激光切割应用以及原理

激光切割应用以及原理（精选8篇）

激光切割应用以及原理 篇1

激光切割技术的原理及应用

1.激光切割技术简介.......................................................................2 1.1激光切割技术概述................................................................2 1.2激光切割技术的原理............................................................4 1.3激光切割技术的发展历史....................................................5 2.激光切割的特点.............................................................................6 2.1激光切割的总体特点............................................................6 2.2 CO2激光切割技术的特点.....................................................7 2.3半导体激光切割机................................................................8 2.4光纤激光切割机....................................................................8 3.激光切割技术的应用及发展前景.............................................10 3.1激光切割技术的市场现状..................................................10 3.2激光切割技术的应用..........................................................12 结论..................................................................................................13

辽宁科技大学学生论文

激光切割技术的原理及应用

材料12A文修曜

摘要

激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割是激光加工应用领域的一部分，激光切割是当前世界上先进的切割工艺。由于它具备精密制造、柔性切割、异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点，所以在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。激光能切割大多数金属材料和非金属材料。

Abstract

The laser processing technology is a kind of advanced manufacturing technology, and laser cutting is part of the laser processing applications, laser cutting is the current advanced cutting technology in the world.Because it has flexible cutting, stone processing, precision manufacturing, a forming, fast speed, higher efficiency, so in industrial production solved many conventional methods cannot solve the problem.Can laser cutting most of the metal materials and nonmetal materials.关键词：激光切割的原理；激光切割的分类及特点；激光切割技术的应用

1.激光切割技术简介

1.1激光切割技术概述

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术。它占整个激光加工业的70%以上。激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度及高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化控制等优点。激光切割板材时，不需要模具，可以替代 2 辽宁科技大学学生论文

一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

激光切割主要是CO2激光切割,激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,并使CO2激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定状的切缝。激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于0.1mm，使焦点处达到很高的功率密度可超过106W／cm2)。这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄（如0.1mm左右）的切缝。切边热影响很小，基本没有工件变形。

切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。

大多数有机与无机都可以用激光切割。在工业制造占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。

激光切割无毛刺，皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，无需修理模具，还节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算。

另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也 3 辽宁科技大学学生论文

可发挥其精确、重现性好的优势。作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层，提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由此提高了使用寿命。

1.2激光切割技术的原理

在激光束能量作用下（氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速（ms范围）加热到几千乃至上万度（℃）而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等惰性气体）吹走，切缝便产生了。脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。

激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。

该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。

激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精 辽宁科技大学学生论文

密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。

1.3激光切割技术的发展历史

激光切割是激光加工行业中最量要的一项应用技术,由于具有诸多特点,已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门。近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以20％～30％的速度增长。我国自1985年以来，更以每年25％以上的速度增长。由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会得到解决。激光切割技术必将成为21世纪不可缺少的重要的钣金加工手段。激光切割加工广阔的应用市场，加上现代科学技术的迅猛发展，使得国内外科技工作者对激光切割加工技术进行不断探入的研究，推动着激光切割技术不断创新，激光切割技术的发展方向如下：

(1)伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统,使用高功率的激光切割可获得高的加工速度,同时减小热影响区和热畸变;所能够切割的材料板厚也格进一步地提高，高功率激光可以通过使用Q 开关或加载脉冲波，从而使低功率激光器产生出高功率激光。

(2)根据激光切割工艺参数的影响情况，改进加工工艺，如：增加辅助气体对切割熔渣的吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增加辅助能源，并改善能量之间的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。

(3)激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。将CAD/CAPP/CAM[4]以及人工智能运用于激光切割，研制出高度自动化的多功能激光加工系统。

(4)根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统核心，面向通用化CAPP开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构。

(5)向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各 辽宁科技大学学生论文

道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。

(6)随着Internet和WEB技术的发展，建立基于WEB的网络数据库，采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数，并且能够远程异地访问和控别激光切割过程成了不可避免的趋势。

(7)三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术，为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向民展，激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。激光切割正向着激光切割单元FMC、无人化和自动化方向发展。

2.激光切割的特点

2.1激光切割的总体特点

激光加工作为一种全新的加工方法，以其加工精确、快捷、操作简单、自动化程度高等优点，在皮革、纺织服装行业内逐渐得到广泛的应用。镭射激光切割机与传统的切割方式相比不仅价格低,消耗低.并且因为激光加工对工件没有机械压力,所以切割出来产品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且还具有操作安全,维修简单等特点.可连续24小时工作。用镭射激光机切割出来的无尘布无纺布边不发黄,自动收边不散边,不变形，不会发硬,尺寸一致且精确；可切割任意复杂形状；效率高、成本低，电脑设计图形,可切割任意形状任各种大小的花边。开发速度快：由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上设计，即可实现激光雕刻输出并且可随时变换雕刻,可边设计边出产品。

激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定外形的切缝。

1．精度高：定位精度0.05mm，重复定位精度0.02 mm 2．切缝窄：激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度，材料很快加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切口宽度一般为0.10～0.20mm。

3．切割面光滑：切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以内。辽宁科技大学学生论文

4．速度快：切割速度可达50m/min，最大定位速度可达70m/min，比线切割的速度快很多。

5．切割质量好：无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。

6．不损伤工件：激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。7．不受被切材料的硬度影响：激光可以对布料，橡皮等柔软材质进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。

8．不受工件外形的影响：激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其它异型材。

9．可以对非金属进行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、纺织品、有机玻璃等。

10．节约模具投资：激光加工不需模具，没有模具消耗，无须修理模具，节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，尤其适合大件产品的加工。

2.2 CO2激光切割技术的特点

1.切割质量好

切口宽度窄（一般为0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距误差0.1--0.4mm，轮廓尺寸误差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra为12.5--25μm），切缝一般不需要再加工即可焊接。2.切割速度快

例如采用2KW激光功率，8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。3.清洁、安全、无污染

大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法，特别是各种非金属材料的切割。它是发展迅速，应用日益广泛的一种先进加工方法。

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2.3半导体激光切割机

1简介

半导体激光切割机采用半导体泵浦激光器，半导体泵浦激光器是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，目前在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。

2特点

1、采用半导体泵浦源和德国高速标记振镜头，光电转化效率高、光束质量好。

2、采用全数字化激光标记和独特的激光选模及深雕技术，确保了设备具有极高的稳定性、精确性和友好的操作性。并可选配自动测焦和调焦系统，满足精确切割和多样化打标需求。

3、周到的防护设计：缺水保护，激光谐振腔光路和激光腔腔体双重密封，防潮装置，防长出光装置。

4、多样的外围装置设计：自动上、下料系统，旋转标记转台，排风除尘系统，激光防护罩及灯光警示装置。

5、光路预览功能，焦点指示功能：在激光的光轴上叠加了可见红光，用于指示激光束的位置，实现对打标范围的预览。增加了指示对焦红光，直观方便的实现了对焦功能。

半导体激光切割机GDBEC-130250，选用进口半导体泵浦源和德国高速标记振镜头，光电转化效率高，光束质量好，可在金属、非金属等各类固性材料上进行精确、快速的打标和划线，并可根据加工材料厚度，调整激光焦距，确保加工的最佳效果。适用于各类普通金属及合金（铁、铜、铝、镁、锌等所有金属）、稀有金属及合金（金、银、钛）、金属氧化物、ABS料（电器用品外壳、日用品）、油墨（透光按键、印刷制品），环氧树脂（电子元件的封装、绝缘层）等材料。

2.4光纤激光切割机

1简介 辽宁科技大学学生论文

光纤激光切割机是利用光纤激光发生器作为光源的激光切割机。光纤激光器是国际上新发展的一种新型光纤激光器输出高能量密度的激光束，并聚集在工件表面上，使工件上被超细焦点光斑照射的区域瞬间熔化和气化，通过数控机械系统移动光斑照射位置而实现自动切割。同体积庞大的气体激光器和固体激光器相比具有明显的优势，已逐渐发展成为高精度激光加工、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域中的重要候选者。

光纤激光切割机它既可做平面切割,也可做斜角切割加工,且边缘整齐、平滑,适用于金属板等高精度的切割加工，同时加上机械臂可以进行三维切割代替原本进口的五轴激光。比起普通二氧化碳激光切割机更节省空间和气体消耗量，光电转化率高，是节能环保的新产品，也是世界上领先技术产品之一。2光纤激光切割机较CO2激光切割机的优势：

1）卓越的光束质量：聚焦光斑更小，切割线条更精细，工作效率更高，加工质量更好；

2）极高的切割速度：是同等功率CO2激光切割机的2倍；

3）极高的稳定性：采用世界顶级的进口光纤激光器，性能稳定，关键部件使用寿命可达10万小时；

4）极高的电光转换效率：光纤激光切割机光电转换效率达30%左右，是CO2激光切割机高3倍，节能环保；

5）极低的使用成本：整机耗电量仅为同类CO2激光切割机的20-30%； 6）极低的维护成本：无激光器工作气体；光纤传输，无需反射镜片；可节约大量维护成本；

7）产品操作维护方便：光纤传输，无需调整光路；

8）超强的柔性导光效果：体积小巧，结构紧凑，易于柔性加工要求。

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当然了，与二氧化碳激光切割机相比，光纤的切割范围相对狭窄。因为波长的原因，其只能切金属材料，对非金属不容易被其吸收，从而影响其切割范围。3与YAG激光切割机相比的优势：

1）切割速度：光纤激光切割机的速度是YAG的4-5倍，适用于大量加工与生产

2）使用成本：光纤激光切割机的使用成本比YAG固体激光切割更少 3）光电转换效率：光纤激光切割机的光电转换效率是YAG的10倍左右 相应的光纤激光器的价格较高，所以光纤激光切割机价高比之YAG激光切割机要高出不少，但比二氧化碳激光切割机要低很多。但其性比价确实三者中最高的。

3.激光切割技术的应用及发展前景

激光切割的应用领域非常广泛, 比如汽车行业、计算机、电气机壳、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钦合金等等。近年来, 激光切割的新应用层出不穷, 令人耳目一新。

