    3.2.2  數(shù)學(xué)模型    3.2.3  探針的設(shè)計和加工    3.2.4  機(jī)械部件    3.2.5  測量系統(tǒng)    3.2.6  軟件開發(fā)    3.2.7  數(shù)據(jù)處理和基本光束參數(shù)計算    3.2.8  能量密度分布的圖形顯示  3.3  系統(tǒng)性能參數(shù)與測量精度    3.3.1  測量窗口    3.3.2  采樣點(diǎn)數(shù)    3.3.3  小孔孔徑  3.4  測量系統(tǒng)的應(yīng)用    3.4.1  激光器的檢測    3.4.2  光學(xué)傳輸系統(tǒng)的檢測    3.4.3  光束整形系統(tǒng)的檢測    3.4.4  幾種典型工業(yè)用大功率激光器的測量  3.5  光束參數(shù)的計算  參考文獻(xiàn)第4章  制造用激光器的光束質(zhì)量  4.1  制造用激光器的主要光學(xué)參數(shù)    4.1.1  波長    4.1.2  能量(功率)    4.1.3  偏振特性    4.1.4  時間特性    4.1.5  空間特性  4.2  制造用激光器的發(fā)展    4.2.1  工業(yè)用CO2激光器    4.2.2  工業(yè)用固體激光器    4.2.3  大功率半導(dǎo)體激光器  參考文獻(xiàn)第5章  光束質(zhì)量與大功率激光聚焦質(zhì)量的關(guān)系  5.1  大功率CO2激光聚焦理論的研究    5.1.1  Gauss光束通過薄透鏡的聚焦理論    5.1.2  基于附加相移的混合模激光束聚焦理論    5.1.3  最小光強(qiáng)起伏的激光加工光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計  5.2  大功率YAG激光束聚焦理論的研究    5.2.1  大功率激光束的成像變換    5.2.2  單透鏡聚焦    5.2.3  望遠(yuǎn)鏡聚焦系統(tǒng)  5.3  光束質(zhì)量與大功率激光束的聚焦質(zhì)量    5.3.1  光束質(zhì)量對光束聚焦影響的理論分析    5.3.2  光束質(zhì)量對焦斑大小的影響    5.3.3  光束質(zhì)量對焦斑位置的影響    5.3.4  光束質(zhì)量對焦深的影響  參考文獻(xiàn)第6章  光束質(zhì)量與大功率激光的傳輸質(zhì)量的關(guān)系  6.1  大功率CO2激光的傳輸理論    6.1.1  大功率激光束的分類    6.1.2  基于附加相移的混合模激光束的傳輸特性    6.1.3  奇數(shù)模對光束橫截面強(qiáng)度分布的影響  6.2  光束質(zhì)量與大功率CO2激光傳輸?shù)年P(guān)系    6.2.1  CO2激光傳輸過程中的焦點(diǎn)漂移    6.2.2  改善焦點(diǎn)漂移現(xiàn)象的光學(xué)自適應(yīng)系統(tǒng)    6.2.3  光束質(zhì)量對飛行光學(xué)導(dǎo)光系統(tǒng)設(shè)計的影響  6.3  空氣熱透鏡效應(yīng)對大功率CO2激光傳輸與聚焦的影響    6.3.1  壓縮空氣對光束傳輸?shù)挠绊?   6.3.2  熱透鏡效應(yīng)對光束的擴(kuò)束作用    6.3.3  空氣熱透鏡效應(yīng)對束腰位置和大小的影響    6.3.4  空氣熱透鏡效應(yīng)對激光束光束質(zhì)量的影響    6.3.5  空氣熱透鏡效應(yīng)對聚焦焦點(diǎn)的位置和大小的影響  6.4  大范圍激光加工飛行光學(xué)導(dǎo)光系統(tǒng)的理論與設(shè)計    6.4.1  多模激光光束變換原理    6.4.2  飛行光學(xué)系統(tǒng)中光束變換系統(tǒng)的設(shè)計  6.5  大功率YAG激光的傳輸理論    6.5.1  光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢    6.5.2  光纖的構(gòu)成、分類及損耗    6.5.3  光纖耦合技術(shù)    6.5.4  光束質(zhì)量與耦合光纖芯徑的關(guān)系  參考文獻(xiàn)第7章  光束質(zhì)量對激光加工過程的影響  7.1  光束質(zhì)量對激光切割過程的影響    7.1.1  激光切割的基本原理    7.1.2  光束質(zhì)量對激光切割的影響  7.2  光束質(zhì)量對激光焊接過程的影響    7.2.1  激光深熔焊接機(jī)理    7.2.2  激光深熔焊接的數(shù)學(xué)模擬    7.2.3  激光深熔焊接物理數(shù)學(xué)模型    7.2.4  光束質(zhì)量對激光深熔焊接的影響    7.2.5  數(shù)學(xué)模型計算誤差的分析  參考文獻(xiàn)第8章  激光加工過程及加工質(zhì)量監(jiān)測  8.1  引言    8.1.1  監(jiān)測對象和方法    8.1.2  技術(shù)網(wǎng)絡(luò)圖  8.2  激光與材料作用過程的監(jiān)測    8.2.1  高速攝影法監(jiān)測體系    8.2.2  采樣信號對光致等離子體監(jiān)測    8.2.3  對工件物理參數(shù)和加工質(zhì)量指標(biāo)實(shí)時監(jiān)測  8.3  跟蹤監(jiān)測    8.3.1  激光焊接焊縫跟蹤系統(tǒng)    8.3.2  激光切割高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 概論現(xiàn)代激光制造是繼力加工、火焰加工和電加工之后一種嶄新的加工技術(shù)，可以完善周到地解決不同材料的加工、成型和精煉等技術(shù)問題，從最小結(jié)構(gòu)的計算機(jī)芯片到超大型飛機(jī)和艦船，激光制造都將是不可或缺的重要手段，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬加深，加工工藝已完全趨于成熟與穩(wěn)定。