激光的原理

什么是光？
什么是颜色？
什么是可见光？
什么是激光？
激光的语源
激光的原理
激光的种类
各个波长的特性
激光振荡原理
激光振荡管元件

什么是光？

光是“电磁波”的一种。“电磁波”存在波长这一标准，波长由长到短分别被称为电波、红外线、可见光、紫外线、 X 射线、Y 射线等。

什么是颜色？

当射到物体上的光有一部分波长无法被物体吸收而被反射回来，并被人眼（视网膜）接收到时，这种波长就被我们感知为物体的“颜色”。根据波长不同，光的折射率也会有所变化，因此光呈发散状态。其结果就是，我们能够感知到各种各样不同的“颜色”。例如红色的苹果（当人眼接收到包含红色特定波长光线的白昼光时）仅反射红色波长的光（600 至 700 nm），其他波长的光均被其吸收。※黑色物体可以吸收所有的光，因此看上去呈黑色。

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什么是可见光？

电磁波中人类肉眼可感知的波长范围被称为“可见光”。可见光的短波长约为360 至 400 nm，长波长约为 760 至 830 nm，如果波长超出“可见光”的波长范围（更短或更长），就超出了人眼所能够感知的范围。

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什么是激光？

普通光（灯光等）与激光存在如下区别。
激光发出具有高方向性的光束，即组成的光波在一条直线上传播，不会扩散。普通的光源发出的光波会朝各个方向扩散。激光束内的光波都是相同颜色的（此性质叫单色性）。普通的光（比如荧光灯管发出的光）一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。当激光束内的光波传播时，它们以完全同步的波峰和波谷发生振荡，这种特性叫做相干性。当两个激光束相互重叠时，每个光束的波峰和波谷只会相互加强，产生一个干涉图。

	普通的光	激光束
方向性（光波以直线形式传播）	灯泡	激光
单色性	许多不同的波长	单一波
相干性	波峰和波谷排列分散	波峰和波谷排列一致

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激光的语源

LASER 是由英文“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 的各单词首字母组成的缩写词，意思是“通过受激发射光扩大”。

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激光的原理

原子（分子）从外部吸收能量后，从下准位（低能级状态）跃迁至上准位（高能级状态）。这种状态被称为受激状态。
受激状态是一种不稳定的状态，将会很快返回至低能级状态。这一行为被称为“跃迁”。
此时会辐射出相当于跃迁能量的光。这种现象被称为自发发射。辐射出的光碰撞到同样处于受激状态的其他原子，也会激励其发生相同的跃迁。这种受到诱导而辐射出的光称为受激发射。

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激光的种类

大致可分为固体、气体、液体 3 种类型

由于目标加工用途不同，适用的激光也有所不同。

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

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各个波长的特性

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

即使是相同波长的光，光束特性也会因振动方式不同而不同。一般来说，高峰值功率和短脉冲宽度能产生更强的瞬间能量，减轻热破坏和焦化现象。

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。

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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: 基态原子

激发态原子

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）。