激光技術(shù)指南講解

1、激光技術(shù)指南基礎(chǔ)知識(shí)篇什么是激光？學(xué)習(xí)激光的原理激光器的構(gòu)造2;猶向性.3相干性1 1;單色性4:高能屋密蘭 2;播向性.3；相干性1 訂單色性4:高能密度2;猶向性3;相干性激光（LASER的定義LASER 是由 Light Ampli?cation by Stimulated Emission of Radiation （光受激輻 射放大的各首字母組成的縮寫詞。Laser為人工光源，具有與自然光不同的特性，因此 開(kāi)發(fā)成實(shí)用技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。激光可直線傳播到很遠(yuǎn)，并且可聚集在較小范圍等，人們活用這些特性，廣泛應(yīng)用 激光。激光市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，正在幫助制造業(yè)提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)。加工產(chǎn)業(yè)汽車

2、產(chǎn)業(yè)食品產(chǎn)業(yè)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)激光具有與自然光迥異的以下特點(diǎn)自然光包含從紫外線到紅外線等多種波長(zhǎng)的光。相對(duì)而言，激光為單一波長(zhǎng)的 光,其特性稱之為單色性。單色性的優(yōu)點(diǎn)在于可提高光學(xué)設(shè)計(jì)的靈活性。光的折射 率因波長(zhǎng)不同而產(chǎn)生變化，自然光穿過(guò)鏡頭時(shí)，會(huì)因內(nèi)含不同種類的波長(zhǎng)，而產(chǎn)生擴(kuò)散 現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為色差。另一方面，激光為單一波長(zhǎng)的光，只會(huì)朝相同方向折射。 例如,攝像頭的鏡頭需要具備可校正因顏色導(dǎo)致的失真的設(shè)計(jì) ，但激光僅需考慮該波長(zhǎng)即可，因此光束可長(zhǎng)距離傳送，實(shí)現(xiàn)小光斑聚光的精密設(shè) 計(jì)。指向性是指聲音或光線在空間內(nèi)前進(jìn)時(shí)不易擴(kuò)散的程度，指向性較高則表示擴(kuò) 散小。自然光包含朝各種方向擴(kuò)散的光，為提高指向性

3、，需要靠復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)去除 前進(jìn)方向以外的光。相對(duì)而言，激光為指向性較高的光，讓激光不擴(kuò)散而直線前進(jìn)，在 光學(xué)設(shè)計(jì)上較為容易，可進(jìn)行長(zhǎng)距離傳送等。相干性表示光容易相互干擾的程度。如果將光考慮為波，波段越相近則相干性 越高。例如，水面上不同的波相互碰撞時(shí)，可能相互增強(qiáng)或相互抵消，與這一現(xiàn)象相同 越隨機(jī)的波干擾程度越弱。激光的位相、波長(zhǎng)、方向一致，可維持較強(qiáng)的波，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳送。相干性較高的光，具有可長(zhǎng)距離傳送且不會(huì)擴(kuò)散的特性，具備可通過(guò) 鏡頭聚集成小光斑的優(yōu)點(diǎn)，可將產(chǎn)生的光傳送至別處，用作高密度光。激光具有優(yōu)異的單色性、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?？煽s小至自然

4、光達(dá)不到的繞射極限附近。 （繞射極限：物理上無(wú)法將光聚 焦成小于光波長(zhǎng)的極限通過(guò)將激光縮到更小，可將光強(qiáng)度（功率密度提高至可用于切 斷金屬的程度。1.什么是激光？2.激光的用途3.關(guān)于激光的特性4要產(chǎn)生激光，就需要稱為激光媒質(zhì)的原子或分子。從外部對(duì)該激光媒質(zhì)照射能 量（激發(fā)光，讓原子由低能量的基態(tài)變換為高能量的激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)是指原子內(nèi)的電 子從內(nèi)側(cè)向外側(cè)外殼移動(dòng)的狀態(tài)。原子變換為激發(fā)態(tài)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)恢復(fù)為基態(tài)（從激發(fā)態(tài)恢復(fù)為基態(tài)的時(shí)間 稱為熒光壽命。此時(shí)會(huì)將接收到的能量以光的形態(tài)輻射出去，恢復(fù)為基態(tài)（自發(fā)輻 射。這種輻射出的光具有特定的波長(zhǎng)。激光的產(chǎn)生原理是讓原子變換為激發(fā)態(tài)，然后提取產(chǎn)生