大功率激光以“光能源”和“光工具”作為新加工手段應(yīng)用于材料加工，扮演了一個創(chuàng)新尖兵的角色，代表了先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展方向，引領(lǐng)制造技術(shù)進(jìn)入激光制造的新時代，極大地提升了傳統(tǒng)制造業(yè)的水平，帶來了產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝和生產(chǎn)觀念的巨大變革，并正在引發(fā)一場制造技術(shù)的革命。 20世紀(jì)以來，世界各國都加大了對發(fā)展制造業(yè)的重視程度。在發(fā)達(dá)國家，激光制造在社會生產(chǎn)中的效益十分顯著，保持高增長率，市場潛力巨大。我國激光技術(shù)的研究在世界范圍內(nèi)起步較早，但與發(fā)達(dá)國家相比，激光技術(shù)達(dá)到應(yīng)用推廣的還是不多，尤其在汽車、機(jī)械制造等領(lǐng)域，還沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。為了更廣泛地普及激光制造技術(shù)的應(yīng)用，彌補(bǔ)高投入的問題，需要在充分認(rèn)識影響激光制造技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，控制成本，尋找獲得最佳加工條件、提高加工效率的方法。激光制造技術(shù)不是單純的激光加工技術(shù)，是集光、機(jī)、電為一體的系統(tǒng)工程，同時與材料、物理、生命等多個學(xué)科交叉，是新世紀(jì)科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一。自20世紀(jì)70年代大功率激光器件誕生以來，已形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金屬零件激光直接成型、激光刻槽、激光標(biāo)記、激光摻雜等十幾種應(yīng)用工藝，與傳統(tǒng)的加工方法相比，具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、冶金、電力、石油、電子信息、交通和新材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，幾乎包括了國民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域，被譽(yù)為“制造系統(tǒng)共同的加工手段”。激光制造技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的廣泛性已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)水平高低的重要標(biāo)志。美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)將激光制造技術(shù)列入國家重大發(fā)展計劃，開展持續(xù)長久的研發(fā)和應(yīng)用研究。當(dāng)今世界格局中，我國隨著經(jīng)濟(jì)地位的不斷提升，參與國際競爭的深度與廣度不斷加大，對于高品質(zhì)現(xiàn)代化加工手段的需求日益迫切，改革開放和市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，極大地推動了激光科學(xué)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。我國是一個制造大國，在一些研究領(lǐng)域取得了具有國際先進(jìn)水平的成果，但激光制造技術(shù)的發(fā)展只有幾十年時間，把它作為能源和工具，從起步、推廣、大規(guī)模應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化，需要一個過程。我們不能只依賴人力資源優(yōu)勢，先進(jìn)的制造技術(shù)才是我國成為世界制造業(yè)中心和制造強(qiáng)國的關(guān)鍵。發(fā)達(dá)國家的實(shí)踐已經(jīng)證明，激光制造技術(shù)在改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)上都起著前沿開拓者的作用?，F(xiàn)代激光制造技術(shù)在21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位，將給我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以深刻的影響。

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《制造用激光光束質(zhì)量、傳輸質(zhì)量與聚焦質(zhì)量》為科學(xué)出版社出版發(fā)行。

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