激光原理

激光与普通光有很大的不同。了解激光的原理和不同波长的特性。

灯是什么?

光是电磁波的一种,这些波有标准的波长。从最长的波长开始,这些波长可以分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。

颜色是什么?

当光线照射到物体上时,被物体反射的波长会被人眼(视网膜)吸收。当这种情况发生时,我们将反射的波长识别为物体的颜色。

折射率随波长的不同而不同,因此光是分裂的。因此,我们能够识别各种各样的颜色。例如,一个苹果反射红光波长(600到700纳米),并吸收所有其他波长的光。

黑色的物体吸收所有的光,因此呈现黑色。

什么是可见光?

有些电磁波的波长范围是人类可以看到的。这些被称为可见光。

在短波长方面,可见光的测量范围从360到400纳米。在长波长方面,它们的测量范围从760到830纳米。比可见光短或长的波长,人眼是看不见的。

什么是可见光?

普通光和激光束的区别

下面是激光和普通光的区别:

  1. 1)激光发射的光束具有很高的指向性,这意味着组成光波以直线一起传播,几乎不扩散。普通光源发出的光波向四面八方散开。
  2. 2)激光束中的光波都是相同的颜色,这一特性被称为单色性。普通的光,比如荧光灯泡发出的光,通常是几种颜色的混合,结合在一起就会变成白色。
  3. 3)当激光束中的光波传播时,它们的波峰和波谷以完全同步的方式振荡,这一特性被称为相干性。当两束激光束相互叠加时,每束光波的波峰和波谷整齐地相互增强,从而产生干涉图样。
方向性
(光波以直线传播)
单色性 一致性
普通的光
灯泡
许多不同的波长
激光光束
激光
单波长
波峰和波谷是一致的

激光一词的起源

LASER是一个缩写词,代表的是“受刺激辐射的光放大”。

激光原理

当原子和分子吸收外界能量时,它们从低能态移动到高能态。这种高能态被描述为激发态。

进入激发态的原子是不稳定的,会立即试图回到低能态。这叫做过渡。

当发生跃迁时,发出的光等于状态之间的能量差。这种现象被称为自然发射。然后,发射的光与其他处于类似激发态的原子发生碰撞,以同样的方式诱导跃迁。被诱导发射的光称为受激发射。

激光原理

类型的激光

激光大致可分为三种:固态、气态和液态。

最佳的激光器将根据所需的加工应用而不同。

固态 Nd: YAG
  • 基本波长(1064 nm)
  • 二次谐波(532海里)
    (绿激光)
  • 三次谐波(355海里)
    (紫外激光)
YAG(钇铝石榴石)
  • 通用标记应用
  • 适用于硅片、塑料、反光金属等精细打标加工
  • 用于微加工,液晶显示器的修复,也用于塑料和反光金属的标记
伊弗Nd:4(1064海里) 4(钒酸钇)
  • 用于需要高峰值功率和非常稳定的光束功率的应用
Yb:光纤(1090nm) Yb(镱)
  • 平均功率高,冷却效率高。适合在金属和塑料上做标记
LD:(650至905纳米)
  • 半导体激光器(GaAs, GaAIAs, GaInAs)
气体 有限公司2(10.6μm)
  • 广泛用于标记标签,蚀刻塑料和树脂以及加工和切割
氦氖(630海里)
(红色)是常见的
  • 在测量设备中最常见。
准分子(193海里)
  • 利用惰性气体和氢气的组合来产生更短的紫外线波长。
    最常用于验光,使人眼的晶状体汽化。
氩(488 ~ 514 nm)
  • 主要用于科学应用和生物医学相关研究。
液体 染料(330至1300纳米)
  • 更广泛地用于科学应用。
    染料被激光激发产生荧光。

有限公司2激光

有限公司2激光主要用于机械加工和标记应用。
有限公司2激光器发射不可见的红外光束,通常波长为10.6 μm。N2气体的作用是提高CO的能量水平2和气起到稳定CO的作用2能量水平。

掺钕钇铝石榴石激光器(Nd: YAG)

YAG激光器用于塑料和金属目标的通用标记应用和机械加工应用。
YAG激光器发射波长为1064 nm的不可见近红外光束。

掺钕钇铝石榴石是什么?

YAG是一种具有Y(钇)、a(铝)和G(石榴石)晶体结构的固体。通过掺杂发光元素,在这里是钕,YAG晶体将通过吸收激光二极管的光进入激发态。

4激光(Nd:伊沃4

4激光用于超精细标记和加工应用。
4激光器发射波长为1064 nm的不可见近红外光束,就像YAG激光器一样。

什么是沃4?

