激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

1.什么是激光?

LASER 是由 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(光受激辐射放大)的各首字母组成的缩写词。Laser 为人工光源,具有与自然光不同的特性,因此开发成实用技术被广泛应用于各种领域。

2.激光的用途

激光可直线传播到很远,并且可聚集在较小范围等,人们活用这些特性,广泛应用激光。激光市场不断扩大,正在帮助制造业提高生产效率和品质。

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

3.激光的特性

激光具有与自然光迥异的以下特点

3.1单色性

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

自然光包含从紫外线到红外线等多种波长的光。相对而言,激光为单一波长的光,其特性称之为单色性。单色性的优点在于可提高光学设计的灵活性。光的折射率因波长不同而产生变化,自然光穿过镜头时,会因内含不同种类的波长,而产生扩散现象。这种现象称为色差。另一方面,激光为单一波长的光,只会朝相同方向折射。例如,摄像头的镜头需要具备可校正因颜色导致的失真的设计,但激光仅需考虑该波长即可,因此光束可长距离传送,实现小光斑聚光的精密设计。

3.2指向性

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

指向性是指声音或光线在空间内前进时不易扩散的程度,指向性较高则表示扩散小。自然光包含朝各种方向扩散的光,为提高指向性,需要靠复杂的光学系统去除前进方向以外的光。相对而言,激光为指向性较高的光,让激光不扩散而直线前进,在光学设计上较为容易,可进行长距离传送等。

3.3相干性

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

相干性表示光容易相互干扰的程度。如果将光考虑为波,波段越相近则相干性越高。例如,水面上不同的波相互碰撞时,可能相互增强或相互抵消,与这一现象相同,越随机的波干扰程度越弱。激光的位相、波长、方向一致,可维持较强的波,从而实现长距离传送。相干性较高的光,具有可长距离传送且不会扩散的特性,具备可通过镜头聚集成小光斑的优点,可将产生的光传送至别处,用作高密度光。

3.4高能量

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

激光具有优异的单色性、指向性、相干性,可聚集成非常小的光斑,形成高能量密度的光。可缩小至自然光达不到的绕射极限附近。(绕射极限:物理上无法将光聚焦成小于光波长的极限)通过将激光缩到更小,可将光强度(功率密度)提高至可用于切断金属的程度。

4激光振荡的原理

4.1产生原理

激发

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

要产生激光,就需要称为激光媒质的原子或分子。从外部对该激光媒质照射能量(激发光),让原子由低能量的基态变换为高能量的激发态。激发态是指原子内的电子从内侧向外侧外壳移动的状态。

自发辐射

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原子变换为激发态后,经过一段时间会恢复为基态(从激发态恢复为基态的时间称为荧光寿命)。此时会将接收到的能量以光的形态辐射出去,恢复为基态(自发辐射)。这种辐射出的光具有特定的波长。激光的产生原理是让原子变换为激发态,然后提取产生的光加以利用

4.2放大原理

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

为将自发辐射光用作更强的激光,需要放大自发辐射光。变换为激发态后一定时间的原子,会因自发辐射而辐射出光,并恢复为基态。但激发光越强,激发态的原子数量就会增加,自发辐射光也会随之增加,从而产生受激辐射现象。受激辐射是向受激原子入射自发辐射或受激辐射的光后,该光提供受激原子能量,让光成为相应强度的现象。受激辐射后,激发原子恢复为基态。激光的放大正是利用这种受激辐射,激发态的原子数量越多,受激辐射就会连续产生,从而可使光急速放大,并提取为激光。

5 激光器的构造

工业用激光器大致分为 4 种。使用的激光媒质或构造、振荡波长、激发源等不同。激光媒质是一种包含可将激发光的能量转换为激光的原子的物质,激光的种类正是根据媒质进行分类。

• 固体激光:一般为 YAG 激光和 YVO 4 激光,激光媒质采用 YAG、YVO 4 结晶。

• 气体激光:广泛使用采 CO 2 气体为媒质的 CO 2 激光。

• 半导体激光:以具有活性层(发光层)构造的半导体为媒质的激光。

• 光纤激光:进入 21 世纪后广泛普及的一种激光,如字面所述,以光纤为媒质。

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5.1半导体激光

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重叠材质不同的半导体结晶以构成活性层(发光层),从而产生光。让光在构成两端的一对镜面间往返从而放大,最终产生激光。

5.2 CO2气体激光

激光的产生与部件结构——传感器应用(1)

