激光的原理及激光器分类

激光器的原理及分类

一、基础原理

量子理论认为，所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时，根据能量守恒定律，它要把两个能级相差部分的能量释放出来，通常这个能量以光和热两种形式释放出来。

二、自发辐射、受激辐射

1、自发辐射

普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联，所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方，并且频率不同、偏振状态和相位不同。

2、受激辐射

在原子中也存在这样一些特定高能级，一旦电子被激发到这个高能级之上，却由于不满足跃迁的条件，发生跃迁的几率很低，电子能够在高能级上的时间很

长，就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁，并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子，在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射，激光正是利用这一原理激发出来。

二、粒子数反转

通过受激辐射出来的光子，不仅可以引起其他粒子受激辐射，也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时，所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下，原子都是都处于稳定的基态，只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态，才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。

三、光放大过程

通过粒子数反转后，其中一个粒子首先在外界光场的照射刺激下，对外发出了一个光子，这个光子又刺激其他粒子再次对外发射光子，并且方向相同，波长

相同。但是这样放大的光还不够强。科学家设计了一个光学偕振腔（两片反射玻璃，一片100%反射、一片接近100%反射），通过反复反射，将光强度进一步扩大。

四、激光器构成

1、工作介质。可以是气体、液体、固体、或者半导体。在这些介质中存在亚稳定状态，可以实现粒子数反转，以获得制造激光的必要条件。

2、激励源。用于去激励原子体系，使处于上能级的粒子数量增加。有电激励、光激励、热激励。俗称泵浦源。

3、谐振腔。用于放大光辐射，并调节激光波长。

五、激光的特点

1、方向直。激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角度，照射方向上的照度比普通光提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好的特点。

2、亮度高。一台大功率激光器输出的亮度只有氢弹爆炸瞬间的闪光才能与之相比。由于亮度高度集中，容易在某一微小电出产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、激光焊接、激光切割、激光外科手术都利用这一特点。

3、单色性好。光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长，普通光源发出的光通常包含各种波长，激光的波长只集中在十分狭窄的光谱范围。为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供极为有利的手段。

4、相干性好。用于全息投影技术

六、主要技术参数

1、激光输出功率

2、电光转化率

3、激光波长

4、激光发散角度

激光发散角度觉得了多大的能量被传到给定的目标。如果激光出口光斑太大，那么高速小镜片的振晶就不能反射全部的激光束，造成激光功率受损。

5、散热温控方式

散热问题直接关系到激光器使用寿命，甚至引起激光器的光学灾变，烧毁激光器设备。一般散热方式有：风冷+陶瓷片、TEC双向热能交换散热风扇、水冷循环机散热。

6、光束模式

七、激光器分类

1、气体激光器

利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光，激励方式以电激励为主，也有光激励、气动激励或化学激励。工作物质主要利用二氧化碳以及各种稀有气体。最为常见的是二氧化碳激光器。

二氧化碳激光器：波长为9~12um（典型波长10.6um），光电转化率在10-30%左右，但设备体积大，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中用途最广泛的一种激光器，主要用于材料加工，科学研究，检测国防等方面。

但二氧化碳的波长不易被金属吸收，功率浪费较大，并且无法采用光纤耦合。体积庞大，不适于现场修复和与各种熔覆工装配合使用。更换易损配件频率高且价格昂贵。特别是二氧化碳激光热影响区高，被熔覆配件受热变形率高，需要在熔覆过程中、熔覆后对熔覆配件进行复杂的保温处理。

2、固体（晶体）激光器

是脉冲输出方式，熔覆时被熔覆基体热影响极低，可以修复薄壁件、小件、高精度极易变形配件。可分为：Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、

Er-YAG晶体。

主流产品Nd-YAG（钇铝石榴石晶体）激光器：波长1064nm，光电转化率接近3%，冷却方式为水冷，维护费用较高。连续激光器的最大输出功率1000W，广泛用于军事、工业和医疗等行业。

3、半导体激光器

激励方式为电注入式，光泵式和高能电子束激励式。目前市面上的商用输出功率在2000W-6000W之间，设备体积小，采用水冷、电光转化率可达45%。输出激光波长808nm，976nm,1064nm等，应用范围包括激光熔覆、激光切割和激光焊接，目前最为主流的是光纤耦合半导体激光器。

光纤耦合半导体激光器，优势在于：一、激光光束经光纤传导输出，能完成小光斑聚焦输出，进而完成薄壁件，小件，高精度易变形配件的熔覆；二，半导体激光光束经光纤传到输出，光斑功率密度分布均匀，激光熔覆熔池无夹渣，喷溅低，熔覆层细腻，无气眼；三，光纤输出半导体激光光纤传播距离长，光纤头体积小，重量轻易与各种熔覆工装、机械手配合使用；四、半导体激光经光纤传导输出，解决了直接输出半导体激光熔池光辐射对激光器造成损害的难题；五、光纤输出半导体激光体积小，重量轻，操作简单，免维护。但设备价格昂贵。

LASERLINE、DILAS、美国相干、美国LASEROPERATIONSLLC公司。

4、光纤激光器

电光转化率：20%以上

冷却方式：低功率风冷