激光的原理

固体

Nd:YAG

YAG（ 钇、铝、石榴石）

基本波长（1064 nm）

• 主要用于通用刻印

二倍频 （532 nm）（绿激光）

• 用于在硅片等材料上刻印

  细微印字、加工时使用

三倍频（355 nm）（UV 激光）

• 用于 LCD 印字、修复加工、VIA 过孔加工等超细微加工

  液晶修复加工…去除树脂涂层进行修复的工序

  VIA 过孔加工…印刷电路板的孔加工

YAG 激光（Nd：YAG）

YAG 激光通用于各种刻印应用，例如在塑料盒金属工件上刻印，以及机械加工应用。YAG 激光发射的不可见近红外光束波长为 1064 nm。
YAG 是具有晶体结构的钇铝石榴石固体。 加入发光元素后，此处为Nd（钕），YAG 晶体在吸收激光二极管发出的光线后会进入受激状态。

Nd:YVO₄ (1064 nm)

YVO₄ （钒酸钇）

• 用于极小文字刻印打标

  用高 Q-开关的频率获得高峰值能量

  能量转换效率佳

YVO₄ 激光（Nd：YVO₄）

YVO₄ 激光可用于超细刻印和机械加工应用。YVO₄ 激光发射的不可见近红外光束波长为 1064 nm，和 YAG 激光一样。
YVO₄ 是具有晶体结构的 Y（钇）V（钒）O4（氧化物），或 YVO₄（钒酸钇）固体。 加入发光元素后，此处为Nd（钕），YAG 晶体在吸收激光二极管发出的光线后会进入受激状态。

Yb：光纤 (1090 nm)

Yb（钇）

• 用于高输出刻印

  增幅媒介的表面面积非常大，可轻易实现高输出

  冷却效率高，可以简化冷却设备，实现小型化

LD（ 650 至 905 nm）

• 半导体激光（GaAs、GaAlAs、GaInAs）

气体

CO₂ (10.6μm)

• 用于加工设备、刻印、激光手术

CO₂ 激光

CO₂ 激光主要用于机械加工和刻印应用。
CO₂ 激光发射的不可见红外光束波长为 10.6 μm。 N2 氮气可用来增加 CO₂ 的能级，氦气可用于稳定 CO₂ 的能级。

He-Ne 激光（630 nm）
一般为（红色）

• 用于测量器（形状测量等）

  用于市场上常见的激光测量器（因为输出功率低故用于形状测量等）

准分子激光（193 nm）

• 用于半导体漏光设备和眼科医疗

  可以通过混合非活性气体和卤素气体，以比较简单的构造产生激光

  深紫外线激光（DUV）吸收率非常高

  （在眼科医疗中通过使水晶体蒸发，将焦点对准视网膜从而校正视力）

氩激光（488 至 514 nm）

• 用于物理学和化学用途

  能够生成各种颜色，主要在与生物相关的研究所中使用

液体

Dye（330 至 1300 nm）

 

• 用于物理学和化学用途

  通过激光使受激的色素发出荧光

波长: 10600 nm

CO₂ 激光的波长比YAG、YVO₄ 或光纤激光的波长长十倍。这是在被广泛应用的工业激光中波长最长的。顾名思义，是用 CO₂ 气体作为激光介质激发而产生。

10600nm 波长区域激光的典型特性

• 不被金属所吸收
• 会由于长波长传热而导致对象物体融化或燃烧。
• 可加工玻璃和 PET 等透明物体。
• CO₂ 激光相对于基本波长的激光很难实现树脂的颜色反差印刷。

波长：1064 nm

IR 是 Infrared Ray（红外线）的缩写，其波长是激光加工中用途广泛的波长。顾名思义，IR 是红色以外的区域的光谱，(也就是说)，IR 的波长大于780 nm 并且无法用肉眼看到。但不等于 IR 就是 1064 nm.