CO 2 激光是以 CO 2 气体为媒质的激光。在填充有 CO 2 气体的管内,配置电极板,以产生放电。电极板连接外部电源,使其可投入高频率电力作为激发源。因电极间放电而在气体中产生等离子体,CO 2 分子会变换为激发态,该数量增加后开始受激辐射。此外,为了让光往返而产生振荡,相对设置一对镜面,则构成了谐振器。光会在全反射镜和输出镜之间往返,放大后输出为激光。振荡波长一般为 10.6 μm。气体成分构成为 CO 2 在 10% 以下、氮 N 2在 30% 左右、氙 Xe 在数 %、其余为氦 He。各气体有其各自的功能,根据构造和激光的特性不同而改变成分。

5.3 固体YAG激光

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侧面抽运方式 YAG 激光是以 YAG 结晶为激光媒质的一种固体激光。YAG 是指(Yttrium Aluminum Garnet)的结晶,并添加 Nd(Neodymium、钕)。激光器的构成是在与 YAG 结晶的轴平行的两侧配置激发用 LD。使用一对镜面构成谐振器,在两者之间配置 Q 开关。振荡波长为 1064 nm。侧面抽运方式是一种投入激发光的面积较大,可提高投入能量并容易获得高功率输出的构成。脉冲宽度较长,为 100 ns 至数 ms,可产生脉冲能量较大的脉冲,用于对金属的刻印、切断、雕刻、焊接。

Q 开关:可改变光前进方向的元件。将 Q 开关设为开启后,谐振器内的光被弯曲,流出谐振器外,振荡停止。Q 开关在开启状态时由于未产生振荡(无受激辐射),因此结晶内的激发原子会增加,处于放大率较高的状态。在该状态下将 Q 开关设为关闭后,光会在揩振器内往返并急剧放大,从而可输出为脉冲。

5.4 YVO4 固体激光

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侧面抽运方式 YVO 4 激光是以 YVO 4 结晶为激光媒质的一种固体激光。YVO 4 是指钒酸钇结晶,与 YAG 同样添加有 Nd(钕)。采用从 YVO 4结晶端面单侧照射激发光的方式,以一对镜面构成揩振器,并在镜面间配置结晶和 Q 开关。振荡波长与 Nd:YAG 激光相同,为 1064 nm。放大率较高,可使用较小的结晶,激光器长比 YAG 激光短。因此,光可在更短时间内反复射入结晶,使光强度急剧增加。与 YAG 相比,具有效率更高、峰值更高且脉冲更短的特点。此外,结晶中心部的放大率较大,产生的光为单模光 *,可输出高品质的激光。

* 单模是指可在焦点位置聚集最小光斑的理想激光状态。

5.5 光纤激光

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光纤激光使用光纤为媒质,是长距离通信的中断放大技术发展为高功率输出激光的产物。光纤由中心传输光的核心和以同心圆状包覆核心的金属包层构成。光纤激光以该核心为激光媒质放大光。因此核心中添加有 Yb(Ytteribum、镱)。

光纤激光的构成一般是通过激光二级管(Seed LD)产生的称之为种子光源(Seed Light)的脉冲光,然后通过 2 个以上的光纤放大器进行放大。激发用 LD 配备多个单管发射器(发光层为 1 个)LD。各LD 为低功率输出,因此具有热负荷较小的优点,实现了长寿命。此外,该 LD 数量越多,越可实现高功率输出的激光。光纤激光振荡效率较高,与固体激光和气体激光相比,具有功率消耗较低的特点。

放大用光纤(前置放大器、主要放大器)为 3 层构造,包括核心和 2层金属包层。激发光进入内侧的金属包层(内层包覆)和添加有 Yb的核心内,使核心内部的原子变换为激发态。激光被封闭于核心内前进,再通过激发原子放大,在媒质内越前进,强度越强。与固体激光或气体激光不同,光朝一个方向前进,不会往返。

5.6 S-MOPA 激光

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基恩士的 S-MOPA 为新一代激光器,融合了 YVO 4 激光的高品质和高强度,以及光纤激光的长寿命且散热特性优良的受激方式理念。S-MOPA 的特点在于由 2 个阶段构成,首先通过 YVO 4 激光器(主激光器)产生脉冲,然后通过 YVO 4 的放大器将该脉冲放大。因此可维持主激光器所产生的高峰值、高品质脉冲,同时进行放大。此外,采用具有光纤激光特点的单管发射器激发 LD,与固体激光的巴条发射器 LD(单个半导体芯片中具有多个发光面的 LD)相比,热密度较低,冷却负荷较小,虽为固体激光,却实现了长寿命。

* Solid-state Master Oscillator Power Amplifier:

直接将 YVO 4 激光器的高品质光束,结合光纤激光中所使用的放大器技术,实现高功率输出化。光源 LD(激光二级管)采用散热性较高的单管发射器,实现长寿命化。


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