3.1激光切割技术的市场现状

我国激光产业的发展，虽然是一个初步发展，但在国际科技带领下已经完成了飞跃的发展，并且比同等质量有一个高阶段的突出。以激光切割机来讲，市场的需求高达千万，为广阔的市场添加了新的生机。自从60年代第一台激光设备的诞生和应用开始，我国就有多位专家在激光行业付出了努力，并达到了国际一个微小的差值。在激光行业的发展同时，激光成套工业设备也进入了生产的市场，摆脱了长期依靠国外的局面，解决了国内激光行业的尴尬局面。

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国内经济的飞速发展，成为激光市场的高产业支柱，并且可以达到每年20%以上的增长速，成为全球激光市场的一个新起点，根据专家预测，国内的激光市场仍处于高速的增长阶段，在未来可以在进行翻倍的增加，来最大的扩充激光切割设备的市场，填补国内空白，将国内高端激光设备摆脱受困的状态，成为国际上的顶梁柱。目前国内的激光产业主要在深圳、武汉两地聚集，其中深圳是国内的重要销售市场，并且以多年的发展经验，领先了其他区域。

激光切割指采用激光发射性光束在产品上面打孔，根据水平移动来对应产生的缝隙称为激光切割，激光可以在多产品材料上面切割，如亚克力、刀模板、布料、皮革等行业都能运用激光进行切割，因此激光切割是一种在多行业切割的新型方案。对于这样一种新型的切割方法，相对于传统切割有着什么样的优势呢，下面光博士带您分析下。

激光是利用物质激发产生光，这种光带有强烈的温度，在接触材料时候，能够迅速的在材料表面融化，形成打孔，根据对位对点的移动形成了切割，因此这样的一种切割方法相对于传统的切割方法，缝隙更小，更能够省去大部分材料，然而根据切割效果来定义分析，根据激光进行切割的材料，其切割效果能够满意，精准度又高，这是继承了激光的优势，也是普通切割方式不能够媲美的。

相对于传统切割方式中，激光切割更易懂、易学、在商家需求的加工效果，速度方面都有着绝对的优势，因此相信在未来的切割方式选择中，激光切割机将是大众的需求。

激光切割加工是指采用激光设备来给产品进行加工，这种模式是针对那种初入激光行业，并且小型的加工户，然而这种模式在现今的社会都不提倡了，因为激光设备的价格不再是那种高高在上的设备了，完美的技术发展，优良的加工精细，使得现今的激光设备不再是那样的昂贵，因为它们的设备有针对行业性的，这样能够省去了以往那种高贵的大功率设备加工，现今的小功率设备也能进行加工了，这让这些想购买激光切割机的加工不在需要借用他人的设备进行加工了，激光切割加工模式逐渐被取代了，这是必然性。

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下面分析下激光切割市场以及加工效果，在激光切割市场，凡事了解一点的都清楚，激光切割能够加工多行业，然而需要购买加工多行业的设备，价格是不菲的，然而如果购买的是单行业，如刀模激光切割机、皮革激光切割机等，这些针对行业的设备，价格就不是那样昂贵了，这就是未来的市场，在其加工效果方面，单行业的加工效果，肯定针对单行业其功能是最好的，能够满足此行业的要求，这些在这些行业设备介绍中，光博士有提到，因此在如果想采用激光切割加工的商户们，不妨去尝试着使用激光切割设备直接自己购买进行加工，这样能够帮助你实现以及解决很多的问题！

3.2激光切割技术的应用

大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大,一般厚度；12mm的低碳钢、；6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。辽宁科技大学学生论文

装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度3mm）或非金属材料（一般厚度20mm）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。

要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近几年来应用的一个新领域是石油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能大于0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。

国外除上述应用外，还在不断扩展其应用领域。

⑴采用三维激光切割系统或配置工业机器人，切割空间曲线，开发各种三维切割软件，以加快从画图到切割零件的过程。

⑵为了提高生产效率，研究开发各种专用切割系统，材料输送系统，直线电机驱动系统等，如今切割系统的切割速度已超过100m/min。

⑶为扩展工程机械、造船工业等的应用，切割低碳钢厚度已超过30mm，并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术，以提高切割厚板的切口质量。因此在中国扩大CO2激光切割的工业应用领域，解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。

结论

激光从提出到变为现实的发展史用了几十年，从初生到今天无处不再又是几十年，激光及应用实际上是随着社会需求的进步而得以发展。激光的出现和发展又带动了光学，实验等学科的发展。从社会角度看，激光的产生改变了人们的生活，使之更加方便快捷。随着科技的发展，激光技术必将得到更加广泛的应用于我们世界的各个方面，使人类的科技不断进步。我也坚信，我国的激光技术也将会达到世界领先的水平，为我国各行各业的发展提供有利的条件！

参考文献

[1] 董锋,陆雅娟.激光切割工艺及设备[J].CAD/CAM与制造业信息化,2003,(04)[2] 江海河.激光加工技术应用的发展及展望[J]光电子技术与信息,2001,(04)辽宁科技大学学生论文

激光切割应用以及原理 篇2

m ap是个很常用的数据结构, 它可以提供ke y-value的存储和查找功能, 例如员工信息:

张三——张三的详细信息 (工号, 年龄, 职务, 工龄)

李四——李四的详细信息 (工号, 年龄, 职务, 工龄)

王二——王二的详细信息 (工号, 年龄, 职务, 工龄)

..

我们可以很方便的使用key也就是员工的名字来查询员工的详细信息。如果没有map, 我们用其他的数据结构来保存他们, 比如数组, 这些信息如果保存下来并不复杂, 但是找起来就比较麻烦了。例如我要找"张三"的信息, 最笨的方法是取得所有记录, 然后逐条用名字进行比较, 如果想要更快速度, 就需要把这些记录按照名字的字母顺序排序, 再按照二分查找法查找。但是每次增加或者删除记录都需要保持记录的顺序, 考虑到效率, 就需要用二叉树了。STL的map容器很方便的实现了这个功能, 使用的过程中可以完全不关心这里面的细节。我们看看下面的例子:

用起来很方便吧, 而且效率非常高, 100万条记录, 最多也只要20次的s tring.com pare的比较, 但是需要频繁进行搜索时, 20次比较也会成为瓶颈, 这时你需要has_map。虽然hash_map目前并没有纳入C++标准模板库中, 但几乎每个版本的STL都提供了相应的实现。而且应用十分广泛。在正式使用hash_map之前, 先看看has h_m ap的原理。

2 hash_map原理

has h_m ap基于has h table (哈希表) 。哈希表把数据的存储和查找消耗的时间大大降低, 几乎可以看成是常数时间;而代价仅仅是消耗比较多的内存。然后, 随着硬件的迅速发展, 内存越来越大, 通过空间换时间的做法在某些时候是非常值得的。

其基本原理是:使用一个下标范围比较大的数组来存储元素。可以设计一个函数 (哈希函数, 也叫做散列函数) , 使得每个元素的关键字都与一个散列值 (即数组下标, hash值) 相对应, 于是用这个数组单元来存储这个元素;也可以简单的理解为, 按照关键字为每一个元素“分类”, 然后将这个元素存储在相应“类”所对应的地方, 称为桶。

但是, 不能够保证每个元素的关键字与散列值是一一对应的, 如果出现对于不同的元素, 计算出了相同的散列值, 这样就产生了“冲突”, 换句话说, 就是把不同的元素分在了相同的“类”之中。总的来说, “直接定址”与“解决冲突”是哈希表的两大特点。

has h_m ap, 首先分配一大片内存, 形成许多桶。是利用has h函数, 对key进行映射到不同区域 (桶) 进行保存。

其插入过程是:1) 得到key;2) 通过hash函数得到hash值;3) 得到桶号 (一般都为has h值对桶数求模) ;4) 存放ke y和value在桶内。

其取值过程是:1) 得到key;2) 通过hash函数得到hash值;3) 得到桶号 (一般都为hash值对桶数求模) ;4) 比较桶的内部元素是否与key相等;若都不相等;则没有找到。取出相等的记录的value。

has h_m ap中直接地址用has h函数生成, 用比较函数解决冲突。这里可以看出, 如果每个桶内部只有一个元素, 那么查找的时候只有一次比较。当许多桶内没有值时, 许多查询就会更快了 (指查不到的时候) 。

要实现哈希表, 和用户相关的是:hash函数和比较函数。这两个参数刚好是我们在使用hash_map时需要指定的参数。

3 hash函数

你可以使用缺省的hash函数。当然你自己也可以定义自己的has h函数。对于自定义变量, 你只能如此, 例如对于s tring, 就必须自定义hash函数。例如:

4 比较函数

默认的情况map缺省提供less函数, 当然你可以自己提供比较函数来进行排序。在hash_map中, 要比较桶内的数据和key是否相等, 因此需要的是是否等于的函数:equal_to。

如果你使用一个自定义的数据类型, 如struct mystruct, 或者cons t char*的字符串, 就需要自己为m ap写比较函数了, 有两种方法.第一种是:重载==操作符, 利用equal_to;看看下面的例子:

这样, 就可以使用equal_to作为比较函数了。另一种方法就是使用函数对象。自定义一个比较函数体:

摘要：hashmap基于hashtable (哈希表) 。哈希表把数据的存储和查找消耗的时间大大降低, 几乎可以看成是常数时间;而代价仅仅是消耗比较多的内存。然后, 随着硬件的迅速发展, 内存越来越大, 通过空间换时间的做法在某些时候是非常值得的。

激光切割应用以及原理 篇3

关键词：铸造起重机 主起升机构 减速器 棘轮棘爪

铸造起重机是桥式起重机的一种，是炼钢车间、铸造车间运输液态金属的专用起重设备。根据冶金工业的工艺要求和生产特点，铸造起重机工作级别最高、吊运的液态金属物最危险、工作条件最恶劣、工艺过程最严格，因而也导致其结构和安全保障措施也很复杂。棘轮棘爪装置作为机械中防止逆转的制逆装置，可保证起重机起升机构在一台减速器发生故障时，另一台减速器能正常完成工作。

1 棘轮棘爪装置的工作原理

棘轮棘爪装置是由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构，它属于棘轮停止器，一般用来作为机械中防止逆转的制逆装置或者供间歇传动用。棘轮机构按结构形式可分为：齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。而摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮，特点是传动平稳、无噪音；动程可无级调节，但因靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高，适用于低速轻载的场合。根据以上叙述的特点，以及起重机类产品的实际要求，需要选用齿式棘轮机构作为铸造式起重机中的防逆装置，保证两台减速器的同步运行。