5、的光加以利用。為將自發(fā)輻射光用作更強(qiáng)的激光，需要放大自發(fā)輻射光。變換為激發(fā)態(tài)后一定 時(shí)間的原子，會(huì)因自發(fā)輻射而輻射出光，并恢復(fù)為基態(tài)。但激發(fā)光越強(qiáng)，激發(fā)態(tài)的原子 數(shù)量就會(huì)增加，自發(fā)輻射光也會(huì)隨之增加，從而產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象。受激輻射是向受 激原子入射自發(fā)輻射或受激輻射的光后，該光提供受激原子能量，讓光成為相應(yīng)強(qiáng)度 的現(xiàn)象。受激輻射后，激發(fā)原子恢復(fù)為基態(tài)。激光的放大正是利用這種受激輻射，激發(fā)態(tài)的原子數(shù)量越多，受激輻射就會(huì)連續(xù)產(chǎn)生，從而可使光急速放大，并提取為激光。4.激光振蕩的原理激發(fā)自發(fā)輻射1:產(chǎn)生激光的原理I2:使激光放大的原理1:產(chǎn)生激光的原理|2:使激光放大的原理1：產(chǎn)生激光的原理|2:使

6、激光放大的原理仁產(chǎn)生激光的原理i2;使漱光放大的原理原子狀態(tài)電子2原子狀態(tài)墩堂光電子受激輻射固體光：一艇為沁激光和YVCuSOt 一滋光寒底乘用血金YVth緒孔闔博at光：蚪為VWG澈光和YVdiMt一鑒光*度靈用¥胎、YvO<i«*o5側(cè)面抽運(yùn)方式Y(jié)AG激光是以YAG結(jié)晶為激光媒質(zhì)的一種固體激光。YAG是指(Yttrium Aluminum Garnet 的結(jié)晶，并添加 Nd (Neodymium、釹。激光器的構(gòu)成是在與YAG結(jié)晶的軸平行的兩側(cè)配置激發(fā)用 LD。使用一對(duì)鏡 面構(gòu)成諧振器，在兩者之間配置Q開(kāi)關(guān)。振蕩波長(zhǎng)為1064 nm。側(cè)面抽運(yùn)方式是一 種投入激發(fā)光的

7、面積較大，可提高投入能量并容易獲得高功率輸出的構(gòu)成。脈沖寬度較長(zhǎng)，為100 ns至數(shù)ms，可產(chǎn)生脈沖能量較大的脈沖，用于對(duì)金 屬的刻印、切斷、雕刻、焊接。*什么是Q開(kāi)關(guān)可改變光前進(jìn)方向的元件。將 Q開(kāi)關(guān)設(shè)為開(kāi)啟后，諧振器內(nèi)的光被彎曲，流出諧 振器外，振蕩停止。Q開(kāi)關(guān)在開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)由于未產(chǎn)生振蕩（無(wú)受激輻射，因此結(jié)晶內(nèi)的 激發(fā)原子會(huì)增加，處于放大率較高的狀態(tài)。在該狀態(tài)下將 Q開(kāi)關(guān)設(shè)為關(guān)閉后，光會(huì)在 揩振器內(nèi)往返并急劇放大，從而可輸出為脈沖。工業(yè)用激光器大致分為4種。使用的激光媒質(zhì)或構(gòu)造、振蕩波長(zhǎng)、激發(fā)源等不 同。激光媒質(zhì)是一種包含可將激發(fā)光的能量轉(zhuǎn)換為激光的原子的物質(zhì) ，激光的種類 正是根據(jù)媒質(zhì)進(jìn)

8、行分類。5.詞宦滋光：TAGYVOn :用嚷COs氣悴為仙的8a擁JU十呂也就丸；U日f(shuō)i：.-.屮*荒止左札亡直屮號(hào)休角總殞劃.瑣叮光纖激光:閉I弓廠涇葺；幻-珅樂(lè)+,切宇面兩述 dt蚪為8# E.激光器的構(gòu)造固體光："ft*VAlG ®5t和 YVd 畫也 Jbtfll度靈用YVOxSoCO 2激光是以CO 2氣體為媒質(zhì)的激光。在填充有 CO 2氣體的管內(nèi)，配置電極 板,以產(chǎn)生放電。電極板連接外部電源，使其可投入高頻率電力作為激發(fā)源。因電極間放電而在氣體中產(chǎn)生等離子體，C0 2分子會(huì)變換為激發(fā)態(tài)，該數(shù)量 增加后開(kāi)始受激輻射。此外，為了讓光往返而產(chǎn)生振蕩，相對(duì)設(shè)置一對(duì)鏡面

