激光先进制造技术与设备集成PDF电子书下载

第1章　激光先进制造技术基础 1

1.1　激光产生的机理 1

1.1.1　电磁辐射特性 1

1.1.2　激光产生的必要条件 3

1.2　激光束特性 6

1.2.1　激光波长 6

1.2.2　激光的相干性 7

1.2.3　激光束输出模式 9

1.2.4　激光束的形状与发散 10

1.2.5　激光束的亮度 13

1.2.6　激光束偏振 13

1.3　激光束的聚焦与传输特性 14

1.3.1　激光束聚焦 14

1.3.2　激光束聚焦深度（焦深） 16

1.3.3　像差 18

1.3.4　热透镜效应 19

1.3.5　激光束的准直与整形 19

1.3.6　激光束传输 24

1.3.7　激光束扫描系统 26

1.3.8　激光束的分束与合束 27

1.4　激光器光学元件与聚焦镜 29

1.4.1　激光器输出窗口和聚焦透镜材料 29

1.4.2　反射镜 30

1.5　激光束的光束质量 31

1.5.1　激光束的光束质量的评价标准 31

1.5.2　光束质量因子M2 32

1.5.3　光束参数乘积（BPP）评价方法 33

1.5.4　激光束光束质量因子M2的测量方法 34

1.6　材料的吸收和反射特性 36

1.6.1　材料的吸收特性 36

1.6.2　材料的反射特性 40

1.7　激光与固体材料的相互作用 41

1.7.1　激光束的加热过程 41

1.7.2　表面效应 41

1.7.3　内部效应 42

1.7.4　非线性效应 43

1.7.5　激光诱导等离子体 44

1.8　激光加工的热源模型 55

1.8.1　热物理常数 55

1.8.2　激光加工的热源模型 56

1.8.3　几种激光加工的热源模型 58

参考文献 66

第2章　激光器系统 68

2.1　固体激光器 68

2.1.1　固体激光器的基本结构 68

2.1.2　用于激光热加工的固体激光器 70

2.1.3　二极管泵浦固体激光器（DPSL） 71

2.1.4　掺钛蓝宝石飞秒激光器 73

2.2　气体激光器 74

2.2.1　CO2激光器 75

2.2.2　横流CO2激光器 78

2.2.3　轴向流动CO2激光器 80

2.2.4　扩散冷却CO2激光器 84

2.2.5　准分子激光器 85

2.3　高功率半导体激光器 87

2.3.1　半导体激光器的构成 88

2.3.2　半导体激光器的制备方法 89

2.4　光纤激光器 89

2.4.1　光纤激光器的基本结构 90

2.4.2　光纤激光器的特点 91

2.4.3　光纤激光器的种类 91

2.4.4　高功率光纤激光器（HPFL） 93

2.4.5　超快光纤激光器 94

2.5　用于激光热加工激光器的比较 94

2.5.1　CO2激光器与YAG激光器及准分子激光器的比较 94

2.5.2　常用CO2激光器、Nd:YAG激光器与其他激光器比较 95

参考文献 96

第3章　激光加工技术 98

3.1　激光打孔与激光切割 98

3.1.1　激光打孔 98

3.1.2　激光切割 105

3.1.3　激光打标与雕刻 116

3.1.4　激光毛化（刻花）技术 122

3.2　激光焊接 127

3.2.1　脉冲激光光斑焊接 127

3.2.2　激光缝焊 132

3.2.3　高功率激光深穿透焊接 134

3.2.4　几种焊接方式 145

3.2.5　几种典型激光焊接实例 157

3.2.6　几种典型零部件的激光焊接 170

3.2.7　塑料的激光焊接 177

3.3　激光表面热处理（表面改性） 185

3.3.1　激光表面相变硬化（表面淬火） 185

3.3.2　激光表面合金化与激光表面熔覆 192

3.3.3　激光表面非晶化与微晶 223

3.3.4　激光冲击强化 225

3.3.5　激光清洗和去除技术 242

参考文献 260

第4章　激光快速成型技术 266

4.1　激光快速成型工艺 266

4.1.1　分层制造（SFF）快速成型技术 267

4.1.2　激光直接成型技术 275

4.1.3　激光热成型 278

4.1.4　激光冲击成型 280

4.1.5　其他新的激光快速成型工艺及材料 284

4.2　激光快速成型制作零件（或模具）的典型实例 285

参考文献 286

第5章　激光烧结合成功能陶瓷材料技术 287

5.1　激光烧结合成陶瓷 287

5.1.1　激光烧结合成陶瓷方法与工艺 287

5.1.2　激光烧结陶瓷的显微结构特征 290

5.2　激光烧结合成陶瓷的应用 291

5.2.1　激光烧结合成新型钨酸铝陶瓷 291

5.2.2　激光烧结合成Ta2O5基陶瓷 295

5.2.3　激光合成SiC超细粉 299

5.2.4　激光熔凝快离子导体 300

参考文献 302

第6章　激光制膜技术 304

6.1　激光制膜原理与过程 304

6.1.1　激光等离子体法制膜的简单机制 304

6.1.2　激光制膜过程 304

6.1.3　激光辐射与靶材的相互作用 305

6.1.4　激光等离子体与基片的相互作用 307

6.2　影响激光制膜的因素 308

6.2.1　激光波长与运转方式 309

6.2.2　激光能量密度 309

6.2.3　激光脉冲频率 310

6.2.4　辅助气压 310

6.2.5　基片温度 310

6.3　激光制膜方法及工艺 311