2 棘轮棘爪装置在铸造起重机减速器中的应用

根据国家有关规定，铸造式起重机主起升机构应有两套驱动系统，当其中一套系统因发生故障无法工作时，另一套驱动系统必须保证在额定起重量下，完成工作。因此，两套驱动系统必须进行刚性联接，在驱动系统正常工作时，两个卷筒组必须同步。为了保证两个卷筒组的同步运动，必须在减速器中加入棘轮棘爪装置，消除两个输入电动机转速不同带来的影响。

■

铸造式起重机主起升机构布置图

棘轮棘爪装置在铸造式起重机主起升机构减速器中必须成对使用，才能在一台减速器发生故障时，另一台减速器能确保正常完成工作。其工作原理为，上升时，电动机带动高速轴转动，通过二轴齿轮传动传递给其上的棘轮棘爪装置，棘轮推动棘爪，棘爪推动三轴，三轴驱动输出轴，带动重物起升；下降时，由重物自重反带卷筒旋转，而输出轴带动三轴，三轴带动二轴、二轴上的棘爪推动棘轮旋转，直至传递到高速轴上，而这时候，电动机起反向制动的作用。

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棘轮棘爪减速器工作原理图

3 铸造式起重机主起升机构减速器中的棘轮棘爪装配

铸造式起重机主起升机构一般选用硬齿面或中硬齿面减速器，棘轮棘爪装置核心部件包括：棘毂、棘爪、顶簧、推杆、导向套等构件。棘毂采用镶嵌的方式，镶嵌在大齿轮的内部，棘毂材料选用ZG340-640，铸造、加工、热处理工艺必须严格按照规范要求进行。棘爪安装在棘毂上，弹簧、推杆、导向套按要求进行安装，安装精度必须达到设计要求。

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棘轮棘爪装配图

总之，棘轮棘爪装置对铸造式起重机主起升机构起到安全的作用，也起到同步的作用。在实际使用中，要对其按照设计要求进行检修。由于棘轮与棘毂是通过铜套安装在一起的，一旦棘轮安装尺寸发生变化，会加剧铜套磨损加速，润滑油中会残存大量的铜粉末，因此要注意观察、化验油液中铜元素的变化。在使用过程中，要注意检修弹簧、推杆，有问题时，要及时进行更换。由于铸造起重机工作级别最高、吊运的液态金属物最危险、工作条件最恶劣、工艺过程最严格，其结构和安全保障措施也很复杂，所以一定要对棘轮棘爪装置有较高的重视。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2008-4-1.

[2]郑君，李峰.大型铸造吊主减速机棘轮棘爪故障及对策[J].安徽冶金科技职业学院学报，2012（01）.

激光原理答案 篇4

为了使氦氖激光器的相干长度达到1KM，它的单色性应为多少？

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

根据相干时间和谱线宽度的关系

又因为，由以上各关系及数据可以得到如下形式：

单色性===

解答完毕。

如果激光器和微波激射器分别在10μｍ、500nm和输出1瓦连续功率，问每秒钟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

d，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：

每秒钟发射的光子数目为：N=n/dt,带入上式，得到：

根据题中给出的数据可知：

把三个数据带入，得到如下结果：，3

设一对激光能级为E1和E2（f1=f2），相应的频率为ν（波长为λ），能级上的粒子数密度分别为n2和n1，求

(a)当ν=3000兆赫兹，T=300K的时候，n2/n1=?

(b)当λ=1μm，T=300K的时候，n2/n1=?

(c)当λ=1μm，n2/n1=0.1时，温度T=？

解答:在热平衡下，能级的粒子数按波尔兹曼统计分布，即：

（统计权重）

其中为波尔兹曼常数，T为热力学温度。

(a)

(b)

(c)

在红宝石调Q激光器中，有可能将几乎全部离子激发到激光上能级并产生激光巨脉冲。设红宝石棒直径为1cm，长度为7.5cm，离子浓度为，巨脉冲宽度为10ns，求激光的最大能量输出和脉冲功率。

解答：红宝石调Q激光器在反转能级间可产生两个频率的受激跃迁，这两个跃迁几率分别是47%和53%，其中几率占53%的跃迁在竞争中可以形成694.3nm的激光，因此，我们可以把激发到高能级上的粒子数看成是整个激发到高能级的粒子数的一半（事实上红宝石激光器只有一半的激发粒子对激光有贡献）。

设红宝石棒长为L，直径为d，体积为V，总数为N，粒子的浓度为n，巨脉冲的时间宽度为，则离子总数为：

根据前面分析部分，只有N/2个粒子能发射激光，因此，整个发出的脉冲能量为：

脉冲功率是单位时间内输出的能量，即

解答完毕。

试证明，由于自发辐射，原子在能级的平均寿命为。

证明如下：根据自发辐射的定义可以知道，高能级上单位时间粒子数减少的量，等于低能级在单位时间内粒子数的增加。即：

---------------①

（其中等式左边表示单位时间内高能级上粒子数的变化，高能级粒子数随时间减少。右边的表示低能级上单位时间内接纳的从高能级上自发辐射下来的粒子数。）

再根据自发辐射跃迁几率公式：，把代入①式，得到：

对时间进行积分，得到：

（其中随时间变化，为开始时候的高能级具有的粒子数。）

按照能级寿命的定义，当时，定义能量减少到这个程度的时间为能级寿命，用字母表示。

因此，即：

证明完毕

某一分子的能级E4到三个较低能级E1

E2

和E3的自发跃迁几率分别为A43=5*107s-1,A42=1*107s-1,A41=3*107s-1，试求该分子E4能级的自发辐射寿命τ4。若τ1=5*10-7s，τ2=6*10-9s，τ3=1*10-8s，在对E4连续激发且达到稳态时，试求相应能级上的粒子数比值n1/n4,n2/n4和n3/n4，并说明这时候在哪两个能级间实现了集居数

解:

(1)由题意可知E4上的粒子向低能级自发跃迁几率A4为:

则该分子E4能级的自发辐射寿命：

结论:如果能级u发生跃迁的下能级不止1条,能级u向其中第i条自发跃迁的几率为Aui

则能级u的自发辐射寿命为:

(2)对E4连续激发并达到稳态,则有:，（上述三个等式的物理意义是：在只考虑高能级自发辐射和E1能级只与E4能级间有受激吸收过程，见图）

宏观上表现为各能级的粒子数没有变化

由题意可得:,则

同理：，进一步可求得:，由以上可知:在E2和E4;E3和E4;E2和E3能级间发生了粒子数反转.7

证明，当每个模式内的平均光子数（光子简并度）大于1时，辐射光中受激辐射占优势。

证明如下：按照普朗克黑体辐射公式，在热平衡条件下，能量平均分配到每一个可以存在的模上，即

（为频率为γ的模式内的平均光子数）

由上式可以得到：

又根据黑体辐射公式：

根据爱因斯坦辐射系数之间的关系式和受激辐射跃迁几率公式，则可以推导出以下公式：

如果模内的平均光子数（）大于1，即，则受激辐射跃迁几率大于自发辐射跃迁几率，即辐射光中受激辐射占优势。证明完毕

一质地均匀的材料对光的吸收系数为，光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几？

如果一束光通过长度为1M地均匀激励的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。

解答：设进入材料前的光强为，经过距离后的光强为，根据损耗系数的定义，可以得到：

则出射光强与入射光强的百分比为：

根据小信号增益系数的概念：，在小信号增益的情况下，上式可通过积分得到

解答完毕。

《激光原理》习题解答第二章习题解答

试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限次，而且两次往返即自行闭合.证明如下：（共焦腔的定义——两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔。共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔。公共焦点在腔内的共

焦腔是实共焦腔，反之是虚共焦腔。两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔。）

根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明。

设两个凹镜的曲率半径分别是和，腔长为，根据对称共焦腔特点可知：

因此，一次往返转换矩阵为

把条件带入到转换矩阵T，得到：

共轴球面腔的稳定判别式子

如果或者，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中，因此可以断定是介稳腔（临界腔），下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔。

经过两个往返的转换矩阵式，坐标转换公式为：

其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。

试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。

解答如下：共轴球面腔的，如果满足，则腔是稳定腔，反之为非稳腔,两者之间存在临界腔，临界腔是否是稳定腔，要具体分析。

下面我们就根据以上的内容来分别求稳定条件。

对于平凹共轴球面腔，()

所以，如果，则是稳定腔。因为和均大于零，所以不等式的后半部分一定成立，因此，只要满足，就能满足稳定腔的条件，因此，就是平凹腔的稳定条件。

类似的分析可以知道，凸凹腔的稳定条件是：,且。

双凹腔的稳定条件是：，（第一种情况），且（第二种情况）

（对称双凹腔）

求解完毕。

激光腔的谐振腔由一曲率半径为1M的凸和曲率半径为2M的凹面镜构成，工作物质长度为0.5M，其折射率为1.52，求腔长在什么范围内谐振腔是稳定的。

解答如下：设腔长为，腔的光学长度为，已知，，，根据，代入已知的凸凹镜的曲率半径，得到：

因为含有工作物质，已经不是无源腔，因此，这里L应该是光程的大小（或者说是利用光线在均匀介质里传播矩阵）。

即，代入上式，得到：

要达到稳定腔的条件，必须是，按照这个条件，得到腔的几何长度为：，单位是米。解答完毕。

有一方形孔径共焦腔氦氖激光器，腔长L=30CM，方形孔径边长为d=2a=0.12CM，λ=632.8nm，镜的反射率为r1=1，r2=0.96，其他损耗以每程0.003估计。此激光器能否做单模运转？如果想在共焦镜面附近加一个方形小孔光阑来选择TEM00模，小孔的边长应为多大？试根据图2.5.5作一大略的估计。氦氖激光器增益由公式估算，其中的l是放电管长度。

分析：如果其他损耗包括了衍射损耗，则只考虑反射损耗及其他损耗的和是否小于激光器的增益系数，增益大于损耗，则可产生激光振荡。

如果其他损耗不包括衍射损耗，并且菲涅尔数小于一，则还要考虑衍射损耗，衍射损耗的大小可以根据书中的公式δ00=10.9*10-4.94N来确定，其中的N是菲涅尔数。

