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相对而言,激光为单一波长的光,其特性称之为单色性。
单色性的优点在于可提高光学设计的灵活性。
光的折射率因波长不同而产生变化,自然光穿过镜头时,会因内含不同种类的波长,而产生扩散现象。
这种现象称为色差。
另一方面,激光为单一波长的光,只会朝相同方向折射。
例如,摄像头的镜头需要具备可校正因颜色导致的失真的设计,
但激光仅需考虑该波长即可,因此光束可长距离传送,实现小光斑聚光的精密设计。
指向性是指声音或光线在空间内前进时不易扩散的程度,指向性较高则表示扩散小。
自然光包含朝各种方向扩散的光,为提高指向性,需要靠复杂的光学系统去除前进方向以外的光。
相对而言,激光为指向性较高的光,让激光不扩散而直线前进,在光学设计上较为容易,可进行长距离传送等。
相干性表示光容易相互干扰的程度。
如果将光考虑为波,波段越相近则相干性越高。
例如,水面上不同的波相互碰撞时,可能相互增强或相互抵消,与这一现象相同,越随机的波干扰程度越弱。
激光的位相、波长、方向一致,可维持较强的波,从而实现长距离传送。
相干性较高的光,具有可长距离传送且不会扩散的特性,具备可通过镜头聚集成小光斑的优点,可将产生的光传送至别处,用
作高密度光。
激光具有优异的单色性、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。
可缩小至自然光达不到的绕射极限附近。
(绕射极限:
物理上无法将光聚焦成小于光波长的极限通过将激光缩到更小,可将光强度(功率密度提高至可用于切断金属的程度。
1.什么是激光?
2.激光的用途
3.关于激光的特性
4
要产生激光,就需要称为激光媒质的原子或分子。
从外部对该激光媒质照射能量(激发光,让原子由低能量的基态变换为高能量的激发态。
激发态是指原子内的电子从内侧向外侧外壳移动的状态。
原子变换为激发态后,经过一段时间会恢复为基态(从激发态恢复为基态的时间称为荧光寿命。
此时会将接收到的能量以光的形态辐射出去,恢复为基态(自发辐射。
这种辐射出的光具有特定的波长。
激光的产生原理是让原子变换为激发态,然后提取产生的光加以利用。
为将自发辐射光用作更强的激光,需要放大自发辐射光。
变换为激发态后一定时间的原子,会因自发辐射而辐射出光,并恢复为基态。
但激发光越强,激发态的原子数量就会增加,自发辐射光也会随之增加,从而产生受激辐射现象。
受激辐射是向受激原子入射自发辐射或受激辐射的光后,该光提供受激原子能量,让光成为相应强度的现象。
受激辐射后,激发原子恢复为基态。
激光的放大正是利用这种受激辐射,激发态的原子数量越多,受激辐射就会连续产生,从而可使光急速放大,并提取为激光。
4.激光振荡的原理
激发
自发辐射
受激辐射
5
侧面抽运方式YAG激光是以YAG结晶为激光媒质的一种固体激光。
YAG是指(YttriumAluminumGarnet的结晶,并添加Nd(Neodymium、钕。
激光器的构成是在与YAG结晶的轴平行的两侧配置激发用LD。
使用一对镜面构成谐振器,在两者之间配置Q开关。
振荡波长为1064nm。
侧面抽运方式是一种投入激发光的面积较大,可提高投入能量并容易获得高功率输出的
构成。
脉冲宽度较长,为100ns至数ms,可产生脉冲能量较大的脉冲,用于对金属的刻印、切断、雕刻、焊接。
*什么是Q开关
可改变光前进方向的元件。
将Q开关设为开启后,谐振器内的光被弯曲,流出谐振器外,振荡停止。
Q开关在开启状态时由于未产生振荡(无受激辐射,因此结晶内的激发原子会增加,处于放大率较高的状态。
在该状态下将Q开关设为关闭后,光会在揩振器内往返并急剧放大,从而可输出为脉冲。
工业用激光器大致分为4种。
使用的激光媒质或构造、振荡波长、激发源等不同。
激光媒质是一种包含可将激发光的能量转换为激光的原子的物质,激光的种类正是根据媒质进行分类。
5.
