激光的原理及激光器分類

1、激光器的原理及分類一、基礎(chǔ)原理 量子理論認(rèn)為，所有物質(zhì)都是由各種微觀”粒子”組成,如分子,原子,質(zhì)子,中子,電子等。在微觀世界里,各種粒子都有其固有的能級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個(gè)粒子從高能級(jí)掉到低能級(jí)時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，它要把兩個(gè)能級(jí)相差部分的能量釋放出來，通常這個(gè)能量以光和熱兩種形式釋放出來。2、 自發(fā)輻射、受激輻射 1、自發(fā)輻射普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個(gè)“受激吸收”過程。但是處在高能級(jí)（E2)的電子壽命很短（一般為108109秒），在沒有外界

2、作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量=E2-E1。過程各自獨(dú)立、互補(bǔ)關(guān)聯(lián)，所有輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)律的射向四面八方，并且頻率不同、偏振狀態(tài)和相位不同。2、受激輻射在原子中也存在這樣一些特定高能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這個(gè)高能級(jí)之上，卻由于不滿足躍遷的條件，發(fā)生躍遷的幾率很低，電子能夠在高能級(jí)上的時(shí)間很長(zhǎng)，就所謂的亞穩(wěn)定狀態(tài)。但在能在外界光場(chǎng)的照射下發(fā)生往下躍遷，并且向下躍遷時(shí)釋放出一個(gè)與射入光場(chǎng)相同的光子，在同一個(gè)方向、有同一個(gè)波長(zhǎng)。這就是受激輻射，激光正是利用這一原理激發(fā)出來。2、 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 通過受激輻射出來的光子，不僅可以引起其他粒子受激輻射，

3、也可以引起受激吸收。只有在處于高能級(jí)的原子數(shù)量大于處于低能級(jí)原子數(shù)時(shí)，所產(chǎn)生的受激輻射才能大于受激吸收。但是在自然條件下，原子都是都處于穩(wěn)定的基態(tài)，只能通過技術(shù)手段將大量的原子都調(diào)整到高能級(jí)的狀態(tài)，才能有多余的輻射向外產(chǎn)生。這個(gè)技術(shù)叫粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 3、 光放大過程通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，其中一個(gè)粒子首先在外界光場(chǎng)的照射刺激下，對(duì)外發(fā)出了一個(gè)光子，這個(gè)光子又刺激其他粒子再次對(duì)外發(fā)射光子，并且方向相同，波長(zhǎng)相同。但是這樣放大的光還不夠強(qiáng)?？茖W(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)偕振腔（兩片反射玻璃，一片100%反射、一片接近100%反射），通過反復(fù)反射，將光強(qiáng)度進(jìn)一步擴(kuò)大。四、激光器構(gòu)成1、 工作介質(zhì)。可以是氣體、液體、固

4、體、或者半導(dǎo)體。在這些介質(zhì)中存在亞穩(wěn)定狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得制造激光的必要條件。2、 激勵(lì)源。用于去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)量增加。有電激勵(lì)、光激勵(lì)、熱激勵(lì)。俗稱泵浦源。3、 諧振腔。用于放大光輻射，并調(diào)節(jié)激光波長(zhǎng)。五、激光的特點(diǎn)1、 方向直。激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個(gè)毫弧度立體角度，照射方向上的照度比普通光提高千萬倍。激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測(cè)距就是利用方向性好的特點(diǎn)。2、 亮度高。一臺(tái)大功率激光器輸出的亮度只有氫彈爆炸瞬間的閃光才能與之相比。由于亮度高度集中，容易在某一微小電出產(chǎn)生高壓和幾萬攝氏度甚至幾百萬攝氏度高溫。激光打孔、激光焊接、激光切割、激光外科手術(shù)都利用這一特