解答：根据，可以知道单程增益g0L=ln(1+0.0003L/d)=0.0723

由于反射不完全引起的损耗可以用公式2.1.24或者2.1.25来衡量

根据2.1.24得到：

δr≈-0.5lnr1r2=0.0204

根据题意，总的损耗为反射损+其他损耗，因此单程总损耗系数为

δ=0.0204+0.0003

如果考虑到衍射损耗，则还要根据菲涅尔数来确定衍射损系数：

此方形共焦腔氦氖激光器的菲涅尔数为：N=a2/(Lλ)=7.6，菲涅尔数大于一很多倍，因此可以不考虑衍射损耗的影响。

通过以上分析可以断定，此谐振腔可以产生激光振荡。又根据氦氖激光器的多普勒展宽达到1.6GHZ，而纵模及横模间隔根据计算可知很小，在一个大的展宽范围内可以后很多具有不同模式的光波振荡，因此不采取技术措施不可能得到基模振荡。

为了得到基模振荡，可以在腔内加入光阑，达到基模振荡的作用。在腔镜上，基模光斑半径为：

因此，可以在镜面上放置边长为2ω0s的光阑。

解答完毕。

试求出方形镜共焦腔面上模的节线位置，这些节线是等距分布吗？

解答如下：

方形镜共焦腔自再现模满足的积分方程式为

经过博伊德—戈登变换，在通过厄密-高斯近似，可以用厄密-高斯函数表示镜面上场的函数

使就可以求出节线的位置。由上式得到：，这些节线是等距的。解答完毕。

求圆形镜共焦腔和模在镜面上光斑的节线位置。

解答如下：圆形镜共焦腔场函数在拉盖尔—高斯近似下，可以写成如下的形式

（这个场对应于，两个三角函数因子可以任意选择，但是当m为零时，只能选余弦，否则整个式子将为零）

对于：

并且，代入上式，得到，我们取余弦项，根据题中所要求的结果，我们取，就能求出镜面上节线的位置。既

对于，可以做类似的分析。，代入上式并使光波场为零，得到

显然，只要即满足上式

最后镜面上节线圆的半径分别为：

解答完毕。

今有一球面腔，两个曲率半径分别是R1=1.5M，R2=-1M，L=80CM，试证明该腔是稳定腔，求出它的等价共焦腔的参数，在图中画出等价共焦腔的具体位置。

解：共轴球面腔稳定判别的公式是，这个公式具有普适性（教材36页中间文字部分），对于简单共轴球面腔，可以利用上边式子的变换形式判断稳定性，其中。

题中，在稳定腔的判别范围内，所以是稳定腔。

任意一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价，一个一般稳定球面腔唯一对应一个共焦腔，他们的行波场是相同的。

等价共焦腔的参数包括：以等价共焦腔的腔中心为坐标原点，从坐标原点到一般稳定球面两个腔镜面的坐标和，再加上它的共焦腔的镜面焦距，这三个参数就能完全确定等价共焦腔。

根据公式（激光原理p66-2.8.4）得到：

因此

等价共焦腔示意图略。

某二氧化碳激光器采用平-凹腔，L=50CM，R=2M，2a=1CM，波长λ=10.6μm，试计算镜面上的光斑半径、束腰半径及两个镜面上的损耗。

解：此二氧化碳激光器是稳定腔，其中平面镜的曲率半径可以看作是无穷大。

根据公式（激光原理p67-2.8.6或2.8.7）得到：

其中第一个腰斑半径对应平面镜。上式中是这个平凹腔的等价共焦腔镜面上的腰斑半径，并且根据一般稳定球面腔与等价共焦腔的性质，他们具有同一个束腰。

根据共焦腔束腰光斑半径与镜面上光斑半径的关系可知：

作为稳定腔，损耗主要是衍射损，衍射损耗与镜面上的菲涅尔数有关，在损耗不大的情况下，是倒数关系。

即：

根据公式（激光原理p69-2.8.18或2.8.19）分别求出两个镜面的菲涅尔数

根据衍射损耗定义，可以分别求出：，10

证明在所有菲涅尔数相同而曲率半径R不同的对称稳定球面腔中，共焦腔的衍射损耗最低。这里L表示腔长，a是镜面的半径。

证明：

在对称共焦腔中，11

今有一平面镜和一个曲率半径为R=1M的凹面镜，问：应该如何构成一个平—凹稳定腔以获得最小的基模远场发散角，画出光束发散角与腔长的关系。

解答：

我们知道，远场发散角不仅和模式（频率）有关，还和腔的结构有关。根据公式2.6.14得到：，如果平面镜和凹面镜构成的谐振腔所对应的等价共焦腔焦距最大，则可以获得最小的基模光束发散角。

代入发散角公式，就得到最小发散角为：

发散角与腔长的关系式：

某二氧化碳激光器材永平凹腔，凹面镜的R=2M，腔长L=1M，试给出它所产生的高斯光束的束腰腰斑半径的大小和位置，该高斯光束的焦参数和基模发散角。

解答：

某高斯光束束腰光斑半径为1.14MM，波长λ=10.6μM。求与束腰相距30厘米、100厘米、1000米远处的光斑半径及相应的曲率半径。

解答：根据公式（激光原理p71-2.9.4,2.9.6）

把不同距离的数据代入，得到：，曲率半径

与不同距离对应的曲率半径为：，15

若已知某高斯光束的束腰半径为0.3毫米，波长为632.8纳米。求束腰处的q参数值，与束腰距离30厘米处的q参数值，与束腰相距无限远处的q值。

解答：

束腰处的q参数值实际上就是书中的公交参量（激光原理p73-2.9.12）：

根据公式（激光原理p75-2.10.8），可以得到30厘米和无穷远处的q参数值分别为

无穷远处的参数值为无穷大。

某高斯光束束腰半径为1.2毫米，波长为10.6微米。现在用焦距F=2cm的锗透镜聚焦，当束腰与透镜距离分别为10米，1米，10厘米和0时，求焦斑大小和位置，并分析结果。

解答：

根据公式（激光原理p78-2.10.17和2.10.18）

当束腰与透镜距离10米时

同理可得到：

解答完毕

二氧化碳激光器输出波长为10.6微米的激光，束腰半径为3毫米，用一个焦距为2厘米的凸透镜聚焦，求欲得到焦斑半径为20微米及2.5微米时，透镜应该放在什么位置。

解答：根据公式（激光原理p78-2.10.18）

上式中束腰到透镜的距离l就是我们要求的参数，其他各个参数都为已知，代入题中给出的数据，并对上式进行变换，得到

当焦斑等于20微米时，（透镜距束腰的距离）

当焦斑等于2.5微米时，此提要验证

如图2.2所示，入射光波厂为10.6微米，求及。

解答：经过第一个透镜后的焦斑参数为：

经过第二个透镜后的焦参数为：

解方程可以求出题中所求。

某高斯光束束腰腰斑半径为1.2毫米，波长为10.6微米。现在用一个望远镜将其准直。主镜用曲率半径为1米的镀金反射镜，口径为20厘米；副镜为一个焦距为2.5厘米，口径为1.5厘米的锗透镜；高斯光束束腰与透镜相距1米，如图所示。求该望远镜系统对高斯光束的准直倍率。

解答：

根据公式（激光原理p84-2.11.19），其中，为望远镜主镜与副镜的焦距比。题中的反射镜，相当于透镜，且曲率半径的一半就是透镜的焦距。

已知：，，，（经过验证，光斑在第一个透镜表面形成的光斑半径小于透镜镜面尺寸，衍射效应很小，因此可以用准直倍率公式）

代入准直倍率公式得到：

解答完毕。

激光器的谐振腔有两个相同的凹面镜组成，它出射波长为λ的基模高斯光束，今给定功率计，卷尺以及半径为a的小孔光阑，试叙述测量该高斯光束焦参数f的实验原理及步骤。

设计如下：

首先明确焦参数的构成元素为腰斑半径，波长λ及参数，根据提供的数据，激光器的波长为已知，我们不可能直接测量腔内的腰斑半径（因为是对称腔，束腰在腔内），只能通过技术手段测量发射出来的光波场的腰斑半径，然后利用这里的z是由激光器腔中心到光功率计的距离，用卷尺可以测量。光功率计放置在紧贴小孔光阑的后面，沿着光场横向移动，测量出。把测量的和z代入公式，可以求出焦参数。

设计完毕（以上只是在理论上的分析，实际中的测量要复杂得多，实验室测量中会用透镜扩束及平面镜反射出射光，增加距离进而增加测量精度）

二氧化碳激光谐振腔由两个凹面镜构成，两个镜面的曲率半径分别是1米和两米，光腔长度为0.5米。

问：如何选择高斯光束腰斑的大小和位置，才能使它构成该谐振腔的自再现光束。

解答：

高斯光束的自再现条件是（激光原理p84-2.12.1及2.12.2）：

根据公式（激光原理p78-2.10.17及2.10.18）

经过曲率半径为1米的反射镜后，为了保证自再现条件成立，腔内的束腰半径应该与经过反射镜的高斯光束的束腰相同，因此得到：

同理，经过第二个反射镜面也可以得到：

根据以上三个式子可以求出，，解答完毕。

（1）用焦距为F的薄透镜对波长为λ、束腰半径为的高斯光束进行变换，并使变换后的高斯光束的束腰半径（此称为高斯光束的聚焦），在和两种情况下，如何选择薄透镜到该高斯光束束腰的距离？（2）在聚焦过程中，如果薄透镜到高斯光束束腰的距离不变，如何选择透镜的焦距F？

