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    盛雄大學(xué) | 什么是激光,你知道嗎?

    發(fā)布日期:2020.04.21 訪問量:6808 來源:


    激光的產(chǎn)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(xué)角度解釋,激光是原子或分子在工作介質(zhì)(增益介質(zhì))中收到激發(fā)(抽運(yùn)/泵浦),從低能級(jí)(基態(tài)/上能級(jí))向高能級(jí)(激發(fā)態(tài)/下能級(jí))躍遷時(shí),輻射出的特定波長(zhǎng)的光。


    激光產(chǎn)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(zhǎng)



    紫外激光


    應(yīng)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(tài)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(zhǔn)分子激光器和氬離子激光器兩種。然而這些激光器在應(yīng)用中都有缺點(diǎn),例如:設(shè)備占地面積大、可靠性有限、壽命短、高能耗、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高、需要定期更換有毒的氣體或液體燃料等。而且,準(zhǔn)分子激光光束質(zhì)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(wěn)定性差的缺點(diǎn)。


    由于具有效率高、高重復(fù)率、性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好以及較高的功率穩(wěn)定性等特點(diǎn),使得LD泵浦的全固態(tài)紫外激光器的研究具有非常重要的意義和比較好的應(yīng)用前景。全固態(tài)紫外激光器目前已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)、材料制備、全光光學(xué)器件制作、集成電路板及生物工程等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。


    將全固態(tài)激光器與非線性頻率變換技術(shù)相結(jié)合是目前獲得全固態(tài)紫外激光輸出最常用的方法。通過對(duì)摻釹離子固體激光器在1.0pum附近的近紅外光波進(jìn)行腔內(nèi)或腔外頻率轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生三次、四次或者五次諧波是目前最成熟的紫外光源產(chǎn)生方案。目前,在德國、美國和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家,紫外激光器已成為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)激光器,平均功率在5-10 W的355 nm紫外激光器已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。



    紫外激光的應(yīng)用



    在器件加工領(lǐng)域,相對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光,利用紫外激光對(duì)器件進(jìn)行加工具有一些特殊的優(yōu)點(diǎn):


    首先,紅外光或可見光通常依靠產(chǎn)生局部熱量使器件熔化或氣化的方式加工,該加工方式會(huì)導(dǎo)致被加工區(qū)域周圍結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞,因而限制了器件邊緣強(qiáng)度和產(chǎn)生精細(xì)特征的能力;而紫外激光加工則是通過直接破壞連接物質(zhì)原子的化學(xué)鍵,這種直接將物質(zhì)分離成原子的“冷”過程,并不會(huì)對(duì)加工區(qū)域加熱。


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


    此外紫外激光器由于波長(zhǎng)較短產(chǎn)生的精細(xì)加工的能力更使其具有更高的空間分辨率;也使對(duì)金屬、半導(dǎo)體等許多物質(zhì)進(jìn)行打孔、切割等精細(xì)加工成為可能。



    紅外激光


    波長(zhǎng)范圍在2-5微米左右的中紅外波段具有許多獨(dú)特的光學(xué)特性,在醫(yī)學(xué)、生物、通信以及軍事等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力。同時(shí),中紅外波段激光對(duì)人眼是安全的,并且具有很強(qiáng)的大氣穿透能力,因此在氣象監(jiān)測(cè)、空間光通信、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、遙感等多個(gè)方面也有著廣泛的應(yīng)用。然而目前業(yè)內(nèi)對(duì)中紅外波段光源的研究主要以晶體為介質(zhì),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(shù)高的特點(diǎn),近年來逐漸進(jìn)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(shí)間短、熱影響區(qū)小、加工過程中工件不易產(chǎn)生較大形變等優(yōu)點(diǎn),可以對(duì)硬度高、脆性大的特殊材料進(jìn)行精密加工,因此,綠光激光器在精密加工中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于紅外波段DPSSL來說,高功率綠光具有波長(zhǎng)更短、焦深更長(zhǎng)、激光能量利用率高、激光光束線寬更窄等特點(diǎn),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(duì)于紫外激光器,具有低成本和高平均功率的優(yōu)勢(shì),且性價(jià)比更高。在硅太陽電池加工領(lǐng)域,硅材料對(duì)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(xù)的固體結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)金屬材料的微焊接。美國MiyachiUnitck公司,利用532nm的Nd:YAG準(zhǔn)連續(xù)激光在銅條上成功實(shí)現(xiàn)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(biāo)、精密加工等。


    隨著全固態(tài)激光技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)及非線性頻率變換技術(shù)的飛速蓬勃發(fā)展,全固態(tài)激光器正朝著高功率、高穩(wěn)定性、多波段、可調(diào)諧的研究方向發(fā)展,其中發(fā)展迅速且較為成熟的是半導(dǎo)體激光二二極管泵浦的全固態(tài)綠光激光器(Diode Pumped Solid-StateGreen Laser, DPSSGL)。全固態(tài)綠光激光器在科研、激光醫(yī)療、激光加工、軍事國防、及激光顯示等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。在彩色顯示技術(shù)領(lǐng)域中,與其他顯示技術(shù)相比,激光顯示技術(shù)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(dú)特優(yōu)勢(shì),在家庭智能影院、公眾大屏幕顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)及教學(xué)演示等眾多領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)發(fā)展空間和前景。



    參考原文

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

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


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