激光技术基础知识

　　激光
　　英文名LASER，其全称是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。
　　字面意思就是光受激辐射放大。
　　其为人工光源，具有与自然光不同的特性，可直线传播到很远，并且可聚集在较小范围等。激光与自然光的区别单色性
　　自然光包含从紫外线到红外线等多种波长的光。其波长不一。
　　自然光
　　激光为单一波长的光，其特性称之为单色性。单色性的优点在于可提高光学设计的灵活性。
　　激光
　　光的折射率因波长不同而产生变化。
　　自然光穿过镜头时，会因内含不同种类的波长，而产生扩散现象。这种现象称为色差。
　　而激光为单一波长的光，只会朝相同的方向折射。
　　例如，摄像头的镜头需要具备可校正因颜色导致的失真的设计，但激光仅需考虑该波长即可，因此光束可长距离传送，实现小光斑聚光的精密设计。
　　指向性
　　指向性是指声音或光线在空间内前进时不易扩散的程度，指向性较高则表示扩散小。
　　自然光包含朝各种方向扩散的光，为提高指向性，需要靠复杂的光学系统去除前进方向以外的光。
　　自然光
　　激光为指向性较高的光，让激光不扩散而直线前进，在光学设计上较为容易，可进行长距离传送等。
　　激光
　　相干性
　　相干性表示容易相互干扰的程度。如果将光考虑为波，波段越相近则相干性越高。
　　例如，水面上不同的波相互碰撞时，可能相互增强或相互抵消，与这一现象相同，越随机的波干扰程度越弱。
　　自然光
　　激光地位相、波长、方向一致，可维持较强的波，从而实现长距离传送。
　　激光波峰波谷一致
　　相干性较高的光，具有可长距离传送且不会扩散的特性，具备可通过镜头聚集成小光斑的优点，可将产生的光传送至别处，用作高密度光。
　　能量密度
　　激光具有优异的单色性、指向性、相干性，可聚集成非常小的光斑，形成高能量密度的光。
　　激光可缩小至自然光达不到的绕射极限附近。
　　（绕射极限：物理上无法将光聚焦成小于光波长的极限）
　　通过将激光缩到更小，可将光强度（功率密度）提高至可用于切断金属的程度。
　　激光激光振荡的原理产生激光的原理
　　要产生激光，就需要称为激光媒质的原子或分子。
　　从外部对该激光媒质照射能量（激发光）让原子由低能量的激发态变换为高能量的激发态。
　　激发态是指原子内的电子从内侧向外侧外壳移动的状态。
　　原子状态
　　原子变换为激发态后，经过一段时间会恢复为基态（从激发态恢复为基态的时间称为荧光寿命）。此时会将接收到的能量以光的形态辐射出去，恢复为基态（自发辐射）。
　　这种辐射出的光具有特定的波长。
　　激光的产生原理是让原子变换为激发态，然后提取产生的光加以利用。
　　原子状态
　　放大激光的原理
　　变换为基态后一定时间的原子，会因自发辐射而辐射出光，并恢复为基态。
　　但激发光越强，激发态的原子数量就会增加，自发辐射光也会随之增加，从而产生受激辐射现象。
　　受激辐射是向受激原子入射自发辐射或受激辐射的光后，该光提供受激原子能量，让光成为相应强度的现象。受激辐射后，激发原子恢复为基态。激光的放大正是利用这种受激辐射，激发态的原子数量越多，受激辐射就会连续产生，从而可使光急速放大，并提取为激光。
　　激光器的构造
　　工业用激光器大致分为4种半导体激光：以具有活性层（发光层）构造的半导体为媒质的激光器。气体激光：广泛使用采CO2气体为媒质的CO2激光。固体激光：一般为YAG激光和YVO4激光，激光媒质采用YAG、YVO4结晶。光纤激光：以光纤为媒质。
　　半导体激光
　　重叠材质不同的半导体结晶构成活性层（发光层），从而产生光。
　　让光在构成两端的一对镜面间往返从而放大，最终产生激光。
　　半导体激光
　　气体激光
　　CO2激光是以CO2气体为媒质的激光。
　　在填充有CO2气体的管内，配置电极板，以产生放电。电极板连接外部电源，使其可投入高频率电力作为激发源。因电极间放电而在气体中产生等离子体，CO2分子会变换为激发态，该数量增加后开始受激辐射。此外，为了让光往返而产生振荡，相对设置一对镜面，则构成了谐振器。光会在全反射镜和输出镜之间往返，放大后输出为激光。