解答：

（1）

根据可知，即

通过运算可得到：

或者（舍去）

（2）

参考《激光原理》p81-2.一定时，随焦距变化的情况。

试用自变换公式的定义式（激光原理p84-2.12.2），利用q参数来推导出自变换条件式

证明：

设高斯光束腰斑的q参数为，腰斑到透镜的距离为，透镜前表面和后表面的q参数分别为、，经过透镜后的焦斑处q参数用表示，焦斑到透镜的距离是=，透镜的焦距为F。

根据q参数变换，可以求出前表面、后表面、及焦斑处的q参数，分别是：

透镜前表面：

透镜后表面：

焦斑的位置：

把经过变换的代入到焦斑位置的q参数公式，并根据自再现的条件，得到：

由此可以推导出

证明完毕。

试证明在一般稳定腔中，其高斯模在腔镜面处的两个等相位面的曲率半径必分别等于各镜面的曲率半径。

证明

设一般稳定腔的曲率半径分别是、，腔长为，坐标取在这个稳定腔的等价共焦腔中心上，并且坐标原点到镜面的距离分别是和，等价共焦腔的焦距为。

根据

试从式和导出，其中的，并证明对双凸腔

解答：略

试计算，，的虚共焦腔的和.若想保持不变并从凹面镜端单端输出，应如何选择？反之，若想保持不变并从凸面镜输出，如何选择？在这两种情况下，和各为多大？

解答：

虚共焦腔的特点：激光原理p91,96

激光原理p97-2.1511,2.15.12

根据，同理：

单端输出：如果要从虚共焦非稳定腔的凸面镜单端输出平面波，并使腔内振荡光束全部通过激活物质，则凹面镜和凸透镜的选区要满足：，其中的a分别代表（按角标顺序）工作物质的半径、凹面镜半径、凸面镜半径

实施意义上的单面输出（从凸面镜端输出）：按照图（激光原理p96-图2.15.2a）为了保证从凸面镜到凹面镜不发生能量损失，则根据图要满足：

因为凸面镜的尺寸不变，所以在曲率半径给定的条件下，凹面镜的半径应该为：

从凹面镜端输出，只要保证有虚焦点发出的光到达凹面镜后的反射光（平行光）正好在凸面镜的限度范围内，则可保证从凹面镜单端输出。

因此，此时只要满足即可，因此

这两种情况下的单程和往返损耗略。

解答完毕。

第三章习题

1．试由式（3.3.5）导出式（3.3.7）,说明波导模的传输损耗与哪些因素有关。在其他条件不变时，若波导半径增大一倍，损耗将如何变化？若减小到原来的，损耗又将如何变化？在什么条件下才能获得低的传输损耗？

解：由及可得：

波导模的传输损耗与波导横向尺寸,波长，波导材料的折射率实部以及不同波导模对应得不同值有关。

（a）波导半径增大一倍，损耗减为原来的。

（b）波长减小到原来的一半，损耗减为原来的。

获得低的传输损耗应增大波导横向尺寸，选择折射率实部小的介质材料和小的波导模。

2.试证明，当为实数时，若，最低损耗模为模，而当时，为模，并证明模的损耗永远比模低。

证明：

(3.3.8)

对于以上三种不同模，参看书中表3.1，对于同一种模式，越小，损耗越小，因此以下考虑，模之间谁最小（中最小）题中设为实数，显然，所以,只需考虑与:

当时，小

当时，小

3.在波长时，试求在内径为的波导管中模和模的损耗和，分别以，以及来表示损耗的大小。当通过长的这种波导时，模的振幅和强度各衰减了多少（以百分数表示）？

解：由。

当时，4.试计算用于波长的矩形波导的值，以及表示，波导由制成，，计算由制成的同样的波导的值，计算中取。

解：

:

:。

5.某二氧化碳激光器用作波导管，管内径，取，管长10cm,两端对称地各放一面平面镜作腔镜。试问：为了模能产生振荡，反射镜与波导口距离最大不得超过多少？计算中激活介质增益系数。

解：，时，而平面反射镜所产生的耦合损耗为：，其中。

为使模能产生振荡则要求，得：，即反射镜与波导口距离不得超过1.66cm.第四章

静止氖原子的谱线中心波长为632.8纳米，设氖原子分别以0.1C、O.4C、O.8C的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少？

解答：

根据公式（激光原理P136）

由以上两个式子联立可得：

代入不同速度，分别得到表观中心波长为：，解答完毕（验证过）

设有一台麦克尔逊干涉仪，其光源波长为，试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L时，接收屏上的干涉光强周期性的变化次。

证明：

对于迈氏干涉仪的两个臂对应两个光路，其中一个光路上的镜是不变的，因此在这个光路中不存在多普勒效应，另一个光路的镜是以速度移动，存在多普勒效应。在经过两个光路返回到半透镜后，这两路光分别保持本来频率和多普勒效应后的频率被观察者观察到（从半透境到观察者两个频率都不变），观察者感受的是光强的变化，光强和振幅有关。以上是分析内容，具体解答如下：

无多普勒效应的光场：

产生多普勒效应光场：

在产生多普勒效应的光路中，光从半透经到动镜产生一次多普勒效应，从动镜回到半透镜又产生一次多普勒效应（是在第一次多普勒效应的基础上）

第一次多普勒效应：

第二次多普勒效应：

在观察者处：

观察者感受到的光强：

显然，光强是以频率为频率周期变化的。

因此，在移动的范围内，光强变化的次数为：

证明完毕。（验证过）

在激光出现以前，Kr86低气压放电灯是最好的单色光源。如果忽略自然加宽和碰撞加宽，试估计在77K温度下它的605.7纳米谱线的相干长度是多少？并与一个单色性Δλ/λ=10-8的He-Ne激光器比较。

解：根据相干长度的定义可知。其中分母中的是谱线加宽项。从气体物质的加宽类型看，因为忽略自然和碰撞加宽，所以加宽因素只剩下多普勒加宽的影响。

根据P138页的公式4.3.26可知，多普勒加宽：

因此，相干长度为：

根据题中给出的氦氖激光器单色性及氦氖激光器的波长632.8纳米，可根据下述公式得到氦氖激光器的相干长度：

可见，即使以前最好的单色光源，与现在的激光光源相比，相干长度相差2个数量级。说明激光的相干性很好。

估算CO2气体在300K下的多普勒线宽ΔνD，若碰撞线宽系数α=49MHZ/Pa，讨论在什么气压范围内从非均匀加宽过渡到均匀加宽。

解：根据P138页的公式4.3.26可知，多普勒加宽：

因为均匀加宽过渡到非均匀加宽，就是的过程，据此得到：，得出

结论：气压P为1.08×103Pa时,是非均匀加宽与均匀加宽的过渡阈值，.当气压远远大于1.08×103Pa的情况下,加宽主要表现为均匀加宽。

（验证过）

氦氖激光器有下列三种跃迁，即3S2-2P4的632.8纳米，2S2-2P4的1.1523微米和3S2-3P4的3.39微米的跃迁。求400K时他们的多普勒线宽，并对结果进行分析。

解：根据P138页的公式4.3.26，可分别求出不同跃迁的谱线加宽情况。

3S2-2P4的632.8纳米的多普勒加宽：

2S2-2P4的1.1523微米的多普勒加宽：

3S2-3P4的3.39微米的多普勒加宽：

由以上各个跃迁的多普勒线宽可见，按照结题结果顺序，线宽是顺次减少，由于题中线宽是用频率进行描述，因此频率线宽越大，则单色性越好。

（验证过）

考虑二能级工作系统，若E2能级的自发辐射寿命为τS，无辐射跃迁寿命为τnr。假设t=0时激光上能级E2的粒子数密度为n2(0)，工作物质的体积为V，发射频率为ν，求：

（1）自发辐射功率随时间的变化规律。（2）E2能级的原子在其衰减过程中发出的自发辐射光子数。（3）自发辐射光子数与初始时刻E2能级上的粒子数之比η2。

解：

（1）根据P11相关内容，考虑到E2的能级寿命不仅仅是自发辐射寿命，还包括无辐射跃迁寿命，因此，E2能级的粒子数变化规律修正为：，其中的τ与τS、τnr的关系为，为E2能级的寿命。

在时刻t，E2能级由于自发和无辐射跃迁而到达下能级的总粒子数为：

由于自发辐射跃迁而跃迁到激光下能级的粒子数为，因此由于自发辐射而发射的功率随时间的变化规律可以写成如下形式：

（2）由上式可知，在t-t+dt时间内，E2能级自发辐射的光子数为：

则在0-∞的时间内，E2能级自发辐射的光子总数为：

（3）自发辐射光子数与初始时刻能级上的粒子数之比为:

此题有待确认

根据激光原理4.4节所列红宝石的跃迁几率数据，估算抽运几率等于多少时红宝石对波长694.3纳米的光透是明的（对红宝石，激光上、下能级的统计权重为，且计算中可不考虑光的各种损耗）

解答：已知红宝石的，，分析如下：增益介质对某一频率的光透明，说明介质对外界光场的吸收和增益相等，或者吸收极其微弱，以至于对进入的光场强度不会产生损耗。对于本题中的红宝石激光器，透明的含义应该属于前者。

根据公式：

（激光原理P146-4.4.22）

由上边的第二项和第四项，可以得到：

--------------------------------------1

又因为小信号下（粒子数翻转刚刚达到阈值），因此，且

由此，方程组的第一个式子可以转变为：，代入1式，得到：

既然对入射光场是透明的，所以上式中激光能级发射和吸收相抵，即激光上能级的粒子数密度变化应该与光场无关，并且小信号时激光上能级的粒子数密度变化率为零，得到

最后得到：

解答完毕。（验证过）

短波长（真空紫外、软X射线）谱线的主要加宽是自然加宽。试证明峰值吸收截面为。

证明：根据P144页吸收截面公式4.4.14可知，在两个能级的统计权重f1=f2的条件下，在自然加宽的情况下，中心频率ν0处吸收截面可表示为：

-------------------------------------------------1

上式（P133页公式4.3.9）

又因为，把A21和ΔνN的表达式代入1式，得到：

证毕。（验证过）

已知红宝石的密度为3.98g/cm3，其中Cr2O3所占比例为0.05%（质量比），在波长为694.3nm附近的峰值吸收系数为0.4cm-1，试求其峰值吸收截面（T=300K）。