4铝是一种具有Y(钇)、V(钒)和O4(氧化物)或Y(钇)VO4(钒酸)。通过掺杂发光元素,在本例中是钕(钕),一个YVO4晶体通过吸收来自激光二极管的光进入激发态。

激光波长分析

波长:10600海里

波长:10600海里

有限公司2激光有10600纳米的波长,这是在大多数工业系统中发现的最长波长。与YAG, YVO相比4和光纤激光波长,CO2波长长10倍。

顾名思义,CO2激光是通过CO的刺激产生的2气体。

10600 nm波长范围激光器的典型特性

  • 不能很好地被金属吸收
  • 由于波长长和传热,会发生熔化和燃烧
  • 能加工玻璃和PET等透明物体吗
  • 一般不会产生反差或变色
10600 nm波长范围激光器的典型特性

波长:1064海里

波长:1064海里

红外(红外)光包含激光加工最通用的波长。顾名思义,红外光包含的波长比可见的红色长(即长于780纳米)。

1064 nm波长范围激光器的典型特性

  • 可加工多种材料(包括树脂和金属)
  • 不能处理透明物体(如玻璃),因为激光直接通过
  • 很容易在树脂上产生反差
1064 nm波长范围激光器的典型特性
具有相同波长的激光标记仍然可以具有不同的光束特性。这些变化是通过不同的振荡方法实现的。一般来说,较高的峰值功率和较短的脉冲宽度可以减少热损伤和燃烧。

波长:532海里

波长:532海里

第二谐波(SHG)激光器使用532 nm波长。这种激光对人类是可见的,呈现绿色,是通过非线性晶体传输1064纳米波长产生的。当光穿过晶体时,它的波长减少了一半。一个水平4通常使用介质,因为光束的特性非常适合复杂的加工。

532 nm波长范围激光器的典型特性

  • 与典型红外波长反应不佳的材料和反射红外光的材料(如金和铜)的高吸收率
  • 由于激光束光斑比红外激光器小,因此复杂的处理是可能的
  • 透明对象通常不能被处理
  • 高峰值功率和有限的传热使532纳米激光器的理想微加工和复杂的设计
波长:532海里
金属激光吸收率

波长:355海里

波长:355海里

第三谐波(THG)激光器的波长为355 nm,属于紫外线(UV)范围的光。一个水平4或YAG激光器用于产生基波长(1064 nm),该波长通过非线性晶体转移到532nm。光通过第二个非线性晶体转移到355纳米。

典型特征波长范围为355 nm

  • 紫外光在大多数材料中都有极高的吸收率,而且不会产生过多的热量。
  • 一个非常小的光束点可以进行非常精细的加工
  • 大多数非keyence UV激光器需要光学晶体更换,这影响了整体运行成本。
典型特征波长范围为355 nm

激光振荡原理

这是激光发射过程的分解图

1.吸收

当原子和分子吸收光能时,原子内的电子从低能状态(基态)变为高能状态。随着能量的增加,电子从正常轨道转移到外部轨道。这种能量增加的状态叫做激发。

原子状态
原子的基态
原子处于激发态
电子状态

2.自然排放

受激发电子的能级随吸收的能量而上升。经过一段时间后,高能电子将试图通过发射能量回到低能态。这时,发出光来。

这种现象被称为自然发射。

原子状态
电子状态

3.受激发射

当入射光与高能电子相互作用时,电子下降到较低的能量状态,并发出与入射光源相同的能量、相位和运动方向的光。换句话说,一个被注入的光子会产生一种现象,它会变成两个光子。这叫做受激发射。

受激发射产生的光具有均匀的能量、相位和运动方向。因此,通过受激发射产生大量的光,可以在这三种元素一致设置的情况下产生强光。

激光是利用受激发射现象将注入的光放大而产生的。因此,它具有(1)单色,(2)相干,(3)高度定向的特征。

原子状态
电子状态

4.粒子数反转状态

为了利用自然发射振荡激光束,有必要创造一个环境,在高能态的电子数量压倒性地高于在低能态的电子数量。这被称为总体反转状态。

换句话说,当自然发射的光超过吸收的光时,就有可能有效地产生激光束。

处于居群反转态的电子

电子粒子数反转
  • =大量高能电子
  • =高能电子少

5.激光振荡

当一个电子在居群反转状态下自然发光时,这种光会使另一个电子自然发光。这导致了一个连锁反应,增加了产生的光的数量,并产生了一个强大的光束。这就是激光振荡的原理。

处于居群反转态的电子

处于居群反转态的电子
一个
自然排放
B
受激发射

激光振荡管元件

激光振荡管的三要素

所有的激光振荡管由以下三个部分组成:

  1. 激光介质
  2. 激励源
  3. 放大器
  1. 激光介质
  2. 激励源
  3. 放大器

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