激光原理与应用

激光原理与应用佘宇18688608724世界上的第一台激光器：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。激光定义：受激辐射光放大。激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER['leizə]的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation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”。激光产生原理激光产生理论介绍:激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：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。受激吸收跃迁E2E1E2E1入射光子自发辐射：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。E2E1E2E1自发辐射光子自发辐射跃迁受激辐射（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。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。受激辐射跃迁E2E1E2E1入射光子受激辐射光子入射光子晶体腔：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。•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。工作介质（YAG晶体）光源泵（氪灯、氙灯）电源全反射镜平面或弧面半反射镜平面或弧面激光束•固体工作物质：红宝石、Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、含镱光纤芯等。•气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体；•液体工作物质：染料、无机溶液、稀土金属离子溶液。工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的能源•光激励：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；全反光镜（约99.9%）反光镜：（约75%）Q-Switch晶体腔功率计Shutter接光纤激光器外形激光器内部机构激光器内部机构•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。激光器内部结构平面反射镜，球面反射镜前反镜、后反镜激光系统的光学谐振腔由前反镜和后反镜镜共同组成，使激光得以震荡放大。前反镜：20%透光率，80%反射率；后反镜：100%反射率我们使用的是平行平面腔，就是说前反镜和后反镜都是平面镜，并镜面平行，使光发生振荡。平行平面腔的优点是制作简单、方便。缺点是易偏移，稳定性差。激光器内部分解图Q-Switch晶体腔半反镜光纤耦合器激光器内部分解图Q-Switch晶体腔半反镜光纤耦合器f-θ透镜f-θ透镜(平面场镜)：是一组结合的凸面镜，聚焦的同时，还有修正焦平面的作用LINOS聚焦镜头Nd：YAG激光棒Nd：YAG（掺钕的钇铝石榴石）是目前最常用的一类固体激光器。YAG是一种立方结构晶体，质地很硬、光学质量好、热导率高。用三价钕代替了晶体中部分的三价钇，因此称为掺钕的钇铝石榴石。泵浦灯氙灯为惰性气体放电灯，我们使用的灯的形状多为直管形。其结构一般都是由电极、灯管和充入的氙（Xe）气体组成。电极是用高熔点、高电子发射率，又不易溅射的金属材料制成。灯管用机械强度高、耐高温、透光性好的石英玻璃制成。灯管内充入氙气。扩束系统•扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件，也称准直镜，通常由共焦的两个透镜:一个负（凹）透镜和正（凸）透镜组成；•光束直径增大，远场发散角将会减小。这就是扩大光束的优点所在。另外，小的发散能够使高斯光束聚焦得更好•外光路可配置4倍扩束系统，保证光束的准直性。光束准直系统光束准直系统扩束镜结构LINOS扩束镜2*--8*振镜扫描聚焦系统•其工作原理是将激光束入射到扫描镜上，用计算机控制扫描镜的反射角度来达到激光束的偏转，从而使激光聚焦点沿与玻璃边沿平行方向扫描输出激光，将表面膜层清除；•振镜是一种矢量扫描器件，将软件内的矢量图形转化才激光的运动，它是一种特殊的摆动电机,基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,不能象普通电机一样旋转,只能偏转,偏转角±15°；•扫描器的直线扫描速度最大可达7000mm/s。通过调节振镜头的上下位置调节激光光斑直径大小。振镜激光器扫描镜聚焦镜振镜振镜：分X、Y两组，分别负责焦平面上X、Y轴方向的运动每组包含全反射的镜片，伺服电机和驱动板。振镜所用电源为±28V\±15V电源。振镜全反射的镜片驱动板伺服电机Q与调Q连续光功率较弱，许多情况下需要我们增强打标功率，脉冲激光我们可以把Q驱比喻为拦河坝的大闸，Q驱有高频信号提供给Q头的时候，相当于闸门放下，无水流通过，存储水量，水位上升（即锁光）。