9、，則構(gòu)成了 諧振器。光會(huì)在全反射鏡和輸出鏡之間往返，放大后輸出為激光。振蕩波長(zhǎng)一般為10.6m氣體成分構(gòu)成為 CO 2在10%以下、氮N 2在30%左右、氙Xe在數(shù)、其余為氦He。各氣體有其各自的功能,根據(jù)構(gòu)造 和激光的特性不同而改變成分。重疊材質(zhì)不同的半導(dǎo)體結(jié)晶以構(gòu)成活性層（發(fā)光層，從而產(chǎn)生光。讓光在構(gòu)成兩 端的一對(duì)鏡面間往返從而放大，最終產(chǎn)生激光司佯滾光：VAG 吃氣悴磯卑：廣泛僅用采cm芯涉九眾宙的COs 半號(hào)爍加址：炒.H.f-.-. ;牡.艮空 pjff.光絆滾光；5A21世栄怎廠濟(jì)罟圧的籾處?固體激光：一般為YAG激光和YVO 4激光,激光媒質(zhì)采用YAG、YVO 4結(jié) 晶。？氣體激

10、光:廣泛使用采CO 2氣體為媒質(zhì)的CO 2激光。?半導(dǎo)體激光：以具有活性層（發(fā)光層構(gòu)造的半導(dǎo)體為媒質(zhì)的激光。?光纖激光：進(jìn)入21世紀(jì)后廣泛普及的一種激光,如字面所述，以光纖為媒質(zhì)。 高頻率回路 全反射鏡 全反射鏡YAG結(jié)晶輸出鏡輸出鏡Q開(kāi)關(guān)*激光激光電極 電極CO 2氣體激光激光基態(tài)基態(tài)受激輻射狀態(tài)受激輻射狀態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)LD激發(fā)LD4:固體激光（YVO4激光、側(cè)面抽運(yùn)方式） 側(cè)面抽運(yùn)方式Y(jié)VO4激光是以 YVO4結(jié)晶為激光媒質(zhì)的一種固體激光。YVO4是指釩酸釔結(jié)晶，與YAG同樣添加有Nd （釹）。采用從YVO4 YVO4結(jié)晶結(jié)晶端面單側(cè)照射激發(fā)光的方式，以 一對(duì)鏡面構(gòu)成揩振器，并在鏡面

11、間配置結(jié)晶和Q開(kāi)關(guān)。振蕩波長(zhǎng)與Nd:YAG激光 相同，為1064 nm。放大率較高，可使用較小的結(jié)晶，激光器長(zhǎng)比YAG激光短。因此，光可在更短時(shí)間內(nèi)反復(fù)射入結(jié)晶，使光強(qiáng)度急劇增加。與YAG相比，具有效率更高、峰值更高且脈沖更短的特點(diǎn)。此外，結(jié)晶中心部的放輸出鏡 激發(fā)用LD全反射鏡基態(tài)激發(fā)態(tài)受激輻射狀態(tài)Q開(kāi)關(guān)大率較大，產(chǎn)生的光為單模光*， 可輸出高品質(zhì)的激光。*單模是指可在焦點(diǎn)位置聚集最小光斑的理想激光狀態(tài)。5：光纖激光種子光源用LD前置放大器主要放大器隔離器光纖激光使用光纖為 媒質(zhì)，是長(zhǎng)距離通信的中斷放大技術(shù)發(fā)展為高功 率輸出激光的產(chǎn)物。光纖由中心 傳輸光的核心和以同心圓狀包覆核心 的金屬包層

12、構(gòu)成。光纖激光以該核心為激光 媒質(zhì)放大光。因此核心中 添加有Yb（ Ytteribum、鐿）。光纖激光的構(gòu)成一般是 通過(guò)激光二級(jí)管（Seed LD）產(chǎn)生的稱之為種子光源（Seed Light）的脈沖光，然 后通過(guò)2個(gè)以上的光纖放大器進(jìn) 行放大。激發(fā)用LD配備多個(gè)單管發(fā)射器（發(fā)光 層為1個(gè)）LD。各放大用光纖構(gòu)造激發(fā)用LD激發(fā)用LD實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命。此外，LD為低功率輸出，因此具有熱負(fù)荷較小的優(yōu)點(diǎn)，該LD數(shù)量越多，越可實(shí)現(xiàn)高功率輸出的激光。光纖激光振蕩效率較 外層包覆 高，與固體激光和氣體激光相比， 具有功率消耗較低的特點(diǎn)。 激發(fā)光放大用光纖（前置放大器、主要放大器）為 3 層構(gòu)造，包括核心和2激光