激光器的构造
CO2激光是以CO2气体为媒质的激光。
在填充有CO2气体的管内,配置电极板,以产生放电。
电极板连接外部电源,使其可投入高频率电力作为激发
源。
因电极间放电而在气体中产生等离子体,CO2分子会变换为激发态,该数量增加后开始受激辐射。
此外,为了让光往返而产生振荡,相对设置一对镜面,则构成了谐振器。
光会在全反射镜和输出镜之间往返,放大后输出为激光。
振荡波长一般为10.6μm。
气体成分构成为CO2在10%以下、氮N2
在30%左右、氙Xe在数%、其余为氦He。
各气体有其各自的功能,根据构造和激光的特性不同而改变成分。
重叠材质不同的半导体结晶以构成活性层(发光层,从而产生光。
让光在构成两端的一对镜面间往返从而放大,最终产生激光。
•固体激光:
一般为YAG激光和YVO4激光,激光媒质采用YAG、YVO4结晶。
•气体激光:
广泛使用采CO2气体为媒质的CO2激光。
•半导体激光:
以具有活性层(发光层构造的半导体为媒质的激光。
•光纤激光:
进入21世纪后广泛普及的一种激光,如字面所述,以光纤为媒质。
高频率回路
全反射镜
YAG结晶
输出镜
Q开关*
电极
CO2气体
基态基态
受激辐射状态
激发态激发态激发LD
激发LD
4:
固体激光(YVO4激光、侧面抽运方式)侧面抽运方式YVO4激光是以YVO4结晶为激光媒质的一种固体激光。
YVO4是指钒酸钇结晶,与YAG同样添加有Nd(钕)。
采用从YVO4YVO4结晶结晶端面单侧照射激发光的方式,以一对镜面构成揩振器,并在镜面间配置结晶和Q开关。
振荡波长与Nd:
YAG激光相同,为1064nm。
放大率较高,可使用较小的结晶,激光器长比YAG激光短。
因此,光可在更短时间内反复射入结晶,使光强度急剧增加。
与YAG相比,具有效率更高、峰值更高且脉冲更短的特点。
此外,结晶中心部的放输出镜激发用LD全反射镜基态激发态受激辐射状态Q开关大率较大,产生的光为单模光*,可输出高品质的激光。
*单模是指可在焦点位置聚集最小光斑的理想激光状态。
5:
光纤激光种子光源用LD前置放大器主要放大器隔离器光纤激光使用光纤为媒质,是长距离通信的中断放大技术发展为高功率输出激光的产物。
光纤由中心传输光的核心和以同心圆状包覆核心的金属包层构成。
光纤激光以该核心为激光媒质放大光。
因此核心中添加有Yb(Ytteribum、镱)。
光纤激光的构成一般是通过激光二级管(SeedLD)产生的称之为种子光源(SeedLight)的脉冲光,然后通过2个以上的光纤放大器进行放大。
激发用LD配备多个单管发射器(发光层为1个)LD。
各放大用光纤构造激发用LD激发用LD实现了长寿命。
此外,LD为低功率输出,因此具有热负荷较小的优点,该LD数量越多,越可实现高功率输出的激光。
光纤激光振荡效率较外层包覆高,与固体激光和气体激光相比,具有功率消耗较低的特点。
激发光放大用光纤(前置放大器、主要放大器)为3层构造,包括核心和2激光核心(添加Yb)层金属包层。
激发光进入内侧的金属包层(内层包覆)和添加有Yb的核心内,使核心内部的原子变换为激发态。
激光被封闭于核心内前进,再通过激发原子放大,在媒质内越前进,强度越强。
与固体激光或气体激光不同,光朝一个方向前进,不会往返。
内层包覆6:
S-MOPA*(基恩士独创)光纤基恩士的S-MOPA为新一代激光器,融合了YVO4激光的高品质和高强度,以及光纤激光的长寿命且散热特性优良的受激方式理念。
S-MOPA的特点在于由2个阶段构成,首先通过YVO4激光器(主激Q开关光器)产生脉冲,然后通过YVO4的放大器将该脉冲放大。
因此可维持主激光器所产生的高峰值、高品质脉冲,同时进行放大。
此外,采用具有光纤激光特点的单管发射器激发LD,与固体激光的巴条发射输出镜器LD(单个半导体芯片中具有多个发光面的LD)相比,热密度较低,YVO4放大YVO4振荡冷却负荷较小,虽为固体激光,却实现了长寿命。
后镜*Solid-stateMasterOscillatorPowerAmplifier:
直接将YVO4激光器的高品质光束,结合光纤激光中所使用的放大器技术,实现高功率输出化。
光源LD(激光二级管)采用散热性较高的单管发射器,实现长寿命化。
激发用LD(单管发射器)主激光器放大器6
6.关于脉冲特性和对工件的影响1:
YVO4和光纤激光的脉冲Peakpower=200kW目前为止已为您介绍了各种激光的构造,接下来确认YVO4激光YVO4激光和光纤激光的脉冲存在何种程度的差异。
YVO4激光和光纤激光的最大差异在于峰值功率和脉冲宽度。
峰值功率代表光强度,脉冲宽度代表光的持续时间。
YVO4具有容易产生高峰值、短脉冲光的特点,光纤具有容易产生低峰值、长脉冲光的特点。
激光照射到脉冲宽度≒5nsPeakpower<
10kW光纤激光材料时,加工结果会因脉冲的差异而产生较大变化。
脉冲宽度>120ns2:
对材料的影响YVO4激光光纤激光白树脂发色刻印镀镍刻印SUS深度刻印深度1μm•YVO4激光的脉冲会对材料短时间照射高强度的光,因此表面层较浅的区域会急速升温,然后立即冷却。
照射部分在沸腾状态下被冷却为发泡状态,蒸发后形成较浅的刻印。
在热量传递前照射便会结束,因此对周围的热影响较小。
深度8μm•另一方面,光纤激光的脉冲,则是长时间照射低强度的光。
材料温度缓慢上升,长时间维持液体或蒸发的状态。
因此,光纤激光适合刻入量变大、或金属承受大量热量而氧化需要变黑的黑色刻印。
7
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