激光原理及应用ppt课件
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• 晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）； • 全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度； • 半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%； • Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束； • 功率计：量测输出的激光能量大小； • Shutter：控制激光输出的一个开关。
全反光镜
反光镜： Shutter （越75%）
激光器外形
接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
8
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔
光纤耦合器
9
镜头聚焦原理——凸透镜
10
激光刻划原理——以P1为例
11
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
电源
光源泵
全反射镜
工作介质（YAG晶体）
激光束
半反射镜 5
工作物质
全反射镜
部分反射镜
激励能源
激光的产生过程可归纳为：
其
偶
它
光
粒
然
粒
子
工 作
外界激励
子 数
的 自
子 的
光学谐振腔
放 大
激 光
物 质
反
发
受
转
辐
激
及
产
振
生
射
辐
荡
射
6
工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质
• 固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃； • 气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体； • 半导体工作物质：砷化镓
• 谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面 反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择 频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向的光加以抑制。
• 激发源：要是工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电激励式， 化学式。
目录
一：激光产生原理 二：激光刻划原理 三：激光扫边原理
1
激光产生原理
1.激光定义：
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取 自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组 成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的 主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
2
3.激光产生理论介绍
3-1 激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：
a. 受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到 与此能量相对应的较高能级。
E2
பைடு நூலகம்
E2
入射光子
E1
E1
受激吸收跃迁
b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子 的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向 低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。
0%
50%
微观计算：重叠率Overlap =d/r
激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的能源
• 光激励： 用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）； • 电激励： 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子； • 化学激励：应用化学反应方法； • 热激励： 超音速绝热膨胀法； • 注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。
7
激光器内部机构（P4）
Gaussian Beam
Top Hat
12
3.激光束截面和能量密度分布
Beam size profile and energy density distribution
• 光束截面：圆形 或者 长方形 Beam size profile : round or rectangle
• 能量分布：高斯 或者 多元高斯（平顶） Energy distribution : Gaussian or multi-Gaussian
2.激光发展史：
1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强 闪光灯管，来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红 宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使 红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使 其达到比太阳表面还高的温度。
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
13
4.重叠率计算——Overlap
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
3
c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的 粒子数，这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，实现粒子数反 转是产生激光的必要条件。
4
4.晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源
• 工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离子数反 转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）YAG激光晶体。
• 加装Beam Shaping 的镜组，激光的Beam Profile由高斯光（Gaussian）改为Top Hat，制程速度可提高2-4倍以上。
2.Laser Attenuator（激光衰减）
现有调节激光功率的方法： • 调节电流：会改变激光的光束截面（Beam Profile），会影响打出来的线宽和焦点。 • 调节频率Repetition Rate (Hz) ：会影响激光能量和刻划线宽。
全反光镜
反光镜： Shutter （越75%）
激光器外形
接光纤
Q-Switch
晶体腔
功率计
8
激光器内部分解图（P4）
Q-Switch 半反镜
晶体腔
光纤耦合器
9
镜头聚焦原理——凸透镜
10
激光刻划原理——以P1为例
11
光斑
1.Beam Shaping （激光束形状）
• 一般的激光都为高斯分布的波形，即高斯光束，为实现特殊的制程需求，需要转变 成为扁平式波形的平顶光束，即Top Hat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。
电源
光源泵
全反射镜
工作介质（YAG晶体）
激光束
半反射镜 5
工作物质
全反射镜
部分反射镜
激励能源
激光的产生过程可归纳为：
其
偶
它
光
粒
然
粒
子
工 作
外界激励
子 数
的 自
子 的
光学谐振腔
放 大
激 光
物 质
反
发
受
转
辐
激
及
产
振
生
射
辐
荡
射
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工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质
• 固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃； • 气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体； • 半导体工作物质：砷化镓
• 谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面 反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择 频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向的光加以抑制。
• 激发源：要是工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电激励式， 化学式。
目录
一：激光产生原理 二：激光刻划原理 三：激光扫边原理
1
激光产生原理
1.激光定义：
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取 自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组 成的缩写词。意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的 主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
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3.激光产生理论介绍
3-1 激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：
a. 受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到 与此能量相对应的较高能级。
E2
பைடு நூலகம்
E2
入射光子
E1
E1
受激吸收跃迁
b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子 的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向 低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。
0%
50%
微观计算：重叠率Overlap =d/r
激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的能源
• 光激励： 用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）； • 电激励： 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子； • 化学激励：应用化学反应方法； • 热激励： 超音速绝热膨胀法； • 注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。
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激光器内部机构（P4）
Gaussian Beam
Top Hat
12
3.激光束截面和能量密度分布
Beam size profile and energy density distribution
• 光束截面：圆形 或者 长方形 Beam size profile : round or rectangle
• 能量分布：高斯 或者 多元高斯（平顶） Energy distribution : Gaussian or multi-Gaussian
2.激光发展史：
1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强 闪光灯管，来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红 宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使 红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使 其达到比太阳表面还高的温度。
(Top flat)
高斯
多元高斯
• 减少脉冲时间，高的峰值能量，更多的能量密度
Less pulse time, high peak power more energy density
能量密度=功率/频率/光斑面积
pulse
1.1uW/um=220W/20KHz/900um2
Hz
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4.重叠率计算——Overlap
E2
E2
E1
E1
自发辐射跃迁
自发辐射光子
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c. 受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。
E2
E2
入射光子
E1
E1
受激辐射光子 入射光子
受激辐射跃迁 3-2 粒子数反转
要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的 粒子数，这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，实现粒子数反 转是产生激光的必要条件。
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4.晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源
• 工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离子数反 转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）YAG激光晶体。
• 加装Beam Shaping 的镜组，激光的Beam Profile由高斯光（Gaussian）改为Top Hat，制程速度可提高2-4倍以上。
2.Laser Attenuator（激光衰减）
现有调节激光功率的方法： • 调节电流：会改变激光的光束截面（Beam Profile），会影响打出来的线宽和焦点。 • 调节频率Repetition Rate (Hz) ：会影响激光能量和刻划线宽。