激光的原理及激光器分類

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. 激光器的原理及分類 一、基礎原理 量子理論認為，所有物質都是由各種微觀”粒子”組成,如分子,原子,質子,中子,電子等。在微觀世界里,各種粒子都有其固有的能級結構。當一個粒子從高能級掉到低能級時，根據(jù)能量守恒定律，它要把兩個能級相差部分的能量釋放出來，通常這個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）是由于物質在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個“受激吸收”過程。但是處在高能級（E2)的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會自發(fā)地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量=E2-E1。過程各自獨立、互補關聯(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，一旦電子被激發(fā)到這個高能級之上，卻由于不滿足躍遷的條件，發(fā)生躍遷的幾率很低，電子能夠在高能級上的時間很長，就所謂的亞穩(wěn)定狀態(tài)。但在能在外界光場的照射下發(fā)生往下躍遷，并且向下躍遷時釋放出一個與射入光場相同的光子，在同一個方向、有同一個波長。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 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，也可以引起受激吸收。只有在處于高能級的原子數(shù)量大于處于低能級原子數(shù)時，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)，只能通過技術手段將大量的原子都調整到高能級的狀態(tài)，才能有多余的輻射向外產(chǎn)生。這個技術叫粒子數(shù)反轉。 3、 光放大過程 通過粒子數(shù)反轉后，其中一個粒子首先在外界光場的照射刺激下，對外發(fā)出了一個光子，這個光子又刺激其他粒子再次對外發(fā)射光子，并且方向相同，波長相同。但是這樣放大的光還不夠強?？茖W家設計了一個光學偕振腔（兩片反射玻璃，一片100%反射、一片接近100%反射），通過反復反射，將光強度進一步擴大。 四、激光器構成 1、 工作介質?？梢允菤怏w、液體、固體、或者半導體。在這些介質中存在亞穩(wěn)定狀態(tài)，可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以獲得制造激光的必要條件。 2、 激勵源。用于去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)量增加。有電激勵、光激勵、熱激勵。俗稱泵浦源。 3、 諧振腔。用于放大光輻射，并調節(jié)激光波長。 五、激光的特點 1、 方向直。激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個毫弧度立體角度，照射方向上的照度比普通光提高千萬倍。激光準直、導向和測距就是利用方向性好的特點。 2、 亮度高。一臺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、激光外科手術都利用這一特點。 3、 單色性好。光是一種電磁波。光的顏色取決于它的波長，普通光源發(fā)出的光通常包含各種波長，激光的波長只集中在十分狹窄的光譜范圍。為精密度儀器測量和激勵某些化學反應等科學實驗提供極為有利的手段。 4、 相干性好。用于全息投影技術 六、主要技術參數(shù) 1、激光輸出功率 2、電光轉化率 3、激光波長 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。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 散熱問題直接關系到激光器使用壽命，甚至引起激光器的光學災變，燒毀激光器設備。一般散熱方式有：風冷+陶瓷片、TEC雙向熱能交換散熱風扇、水冷循環(huán)機散熱。 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產(chǎn)生激光，激勵方式以電激勵為主，也有光激勵、氣動激勵或化學激勵。工作物質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：波長為9~12um（典型波長10.6um），光電轉化率在10-30%左右，但設備體積大，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，科學研究，檢測國防等方面。 但二氧化碳的波長不易被金屬吸收，功率浪費較大，并且無法采用光纖耦合。體積龐大，不適于現(xiàn)場修復和與各種熔覆工裝配合使用。更換易損配件頻率高且價格昂貴。特別是二氧化碳激光熱影響區(qū)高，被熔覆配件受熱變形率高，需要在熔覆過程中、熔覆后對熔覆配件進行復雜的保溫處理。 2、 固體（晶體）激光器 是脈沖輸出方式，熔覆時被熔覆基體熱影響極低，可以修復薄壁件、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1064nm，光電轉化率接近3%，冷卻方式為水冷，維護費用較高。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、 半導體激光器 激勵方式為電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。目前市面上的商用輸出功率在2000W-6000W之間，設備體積小，采用水冷、電光轉化率可達45%。輸出激光波長808nm，976nm,1064nm等，應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體激光器。 光纖耦合半導體激光器，優(yōu)勢在于：一、激光光束經(jīng)光纖傳導輸出，能完成小光斑聚焦輸出，進而完成薄壁件，小件，高精度易變形配件的熔覆；二，半導體激光光束經(jīng)光纖傳到輸出，光斑功率密度分布均勻，激光熔覆熔池無夾渣，噴濺低，熔覆層細膩，無氣眼；三，光纖輸出半導體激光光纖傳播距離長，光纖頭體積小，重量輕易與各種熔覆工裝、機械手配合使用；四、半導體激光經(jīng)光纖傳導輸出，解決了直接輸出半導體激光熔池光輻射對激光器造成損害的難題；五、光纖輸出半導體激光體積小，重量輕，操作簡單，免維護。但設備價格昂貴。 LASERLINE、DILAS、美國相干、美國LASEROPERATIONSLLC公司。 4、 光纖激光器 電光轉化率：20%以上 冷卻方式：低功率風冷 功率：商用設備功率可達6000W 輸出激光波長多 光纖導出，使得激光器能輕易勝任各種三維任意空間加工應用，使機械系統(tǒng)的設計變得非常簡單。勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。 應用范圍包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標、激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設備、大型基礎建設等等。 　　主要生產(chǎn)商：IPG、羅芬、業(yè)納、SPI、武漢銳科、深圳市創(chuàng)鑫、深圳聯(lián)品、武漢安揚、大族。 .