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ဣ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，这种波长就被黄金城感知为物体的“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ಞ是，黄金城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。

下载

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。

下载

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

下载

激光的语源

LASER 是由英文“Light Amplification by Stimulat𒅌ed 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”。

下载

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。

下载

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

下载

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。

下载

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ꦅ。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）。