6.3.1　激光物理气相沉积薄膜 311

6.3.2　激光化学气相沉积薄膜 312

6.3.3　双光束脉冲激光沉积功能梯度薄膜 313

6.4　脉冲激光制备薄膜技术实例 315

6.4.1　脉冲激光制备AIN薄膜 315

6.4.2　脉冲激光制备GaN薄膜 315

6.4.3 脉冲激光制备β-FeSi2薄膜 317

6.4.4　脉冲激光制备类金刚石薄膜 318

6.4.5　激光沉积制备高温超导薄膜 332

参考文献 344

第7章　短波长紫外激光微加工技术 348

7.1　准分子紫外激光与材料相互作用 348

7.1.1　准分子紫外激光加工特点 348

7.1.2　准分子紫外激光作用材料的光热过程 348

7.1.3　准分子激光作用材料的单光子吸收过程 350

7.1.4　准分子激光作用材料的流体动力学过程 350

7.2　准分子激光微加工技术 351

7.2.1　准分子激光打孔、准分子激光切割 351

7.2.2　准分子激光表面处理 354

7.3　准分子激光表面处理实例 355

7.3.1　结构钢和工具钢的准分子激光表面改性 355

7.3.2　球墨铸铁的准分子激光表面改性 356

7.3.3　准分子激光处理不锈钢 357

7.3.4　准分子激光处理铝合金 358

7.3.5　准分子激光处理镀锰钢板 358

7.4　镍基合金的准分子激光微加工 360

7.5　热轧Ti6A14V钛基合金的准分子激光微加工 361

7.6　准分子激光烧蚀（剥离）去除聚合材料 362

7.6.1　准分子激光剥离去除聚合材料的机理 363

7.6.2　准分子紫外激光烧蚀实验 371

7.7　准分子激光对聚合材料表面改性处理 374

7.7.1　聚合物的激光表面改性的原理 374

7.7.2　激光处理聚合物表面引起的性能变化 378

7.8　准分子激光的其他应用 380

7.8.1　准分子激光抛光 380

7.8.2　准分子激光制备薄膜 380

参考文献 381

第8章　飞秒激光微加工技术 384

8.1　飞秒激光加工特点及系统 384

8.1.1　飞秒激光加工特点 384

8.1.2　飞秒激光加工系统 386

8.2　飞秒激光与材料相互作用 387

8.2.1　飞秒激光烧蚀材料的物理过程 387

8.2.2 飞秒激光烧蚀材料过程的热烧蚀机制与非烧蚀热机制及其转换 390

8.3　飞秒激光的超微细加工 390

8.3.1　打孔 390

8.3.2　切割 393

8.3.3　直写微加工与制作技术 394

8.3.4　三维微制造技术 399

8.3.5　特殊材料的飞秒激光微细加工 403

8.4　飞秒激光用于光存储 412

8.5　制作医用微结构 413

8.6　飞秒激光制备纳米颗粒 413

8.7　飞秒激光制备功能薄膜 414

8.8　飞秒激光诱导光化学反应 417

参考文献 417

第9章　激光制备纳米材料技术 421

9.1　纳米技术的发展和应用 421

9.1.1　纳米概念的提出 421

9.1.2　纳米技术的应用前景 422

9.2　激光制备纳米材料与纳米器件 422

9.2.1　激光制备纳米粉末 422

9.2.2　激光制备纳米薄膜 430

参考文献 448

第10章　激光在工业中的应用 450

10.1　激光在微电子技术中的应用 450

10.1.1　激光切割半导体硅圆晶片 450

10.1.2　激光加工印制电路板 451

10.1.3　脉冲激光焊接集成电路引线 452

10.1.4　激光制造欧姆接触 453

10.1.5　脉冲激光密封焊接 453

10.1.6　精细线路制作技术 455

10.1.7　激光在半导体退火中的应用 456

10.1.8　激光微调 459

10.1.9　激光修补（修复）集成电路 461

10.1.10　激光光刻 462

10.2　激光在汽车工业中的应用 463

10.2.1　激光切割 463

10.2.2　激光焊接 464

10.2.3　激光表面改性 467

10.3　激光在其他方面的应用 472

10.3.1　激光在钢铁冶金行业中的应用 472

10.3.2　激光在航空航天工业中的应用 473

10.3.3　激光在石油化工行业中的应用 474

10.3.4　激光在船舶行业中的应用 475

10.3.5　激光在建筑行业中的应用 475

10.3.6　激光在纺织行业中的应用 476

参考文献 481

第11章　激光加工成套设备系统 483

11.1　激光加工成套设备的组成 483

11.1.1　用于激光加工的激光器 483

11.1.2　激光加工工作台 484

11.1.3　激光加工设备的激光传输与聚焦系统 484

11.1.4　激光加工设备的观察系统 485

11.2　激光加工成套设备 486

11.2.1　激光打孔机 486

11.2.2　激光切割机 488

11.2.3　激光打标、雕刻机 492

11.2.4 激光毛化（刻花）设备 493

11.2.5　激光焊接机 494

11.2.6　激光表面热处理设备 497

11.2.7　激光快速成型系统软件与设备 497

11.3　激光加工生产线中的检测与监控技术 498

11.3.1　激光切割过程的检测与监控 499

11.3.2　汽车传动轴激光焊接过程的实时检测 503

11.3.3　钢板激光拼焊过程的实时检测 509

参考文献 516