13、核心（添加Yb）層金屬包層。激發(fā)光進(jìn)入內(nèi)側(cè)的金屬 包層（內(nèi)層包覆）和添加有 Yb的核心內(nèi)，使核心內(nèi)部的原子變換為激發(fā)態(tài)。激光 被封閉于核心內(nèi)前 進(jìn)，再通過(guò)激發(fā)原子放大，在媒質(zhì)內(nèi)越前進(jìn)，強(qiáng)度越強(qiáng)。與固 體激光 或氣體激光不同，光朝一個(gè)方向前進(jìn)，不會(huì)往返。內(nèi)層包覆6： S-MOPA*（基恩士獨(dú)創(chuàng)） 光纖基恩士的S-MOPA為新一代激光器，融合了 YVO4激光的高 品質(zhì)和高強(qiáng)度，以及光纖激光的長(zhǎng)壽命且散熱特性優(yōu)良的受激方式理念。S-MOPA的特點(diǎn)在于由2個(gè)階段構(gòu)成，首先通過(guò) YVO4激光器（主激Q開(kāi)關(guān)光器） 產(chǎn)生脈沖，然后通過(guò)YVO4的放大器將該脈沖放大。因此可維持主激光器所產(chǎn)生 的高峰值、高品質(zhì)脈

14、沖，同時(shí)進(jìn)行放大。此外，采 用具有光纖激光特點(diǎn)的單管發(fā) 射器激發(fā)LD，與固體激光的巴條發(fā)射輸出鏡器LD （單個(gè)半導(dǎo)體芯片中具有多個(gè) 發(fā)光面的LD）相比，熱密度較低，YVO4放大YVO4振蕩冷卻負(fù)荷較小，雖為 固體激光，卻實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命。后鏡 * Solid- state Master Oscillator Power Ampli?er：直接將YVO4激光器的高品質(zhì)光束，結(jié)合光纖激光中所使用的放大器技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 高功率輸出化。光源LD （激光二級(jí)管）采用散熱性較高的單管發(fā)射器，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽 命化。激發(fā)用LD （單管發(fā)射器）主激光器 放大器66.關(guān)于脈沖特性和對(duì)工件的影響 1： YVO4和光纖激光的脈沖P

15、eak power = 200 kW目前為止已為您介紹了各種激光的構(gòu)造，接下來(lái)確認(rèn)YVO4激光YVO4激光和光纖激光的脈沖存在何種程度的差異。YVO4激光和光纖激光的 最大差異在于峰值功率和脈沖寬度。峰值功率代表光強(qiáng)度，脈沖寬度代表光的持續(xù)時(shí)間。YVO4具有容易產(chǎn)生高峰值、短脈沖光的 特點(diǎn)，光纖具有容易產(chǎn)生低峰值、長(zhǎng)脈 沖光的特點(diǎn)。激光照射到 脈沖寬度=5 ns Peak power < 10 kW光纖激光 材料時(shí)， 加工結(jié)果會(huì)因脈沖的差異而產(chǎn)生較大變化。脈沖寬度120 ns 2：對(duì)材料的影響YVO4激光光纖激光 白樹(shù)脂發(fā)色刻印 鍍鎳刻印SUS深度刻印 深度1卩m ? YVO4 激光的脈

16、沖會(huì)對(duì)材料短時(shí)間照射高強(qiáng)度的光，因此表面層較淺的區(qū)域會(huì)急速升溫， 然后立即冷卻。照射部分在沸騰狀態(tài)下被冷卻為發(fā)泡狀態(tài)，蒸發(fā)后形成較淺的刻印。在熱量傳遞前照射便會(huì)結(jié)束，因此對(duì)周圍的熱影響較小。深度8卩m另一方面，光纖激光的脈沖，貝規(guī)長(zhǎng)時(shí)間照射低強(qiáng)度的光。材料溫度緩慢上升，長(zhǎng)時(shí)間維 持液體或蒸發(fā)的狀態(tài)。因此，光纖激光適合刻入量變大、或金屬承受大量熱量而氧化需要變黑的黑色刻印。7三軸混合式激光刻印機(jī) MD-X1000/X1500系列自動(dòng)對(duì)焦三軸控制 高峰值 功率 辭功率輸出內(nèi)置二維碼讀取器 混合式Y(jié)V04光纖C02三軸YV04激光 刻印機(jī)MD-V9900A系列三軸控制 300 X 300 mH】大面積高峰值功率/