工业激光的产生原理

摘　要：激光的中文名称为“镭射”，是它的英文名称LASER的音译，英文全称Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。工业使用的激光是如何产生的？本文会简单介绍。

关键词：激光，YAG， YVO4，Laser

激光的中文名称为“镭射”，是它的英文名称LASER的音译，英文全称Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。意思是“受激辐射的光放大”。
　　　激光的产生原理：受激辐射基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出的一套全新的理论。当原子系统受到外来的能量为     的光子作用下，如果             ，则处于低能级    上的原子由于吸收一个能量为     的光子而受到激发，跃迁到高 能级    上去的过程。激光产生就是光的自激振荡的过程，所谓光的自激振荡是光在增益介质内传播放大: 光在传输过程中有不同的的损耗，当增益和损耗达到平衡时光强不再增加或减少，并达到一个稳定的状态。只要激光放大器的长度足够大，就可能成为一个自激振荡器，实现稳定运转的激光振荡。实际的激光振荡器是将具有一定长度的光学放大器放置在由两块镀有高反射率的反射镜所构成的光学谐振腔内。如下图所示，泵浦激发某种介质形成放大器，光通过后镜穿过传输介质形成自激振荡，然后穿过前镜形成激光。

     激光产生的三个前提条件有: 第一，提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构；第二，有外界激励源，使激光上下能级之间产生集居数反转；第三，有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。

     按照激发介质激光可以分为三大类：气态，固态和液态。气态以CO2 为主，还有HE-NE（氦-氖）, 和Ar(氩)气。 固态激光器为YAG（氧化铝合成晶石）, YVO4(钒酸钇单晶)，和LD光纤。液态激光器为Dye, 主要用于物理医学方面。
    CO2 激光器功率较小，而工业应用大部分都是固态激光器。固态激光器具有稳定性高，寿命长等优点，YVO4 的应用比YAG更加受工业的青睐。YVO4是一种具有优良物理光学性能的双折射晶体材料。该晶体透光范围宽，透过率高、双折射系数大、并易于加工。因此，YVO4晶体被广泛应用于光纤通信领域，是光通信无源器件如光隔离器、旋光器、延迟器、偏振器中的关键材料。YVO4晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。YAG相比它对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。激光二极管泵浦的YVO4高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率，可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。
     最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气体波导腔。开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔、非稳定腔；反射镜形状，球面腔与非球面腔，端面反射腔与分布反馈腔；反射镜的多少，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔。
     固体激光器的工作物质通常具有比较高的折射率，因此在侧壁上将发生大量的全反射。如果腔的反射镜紧贴激光棒的两端，则在理论上分析这类腔时，应作为介质腔来处理。半导体激光器是一种真正的介质波导腔。这类光学谐振腔称为闭腔。这是激光技术历史上最早提出的平行平面腔（F-P腔）。后来又广泛采用了由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔。从理论上分析这些腔时，通常认为侧面没有光学边界，因此将这类谐振腔称为开放式光学谐振腔，简称开腔。另一类光腔为气体波导激光谐振腔，其典型结构是一段空心介质波导管两端适当位置放置反射镜。这样，在空心介质波导管内，场服从波导中的传播规律，而在波导管与腔镜之间的空间中，场按与开腔中类似的规律传播。
 光学正反馈作用：使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。产生对振荡光束的控制作用：改变腔的参数如：反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置。
1. 有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性好、方向性强的相干光；
2. 可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角；
3. 可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率；
 通过了解谐振腔的特性，来正确设计和使用激光器的谐振腔，使激光器的输出光束特性达到应用的要求。
 激光主要包括以下四个特点：1.定向发光；2.亮度极高；3. 颜色极纯；    4. 能量密度极大。在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。
 激光的类型及波长范围：可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在380到700纳米之间，激光介质YAG 的波长在1000nm左右，是可见光的两倍。
  
 激光在工业中的应用，激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。它的应用范围一般可分为：
　 1. 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。 
  　 2. 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有 YAG激光器和CO2激光器。?
　　3. 激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
　　4. 激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴 、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。
　　 5. 激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
　　 6. 激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。
 7. 激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。

参考文献：
[1] 盛新志，娄淑琴编著，《激光原理》，清华大学出版社，2010年，第一章，6-28
  
作者简介：尹志国，（ 1978-），男，河北邢台人,中级工程师；研究方向：电子，自动化。
   

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