解：

分析：红宝石激光器的Cr3+是工作物质，因此，所求峰值吸收截面就是求Cr3+的吸收截面。

根据题中所给资料可知：

Cr2O3的质量密度为3.98g/cm3×0.05%=1.99×10-3g/cm3,摩尔质量为52×2+16×3=152g/mol

设Cr3+的粒子数密度为n，则n=2×（1.99×10-3

/152）×6.02×1023=1.576×1019/cm3

根据可知，根据n≈n1+n2，Δn=n1-n2,且，其中，可知E2能级粒子数密度接近于零，可求出Δn=n1=1.756×1019/cm3，代入到，可求出：

解答完毕。

略

在均匀加宽工作物质中，频率为ν1、强度为Iν1的强光增益系数为gH(ν1,Iν1),gH(ν1,Iν1)---

ν1关系曲线称为大信号增益曲线，试求大信号增益曲线的宽度ΔνH。

解：

大信号增益系数表达式为P153-4.5.17：

根据谱线宽度的定义：增益下降到增益最大值的一半时，所对应的频率宽度，叫做大信号增益线宽。

根据大信号增益曲线表达式可知，其中心频率处具有最大增益，即ν1=ν0时。在此条件下，增益最大值为：

根据，可求出当时满足增益线宽条件，因此，线宽位：

解答完毕。

有频率为ν1、ν2的两强光入射，试求在均匀加宽情况下：

(1)

频率为ν的弱光的增益系数。

(2)

频率为ν1的强光增益系数表达式。

(设频率为ν1和ν2的光在介质里的平均光强为Iν1、Iν2)

解：在腔内多模振荡条件下，P151-4.5.7应修正为：

根据P150-4.5.5可知，增益系数与反转粒子数成正比，即：

把修正后的反转粒子数表达式代入上式，得到：

因此，所求第一问“频率为ν的弱光的增益系数”为：

第二问“频率为ν1的强光增益系数表达式”为：

解答完毕。

激光上下能级的粒子数密度速率方程表达式为P147-4.4.28所示。

(1)

试证明在稳态情况下，在具有洛伦兹线型的均匀加宽介质中，反转粒子数表达式具有如下形式：，其中，Δn0是小信号反转粒子数密度。

(2)

写出中心频率处饱和光强Is的表达式。

(3)

证明时，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示。

解：1

稳态工作时,由激光上、下能级的粒子数密度速率方程

(4.4.28)可得:

----------------------------------------------

---------------------------------------------2

------------------------------------------------------------------3

其中，由(3)式和(2)式可得:

整理得:

将(4)代入(1)式:

整理得：

其中，Δn0是小信号反转粒子数密度。

(2)

当ν1=ν0时，(3)

高功率的激光系统中

当时，Δn和Is可由P152-4.5.13及P151-4.5.11表示

设有两束频率分别为和，光强为和的强光沿相同方向或者相反方向通过中心频率为的非均匀加宽增益介质。试分别划出两种情况下反转粒子数按速度分布曲线，并标出烧孔位置。

分析:

非均匀加宽的特点是增益曲线按频率分布，当有外界入射光以一定速度入射时，增益曲线对入射光频率敏感，且产生饱和效应的地方恰好是外界光场频率对应处，而其他地方则不会产生增益饱和现象。当然，产生增益饱和的频率两边一定频谱范围内也会产生饱和现象，但是与外界光场对应的频率出饱和现象最大最明显。

设外界光场以速度入射，作为增益介质，感受到的表观频率为：，当增益介质的固有频率时，产生激光（发生粒子数反转）

而发生粒子数翻转所对应的速度为：

正方向：

负方向：

一、当都是正方向入射时，两束光对应的速度分别为：

也就是说在反转粒子数按速度分布图上，在速度等于和处形成反转粒子数饱和效应。

根据公式（激光原理p156-4.6.7）

对于，孔的深度为：

对于，孔的深度为：

又因为线型函数以为对称形式，且两个入射光产生烧孔的位置也以为中心对称分布，因此，产生烧孔的两个对称位置处的小信号反转粒子数相等，即，因此，两个烧孔的深度相比，因为，所以两个孔的深度入射光强大的反转粒子数深度大。

即：

两孔深度比：

二、两束光相对进入增益介质

类似上面的分析可得到：，可见烧孔位置重合，烧一个孔

因为两个光强不同的外场同时作用于某一品率处而产生增益饱和（反转粒子数饱和），因此，次品率处的光强是两个光强的和，因此，烧孔深度为

解答完毕。

第五章

激光振荡特性

2．长度为10cm的红宝石棒置于长度为20cm的光谐振腔中，红宝石694.3nm谱线的自发辐射寿命，均匀加宽线宽为。光腔单程损耗。求

(1)阈值反转粒子数；

(2)当光泵激励产生反转粒子数时，有多少个纵模可以振荡？(红宝石折射率为1.76)

解：(1)

阈值反转粒子数为：

(2)

按照题意，若振荡带宽为，则应该有

由上式可以得到

相邻纵模频率间隔为

所以

所以有164~165个纵模可以起振。

3．在一理想的三能级系统如红宝石中，令泵浦激励几率在t=0瞬间达到一定值，[为长脉冲激励时的阈值泵浦激励几率]。经时间后系统达到反转状态并产生振荡。试求的函数关系，并画出归一化的示意关系曲线(令)。

解：根据速率方程(忽略受激跃迁)，可以知道在达到阈值之前，在t时刻上能级的粒子数密度与时间t的关系为

当时，即

由(1)可知，当时间t足够长的时候

由上式可知

由(2)式可得

所以

所以归一化的示意关系曲线为

4．脉冲掺钕钇屡石榴石激光器的两个反射镜透过率、分别为0和0.5。工作物质直径d=0.8cm，折射率=1.836，总量子效率为1，荧光线宽，自发辐射寿命。假设光泵吸收带的平均波长。试估算此激光器所需吸收的阈值泵浦能量。

解：

5．测出半导体激光器的一个解理端面不镀膜与镀全反射膜时的阈值电流分分别为J1与J2。试由此计算激光器的分布损耗系数(解理面的反射率)。

解：不镀膜的时候，激光器端面的反射率即为r，镀了全发射膜之后的反射率为R=1，设激光器的长度为l，则有

由这两式可以解得

即得到了激光器的分布损耗系数。

7．如图5.1所示环形激光器中顺时针模式及逆时针模的频率为，输出光强为及。

(1)如果环形激光器中充以单一氖同位素气体，其中心频率为，试画出及时的增益曲线及反转粒子数密度的轴向速度分布曲线。

(2)当时激光器可输出两束稳定的光，而当时出现一束光变强，另一束光熄灭的现象，试解释其原因。

(3)环形激光器中充以适当比例的及的混合气体，当时，并无上述一束光变强，另一束光变弱的现象，试说明其原因(图5.2为、及混合气体的增益曲线)，、及分别为、及混合气体增益曲线的中心频率。

图5.1

图5.2

(4)为了使混合气体的增益曲线对称，两种氖同位素中哪一种应多一些。

解：(1)

时

时

(2)

时，及分别使用不同速度的反转原子，使用速度为的高能级原子，使用速度为的高能级原子，这样和不会彼此的争夺高能级原子，所以激光器可以输出两束稳定的激光。的时候，和均使用速度为0的高能级原子，两个模式剧烈竞争，竞争的结果是一束光变强，另一束光熄灭。

(3)

使用的原子以及的原子。使用的原子以及的原子，因此两个模式使用不同高能级原子，没有了模式竞争效应，因此两个模式均可以稳定的存在，没有了上面所说的一束光变强，另一束光熄灭的现象。

(4)

要是混合气体的增益曲线对称，必须使得和的增益曲线高度相等，即要满足：

而

欲使得，应使

因此，应该多一些。

8．考虑氦氖激光器的632.8nm跃迁，其上能级3S2的寿命，下能级2P4的寿命，设管内气压p=266Pa：

(1)计算T=300K时的多普勒线宽；

(2)计算均匀线宽及；

(3)当腔内光强为(1)接近0；(2)10W/cm2时谐振腔需多长才能使烧孔重叠。

(计算所需参数可查阅附录一)

解：(1)

T=300K时的多普勒线宽为

(2)

均匀线宽包括自然线宽和碰撞线宽两部分，其中

所以

(3)

设腔内光强为I，则激光器烧孔重叠的条件为

取进行计算。

当腔内光强接近0的时候

当腔内光强为的时候

9．某单模632.8nm氦氖激光器，腔长10cm，而反射镜的反射率分别为100%及98%，腔内损耗可忽略不计，稳态功率输出是0.5mW，输出光束直径为0.5mm(粗略地将输出光束看成横向均匀分布的)。试求腔内光子数，并假设反转原子数在t0时刻突然从0增加到阈值的1.1倍，试粗略估算腔内光子数自1噪声光子/腔模增至计算所得之稳态腔内光子数须经多长时间。

解：稳态时的功率输出可以表示为

稳态时的光子数为

下面来计算所需要的时间：

根据题意有，则

所以

因为，所以，所以有

10．腔内均匀加宽增益介质具有最佳增益系数gm及饱和光强ISG，同时腔内存在一均匀加宽吸收介质，其最大吸收系数为，饱和光腔为。假设二介质中心频率均为，，试问：

(1)此激光能否起振？

(2)如果瞬时输入一足够强的频率为的光信号，此激光能否起振？写出其起振条件；讨论在何种情况下能获得稳态振荡，并写出稳态振荡时腔内光强。

解：(1)

若增益介质和吸收介质的线宽分别为和，若，则在任何频率下，均小于，因此不能起振。如果（如下图所示），则当时不能振荡，当或者才能振荡。

(2)

若入射光强为，则增益介质的增益系数为

吸收介质的吸收系数为

假设增益介质的长度跟吸收介质的长度相等，则当满足的时候激光器起振，所以激光器起振的条件为

即

当两个介质的参量满足(2)式，入射光强满足(1)式的时候，激光器就可以起振，腔内光强不断增加，当腔内光强增加到

时去掉入射信号，此时可得稳定光强

11．低增益均匀加宽单模激光器中，输出镜最佳透射率Tm及阈值透射率Tt可由实验测出，试求往返净损耗及中心频率小信号增益系数(假设振荡频率)。

解：输出光强

阈值时有：

时，由(1)、(2)式可得：

12．有一氪灯激励的连续掺钕钇铝石榴石激光器(如图5.3所示)。由实验测出氪灯输入电功率的阈值为2.2kW，斜效率(P为激光器输出功率，为氪灯输入电功率)。掺钕钇铝石榴石棒内损耗系数。试求：