5、點(diǎn)。3、 單色性好。光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長(zhǎng)，普通光源發(fā)出的光通常包含各種波長(zhǎng)，激光的波長(zhǎng)只集中在十分狹窄的光譜范圍。為精密度儀器測(cè)量和激勵(lì)某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供極為有利的手段。4、 相干性好。用于全息投影技術(shù)六、主要技術(shù)參數(shù)1、激光輸出功率2、電光轉(zhuǎn)化率3、激光波長(zhǎng)4、激光發(fā)散角度 激光發(fā)散角度覺得了多大的能量被傳到給定的目標(biāo)。如果激光出口光斑太大，那么高速小鏡片的振晶就不能反射全部的激光束，造成激光功率受損。5、散熱溫控方式散熱問題直接關(guān)系到激光器使用壽命，甚至引起激光器的光學(xué)災(zāi)變，燒毀激光器設(shè)備。一般散熱方式有：風(fēng)冷+陶瓷片、TEC雙向熱能交換散熱風(fēng)扇、水冷循環(huán)機(jī)散熱。

6、6、光束模式七、激光器分類1、 氣體激光器利用氣體或蒸汽作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光，激勵(lì)方式以電激勵(lì)為主，也有光激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)或化學(xué)激勵(lì)。工作物質(zhì)主要利用二氧化碳以及各種稀有氣體。最為常見的是二氧化碳激光器。二氧化碳激光器：波長(zhǎng)為912um（典型波長(zhǎng)10.6um），光電轉(zhuǎn)化率在10-30%左右，但設(shè)備體積大，功率范圍大（幾瓦之幾萬瓦），既能連續(xù)又能脈沖等多優(yōu)點(diǎn)成為氣體激光器中用途最廣泛的一種激光器，主要用于材料加工，科學(xué)研究，檢測(cè)國防等方面。但二氧化碳的波長(zhǎng)不易被金屬吸收，功率浪費(fèi)較大，并且無法采用光纖耦合。體積龐大，不適于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)和與各種熔覆工裝配合使用。更換易損配件頻率高且價(jià)格昂貴。特別是二氧化

7、碳激光熱影響區(qū)高，被熔覆配件受熱變形率高，需要在熔覆過程中、熔覆后對(duì)熔覆配件進(jìn)行復(fù)雜的保溫處理。2、 固體（晶體）激光器 是脈沖輸出方式，熔覆時(shí)被熔覆基體熱影響極低，可以修復(fù)薄壁件、小件、高精度極易變形配件?？煞譃椋篘d-YAG晶體、Ce-Nd-YAG晶體、Yb-YAG晶體、Ho-YAG晶體、Er-YAG晶體。主流產(chǎn)品Nd-YAG（釔鋁石榴石晶體）激光器：波長(zhǎng)1064nm，光電轉(zhuǎn)化率接近3%，冷卻方式為水冷，維護(hù)費(fèi)用較高。連續(xù)激光器的最大輸出功率1000W，廣泛用于軍事、工業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)。3、 半導(dǎo)體激光器激勵(lì)方式為電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。目前市面上的商用輸出功率在2000W-60

8、00W之間，設(shè)備體積小，采用水冷、電光轉(zhuǎn)化率可達(dá)45%。輸出激光波長(zhǎng)808nm，976nm,1064nm等，應(yīng)用范圍包括激光熔覆、激光切割和激光焊接，目前最為主流的是光纖耦合半導(dǎo)體激光器。光纖耦合半導(dǎo)體激光器，優(yōu)勢(shì)在于：一、激光光束經(jīng)光纖傳導(dǎo)輸出，能完成小光斑聚焦輸出，進(jìn)而完成薄壁件，小件，高精度易變形配件的熔覆；二，半導(dǎo)體激光光束經(jīng)光纖傳到輸出，光斑功率密度分布均勻，激光熔覆熔池?zé)o夾渣，噴濺低，熔覆層細(xì)膩，無氣眼；三，光纖輸出半導(dǎo)體激光光纖傳播距離長(zhǎng)，光纖頭體積小，重量輕易與各種熔覆工裝、機(jī)械手配合使用；四、半導(dǎo)體激光經(jīng)光纖傳導(dǎo)輸出，解決了直接輸出半導(dǎo)體激光熔池光輻射對(duì)激光器造成損害的難題；五、光纖輸出半導(dǎo)體激光體積小，重量輕，操作簡(jiǎn)單，免維護(hù)。但設(shè)備價(jià)格昂貴。LASERLINE、DILAS、美國相干、美國LASEROPERATIONSLLC公司。4、 光纖激光器電光轉(zhuǎn)化率：20%以上冷卻方式：低功率風(fēng)冷 功率：商用設(shè)備功率可達(dá)6000W輸出激光波長(zhǎng)多光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種三維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