盛雄大學 | 什么是激光,你知道嗎?

發布日期:2020.04.21 訪問量:3278 來源:


激光的產生

從文字角度解釋,激光研究源于西方,英文是laser,即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母縮寫,意譯為“受激輻射引起的光放大”。從科學角度解釋,激光是原子或分子在工作介質(增益介質)中收到激發(抽運/泵浦),從低能級(基態/上能級)向高能級(激發態/下能級)躍遷時,輻射出的特定波長的光。


激光產生原理



激光的特性


單色性

方向性

相干性

能量集中





激光的波長



紫外激光


應用于激光器的紫外激光,主要分為氣體激光器和紫外全固態激光器兩種。目前用于激光加工的氣體紫外激光器主要是準分子激光器和氬離子激光器兩種。然而這些激光器在應用中都有缺點,例如:設備占地面積大、可靠性有限、壽命短、高能耗、設備維護費用高、需要定期更換有毒的氣體或液體燃料等。而且,準分子激光光束質量差,需要用遮光膜,將損失95%甚至更多的輸出能量:氦鎘激光器和離子激光器也有光束指向穩定性差的缺點。


由于具有效率高、高重復率、性能可靠、結構緊湊、光束質量好以及較高的功率穩定性等特點,使得LD泵浦的全固態紫外激光器的研究具有非常重要的意義和比較好的應用前景。全固態紫外激光器目前已經在半導體工業、材料制備、全光光學器件制作、集成電路板及生物工程等領域中獲得了廣泛的應用。


將全固態激光器與非線性頻率變換技術相結合是目前獲得全固態紫外激光輸出最常用的方法。通過對摻釹離子固體激光器在1.0pum附近的近紅外光波進行腔內或腔外頻率轉換,產生三次、四次或者五次諧波是目前最成熟的紫外光源產生方案。目前,在德國、美國和日本等工業發達國家,紫外激光器已成為工業用標準激光器,平均功率在5-10 W的355 nm紫外激光器已經達到實用化水平。



紫外激光的應用



在器件加工領域,相對于波長較長的紅外光,利用紫外激光對器件進行加工具有一些特殊的優點:


首先,紅外光或可見光通常依靠產生局部熱量使器件熔化或氣化的方式加工,該加工方式會導致被加工區域周圍結構的嚴重破壞,因而限制了器件邊緣強度和產生精細特征的能力;而紫外激光加工則是通過直接破壞連接物質原子的化學鍵,這種直接將物質分離成原子的“冷”過程,并不會對加工區域加熱。


其次,由于眾多玻璃和晶體材料對紫外光(300nm以下)都有強烈的吸收效用,而對近紅外和可見光的吸收效果較弱。因此在實際生產中無法采用近紅外光或可見光對這類材料加工,相反采用紫外激光則可以對此類材料加工。


此外紫外激光器由于波長較短產生的精細加工的能力更使其具有更高的空間分辨率;也使對金屬、半導體等許多物質進行打孔、切割等精細加工成為可能。



紅外激光


波長范圍在2-5微米左右的中紅外波段具有許多獨特的光學特性,在醫學、生物、通信以及軍事等多個領域有著廣泛的應用潛力。同時,中紅外波段激光對人眼是安全的,并且具有很強的大氣穿透能力,因此在氣象監測、空間光通信、激光測距、激光雷達、激光制導、遙感等多個方面也有著廣泛的應用。然而目前業內對中紅外波段光源的研究主要以晶體為介質,但是由于晶體自身的局限性,存在體積大、成本高等缺陷,因此,研究更高性能的中紅外的光源十分迫切。硫系玻璃光纖具有損耗低、非線性折射率系數高的特點,近年來逐漸進入研究者的視線。


紅外激光和紫外激光的比較



綠光激光


綠光激光具有亮度高、聚焦光斑小、作用時間短、熱影響區小、加工過程中工件不易產生較大形變等優點,可以對硬度高、脆性大的特殊材料進行精密加工,因此,綠光激光器在精密加工中有獨特的優勢。相對于紅外波段DPSSL來說,高功率綠光具有波長更短、焦深更長、激光能量利用率高、激光光束線寬更窄等特點,因此,高功率綠光激光器可用于陶瓷的劃片與鉆孔。在PCB板的激光切割方面,高功率綠光激光器相對于紫外激光器,具有低成本和高平均功率的優勢,且性價比更高。在硅太陽電池加工領域,硅材料對532 nm綠光吸收非常高,與紫外激光相比,高功率綠光在硅片劃片和鉆孔效率更高。DPSSGL還可用于金屬材料微焊接,利用偏低功率的532nm激光,使材料熔化而不至于氣化,冷卻后形成連續的固體結構,從而實現金屬材料的微焊接。美國MiyachiUnitck公司,利用532nm的Nd:YAG準連續激光在銅條上成功實現了銅的微焊接。此外,綠光激光器還可用于玻璃、塑料、鋁及其合金等材料的激光打標、精密加工等。


隨著全固態激光技術、調Q技術及非線性頻率變換技術的飛速蓬勃發展,全固態激光器正朝著高功率、高穩定性、多波段、可調諧的研究方向發展,其中發展迅速且較為成熟的是半導體激光二二極管泵浦的全固態綠光激光器(Diode Pumped Solid-StateGreen Laser, DPSSGL)。全固態綠光激光器在科研、激光醫療、激光加工、軍事國防、及激光顯示等領域應用越來越廣泛。在彩色顯示技術領域中,與其他顯示技術相比,激光顯示技術具有色域大、色彩艷麗、顯示畫面尺寸靈活可變、無有害電磁射線輻射等獨特優勢,在家庭智能影院、公眾大屏幕顯示、虛擬現實及教學演示等眾多領域具有巨大的市場發展空間和前景。



參考原文

[1]張百濤,(2012),大功率全固態355mm紫外激光器研究, 山東大學, 博士論文.

[2]胡淼,(2008),BBO晶體四倍頻的紫外激光器研究,浙江大學, 博士論文.

[3]袁仙丹,(2017), 工程化百瓦級綠光激光器研究, 長春理工大學, 博士論文.


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