　　CO2激光
　　固体激光
　　侧面抽运方式YAG激光是以YAG结晶为激光媒质的一种固体激光。
　　YAG是指（YttriumAluminumGarnet）的结晶，并添加Nd（Neodymium、钕）。
　　激光器的构成是在与YAG结晶的轴平行的两侧配置激发用LD。使用一对镜面构成谐振器，在两者之间配置Q开关。振荡波长为1064nm。
　　侧面抽运方式是一种投入激发光的面积较大，可提高投入能量并容易获得高功率输出的构成。
　　脉冲宽度较长，为100ns至数ms，可产生脉冲能量较大的脉冲，用于对金属的刻印、切断、雕刻、焊接。
　　YAG激光、侧面抽运方式
　　侧面抽运方式YVO4激光是以YVO4结晶为激光媒质的一种固体激光。
　　YVO4是指钒酸钇结晶，与YAG同样添加有Nd（钕）。采用从YVO4结晶端面单侧照射激发光的方式，以一对镜面构成揩振器，并在镜面间配置结晶和Q开关。振荡波长与Nd：YAG激光相同，为1064nm。放大率较高，可使用较小的结晶，激光器长比YAG激光短。因此，光可在更短时间内反复射入结晶，使光强度急剧增加。与YAG相比，具有效率更高、峰值更高且脉冲更短的特点。此外，结晶中心部的放大率较大，产生的光为单模光，可输出高品质的激光。
　　YVO4激光、侧面抽运方式
　　光纤激光
　　光纤激光使用光纤为媒质，是长距离通信的中断放大技术发展为高功率输出激光的产物。光纤由中心传输光的核心和以同心圆状包覆核心的金属包层构成。光纤激光以该核心为激光媒质放大光。因此核心中添加有Yb（Ytteribum、镱）。
　　光纤激光的构成一般是通过激光二级管（SeedLD）产生的称之为种子光源（SeedLight）的脉冲光，然后通过2个以上的光纤放大器进行放大。激发用LD配备多个单管发射器（发光层为1个）LD。各LD为低功率输出，因此具有热负荷较小的优点，实现了长寿命。此外，该LD数量越多，越可实现高功率输出的激光。光纤激光振荡效率较高，与固体激光和气体激光相比，具有功率消耗较低的特点。
　　放大用光纤（前置放大器、主要放大器）为3层构造，包括核心和2层金属包层。激发光进入内侧的金属包层（内层包覆）和添加有Yb的核心内，使核心内部的原子变换为激发态。激光被封闭于核心内前进，再通过激发原子放大，在媒质内越前进，强度越强。与固体激光或气体激光不同，光朝一个方向前进，不会往返。
　　放大用光纤构造关于脉冲特性和对工件的影响YVO4和光纤激光的差异
　　YVO4激光和光纤激光的最大差异在于峰值功率和脉冲宽度。
　　峰值功率代表光强度，脉冲宽度代表光的持续时间。YVO4具有容易产生高峰值、短脉冲光的特点，光纤具有容易产生低峰值、长脉冲光的特点。激光照射到材料时，加工结果会因脉冲的差异而产生较大变化。
　　YVO4和光纤激光的脉冲对材料的影响
　　YVO4激光的脉冲会对材料短时间照射高强度的光，因此表面层较浅的区域会急速升温，然后立即冷却。照射部分在沸腾状态下被冷却为发泡状态，蒸发后形成较浅的刻印。在热量传递前照射便会结束，因此对周围的热影响较小。
　　光纤激光的脉冲，则是长时间照射低强度的光。材料温度缓慢上升，长时间维持液体或蒸发的状态。因此，光纤激光适合刻入量变大、或金属承受大量热量而氧化需要变黑的黑色刻印。
　　补充：
　　关于激光器，基恩士独创了SMOPA激光器，
　　SolidstateMasterOscillatorPowerAmplier：直接将YVO4激光器的高品质光束，结合光纤激光中所使用的放大器技术，实现高功率输出化。光源LD（激光二级管）采用散热性较高的单管发射器，实现长寿命化。
　　SMOPA的特点在于由2个阶段构成，首先通过YVO4激光器（主激光器）产生脉冲，然后通过YVO4的放大器将该脉冲放大。因此可维持主激光器所产生的高峰值、高品质脉冲，同时进行放大。此外，采用具有光纤激光特点的单管发射器激发LD，与固体激光的巴条发射器LD（单个半导体芯片中具有多个发光面的LD）相比，热密度较低，冷却负荷较小，虽为固体激光，却实现了长寿命。