当Q驱撤消高频信号的时候，即闸门打开，存储的大量能量释放。存储的能量在短时间内释放，产生的能量级是调Q前的千倍甚至万倍以上。重复锁光、释放这个过程，使我们能得到激光器连续输出的巨能量脉冲。而重复这个过程的周期足够短，使我们直观得到调Q后的激光是不间断的作用：为了能够得到高能量的脉冲激光原理：通过某种方法使谐振腔的损耗（Q值）按照规定程序变化结构：1、电光2、声光3、被动调Q（染料）原理：（声光调Q）在石英晶体的电极间加一高频电流信号，使晶体内部产生音频振动，使晶格发生振荡，按设定的规律使激光阻断或通过，以得到一定频率的经调制的脉冲光。Q开关附图（Q、RF信号及激光输出）声光介质主要采用熔融石英、玻璃、钼酸铅等。换能器常采用石英、铌酸锂等晶体制成。吸声材料常用铅橡胶或玻璃棉等。把声光Q开关器件插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中，使折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有2θ角的偏离(如当超声频率在20～50MHz范围时，石英对1.06μm的光波的衍射角为0.30～0.50)，这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。附图(驱动Q头）首脉冲压缩首重点现象：打标的第一个点因打标前Q头一直处于锁光状态，存储了大量的能量，在打标释放的时候第一个点出现能量过重的现象，首脉冲压缩即是对此现象进行改进的一个功能。实现首脉冲压缩的方法之一是释放前逐渐降低锁光能量，即逐渐减小高频信号幅值。附图(首脉冲压缩）Q驱的调制方式分类Q开关主动调制式Q机械转镜Q驱被动调制式Q电光Q驱声光Q驱染料式色心晶体GaussianBeamTopHat光斑BeamShaping（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TopHat，通过透镜组改变光束质量和形状产生。•加装BeamShaping的镜组，激光的BeamProfile由高斯光（Gaussian）改为TopHat，制程速度可提高2-4倍以上。高重叠率Highoverlap1.低速度Lowspeed(tacttime)2.高能量Highenergy(mayberesultindamage)低重叠率Lowoverlap1.高速度Highspeed(tacttime)2.低能量Lowenergy(maybefilmisn’tdeletedclearly)0%50%d重叠率计算——Overlap速度频率*光斑直径1—重叠率=半导体泵浦激光器介绍端面泵浦侧面泵浦半导体泵浦Q-SWYVO4crystalPumpingLDFiberforpumpinglightPumpingLDQ-SW端泵浦侧面泵浦1064nm1064nmYAG特点对比1.泵浦光与谐振腔模匹配良好，光束质量好。2.端面面积小，功率不高。1.发光面大，功率高。2.多模输出。激光测距准直对光束质量要求高的中小功率LD泵浦激光器工业加工打标要求大功率的LD泵浦激光器端面泵浦侧面泵浦应用范围端面泵浦红外激光、绿激光、紫外激光PumpingLD(808nm)1064nm半反镜片全反镜片Q-SWYVO4crystalFiberforpumpinglight一次倍频532nm二次倍频355nm紫外加工优势加工原理方面--紫外加工精度高于红外和绿光由于UV激光的短波长和高光子能量特点,其聚焦光斑可以更小,同时高能量UV光子直接破坏材料的分子键,相对于红外激光的“热熔”过程,UV激光加工时是“冷蚀”效应,这使得加工的尺寸可以更小,加工的精度得到提高热影响区较小热影响区较大紫外光可见光红外光不同波长的激光加工效果图355nm激光加工1064nm激光加工10.6μm激光加工电光转换效率:电光转换效率:掺镱光纤激光器:28%+灯泵浦YAG1.5-2%二极管泵浦YAG10-20%盘形激光器15-25%CO2:5-15%光纤激光器的光光转换效率通常为70-80%，而泵浦YAG仅约为4%，半导体泵浦YAG和盘形激光器约为40%。激光冷却系统冷水机系统原理制冷系统原理恒温冷水机的制冷系统原理图：压缩机冷却水能量调节阀电子膨胀阀干燥过滤器轴流风机板式换热器高温高压气体中温高压气体中温高压液体低温低压液体低温低压气体冷凝器恒温冷水机制冷系统工作原理制冷剂的流动方向：制冷时压缩机→冷凝器→干燥过滤器→电子膨胀阀→板式换热器→压缩机，如此往复循环不制冷时压缩机→能量调节阀→板式换热器→压缩机，如此往复循环注意：制冷管路上的阀门都是有方向性的，要注意阀体上的相关标注或说明恒温冷水机制冷系统工作原理部件的作用及工作过程压缩机：制冷剂在制冷系统里流动的动力源泉，把低温低压的制冷剂压缩成高温高压的制冷剂。制冷系统启动后，不管制冷与否，压缩机都是一直运转的（包括风机）。冷凝器及轴流风机：把制冷剂所吸收冷却水的热量散发在环境当中。散发的热量越多，说明吸收制冷剂冷却水的热量越多，冷却水的温度就会越低。一定要保证冷水机的散热情况良好。过滤器/干燥过滤器：在系统初运行的时候，过滤掉焊接产生的氧化皮或者制冷剂中的水份。电子膨胀阀：在制冷系统中起到对制冷剂开关和节流的作用。电子膨胀阀里面有一阀芯，当线圈得电产生磁场力