(1)

为10kW时激光器的输出功率；

图5.3

(2)

反射镜1换成平面镜时的斜效率(更换反射镜引起的衍射损耗变化忽略不计；假设激光器振荡于TEM00模)；

(3)

图5.3所示激光器中换成0.1时的斜效率和=10kW时的输出功率。

解：均匀加宽连续激光器输出功率可以表示为

(1)为10kW时激光器的输出功率为：

(2)

图5.3所示的激光器

反射镜1换成平面镜之后

斜效率应为

(3)

图5.3所示激光器的单程损耗为

反射镜1的透过率改成之后，单程损耗变为

阈值泵浦功率为

液压拉伸器工作原理以及特点 篇5

1.1工作原理

液压拉伸器的工作原理是利用液压油缸直接对螺栓施加外力，使被施加力的螺栓在其弹性变形范围内被拉长，螺栓发生微量变形，从而使螺母易于松动。

液压拉伸器安装在螺栓中轴线的位置，用于对螺栓进行轴向拉伸，实现螺栓需要的拉伸量，而正是螺栓的这种拉伸量决定了螺栓紧固所需的预紧力。螺栓受到拉伸时，螺母会与设备接触面脱离开来，液压拉伸器下端有一个开口，供操作人员人工转动螺母，通常螺母的转动是通过一根金属拨棍来拨动六角螺母外的一个拨圈来实现的（或直接拨动圆螺母）。卸掉液压拉伸器中的油压后，螺母和接触面紧贴，从而将螺栓的轴向形变锁住，也就是将剩余的螺栓载荷锁在螺母里。对螺栓施加的载荷与液压缸中的油压成正比关系，这样的设计能够非常精确地留住有效载荷。由于载荷直接施加在螺栓上，且所有作用力都用于螺栓拉长，因此载荷产生所需的空间可以达到最小。

1.2特点

液压拉伸器是一种先进的螺栓预紧和拆卸工具：①拉伸方式不受螺栓润滑效果和螺纹摩擦大小的影响，可以得到更为精确的螺栓载荷；②可对多个螺栓进行同步拉伸，使整圈螺栓受力均匀，得到均衡的载荷；③由于采用最先进的超高压技术，可以在很小的空间内完成螺栓的拆装；④拉伸方式对螺栓进行紧固得到的剩余载荷和有效载荷要比力矩方式更大；⑤大大增加了螺栓连接质量和安全性能；⑥不损坏设备、螺栓及螺母。

1.3使用

如果设计使用位置是四个螺栓需要拉伸，如能四个同步拉伸最好，次之对称拉伸，用液压拉伸器紧固螺栓需依次有序进行，详见产品操作规程。(参见《拉伸器使用动画》)

拉伸方式更适用于紧固精度要求较高的设备接合应用，它能使设备受力均匀地实现接合，真正地防止松动和泄漏，有效避免事故的发生。在使用中根据螺栓的型号及数量，可以单个使用也可以成组使用（串联和并联），多个拉伸器并联使用，不仅效率高，还可以保证多个螺栓承受的预紧力大小基本相等。

1.4选型

激光切割应用以及原理 篇6

随着我国“全面小康”建设步伐的加快，人们的生活水平有了很大的提高，但与此同时，社会人口的流动性大大增加了，社会结构和社会治安都日趋复杂，因此，人们对家庭生命财产的安全越来越重视。传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫系统在实际使用中暴露了很多隐患，国家下达了《关于在住宅小区禁止安装防盗网的建议》中指出，防盗网带来了很多问题，例如市容的美观，火灾以后的逃生以及为犯罪分子提供翻越条件等等，所以家庭安防必须有新的系统新的方法，能够提供相应的解决方法。依据国家2008年统计，中国富有阶层正在形成，该部分家庭户均年收入6万元以上，人口约4460万人，1000多万户，占城市人口的10％，总人口的3.5％，占全社会消费购买力总和5万亿元的20％左右。

由于国内红外线等技术的缺乏和不成熟，使得用红外线来引得居家安全的方案破产，现在市场上又出现了用钢丝绳和铝型材组成的智能隐形防盗网，其产品技术国内已经达到了一个相当高的水平，装上该产品不但不会阻碍人的视野而且，可以防止小孩坠落，防止像花盆掉下来砸伤人，其市场前景不容忽视。

隐形安全防护网，是一种安装于窗户、阳台等处，为居家生活及办公提供防护、防盗、防坠物等安全保障的新型建筑安防产品，它集安全、美观、实用等诸多优点于一身，是家居安防的最新产品。

防护网钢丝5公分的标准间距、单根钢丝110千克以上的拉力承受能力，决定了防护、防坠物是其最基本功能。选择使用居易居宜隐形防护网，您再也无须因您的宝宝活泼好动而提心吊胆，再也无须为阳台上悬挂衣物的丢失、为花盆及其它物品的坠落伤人而担忧，再也无须忍受传统“钢筋铁网”带给您的斑斑锈迹。

由一根1.8至2.3毫米粗的不锈钢丝拉紧缠绕于窗户外端固定的型材之间，钢丝间距固定为7.5CM，钢丝可以承受85-130KG以上的拉力，可以保证盗贼无法扯断，由于钢丝之间有7.5CM间距，使得人无法从缝隙中钻入，因此可有效起到防贼作用。该产品特别设计了钢丝剪断报警功能，当盗贼型断钢丝后与钢丝连接的智能报警器就会发出报警警号，报警同时以两种方式进行，首先是声音报警，警报时会发出120分贝的尖锐鸣叫，可以有效吓退盗贼，同时，报警主机会自动启动拨号报警功能，可连续拨打自己预先设置好的7组号码，（如物业保安、自己的手机、办公室电话等）。接通后会播放业主事先录制好的报警内容。这样，通过该防护系统，可使得居室安全做到万无一失！本功能设计另一个目的是为符合消防局要求，当房屋内发生火灾时，可以自己剪断钢丝，迅速由窗户逃生。

隐形防护网优点。

1、有效杜绝盗窃，防止小孩意外坠楼。

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4、可连接高智能防盗系统，防盗系数更高。

5、系统施工，组装迅速，安装方便，可自行拆卸。

宿迁新视野安防科技有限公司 隐形防护网的原理以及与优势介绍！

激光切割应用以及原理 篇7

自动导引小车 (AGV) 是一种具有光学或电磁特性的自动导引装置, 具有停车选择、小车编程、安全保护等功能, 也是现代物流系统中的重要组成部分。AGV在工业应用中的动力源为可充电蓄电池, 一般通过电脑控制其运行路线和行为, 或者设置电磁轨道规范其运行路线, AGV根据电磁轨道提供的信息进行相应动作。和其他移动机器人相比, AGV具有工作效率高、可控性强等优势。和物流运输中的其他设备相比, AGV不需要在活动范围内设置支架等固定装置, 并且不受空间、场地的限制。AGV在自动化物流运输系统中的应用, 由于其具备自动化、可控性高等特征, 能够实现灵活、高效的无人生产模式[1]。AGV的动力源为电池, 导引方式有电磁导引、直接坐标导引、激光导引和图像识别导引等, 激光导引是其主要导引方式, 可以实现非接触导引并根据实际需求更换移载机构, 以完成不同的操作任务。激光导引AGV系统由地面控制系统、车载控制系统和导航系统三部分组成, 不同项目对系统的需求存在差异, 也让系统变得更加复杂。

1 激光导引AGV系统的工作原理与特点

1.1 激光导引的原理

激光导引是AGV系统中比较常见的导引方式, 也是AGV发展过程中十分重要的一项技术[2]。除了卫星定位系统外, 激光导引也是唯一不用地面处理的导引方式。激光导引AGV系统主要由AGV激光扫描器和AGV反射板两部分组成[3]。首先在AGV设备中安装可以接受和发射激光的扫描器, 然后将AGV反射板安装在导引区的四周, 之后精确测量每块发射板的坐标位置, 在AGV系统的存储器中存储每块反射板的信息, 根据存储数据进行导引计算。激光导引系统中的指定区域应该设置一定数量的反射板, 保证在AGV的工作区域内探测出所有反射信息。

AGV进入导引区域后首先应该确定其准确方位, 这里就涉及到初始位置计算。初始位置计算时小车必须停止不动, 保证激光扫描仪测得的光束大于四条, 并且知道各反射板的准确位置。激光导引的连续位置计算一般是根据小车的当前运行速度、转向角和间隔时间等, 估算小车下一时刻的位置。激光扫描器按照固定转速旋转的角度为360度, 脉冲激光器将激光发射到发射板上后, 经发射板反射后被激光扫描仪探测到, 将这些信息传输给AGV系统中的计算机系统, 计算机对信息进行分析处理, 准确计算出AGV的位置和运动方向, 然后和车载控制系统中预先设置的参数进行对比校正, 达到引导AGV运行的目的。

激光导引AGV设备的工作区域分为通信区和非通信区两种。在通信区内, AGV设备通过其车载通信装置和计算机控制系统了解其准确位置和状态, 并且根据工作指令动作。在非通信区内, AGV设备根据设备中预先设定的程序运行, 不受计算机系统的控制。

1.2 激光导引AGV系统的特点

(1) 具备先进性。激光扫描器的定位精度比较高, 一般误差不大于±5mm;在设备运行布局方面, 计算机系统的可控性更高, 并且可以和小车持续通信;具备无线反馈功能, 不受外界干扰, 具有强大的内部编程系统支持。 (2) 适应性强。设备在现有基础上的安装能够和生产同步;设备扩充和停产几乎不影响生产;系统的运行路线更复杂, 不依赖地板表面, 可以快速改变运行方向;结构简单, 反射板是唯一的定位装置。 (3) 经济实用。不需要在地下埋线, 不需要高功率的放大器设备, 反射板的体积小、成本低, 数量不多并且安装方便。

2 激光导引AGV系统的应用方法

2.1 确定AGV的操作方式与数量

AGV系统在应用过程中首先必须确定操作方式和数量。可以根据系统的具体情况以及用户需求选择操作方式, 常用的操作方式有叉车式、牵引式等。如果遇到特殊情况, 一个系统可以运用几种不同的操作方式[4]。AGV的数量一般根据系统的运输能力, 运用仿真计算的方式确定。

