盛雄大学 | 什么是激光,你知道吗?

发布日期:2020.04.21 访问量:2542 来源:


激光的产生

从文字角度解释,激光研究源于西方,英文是laser,即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写,意译为“受激辐射引起的光放大”。从科学角度解释,激光是原子或分子在工作介质(增益介质)中收到激发(抽运/泵浦),从低能级(基态/上能级)向高能级(激发态/下能级)跃迁时,辐射出的特定波长的光。


激光产生原理



激光的特性


单色性

方向性

相干性

能量集中





激光的波长



紫外激光


应用于激光器的紫外激光,主要分为气体激光器和紫外全固态激光器两种。目前用于激光加工的气体紫外激光器主要是准分子激光器和氩离子激光器两种。然而这些激光器在应用中都有缺点,例如:设备占地面积大、可靠性有限、寿命短、高能耗、设备维护费用高、需要定期更换有毒的气体或液体燃料等。而且,准分子激光光束质量差,需要用遮光膜,将损失95%甚至更多的输出能量:氦镉激光器和离子激光器也有光束指向稳定性差的缺点。


由于具有效率高、高重复率、性能可靠、结构紧凑、光束质量好以及较高的功率稳定性等特点,使得LD泵浦的全固态紫外激光器的研究具有非常重要的意义和比较好的应用前景。全固态紫外激光器目前已经在半导体工业、材料制备、全光光学器件制作、集成电路板及生物工程等领域中获得了广泛的应用。


将全固态激光器与非线性频率变换技术相结合是目前获得全固态紫外激光输出最常用的方法。通过对掺钕离子固体激光器在1.0pum附近的近红外光波进行腔内或腔外频率转换,产生三次、四次或者五次谐波是目前最成熟的紫外光源产生方案。目前,在德国、美国和日本等工业发达国家,紫外激光器已成为工业用标准激光器,平均功率在5-10 W的355 nm紫外激光器已经达到实用化水平。



紫外激光的应用



在器件加工领域,相对于波长较长的红外光,利用紫外激光对器件进行加工具有一些特殊的优点:


首先,红外光或可见光通常依靠产生局部热量使器件熔化或气化的方式加工,该加工方式会导致被加工区域周围结构的严重破坏,因而限制了器件边缘强度和产生精细特征的能力;而紫外激光加工则是通过直接破坏连接物质原子的化学键,这种直接将物质分离成原子的“冷”过程,并不会对加工区域加热。


其次,由于众多玻璃和晶体材料对紫外光(300nm以下)都有强烈的吸收效用,而对近红外和可见光的吸收效果较弱。因此在实际生产中无法采用近红外光或可见光对这类材料加工,相反采用紫外激光则可以对此类材料加工。


此外紫外激光器由于波长较短产生的精细加工的能力更使其具有更高的空间分辨率;也使对金属、半导体等许多物质进行打孔、切割等精细加工成为可能。



红外激光


波长范围在2-5微米左右的中红外波段具有许多独特的光学特性,在医学、生物、通信以及军事等多个领域有着广泛的应用潜力。同时,中红外波段激光对人眼是安全的,并且具有很强的大气穿透能力,因此在气象监测、空间光通信、激光测距、激光雷达、激光制导、遥感等多个方面也有着广泛的应用。然而目前业内对中红外波段光源的研究主要以晶体为介质,但是由于晶体自身的局限性,存在体积大、成本高等缺陷,因此,研究更高性能的中红外的光源十分迫切。硫系玻璃光纤具有损耗低、非线性折射率系数高的特点,近年来逐渐进入研究者的视线。


红外激光和紫外激光的比较



绿光激光


绿光激光具有亮度高、聚焦光斑小、作用时间短、热影响区小、加工过程中工件不易产生较大形变等优点,可以对硬度高、脆性大的特殊材料进行精密加工,因此,绿光激光器在精密加工中有独特的优势。相对于红外波段DPSSL来说,高功率绿光具有波长更短、焦深更长、激光能量利用率高、激光光束线宽更窄等特点,因此,高功率绿光激光器可用于陶瓷的划片与钻孔。在PCB板的激光切割方面,高功率绿光激光器相对于紫外激光器,具有低成本和高平均功率的优势,且性价比更高。在硅太阳电池加工领域,硅材料对532 nm绿光吸收非常高,与紫外激光相比,高功率绿光在硅片划片和钻孔效率更高。DPSSGL还可用于金属材料微焊接,利用偏低功率的532nm激光,使材料熔化而不至于气化,冷却后形成连续的固体结构,从而实现金属材料的微焊接。美国MiyachiUnitck公司,利用532nm的Nd:YAG准连续激光在铜条上成功实现了铜的微焊接。此外,绿光激光器还可用于玻璃、塑料、铝及其合金等材料的激光打标、精密加工等。


随着全固态激光技术、调Q技术及非线性频率变换技术的飞速蓬勃发展,全固态激光器正朝着高功率、高稳定性、多波段、可调谐的研究方向发展,其中发展迅速且较为成熟的是半导体激光二二极管泵浦的全固态绿光激光器(Diode Pumped Solid-StateGreen Laser, DPSSGL)。全固态绿光激光器在科研、激光医疗、激光加工、军事国防、及激光显示等领域应用越来越广泛。在彩色显示技术领域中,与其他显示技术相比,激光显示技术具有色域大、色彩艳丽、显示画面尺寸灵活可变、无有害电磁射线辐射等独特优势,在家庭智能影院、公众大屏幕显示、虛拟现实及教学演示等众多领域具有巨大的市场发展空间和前景。



参考原文

[1]张百涛,(2012),大功率全固态355mm紫外激光器研究, 山东大学, 博士论文.

[2]胡淼,(2008),BBO晶体四倍频的紫外激光器研究,浙江大学, 博士论文.

[3]袁仙丹,(2017), 工程化百瓦级绿光激光器研究, 长春理工大学, 博士论文.


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