1064 nm 波长区域激光的一般特性

• 加工应用范围广泛——从树脂到金属
• 无法加工透明物体，例如玻璃，因为激光容易穿过这些物体。
• 很容易使树脂变色

波长: 532 nm

二倍频（SHG）激光的波长是标准波长（1064 nm）的一半。 532 nm 位于可见光谱内，呈绿色。波长的产生过程是，发射 1064 nm 波长的光，通过非线性晶体，使波长减少一半。YVO₄ 介质常被使用的原因，是因为其光束特性适合进行复杂，精细的加工。

532 nm 波长激光的典型特性

• 能被各种材质所吸收，包括反射率很高的金，铜也可以轻易的加工。
• 由于拥有比IR激光更小的射束点，因此可进行精细加工。
• 一般不能加工透明物体。

波长: 355 nm

三倍频（THG）激光的波长是基本波长 1064 nm 的三分之一，位于光的紫外线（UV）区域。使用 YVO₄ 或YAG 激光器产生基本波长，然后通过非线性晶体的转换，波长减少至 532 nm，再经过第二个非线性晶体，将波长降至 355 nm。

355 nm 波长激光的典型特性

• 大多数材料都对其都具有极高的吸收率，且不会发生过多热量。
• 非常小的射束点使超精细加工成为可能。
• 其高吸收率会影响到光学晶体，它比其他波长的激光需要消耗更多的维护成本和消耗品。

激光振荡原理

此处解释了激光受到振荡之前的原理。

1. 吸收

外部光线进入时，原子内的电子吸收光后从最低的能量状态（基态）进入高能状态。 随着能量增加，电子从正常轨道转移到外层轨道。 这种能量增加的状态叫做”受激“。

原子状态

电子的状态

2. 自然发射

受激的电子，在所吸收能量的作用下，能级上升。 经过一定的弛张期后，能级上升的电子想要稳定下来，所以释放能量以回到较低的能量状态。 此时，能量以含有相同能量的光的形式被释放。这种现象叫做”自然发射“。

原子状态

电子的状态

3. 受激发射

如下图所示，高能状态下存在的电子，在所持能量以相同能量的光发射时，发射的光具有完全相同的能量，相位和运动方向。换言之，发射时的一个光子变成了两个光子。 这种现象称为”受激发射“。 受激发射产生的光具有相同的能量，相位和运动方向。 因此，利用受激发射产生的大量光线在以上三个元素设定一致时能产生强烈的光线。激光就是利用受激发射现象通过放大入射光而产生的。因此，他具有特性（1）单色性（所有光能相等），（2）相干性（相同相位）和（3）高方向性（相同的运动方向）。

原子状态

电子的状态

4. 粒子数反转状态

要利用自然发射振荡激光束，就必须将高能状态的电子增加到对低能量状态电子具有压倒性优势的密度。 这种现象称为”粒子数反转状态“。换言之，当自然发射光的量超过吸收光时，就能首次有效地产生激光束。

粒子数反转状态中的电子

• ＝高能态中电子较多
• ＝低能态中电子较少

5. 激光振荡

在粒子数反转状态中，当一个电子自然发光时，该光线会使不同的电子自然发光。
这样产生的连锁反应会增加光量并产生强光束。 这就是激光振荡的工作原理。

粒子数反转状态中的电子

为了实现粒子数反转，通常需要使用泵浦和特定的工作物质。

泵浦是一种使用光将原子从基态升高到激发态（通常是亚稳态）的过程。泵浦的光源应当满足两个基本条件：

1.有很高的发光功率

2.作为泵浦源的辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配。

 

 

以红宝石激光器为例，其激励光源是螺旋形脉冲氙灯，工作物质是红宝石棒。氙灯在绿色和蓝色光谱段有较强光输出，正好能与红宝石的吸收光谱对应起来，最终使红宝石棒产生大量激发态（亚稳态）的原子，实现粒子数反转。而作为工作物质的红宝石则需要制作成圆柱形棒状体，两个端面平行并镀银，使之一端成为100%的全反射面，另一端成为90%的部分反射面（可看做光学谐振腔）。

大部分的激光器都是由泵浦源、工作物质和光学谐振腔构成的。光学谐振腔通常由相隔一定距离的两块反射镜组成（一块为全反射面、

一块为部分反射面），这样做可以令入射光源在谐振腔内来回振荡，尽可能多地接触工作物质，使工作物内原子受激辐射的概率增大。

最终，一束方向性强、亮度高、单色性和相干性好的激光将会从部分反射镜另一端射出。

激光振荡管元件

激光振荡管的三个元件

各种激光振荡管都由以下三个元件组成：

1. 激光介质
2. 受激源
3. 扩大器

1. 激光介质
2. 受激源
3. 扩大器