2.2 AGV安全防护的选用

AGV中除了需要安装声光报警系统外, 还应该安装一些障碍探测器, 便于车辆在运行路径中探测障碍物。常用的探测方式有超声波探测、光电探测和激光扫描探测等。激光扫描探测具有更大的优势, 但成本较高, 光电探测简单实用, 但探测效果不佳, 因此工作人员应该根据具体情况合理选用。

2.3 AGV通信方式的选择

激光导引AGV系统中的通信方式一般为无线数字通信, 通信频率根据相关规定选择, 每台AGV设备和系统轮流循环通信。无线数字设备的通信速度决定了轮流循环通信的速度, 但也限制了同一频率下AGV的数量。

2.4 AGV中反射板的设置和路径规划

AGV中反射板的设置, 应该根据设备行驶区域的具体情况进行安装, 安装数量遵循安全、准确的原则。反射板设置过少不利于安全导引, 设置过多也会影响导引的精度[5]。AGV的路径规划属于基础性的工作, 通常和系统的总体方案一起确定, 在规划过程中应该结合AGV的数量、操作方式等信息, 以及运行场所的具体情况, 尽量保障AGV的运行路径畅通。

2.5 AGV的车辆调度和任务管理

AGV系统一般根据计算机设置的任务量、小车的位置等进行车辆调度, 以此优化车辆分配。AGV的优化计算是连续的, 如果某台AGV被选择后没有分配任务, 在其运行期间可以选择优化后的AGV完成相应任务。如果AGV执行的任务较多, 计算机会将任务命令储存起来, 等到有空闲AGV再按顺序分配任务。

3 结束语

激光导引AGV系统是将多种高新技术结合在一起的输送系统, 具有智能化、自动化和柔性化的优势, 能够实现灵活、高效的无人生产模式。相信随着社会生产自动化水平的不断提高, 激光导引AGV系统在物流系统中必将发挥更大的作用。

参考文献

[1]杨文华, 王勇, 张智勇.激光导引AGV系统结构及其控制[J].起重运输机械, 2010 (12) .

[2]陈顺平, 梅德庆, 陈子辰.激光导引AGV的自动引导系统设计[J].工程设计学报, 2012 (05) .

[3]张香圃.射频IC卡在视觉导引AGV运动控制中的应用[J].新技术新工艺, 2011 (09) .

[4]刘洋.关于激光导引AGV小车激光定位算法的探讨[J].物流技术与应用, 2010 (11) .

激光切割应用以及原理 篇8

关键词：汽车空调系统；工作原理；结构；性能分析

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0019-02

汽车作为现代生活的必需品，已成为人们日常活动中不可缺少的工具，社会经济的发展和生产力的不断提高，也不断对汽车工业的发展提出了新的要求。与此同时，空调系统的增加带给使用者更为舒适环境的同时，也相应提高了汽车的消耗，对汽车的能源耗损方面提出了新的要求，所以汽车空调系统的性能优化问题也有待解决。以上问题的解决，离不开对汽车空调系统工作原理和具体结构的解析，本文以此为基础，对汽车的空调系统做出简要分析。

1 汽车空调的工作原理

汽车空调系统的工作原理与普通的空调系统大相径庭，普通的空调系统都是通过制冷剂从液态到气态的转化吸收大量的热来制冷，汽车空调没有气态到液态来制热的过程，只是通过发动机冷却液的温度制热。而汽车空调系统的具体运行方式是针对非独立汽车空调来说，通过皮带将发动机及压缩机连接给空调系统提供基本动力，然后压缩机将制冷剂产生的制冷气体进行压缩，将气压和温度都相对较低的制冷气体转化成气压和温度都相对较高的气体，再通入冷凝系统经过降温冷却就变成了压力较高温度一般的冷凝剂。所得的液体还要经过进一步加工，通过贮液干燥器处理，降低液体的湿度并进一步缓冲，将压力调整到适合的范围，再将所得液体通入膨胀阀门时一定要注意控制稳定的压力和一定的流量，通过膨胀阀降低压力和调整流量，最后得到的液体会流向蒸发器。温度和压力都相对降低的液体在蒸汽器受到环境的影响会迅速蒸发，吸收了大量的热量。由于汽车内部空间的气体不断地经过蒸发器，在这个过程不断发生的条件下，车内温度也就不断降低，从而达到降温的效果。而后，制冷剂在液态情况下不断通过蒸发器变成了低压低温的气体，得到的气体再进入压缩机进行压缩进入下一循环，在此过程不断地循环反复，完成制冷工作。

2 汽车空调系统的组成和结构分析

汽车空调系统的简要结构如图1所示。

通过图1可以看出汽车的空调系统的组成主要是由膨胀阀、蒸发器、冷凝器、干燥瓶、压缩机、压力开关或压力传感器、管路组成。整个汽车空调系统又可以分为低压管道回路和高压管道回路两个部分，前者是由蒸发器和回气管路组成；而高压管道回路则是由高压管道、冷凝器、贮液干燥器等部分组成，每个部分都有自己的运作方式，具体划分取决于其运行过程中产生的气压问题。

每个系统在整个运作过程中又相对独立存在，共同完成整个工作进程。当然，不同的系统运转有自己的特点，下面进行具体分析：

①冷凝器：冷凝器是具有大量的金属叶片的一组弯曲的管道，结构形式主要有管片式、管带式和鳍片式三种，从管片式向管带式发展，并主要向平行流动式发展，其结构原理如图2所示，为了在气体通过时更好与叶片接触，从而更好地完成冷凝过程。层叠式和平行流动式的内部结构又在不断发展，以利于进一步提高换热效率和减轻重量，平行流动式冷凝器从单元平行流动式发展成多元平行流动式。由于采取减薄管片厚度、增加管子内肋片、翅片开切口、改变翅片形状及开口角度等措施，加大了翅片散热面积，强化了气侧和液侧的热交换效率，更好地完成物质之间的热量传递和交换。安装位置为车头的水箱处，因为车头水箱位置相对凉快且通风较好，方便气体的冷凝。

②蒸发器：在压缩机的作用下，液态制冷剂通过膨胀阀的节流控制作用，制冷剂雾化并进入（低压）蒸发器如图3所示，制冷剂在蒸发器盘管内沸腾汽化。由液态蒸发成气态的制冷剂温度降低，从而使蒸发器盘管、吸热片温度降低。穿过蒸发器的空气把车室的热量传给蒸发器较冷的表面，因此冷却了车室内的空气。随着车室内热量由空气传给蒸发器，空气中的水蒸气（含湿量）凝结在蒸发器的外面，并成为液态水被排掉。蒸发器罩底部排水管把水导出车外。空气脱湿是空调系统为乘客提供舒适的附加特性，蒸发器通常设在控制盘或仪表板的下面。

③压缩机：压缩机对于整个系统来说相当于心脏作用，它是整个系统的关键所在也是动力所在。压缩机有两个重要功能：一是使系统内产生低压条件；二是把气态制冷剂从低压压缩至高压，并使其温度提高，这两种功能同时完成。压缩机维持制冷剂在制冷系统中的循环，吸入来自蒸发器的低温、低压气态制冷剂，压缩气态制冷剂，使其压力和温度升高，并将压缩后的制冷剂送进冷凝器。压缩机是制冷系统中低压和高压、低温和高温的转换装置，压缩机正常工作是实现热交换的必要条件。

④干燥瓶：干燥瓶就是在制冷系统中临时性地存储制冷剂的部件，它会根据制冷负荷的需要，随时供给蒸发器，并对系统中的水分和杂质进行干燥和过滤，即存储制冷剂，过滤杂质和吸收湿气。主要由储液器、干燥剂、过滤器、观察窗和安全装置等几部分构成，如图4所示。其中储液罐主要用于储存和供应制冷系统内的液体制冷剂，以便工况变动时能补偿和调节液体制冷剂的盈亏；滤网主要用于过滤清除掉杂物和污物，保证制冷剂顺利流通；干燥剂用来吸收制冷剂中的水分；易熔塞是一种安全措施，一般装在储液干燥器的头部，用螺塞拧入。

⑤膨胀阀：汽车空调系统的膨胀阀为内均衡式设计。如图5所示，冷冻剂作为高压液体进入入口和滤网中，冷冻剂必须通过计量口，由其控制流动。由于冷冻剂通过计量口，它由高压液体转为低压液体，或者由高的一面至低的一面。

⑥功能元件泡，通过一小管与膜片连接，小管内充满氟利昂冷冻气体，以管夹同装于蒸发器尼管之处：该热泡受罐管温度影响，若尾管加温，则泡内气体开始膨胀并向面板的膜片施加压力，该面板以销子接于阀座，所以，膨胀后即将阀座推离计量口而促成冷冻剂的流量增加、若尾管温度下降，则热泡内的压力也随之降低，从而使阀按照蒸发器需要而控制冷冻剂的流量。靠近阀的地方装有调整弹簧，该弹簧是过热的，其目的在于防止蒸发器的过量液体冲击，因此，弹簧按照膨胀阀门开和闭合时所测定的因素来校准其张力；阀在启开和闭合时，过热弹簧张力即根据需要加速或延迟阀的操作。

3 结 语

随着经济和生产力不断提高，人们对汽车业的发展也不断地提出新要求，汽车发展也不断面临着新的挑战。提高汽车的舒适度也是现代汽车工业所不断追求的，而汽车的空调系统则是提高汽车舒适度一个必不可少的系统；优秀的空调系统在提高舒适度的同时，也会相应的减少能耗和提高汽车的行驶质量。由此可见，汽车空调系统发展研究的重要性，对于汽车空调系统的研究需要建立在对其工作原理和结构掌握的基础上，同时更深入的探讨和创新，也是必不可少的。

参考文献：

[1] 温文涌.汽车空调过滤器性能测试方法的研究[D].天津：天津大学，2008.

[2] 姜明秀.汽车空调过滤器在不同热湿环境下的过滤性能研究[D].天津：天津大学，2009.

[3] 武青虎.汽车空调控制器装配检测线及其信息管理系统设计[D].武汉：华中科技大学，2007.

[4] 杨蓉霞.汽车空调动态负荷的计算研究及实验验证[D].兰州：兰州理工大学，2007.