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摘 要

激光器本身具有很大的应用前景，激光器各组成部分的材料选用也在不断地变换，其中半导体激光器以其效率高、体积小、质量轻、价格低等优点受到人们的广泛关注。随着半导体激光器的发展，激光表面改性技术也有很大提高。激光表面改性技术能改变低等级材料表面的性质，实现低成本与工作表面高性能的有效结合，为解决生工业生产等方面的诸多问题提供了条件，对一些工件的材质、设计、制造等方面产生了重大影响，甚至可能导致某些设计和生产工艺的根本性变革。本文从激光形成机理及激光表面改性技术的应用原理方面出发，论述了激光表面改性技术的特点和激光表面改性技术的运用领域及发展前景。

关键词:半导体激光器，表面改性，激光表面改性技术，工作原理，表面改性技术的应用

Abstract：Laser can find important applications in a wide range of areas, and materials that compose of laser are in constant change. Semiconductor laser, with its high efficiency, small volume, light mass, low price, has received extensive attention. With the development of semiconductor laser, laser surface modification technology has been greatly improved. Laser surface modification technology can change the nature of the material surface, and realize effective combination of low cost and high performance work surface, and provides the conditions for solving the problems in aspects of industrial production. It also has significant influence in material, design, manufacturing of some of the workpiece, and may even lead to some radical change in design and production process. Starting from the principle of laser and surface modification technology, this article discusses the features of laser surface modification technology and introduces the application fields and development prospect of this technology.

Keywords: semiconductor laser, surface modification, laser surface modification technology, working principle, application of surface modification technology

目 录

1 绪论 4

2 半导体激光表面改性的研究状况 4

2.1 国外半导体激光表面改性的研究现状 4

2.2 国内半导体激光表面改性的研究现状 5

3 半导体激光表面改性技术的研究 5

3.1 半导体激光器的构成与工作原理 5

3.2 激光表面改性技术在材料加工中的特点 8

3.3 激光表面改性技术的应用及相应工作原理 8

3.3.1 激光相变硬化 8

3.3.2 激光熔覆 10

3.3.3 激光熔凝 11

3.3.4 激光表面合金化 12

3.3.5 激光表面非晶化 13

4 激光器表面改性技术的发展前景 14

结 论 15

参 考 文 献 16

致 谢 17

1 绪论

激光器是20世纪人类最重要的发明，它改变了人们的生产方式，给我们的生活带来深远的影响。激光具有方向性好、亮度高、相干性好的特点^[1]。激光在各个领域都有广泛的应用，现已推广到现代工业、医学、农业等。其中，激光表面改性技术的应用受到广泛的关注，它是结合现代物理学、化学、计算机、材料科学等多方面先进领域的研究成果的高新技术，并利用激光的诸多特点，对材料表面进行处理，从而改变材料表面的原有特性，在材料表面获得符合某种需要的表面层，以达到某种特定的目的。激光表面改性技术是运用高质量的激光束来改变廉价基材表面的性能，以最高的效率、最小的能耗、最少的材耗来得到高硬度、高耐磨性的材料，既节省了成本，充分利用了资源，又不会产生污染，保护了环境。

激光表面改性技术包含激光表面相变硬化、激光熔覆、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种方式。激光相变硬化、激光熔覆在现在生活中应用广泛，在该领域也是目前发展最为快速的两项技术。激光表面相变硬化与传统的技术相比有了质的飞跃，淬硬层组织细化、硬度高、变形小、淬硬层深精确可控、无须淬火介质等是该相变硬化独特的优势所在，能对碳钢、合金钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等所需要加工的材料进行优化处理；激光熔覆在耐磨、抗氧化等方面有了显著的提高和改善，在应用中也发挥了极大的作用。在喷涂、电镀和气相沉积方面激光熔覆优势相对明显，有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好等特点。

2 半导体激光表面改性的研究状况

2.1 国外半导体激光表面改性的研究现状

随着时代的发展，激光表面改性技术也越来越受到更多人的而关注，越来越多的国家将其作为本国的重点研究项目，不少国际知名实验室也对半导体激光表面改性技术展开了研究，例如德国的Faunhofer激光技术研究所，芬兰的激光应用实验室等，此外像韩国和日本这些国家的某些高等院校也开始了这方面的研究。迄今，大功率半导体的研究生产还未完善，即便在商用方面，大功率半导体发展处在前列的也只限于欧美地区，商用激光器包括直接半导体激光器和光纤耦合激光器，而直接半导体激光器的发展比较靠前。

在这个庞大的研究队伍中，有不少人取得举世瞩目的研究成果，其中美国的TeraDiode公司的研制成果最为突出。该公司研制的产品光速可达3.75mm-mrad，这种低参数特别适合工业生产领域，例如切割、焊接等方面。在各国研究当中，在高功率蓝色半导体激光器的研制方面，日本走在前列，半导体激光应用于大齿轮生产的研究是由芬兰完成的，上述的案例就是半导体激光在工业中的应用。

2.2 国内半导体激光表面改性的研究现状

在二十世纪末人们开始了对表面改性进行研究，经过短短十几年的研究，成果显著。我国相比于其他国家而言，在对激光器的研究起步比较迟，但在发展中，进步很迅速。目前我国关于半导体激光表面改性的研究重点在激光熔覆技术上^[2]，华南理工大学的杨永强博士在德国夫琅禾费研究所完成了关于大功率半导体激光熔覆高速钢的实验；北京工业大学的王智勇教授成功研制出了高光束质量的大功率半导体激光器。我国大功率半导体激光装备系统的应用领域也不够广泛，主要应用于激光切割、激光点焊等，在激光相变硬化领域还处于基础研究阶段，但其发展趋势良好。

大功率半导体激光器除了在工业生产生活中的应用外，在军事与国防上也有很大应用，并对其产生了相当大的影响。对于国外而言，他们起步相对比较早，同时保存着大量的研究成果，对于后起步的中国，其他国家对自己的研究成果是保密的，因此，这导致我国没有学习的机会，只有自主研究，目前为止，这项技术仅仅保留在少数国家。半导体激光表面改性技术应用领域广泛，对工业、钢铁、航天、军事的都有很大影响，尤其是在工业上的应用，大大提高了生产效率，促进了经济发展，同时也加速了自身的发展速度。

3 半导体激光表面改性技术的研究

3.1 半导体激光器的构成与工作原理

激光与普通光源不同，他是靠介质内的受激辐射向外发出大量的光子而形成的，受激辐射产生的光子与外来光子性质完全相同，使入射光得到放大。而利用这种原理制成的光源称为受激辐射的光放大器，简称激光器^[1]。入射光在介质中传播时，介质中处于低能级上的粒子会吸收光子而跃迁至高能级，导致在介质中传播的光子数减少；介质中还有部分处于高能级的粒子，因受激辐射而跃迁至低能级，释放出具有与入射光一样性质的光子，使介质中的光子数增加。所以，受激辐射必须在大于吸收时才能产生激光。受激辐射过程如图3.1所示：

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